土木工程概論第一講

土木工程與土木工程專業(yè)第一章概述主要內(nèi)容土木工程在國民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用土木工程土木工程專業(yè)土木工程發(fā)展簡史古代建筑近代土木工程現(xiàn)代土木工程發(fā)展1、土木工程在國民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用衣食住行與土木工程土木工程與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土木工程與政治、軍事、文化土木工程的概念土木工程（CivilEngineering）是建造各類工程設(shè)施的科學(xué)技術(shù)的統(tǒng)稱。它既指所應(yīng)用的材料、設(shè)備和所進(jìn)行的勘測、設(shè)計(jì)、施工、保養(yǎng)維修等技術(shù)活動(dòng)；也指工程建設(shè)的對(duì)象，即建造在地上或地下、陸上或水中，直接或間接為人類生活、生產(chǎn)、軍事、科研服務(wù)的各種工程設(shè)施，例如房屋、道路、鐵路、運(yùn)輸管道、隧道、橋梁、運(yùn)河、堤壩、港口、電站、飛機(jī)場、海洋平臺(tái)、給水和排水以及防護(hù)工程等。土木工程涉及的領(lǐng)域房屋工程、鐵路工程、道路工程、機(jī)場工程、橋梁工程、隧道及地下工程、特種工程、給排水工程、城市供熱供燃?xì)夤こ?、交通工程、環(huán)境工程、港口工程、水利工程等特種工程：特種工程，是指有著特殊用途的工程結(jié)構(gòu)，同時(shí)一些需要采用特殊施工工藝的工程也可以列入特種工程的范疇。地基處理工程、結(jié)構(gòu)加固改造、防水堵漏工程等土木工程專業(yè)土木工程專業(yè)是為了培養(yǎng)土木工程專門技術(shù)人才而設(shè)定的。世界上最早的土木工程專業(yè)建于1747年的巴黎路橋?qū)W校我國最早的土木工程專業(yè)建于1895年的天津大學(xué)“建筑老八?！?，是業(yè)內(nèi)乃至學(xué)界對(duì)較早開設(shè)建筑學(xué)、城市規(guī)劃相關(guān)專業(yè)，且在行業(yè)內(nèi)擁有重大影響力的八所高校的概稱，包括清華大學(xué)、東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)、華南理工大學(xué)、重慶建筑大學(xué)（已并入重慶大學(xué)）、哈爾濱建筑大學(xué)（已并入哈爾濱工業(yè)大學(xué)）和西安建筑科技大學(xué)。目前我國有近500所高校開展土木工程教育從土木工程人才的培養(yǎng)層次上，分為?？?、本科、碩士、博士按照大土木的人才培養(yǎng)定位與方案，土木工程下設(shè)建筑工程、道路工程、橋梁工程等專業(yè)方向，同屬于土木工程一級(jí)學(xué)科碩士、博士階段按照二級(jí)學(xué)科專業(yè)進(jìn)行培養(yǎng)，分為巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程、橋隧工程等土木工程發(fā)展簡史世界上最早的土木工程是古代社會(huì)的穴居、獨(dú)木橋、獨(dú)石橋、藤索道、長期活動(dòng)形成的道路新石器時(shí)代出現(xiàn)了土木和草泥修建的房屋。夯土技術(shù)在我國有幾千年的發(fā)展歷史（始建于17世紀(jì)的福建土樓是典范，2008年列為世界文化遺產(chǎn)）世界遺產(chǎn)評(píng)定準(zhǔn)則世界遺產(chǎn)是指被聯(lián)合國教科文組織和世界遺產(chǎn)委員會(huì)確認(rèn)的人類罕見的、目前無法替代的財(cái)富，是全人類公認(rèn)的具有突出意義和普遍價(jià)值的文物古跡及自然景觀。狹義的世界遺產(chǎn)包括“世界文化遺產(chǎn)”、“世界自然遺產(chǎn)”、“世界文化與自然遺產(chǎn)”和“文化景觀”四類。《保護(hù)世界文化和自然遺產(chǎn)公約》規(guī)定，屬于下列各類內(nèi)容之一者，可列為文化遺產(chǎn)（CulturalHeritage）：1.文物：從歷史、藝術(shù)或科學(xué)角度看，具有突出、普遍價(jià)值的建筑物、雕刻和繪畫，具有考古意義的成分或結(jié)構(gòu)，銘文、洞穴、住區(qū)及各類文物的綜合體；2.建筑群：從歷史、藝術(shù)或科學(xué)角度看，因其建筑的形式、同一性及其在景觀中的地位，具有突出、普遍價(jià)值的單獨(dú)或相互聯(lián)系的建筑群；3.遺址：從歷史、美學(xué)、人種學(xué)或人類學(xué)角度看，具有突出、普遍價(jià)值的人造工程或人與自然的共同杰作以及考古遺址地帶。克里姆林宮俄羅斯1156年，木結(jié)構(gòu)1367年，石城15世紀(jì)后期，磚結(jié)構(gòu)東正教風(fēng)格建筑1990年列入世界遺產(chǎn)名錄克里姆林宮鐘王與炮王杰內(nèi)古城——“尼日爾河谷的寶石”“尼日爾河谷的寶石”——杰內(nèi)古城位于馬里公元765年土木結(jié)構(gòu)蘇丹建筑風(fēng)格1907-1909年重建1988年《世界遺產(chǎn)名錄》“尼日爾河谷的寶石”——杰內(nèi)古城位于馬里公元765年土木結(jié)構(gòu)蘇丹建筑風(fēng)格1907-1909年重建1988年《世界遺產(chǎn)名錄》馬里民居拉利貝拉巖石教堂拉利貝拉巖石教堂埃塞俄比亞亞的斯亞貝巴以北350千米第七代國王拉利貝拉(1176～1207)拉利貝拉-“蜜蜂認(rèn)可他的君主權(quán)力”巖石結(jié)構(gòu)，整體雕琢1978年，世界自然遺產(chǎn)貝寧阿波美王宮貝寧-西非中南部在歷史上與“象牙海岸”、“黃金海岸”相并列被稱為“奴隸海岸”土木結(jié)構(gòu)：土坯外墻、茅草屋頂、木竹門窗1645年達(dá)荷美王國建造了第一座王宮。1985年被列入《世界遺產(chǎn)目錄》《世界瀕危遺產(chǎn)目錄》貝寧阿波美王宮貝寧-西非中南部在歷史上與“象牙海岸”、“黃金海岸”相并列被稱為“奴隸海岸”土木結(jié)構(gòu)：土坯外墻、茅草屋頂、木竹門窗1645年達(dá)荷美王國建造了第一座王宮。1985年被列入《世界遺產(chǎn)目錄》《世界瀕危遺產(chǎn)目錄》圣米歇爾山及其海灣法國小島，距海岸兩公里海拔88米，經(jīng)常被大片沙岸包圍，僅漲潮時(shí)才成為島11世紀(jì)起擴(kuò)建羅馬式、哥德式、文藝復(fù)興式1979年列入世界遺產(chǎn)名錄圣米歇爾山及其海灣法國小島，距海岸兩公里海拔88米，經(jīng)常被大片沙岸包圍，僅漲潮時(shí)才成為島11世紀(jì)起擴(kuò)建羅馬式、哥德式、文藝復(fù)興式1979年列入世界遺產(chǎn)名錄布達(dá)城堡匈牙利13世紀(jì)后期建造石砌建筑1987年認(rèn)定為世界遺產(chǎn)布達(dá)城堡匈牙利13世紀(jì)后期建造石砌建筑1987年認(rèn)定為世界遺產(chǎn)希巴姆老城也門10世紀(jì)—100年前土坯結(jié)構(gòu)最高30米1982年被認(rèn)定為世界遺產(chǎn)拉薩布達(dá)拉宮中國西藏宮堡式建筑群始建于公元7世紀(jì)藏王松贊干布時(shí)期1994年被認(rèn)定為世界遺產(chǎn)巖石砌筑埃及金字塔埃及始建于4500年前據(jù)說是古埃及法老（即國王）和王后的陵墓石塊修砌1979年列入世界遺產(chǎn)萬里長城始建于春秋戰(zhàn)國時(shí)期，始修于燕王公元前七八世紀(jì)開始，修筑了2000多年，秦長城、明長城磚砌結(jié)構(gòu)1987年列為世界遺產(chǎn)故宮明代永樂十八年（1420年）明、清兩代的皇宮世界現(xiàn)存最大、最完整的木質(zhì)結(jié)構(gòu)的古建筑群。1987年,被列入世界文化遺產(chǎn)名錄羅馬斗獸場意大利羅馬斗獸場，亦譯作羅馬大角斗場、羅馬競技場、羅馬圓形競技場、科洛西姆、哥羅塞姆，原名弗萊文圓形劇場建于公元72至82年間，是古羅馬文明的象征。石砌+混凝土1980年列入《世界遺產(chǎn)名錄》科隆大教堂德國它始建于1248年，工程時(shí)斷時(shí)續(xù)，至1880年才由德皇威廉一世宣告完工，耗時(shí)超過600年，至今仍修繕工程不斷。石砌建筑1996年被列入《世界遺產(chǎn)目錄》。雅典衛(wèi)城希臘始建于公元前580年。衛(wèi)城中最早的建筑是雅典娜神廟和其他宗教建筑。白色石灰石砌筑1987年列入世界遺產(chǎn)名錄泰姬陵印度1631年開始動(dòng)工，歷時(shí)22年，是莫臥兒王朝第5代皇帝沙賈汗為了紀(jì)念他已故皇后阿姬曼·芭奴，即泰姬·瑪哈爾而建立的陵墓，被譽(yù)為“完美建筑”。它由殿堂、鐘樓、尖塔、水池等構(gòu)成，全部用純白色大理石建筑，用玻璃、瑪瑙鑲嵌，極高的藝術(shù)價(jià)值。是伊斯蘭教建筑中的代表作。1983年被列入世界遺產(chǎn)名錄。古代土木工程的特點(diǎn)和成就在建筑材料方面：從利用天然的土、木發(fā)展到夯土技術(shù)、磚瓦燒制技術(shù)、石材與木材加工技術(shù)，到利用火山灰混凝土建造拱頂?shù)仍诮ㄔ旒夹g(shù)方面：從簡單的穴居到單層多層房屋，最后發(fā)展到建造大跨度、大空間建筑在發(fā)展結(jié)構(gòu)形式方面：從利用天然洞穴到搭設(shè)簡單的木架，到木結(jié)構(gòu)桁架、斗拱、磚石混凝土拱頂近代土木工程1824年波特蘭水泥的發(fā)明和1856年轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)志著近代土木工程的開始建造技術(shù)從依靠經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展到了以力學(xué)為基礎(chǔ)的科學(xué)建造時(shí)代力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)學(xué)飛速發(fā)展，逐漸形成了系統(tǒng)的知識(shí)與理論體系，土木工程設(shè)計(jì)建造理論也逐步發(fā)展成為一門完整的學(xué)科——結(jié)構(gòu)工程力學(xué)1774年歐拉建立了柱的軸心受壓屈曲理論，使結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的穩(wěn)定性分析成為現(xiàn)實(shí)1773年庫倫提出了材料強(qiáng)度概念和擋土墻壓力理論，為材料力學(xué)與土力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)1825年維納建立了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的容許應(yīng)力分析方法，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了通用方法20世紀(jì)上半頁克勞斯提出了力矩分配法，促進(jìn)了鋼架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用土力學(xué)與地基基礎(chǔ)工程1773年、1776年庫倫發(fā)表了土壓力滑動(dòng)楔體理論和土的抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則1856年達(dá)西發(fā)表了水在沙土中的線性滲透定律，達(dá)西定律1885年博西內(nèi)克斯發(fā)表了半無限彈性體中應(yīng)力分布的計(jì)算公式1900年莫爾提出了土的強(qiáng)度理論19世紀(jì)末20世紀(jì)初阿特貝里提出了黏性土的塑性界限及分類1925年太沙基出版了第一步《土力學(xué)》鋼結(jié)構(gòu)工程鋼結(jié)構(gòu)工程是以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu)19世紀(jì)中葉，由于設(shè)計(jì)理論的成熟和鋼材材料的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)才開始廣泛應(yīng)用世界著名的橋梁之一，是近代橋梁工程的一項(xiàng)奇跡。大橋雄峙于美國加利福尼亞州長1900多米的金門海峽之上，歷時(shí)4年和10萬多噸鋼材，耗資達(dá)3550萬美元建成，由橋梁工程師約瑟夫·施特勞斯（1870—1938年）設(shè)計(jì)。埃菲爾鐵塔矗立在法國巴黎的戰(zhàn)神廣場，巴黎城市地標(biāo)之一，也是巴黎最高建筑物，高300米，天線高24米，是巴黎最高的建筑物，于1889年建成，得名于設(shè)計(jì)它的著名建筑師、結(jié)構(gòu)工程師古斯塔夫·埃菲爾。11500噸，259萬個(gè)鉚釘鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與不足：鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件較小，質(zhì)量較輕，便于運(yùn)輸和安裝，便于裝拆、擴(kuò)建。適用于跨度大、高度高，承載重的結(jié)構(gòu)。1.鋼材的材質(zhì)均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，可靠度高；2.鋼材的強(qiáng)度高，塑性和韌性好，抗沖擊和抗振動(dòng)能力強(qiáng)；3.鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高，工廠制造，工地安裝，加工精度高，制造周期短，生產(chǎn)效率高，建造速度快；4.鋼結(jié)構(gòu)抗震性能好；5.耐腐蝕和耐火性差。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍

一、大跨度結(jié)構(gòu)：體育場、館、會(huì)展中心、會(huì)堂、劇場、飛機(jī)庫、機(jī)車庫等。二、高層建筑：紐約的西爾斯大廈共110層，總高443m；深圳的地王商業(yè)大廈總高368m；上海金茂大廈共88層，總高420.5m。紐約世貿(mào)雙塔，共110層，總高411m；三、工業(yè)建筑大噸位吊車，煉鋼車間，船體車間，水壓機(jī)車間。四、高聳結(jié)構(gòu)(塔桅結(jié)構(gòu))高壓輸電塔，微波站，雷達(dá)站，火箭發(fā)射塔，海洋石油平臺(tái)。隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)發(fā)展，塔桅結(jié)構(gòu)由單一功能向多功能方向發(fā)展，如加拿大多倫多的電視塔為全鋼結(jié)構(gòu)，我國黑龍江省336m高的全鋼結(jié)構(gòu)多功能電視塔。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍六、活動(dòng)式結(jié)構(gòu)水工鋼閘門，升船機(jī)，三峽的升船機(jī)120×18×3.5m，最大提升高度113m，重11800T。七、可拆卸或移動(dòng)的結(jié)構(gòu)鋼棧橋、移動(dòng)式平臺(tái)，發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)重量輕，便于運(yùn)輸和安裝的優(yōu)點(diǎn)。加拿大已建成120多萬噸，可容納5000多人的海上采油平臺(tái)。八、高壓容器和大直徑管道三峽水利樞紐工程中的發(fā)電機(jī)組壓力鋼管內(nèi)徑達(dá)12.4m，鋼管壁厚60mm。九、抗震要求高的結(jié)構(gòu)十、特種結(jié)構(gòu)鋼煙囪、鋼水塔，紀(jì)念性建筑、城市大型雕塑?；炷两Y(jié)構(gòu)工程波特蘭水泥因起源于英國‘Portland’而得名，在我國稱作硅酸鹽水泥。普通硅酸鹽水泥或普通波特蘭水泥指硅酸鹽水泥含有5~20%的活性混合材。更高混合材含量（大于20%）的硅酸鹽水泥，水泥名稱包含混合材名稱，例如礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥（含兩種以上混合材）。1886年德國Koenen發(fā)表了混凝土結(jié)構(gòu)理論和設(shè)計(jì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)是指兩種或多種不同材料組成一個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件而共同工作的結(jié)構(gòu)（CompositeStructure）。鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是繼木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之后發(fā)展興起的第五大類結(jié)構(gòu)。從廣義概念上看，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就是具有代表性的組合結(jié)構(gòu)的一種。組合結(jié)構(gòu)分類：組合結(jié)構(gòu)通常是指鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中鋼又分為鋼筋和型鋼，混凝土可以是素混凝土也可以是鋼筋混凝土。國內(nèi)外常用的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)主要包括以下五大類：（1）壓型鋼板混凝土組合板；（2）鋼—混凝土組合梁；（3）鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)（也稱為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或勁性混凝土結(jié)構(gòu)）；（4）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；（5）外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)。壓型鋼板混凝土組合板鋼板暴露在外，耐火性差耐腐蝕性能差造價(jià)高，每平方米增加費(fèi)用混凝土的模板提供平整頂棚重量輕方便吊裝參與受力肋部可安裝管線減輕樓板自重施工階段鋼板側(cè)向支撐鋼—混凝土組合梁1.節(jié)約鋼材。2.降低梁高。3.增加梁的剛度4.增加梁的承載力。5.降低沖擊系數(shù)。6.抗震性能好，抗疲勞強(qiáng)度高。7.局部受壓穩(wěn)定性能良好。8.使用壽命長。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件。1.承載力大大提高2.具有良好的塑性和抗震性能。3.經(jīng)濟(jì)效果顯著：和鋼柱相比，可節(jié)約鋼材50%，降低造價(jià)45%；和鋼筋混凝土柱相比，可節(jié)約混凝土約70%，減少自重約70%，節(jié)省模板100%，而用鋼量約略相等或略多。4.施工簡單，可大大縮短工期。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)由混凝上包裹型鋼做成的結(jié)構(gòu)被稱為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。它的特征是在型鋼結(jié)構(gòu)的外面有一層混凝土的外殼。我國過去也采用勁性鋼筋混凝土這個(gè)名稱。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)1．型鋼混凝土的型鋼可不受含鋼率的限制，其承載能力可以高于同樣外形的鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力一倍以上；可以減小構(gòu)件的截面，對(duì)于高層建筑，可以增加使用面積和樓層靜高。2．型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的施工工期比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工期大為縮短。3．型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的延性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)明顯提高，尤其是實(shí)腹式的構(gòu)件。因此在大地震中此種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出優(yōu)良的抗震性能。日本抗震規(guī)范規(guī)定高度超過45m的建筑物不得使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。而型鋼混凝土結(jié)構(gòu)則不受此限制。4．型鋼混凝土框架在耐久性、耐火度等方面均勝一籌。外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)是外