1、土木工程概论前言土木工程是一个覆盖面非常广阔的工程学科，按工程对象的不同，有以下分支：建筑工程、桥梁工程、岩土工程、隧道和地下工程、轨道交通工程、道路与机场工程、港口工程、矿井工程等，国际上还包括水利工程、给水排水工程、暖气通风工程等；按工作内容的不同，有以下分工：设计、施工、管理、咨询、监理、投资、教育、研究、开发等的技术和管理工作；按工作性质的不同，有以下几种职业：工程技术人员、教师和研究人员等。在高等学校内设置土木工程专业就是为了培养土木工程所需的各类人员。在土木工程专业开设的课程中，一般都在第一学期为刚入学的新同学开设土木工程概论课程。其目的就是让刚进入土木工程专业学习的学生通过土木工
2、程概论课程的学习能够对土木工程的工作对象、工作内容和工作性质有一概略且较完整的了解，有助于学生能够结合自己的特点和兴趣，对大学期间的学习作出合理的考虑和安排。本课程共包含 12 章内容：第 1 章和第 2 章主要介绍什么是土木工程、土木工程师的职业内容、土木工程师是怎样工作的、土木工程师应具有的知识结构和能力结构以及学生应怎样适应大学的专业教育环境。第 3 章到第 12 章则分别介绍土木工程的分支，分别为土木工程材料、建筑工程、桥梁工程、轨道交通工程、隧道工程、水工结构物、海洋工程结构、土力学与基础工程、水利工程和减灾。对于参加工程管理专业自学考试的同学来讲，本课程的重点章节为第 4 章到第
3、8 章共 5 章，次重点章节为第 1 章到第 3 章共 3 章，一般章节为第 9 章和第 10 章共 2 章，第 11 章和第 12 章不列入考核范围。第 1 章 土木工程和土木工程师1.1 什么是土木工程土木工程的定义：土木工程是建造各类工程设施的科学技术的总称，它既指工程建设涉及的工程材料和设备相关的勘测、设计、施工和保养维修等技术活动，也指工程建设的对象，如房屋、道路、铁路、运输管理、隧道、桥梁、运河、堤坝、港口、电站、机场、海洋平台、给水排水以及防护工程等。古代社会没有土木工程师和建筑师的区分（统称为建筑师） ，直到 18 世纪，从事公共建筑设施规划设计、建造和保养维修的专业人士开始称
4、自己为“土木工程师” 。1761 年，著名的 Eddy 灯塔的设计和建造者 John Smeaton 成立了土木工程协会，并第一个称自己为“土木工程师” ，使公众开始了解土木工程师的职业和他们所从事的工作。土木工程与我们的日常生活密切相关，并在人类的发展历史中起到了重要的作用。各种大大小小的工程结构的建造，不论是在设计、规划还是在工程的管理上，都需要土木工程师来完成。土木工程是一门古老的学科，它已经取得了巨大的成就，未来的土木工程将在人们的生活中占据更重要的地位。科技的发展以及地球不断恶化的环境也将促使土木工程向太空和海洋发展，为人类提供更广阔的生存空间。另外，各种工程材料新技术的涌现也将推动
5、土木工程的进步。传统的工程材料主要是钢材、钢筋、混凝土、木材和砖材。在未来，传统材料将得到改良，一些全新的更加适合建筑的材料将问世，尤其是化学合成材料将推动建筑走向更高点。同时，设计方法的精确化，设计工作的自动化，信息和智能技术的全面引入，将会使人们有一个更加舒适的居住环境。1.2 土木工程的分支广义的土木工程涵盖的技术领域：建筑工程、交通土建工程、井巷工程、水利水运设施工程、城镇及建筑环境设施工程、防灾减灾工程。土木工程的分支（从学科角度划分）：结构工程、水利与水资源工程、环境工程、交通工程、测量工程和岩土工程等。结构工程：是与建筑和桥梁结构设计及建造相关的科学技术。水资源工程：涉及水供应和
6、水系网络、洪水和洪涝灾害的控制、水利和水质相关的环境问题以及水质环境遥感预测的规划、管理、设计和运营等。环境工程：不仅涉及水的环境质量，还包括空气质量和土地的使用。环境工程师关注大气污染、水污染、固体废物处理、放射性有害物质控制、昆虫灾害控制和安全洁净水的供应等与环境有关的问题。交通工程：是采用某种方式将人群或物体有序高效地从一个地方运送到另一个地方的科学技术。测量工程：是对地表进行精密测量以获取工程项目所在位置的可靠信息。岩土工程：是土木工程中处理工程项目设计施工中与土、岩石和地下水相关的专门技术。1.3 若干位历史记载的著名土木工程师约瑟夫阿斯普丁：英国人，1824 年发明了“波特兰”水泥
7、（即硅酸盐水泥） 。约翰 斯米顿：英国人，是历史上第一个称自己为土木工程师的人，以区别于当时的军事工程师。1771 年，他成立了历史上第一个工程专业协会，即土木工程师协会。他以设计和建造英国 Eddy 灯塔而著名。卡尔 太沙基：奥地利人，土力学之父，将土的固化、侧压、承载能力和稳定理论引进了土力学。詹天佑：中国江西人，铁路工程专家，1905 年被清政府任命为总工程师，主持修建了我国自建的第一条铁路 京张铁路。茅以升：我国著名土木工程学家、桥梁专家、工程教育家，中国近代桥梁事业的先驱。20 世纪 30 年代，他主持设计并组织修建了钱塘江公路铁路两用大桥。1.4 科学、技术和工程工程：是将科学理论
8、应用于人们社会实践活动的一门专门艺术，它的主要作用是把自然资源转化为人类服务。工程师：是掌握并运用科学理论知识和数学工具，具备专业技术能力和良好职业道德，具有创新意识，解决问题满足人类需求的专业技术人员。工程师应该兼具科学家和数学家的素质，具有创新意识，知任善断，善于解决问题，工程师应具备良好职业道德和为公众社会服务的责任心，工程师还应是一位改革创新者，要充分意识技术变革对社会将产生巨大的影响。技术：人运用自己的知识，采用工具或其他方式使人们生活得更方便或舒适。人类利用技术来改善和提高工作能力。通过技术，人们能更好地相互通信交流。技术使人们能用上更好的产品。科学和技术的关系：两者密切关联。科学
9、是技术得以存在的基础。技术是科学理论的应用。科学家：其工作的主要目的是获取和增加人类对自然的知识和了解。在追求新知识的进程中，科学家要进行系统的研究。科学家与工程师的区别：科学家探寻的是对自然现象和规律的更深理解，工程师则侧重于自然现象和规律知识的应用，来开发出新的装置和工艺。工程师开展研究的目的是为了解决实际问题，科学家是为认识和了解自然现象和科学规律而进行研究，其研究的目的不在于是否具有实际应用背景。1.5 土木工程师的工作做什么土木工程师的工作范围：（1）丈量和测绘地表；（2）设计并指导桥梁、隧道、房屋、堤坝和海岸结构的施工；（3）道路、公路、铁路和机场的规划、设计和施工；（4）高效交通
10、流程和控制的系统设计；（5）水利灌溉和防洪工程的设计与施工；（6）给水排水体系以及废弃物处理；（7）管理大型工程项目。土木工程师可以细分为各类专长，这些专长相对独立，但又相互关联。结构工程师：从事各类工程的设计和技术指导。施工工程师（建造师）：在施工现场工作，其职责是在现场将图纸转化为混凝土和钢的实体。测绘测量工程师：其工作在工程设计前开始并伴随工程的整个进行过程。测量工程师采用大量的电子仪器甚至借助卫星技术来进行工程测量。交通工程师：其工作涉及与整个公共交通系统有关的规划、设计、施工和维护管理等一切活动。环境工程师：其工作涉及采用科学技术和方法来进行供水处理和废水处理、土表恢复补偿、水管、沟
11、渠、固体废料处置等技术工作，并尽量减少人类这些活动对环境的不利影响。水利工程师：从事与水相关的规划、设计、施工和日常维护的技术工作。岩土工程师：负责了解并确定结构基础以下的岩石层和土的条件及特性，这些参数会影响上部道路、水库、桥梁以及其他大型结构的安全性。1.6 土木工程师是怎样工作的土木工程师的工作程序：收集数据、计划或规划、设计、经济分析、现场施工以及日常运营或维护。工程项目的规划：通过较大范围的规划分析来确定工程所涉及相关设施的未来需求，要进行尽可能远的需求分析，如果需要，应进行针对近期需求的初步设计。工程设计：是一个综合过程，是通过采用方案规划和场地勘察的相关数据，根据业主的要求，设计
12、出能满足功能要求的、并可在业主预算下建造出来的结构或设施的过程。1.7 土木工程师职业土木工程师的职业可分为三大类：咨询、承包和维护。咨询工程师：其职责一般涵盖工程项目总体准备、项目的造价估算、项目监理、场地勘察、项目的工程设计，以及现场施工的督查指导等。工程承包行业的土木工程师（即建造师）：其工作是进行现场的具体工程测量、获取所供材料的相关资料、安排工程施工的实施细节方案，并决定现场所需的施工机械种类、数量以及所需的劳动力人数。市政工程师：承担着地方和中央政府管辖的公共基础设施项目的规划、督管和维护管理。可行性分析：所有重要的项目，启动前都会有一个详细的项目可行性分析，在对众多可能性方案的初
13、步分析基础上，给出一个或几个建议方案。1.8 土木工程的明天未来的土木工程师既面临挑战，又充满机遇。挑战：人口增长，基础设施老化，各种自然灾害等。机遇：中国经济的快速发展为土木工程的发展提供了难得的机遇，目前全世界过半的土木工程项目是由中国人完成的（我国钢材和水泥的产量均超过世界总产量的一半） 。第 2 章 为土木工程师准备的大学教育2.1 土木工程师应当具有哪些必要的知识大学的工程教育包含基础教育和专业教育。基础教育的首要任务是培养学生的科学素养。土木工程专业的基础教育课程不仅包括高等数学、大学物理、大学化学、计算机等理工类课程，还开设有人文社科类课程，如哲学、文学、历史学等，以及经济学、管
14、理学的课程。土木工程的专业教育由两部分构成：专业基础与专门化知识。专业基础涉及的课程：材料力学、结构力学、弹性力学、土力学与基础工程、工程制图、工程管理等。专门化知识：土木工程专业包含许多专门领域（如房屋建筑工程、桥梁工程、道路工程等） ，教学计划中与之相对应开设了专门的课程组，要求高年级学生能够掌握某一专门化方向的知识系统，从而学会如何设计、分析、组织和实施工程项目。2.2 大学的专业教育能为学生提供什么课程：课程的性质一般有必修课、推荐选修课（限定选修课）和任意选修课。教师：大学教师也给学生上课、布置和批改作业、针对一些专题安排学生的课堂讨论，指导实验和实习，组织课程考试并给出成绩。同时，
15、大学教师往往还是科学家或工程师。不过，大学教师很少直接监督学生的一般学习过程。实验室：大学工程专业的实验室内装备有各种实验设备和测试仪器并且面向所有学生开放，可以帮助学生完成基本和全面的训练。实验室提供详尽的实验指导书，实验类型有演示、验证、技能操练和自行探索等多种。实践环节：包括实验室工作、工程设计作业（含课程设计、毕业设计等） 、工程施工现场的参观和实习、户外地质勘探、各种对象的工程测量等。图书馆：馆藏出版物，包括书籍、期刊、报刊、报告和各种论文，提供给学生取之不尽的知识源泉。2.3 未来土木工程师应有怎样的能力土木工程师应具备的 5 种能力：（1）应用知识的能力；（2）进行实验和解释数据
16、的能力；（3）设计能力；（4）与团队协调工作的能力；（5）表达和有效沟通的能力。2.4 怎样适应大学的专业教育环境课程学习：是大学期间最重要的任务。校园活动：通过积极参与课外的校园活动促进自己全面发展。体育锻炼：养成体育锻炼的习惯，这并非是对土木工程专业学生的特殊要求，因为保持身体健康将帮助所有学生以充分的自信和精力投入学习和将来的职业发展。意识到自己的社会责任：工程师们负责设计、建造的每一个工程项目都不仅要解决技术问题，更重要的是在工程技术问题后面，第一位的是生命和财产的安全，同时还要考虑其对环境和可持续发展的影响。土木工程专业的学生从大学时代起就应该意识到自己的社会责任，注意培养起自己关心
17、人类和自然和谐发展的情怀。2.5 树立终身学习的理念大学教育给予学生的只是今后成为工程师的初步训练。在完成大学学业后，还必须继续学习，在工作实践中学习。在有经验的老工程师指导下，通过工程项目的规划、设计、施工等过程，熟悉各种相关法律、规范、技术标准，学会处理各种实际问题。2.6 我国土木工程专业教学指导意见土木工程专业教学指导意见的核心是要求办学院校切实按照宽口径专业规格进行专业建设和学生培养。同时，给各院校以充分的自主性，在保证宽口径和基本培养规格的前提下，各院校可以在课程设置、教材选用、教学重点、培养方式等方面，根据自己的条件办出自己的特色。第 3 章 土木工程材料3.1 概述土木工程材料
18、的重要性：土木工程材料是建筑物的重要物质基础，在任何一项建筑物中，土木工程材料的投资都占有非常大的比重。土木工程中许多技术突破，往往依赖于土木工程材料性能的改进和提高。土木工程材料的分类：木材、石材、金属材料、水泥、混凝土、砌块、沥青材料、合成高分子材料等。3.2 木材木材是最早用于土木工程的材料之一。约在距今 4000-10000 年前的新石器时代，人类学会了加工木材，然后修筑简单的住所，成为最早的木结构建筑。木材的优点：轻质高强；有较高的弹性和韧性；易加工；承受冲击和振动作用好；导热系数低；保温隔热；具有较好的耐久性；装饰效果好；绝缘性能强；无毒性。木材的缺点：构造不均匀，呈各向异性；自然
19、缺陷多，影响材质和使用率；湿胀干缩，易产生干裂和翘曲；易腐蚀、霉烂和虫蛀；耐火性差，易燃烧。木材的主要物理和力学性质：含水率、湿胀干缩、表观密度和强度。木材的强度：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。有顺纹强度和横纹强度之分。木材的顺纹强度比其横纹强度要大得多。在工程上均充分利用木材的顺纹强度。木材强度以顺纹抗拉强度为最大，其次是抗弯强度和顺纹抗压强度。影响木材强度的主要因素：含水率、密度、颗粒结构、温度和木材缺陷。其中木材的密度是影响其强度的最主要因素。密度越大，强度越高；密度越小，强度越低。木材的分级：根据木材的缺陷情况，可将木材分为一、二、三、四等。结构和装饰用木材一般选用等级高的木
20、材。按照承重结构的受力要求对木材进行分级，分为、三级。一般级木材用于受拉或受弯构件；级木材用于受弯或受压构件；级木材用于受压构件及次要受弯构件。3.3 金属材料在土木工程中，使用最多的金属材料是钢材。钢材的优点：品质均匀、强度高，具有一定的弹性和塑形变形能力，能够承受冲击、振动等荷载；可加工性能好，可以进行各种机械加工，也可通过铸造的方法，将钢铸造成各种形状；还可以通过切割、铆接或焊接等多种方式的连接，进行装配法施工。钢材的缺点：容易腐蚀，维修费用高，而且能耗大、成本高、耐火性差。土木工程结构用钢：碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。钢结构用钢：热轧型钢、冷弯薄壁型钢、热（冷）轧钢
21、板、钢管、钢丝绳和钢绞线等。钢筋混凝土用钢：热轧钢筋、冷轧带肋钢筋和预应力筋。专门结构用钢：桥梁结构钢和钢轨钢。桥梁结构钢的要求：除了具有较高的强度外，还要具有良好的塑性、韧性、可焊性和较高的疲劳强度，具有良好的抗大气腐蚀性。钢轨钢的要求：不仅具有较高的强度以承受较高的压力和抗剥离能力，而且还要具有较高的耐磨性、冲击韧性和疲劳强度。钢材的防腐：（1）涂敷保护膜；（2）电化学防腐；（3）制成合金钢。3.4 水泥1824 年，英国的约瑟夫 阿斯普丁发明了波特兰水泥（即硅酸盐水泥） 。水泥的发明是土木工程材料历史上的一个重要里程碑。水泥是最常用的土木工程材料之一。用水泥制成的砂浆和混凝土，坚固耐用，
22、广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。水泥的分类：按其组成可分为常用水泥和特种水泥两类。常用水泥是以硅酸盐水泥熟料为主要组分的水泥；特种水泥是指水泥熟料为非硅酸盐类的水泥。水泥的组成：由水泥熟料、混合材和石膏按一定比例混合而成。水泥混合材：有活性混合材和非活性混合材两大类。活性混合材一般可提高水泥强度，而非活性混合材会降低水泥强度，但可以减少水化热。3.5 混凝土混凝土是由胶凝材料（如水泥）将集料（骨料）胶结而成的固体复合材料。混凝土是现代土木工程中应用最广、用量极大的人造建筑材料。混凝土的分类：根据混凝土中胶凝材料的不同分为水泥混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土、树脂混凝土、沥青混凝土等。其中
23、在土木工程中使用最广泛的是水泥混凝土。混凝土的优点：具有较高的强度和耐久性，可以通过调整其组分，使其具有不同的物理力学特征，以满足各种工程的不同要求；混凝土拌合物具有可塑性，便于浇筑成各种形状的构件或结构；能与钢筋牢固地结合成坚固、耐久、抗震且经济的钢筋混凝土结构；经久耐用，维修费用低。混凝土的缺点：抗拉强度低，一般不用于承受拉力的结构；在温度、湿度变化的影响下容易产生裂缝。混凝土的应用：水泥混凝土是随着硅酸盐水泥的出现而问世的。随着科学技术的进步，混凝土的强度不断提高，性能不断完善，品种不断增加。进入 20世纪以来，混凝土已经成为土木工程中至关重要的一种建筑材料，因而受到广泛的关注。它被广泛
24、应用于工业与民用建筑、给水排水工程、水利水电工程、交通工程以及地下工程、国防建设等。混凝土的主要技术性质：混凝土拌合物的和易性、凝结特性，硬化混凝土的强度、耐久性等。混凝土的强度：分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。其中以抗压强度为最大，故混凝土主要承受压力。混凝土的组成：主要由水泥、水、骨料三种材料组成。为改善混凝土的性能，常加入一定量的混凝土外加剂。为降低成本、改善混凝土的性能还加入一些掺合料。骨料：普通混凝土所用骨料按粒径大小分为两种，粒径大于 5mm 的称为粗骨料（通常为石子） ，粒径小于 5mm 的称为细骨料（通常为砂） 。混凝土外加剂：在拌制混凝土过程中掺入的不超过水泥质
25、量 5%的能按要求改善混凝土性能的物质，称为混凝土外加剂。混凝土外加剂可改善混凝土的和易性和硬化后的混凝土性能，并收到节省水泥、节约能源、加快施工速度、减轻劳动强度等效果。混凝土掺合料：为节约水泥，改善混凝土的性能，在混凝土拌制时掺入量大于水泥质量 5%的矿质粉末，称为混凝土掺合料。混凝土外加剂和矿物掺合料已成为配制混凝土时所必需的原材料，因为它们能够改善混凝土的和易性、强度和耐久性，而且能帮助混凝土利用更多的固体废弃物，节省资源、能源，保护环境，提高混凝土的绿色化水平。混凝土配合比：是指混凝土各组成材料数量之间的比例关系。常用的表示方法有两种：一种是以 1m3 混凝土中各组成材料的质量表示；
26、另一种方法是以各项材料相互间的质量比（常以水泥质量为 1）来表示。3.6 砂浆砂浆的作用：砂浆在土木工程中也具有重要作用。砂浆在土木工程中主要起粘结、传递荷载、附着、保护、防水、装饰等作用。砂浆的组成：由胶凝材料、细骨料、外加剂和水等材料按适当比例配制而成。按胶凝材料不同，砂浆可分为水泥砂浆、石灰砂浆和混合砂浆等。砂浆的强度等级：根据砂浆的抗压强度划分为M2.5、M5.0、M7.5 、M10、M15、M20、M25 和 M30 等。影响砂浆强度的因素主要有材料性质、配比和施工质量等。3.7 沥青材料沥青材料的特性：沥青是一种憎水的胶凝材料，常温下呈黑色或黑褐色固体、半固体或粘稠状的液体，与矿物
27、材料有较强的粘结力，具有良好的防水、抗渗、耐化学腐蚀性。主要用于生产防水材料、防腐材料和铺筑沥青路面等。工程上使用的沥青材料主要是石油沥青和煤沥青，其中因为石油沥青的性质优于煤沥青，故应用最广。沥青材料的应用：通常按照工程应用特性，将石油沥青分为道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青三类。道路石油沥青主要在道路工程中用作胶凝材料，用来与碎石等矿物质材料配制成沥青混合料。建筑石油沥青主要用于制作油纸、油毡和防水涂料等。这些材料大部分应用于屋面及地下防水、沟槽防水、防腐蚀及管道防腐工程等。3.8 合成高分子材料高分子材料的特性：具有密度低、比强度高、耐水性及耐化学腐蚀性强、抗渗性及防水性好、装饰
28、性好、易加工等许多优点；同时，高分子材料也存在诸多缺陷，如耐热性差、易燃烧、易老化等。高分子材料的用途：高分子材料作为土木工程材料，开始于 20 世纪 50 年代，现在已成为继水泥、木材、钢材之后的又一种重要的建造材料。高分子材料的主要形式有塑料制品、橡胶制品、涂料、胶粘剂、密封剂、玻璃钢、防水材料等。3.9 墙体材料墙体材料：用来砌筑、拼装或用其他方法构成承重或非承重墙的材料称为墙体材料。墙体材料主要有砖、砌块和板材三类。第 4 章 建筑工程4.1 建筑工程的特点建筑工程：是一门涉及各类建筑的设计、施工和修复等工程问题的学科，需要综合应用建筑学、地质学、测量学、土力学、工程力学、建筑材料、建
29、筑结构、施工机械等各种知识和技术。建筑本身的特点：（1）任何一个建筑产品都处在特定的地点，固定在地面上不能移动，由于不同的地点具有不同的地貌和地质条件，因此有必要对每一个建筑作专门的地基和基础设计；（2）建筑产品应是多功能的，从而满足用户的多种需要，包括使用功能、规模、结构形式、风格、舒适性和经济性；（3）建筑产品的尺度在长度、宽度、高度三者之一或者全部都要比其他产品大得多；（4 ）建筑会受到许多形式的荷载或力的作用。建筑工程施工的特点：（1）由于体量尺寸大和技术复杂，建筑产品的建造过程中需要一定规模的人力、机械设备和大量的建筑材料，并且需要很长一段时间才能完工，少则几个月，多则若干年；（2）
30、工业产品的生产是在固定的工厂车间，而建筑产品的建造没有固定的地点，经常一个地方到另一个地方的流动；（3）建筑施工通常露天作业，很容易受到自然环境的影响和干扰。建筑工程项目管理的特点：（1）建筑产品的建造需视作一个项目来运作，应有明确的目标、详细的工作内容、规定的施工进程、成本预算、质量标准等细节，制定一个完备的项目管理计划是十分重要的；（2）一个建筑项目常常需要若干个阶段才能完成，将涉及许多施工部门和专业人员，很多不确定事件、因素会影响到项目的运作进程。4.2 建筑的组成和功能建筑的组成：包含基础、墙或柱、楼面、屋盖、楼梯、门、窗户、阳台等，这些构件可分成围护结构和承重结构两大类。围护结构：建
31、筑的功能是通过围护结构来达到的，围护结构将建筑围护起来，形成封闭的区域，阻止外界风、雨、雪的侵入，但是能让阳光、新鲜空气进入，使人们安全舒适地生活和工作。墙、门、窗、屋檐、围栏、雨棚等都属于围护结构。承重结构：建筑受到其自重和来自人群、家具、设备、结构材料等的重量以及雪、风、地震等的作用，这些统称为荷载。建筑中能承受这些荷载并将它们传递到其他部位的结构称为承重结构。由承重结构组成的体系称为结构体系，涵盖各式各样的构件，例如梁、板、柱、屋架、承重墙、基础等。基础：是一幢建筑最下面的部分，而基础之下的土壤称为地基，不属于建筑范围。基础将承受整幢建筑的荷载，并将其传递到地基。承重墙：用来承受来自屋面
32、或楼面荷载的墙称为承重墙。其他的墙叫做非承重墙。楼盖：是水平布置的构件，在竖向将两个楼层分隔开来。楼盖不但能承受竖向和水平荷载，还能起到隔声、防火和防水的作用。屋盖：一幢建筑的顶部称为屋盖或屋顶。屋盖既是围护结构，避免其下的空间遭受风、雨、雪的侵袭，又是承重结构，承受屋面自重和各种活荷载。楼梯：人们从一个楼层到另一个楼层的竖向交通是通过楼梯实现的。除了楼梯，电梯和自动扶梯也是竖向交通设备。但楼梯是最基本、最经济的日常交通设备，也是紧急情况时人们撤离的通道。因此，即使安装了电梯或自动扶梯的建筑仍有必要设置楼梯。窗与门：是建筑中两类围护结构。窗的功能是让阳光和空气进入，让人们看到室外；门用来供人在
33、各独立房间之间进与出，同时也像窗那样具有日光照明和通风的功能。在不同使用条件下，窗与门还需有隔热或隔声，防水、或防火、或防尘、或防盗等功能。阳台：是建造在建筑底层以上的外墙上的平台，用矮墙或栏杆围护。人们可从室内进入阳台，欣赏室外景色或沐浴温暖阳光。4.3 建筑分类建筑分类的目的：是研究每类建筑的特点和性能，建立设计和施工的规范、标准。建筑按照用途分类：分为生产性建筑和民用建筑，生产性建筑又可次分为工业建筑和农畜业建筑，民用建筑也可次分为住宅建筑和公共建筑。建筑按照结构材料分类：分为木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构等。建筑按照楼层数目分类：分为低层建筑（13 层） 、多层建筑（46 层
34、） 、中高层建筑（712 层）和高层建筑（ 12 层以上） 。公共建筑高度大于 24m 就属于高层建筑。高度大于 100m 的建筑称为超高层建筑。4.4 建筑的结构体系结构的定义：建筑中承重的骨架，承受建筑的自重和外界的各种荷载，并将它们传递到建筑的地基上。框架结构：是一种由线状构件（典型的是梁和柱）所组成的结构，构件之间在端部相互连接，连接处称为“节点” 。虽然节点作为整体在受力后可转动，但是认为相连的构件之间没有相对转角发生。框架结构能抵抗竖向荷载，也能抵抗水平荷载。竖向荷载作用下框架结构的受力特点：当框架梁受到竖向荷载后，梁发生挠曲变形，梁端部趋于转角变形。另一方面，梁端与柱顶是刚性连接
35、，梁端难以自由转动，因为它受到柱子的约束。因此，柱子除了承受来自梁传递过来的轴力外，还要承受弯矩，然后，柱子又将这些内力传递到地面。水平荷载作用下框架结构的受力特点：当框架结构受到侧向（或水平）荷载作用后，借助梁柱之间的刚性连接，梁能约束柱子的转动。梁的刚度与框架抵抗侧向荷载的能力有着密切的联系，它也能起到将部分侧向荷载从一侧传递到另一侧的作用。侧向荷载将使框架中所有构件产生弯矩、剪力和轴力。桁架结构：是由一些单根线状的杆件以单个三角形或多个三角形布置方式组装而形成的结构，杆件之间在连接处通常假定为铰接。桁架结构的受力特点：由杆件组成的桁架受到荷载作用后，桁架作为整体受弯，这相当于一根梁那样的
36、方式受弯。但是，桁架中的杆件并不受弯，而是纯粹的轴心受压或者受拉。索：是一种柔性的线状构件，它受到外部荷载后会随着荷载的幅值和作用位置的情况而产生相应的变形，其形成的形状称为“索状” 。在索里只存在拉力。悬索结构和斜拉索结构是建筑屋盖中常用的两种大跨度结构形式。壳：是一种三维的薄壁刚性结构，它可做成任何形状的表面。常用表面的形状有旋转曲面、移动曲面和直纹曲面等。壳的受力特点：壳体通过曲面内的压应力、拉应力、剪应力来承载，薄薄的壳体，其抗弯能力有限，因此薄壳只适合承受均布荷载，且广泛应用于建筑屋盖。4.5 特种工程结构特种工程结构的种类：电视塔、水塔、冷却塔、烟囱、筒仓、储存罐等。通常，这类结构
37、的高度或者长度都很庞大。它们被用作为公共设施、工业生产和储存。通常采用钢筋混凝土或钢材建造。第 5 章桥梁工程5.1 桥梁的组成和分类桥梁的组成部分可分为上部结构和下部结构。桥梁上部结构的组成及其作用：桥梁上部结构由桥面、桥道结构、承重结构以及连接系组成。桥面是车辆或行人行走部分；桥道结构支承桥面，将荷载传给承重结构；承重结构架立在支座上，将荷载传给支座；连接系位于主梁之间，承受水平荷载。桥梁下部结构的组成及其作用：桥梁下部结构由支座、墩台和基础组成。支座支承上部结构，将荷载传给墩台，并将上部结构固定在墩台上，保证上部结构的伸缩、弯曲等变形；墩台支承上部结构，并将上部结构荷载传至基础；基础将桥
38、墩传来的荷载分布到地基中去。桥梁的组成部分也可分类成五个“大部件”与五个“小部件” 。桥梁的五大部件是指桥梁承受汽车或其他运输车辆荷载的那些结构，它们要通过承受荷载的计算与分析，是桥梁安全性的保证。包括桥跨结构、支座系统、桥墩、桥台、墩台基础。桥跨结构是路线遇到障碍中断时，跨越这类障碍的承重结构；支座系统支承上部结构并传递荷载到桥梁墩台上，它应保证上部结构在荷载、温度变化或其他因素作用下所预计的位移功能；桥墩在河中或岸上支承两侧桥跨上部结构的建筑物；桥台设在桥的两端，一侧与路堤相接，并防止路堤滑塌，另一侧则支承桥跨上部结构；墩台基础保证桥梁墩台安全并将荷载传至地基的结构部分。桥梁的五小部件是直
39、接与桥梁服务功能有关的部件，过去总称为桥面构造。包括桥面铺装、排水防水系统、栏杆、伸缩缝、灯光照明。桥面铺装的平整、耐磨性、不翘曲、不渗水是保证行车舒适的关键；排水防水系统应能迅速排除桥面上积水，并使渗水的可能性降至最小限度；栏杆既是保证安全的构造措施，又是有利于观赏的最佳装饰件；伸缩缝是指在桥跨上部结构之间，或在桥跨上部结构与桥台端墙之间设置的缝隙，以保证结构在各种因素作用下的变位。为使桥面上行车顺适，无任何颠动，桥上要设置伸缩缝构造；灯光照明增添了城市光彩夺目的夜景。桥梁的分类：我国公路工程技术标准 （JTJ001-97）规定了特大、大、中、小桥的跨径划分：特大桥（单孔跨径 L0150m，
40、总长 L1000m ） 、大桥（单孔跨径40mL 0150m，总长 100mL1000m） 、中桥（单孔跨径 20mL 040m，总长 30mL100m） 、小桥（单孔跨径 5mL 0 20m，总长 8mL30m） 、涵洞（单孔跨径 L05m） 。国际上一般认为单跨跨径小于 150m 属于中小桥梁，大于 150m 即称为大桥。而能称之为特大桥的，只与桥型有关：悬索桥（跨径 L01000m） 、斜拉桥（跨径 L0 500m） 、钢拱桥（跨径 L0500m） 、混凝土拱桥（跨径 L0300m） 。桥面可布置在桥跨结构的上面或下面。布置在桥跨结构上面的，称上承式桥，在下面的称下承式桥，在中间的称中承
41、式桥。上承式桥的主要优点：构造简单，施工方便；桥跨结构的宽度可做得小些，因而可节约桥墩台的圬工数量；桥道布置简单，而且车辆、行人在桥面上通过时，视野开阔。所以，对城市桥来说，一般可采用上承式。桥梁按其用途划分：公路桥、铁路桥、公路铁路两用桥、农桥、人行桥、运水桥及其他专用桥。桥梁按主要承重结构材料划分：木桥、钢桥、圬工桥（砖、石、混凝土桥） 、钢筋混凝土桥和预应力钢筋混凝土桥。采用最广泛的是混凝土桥（中小跨径桥）和钢桥（大跨径桥） 。5.2 桥梁的结构体系桥梁的结构体系：梁式、拱式、刚架、斜拉、悬索以及各种组合体系。梁式体系的特点：竖向荷载作用下无水平推力。梁作为承重结构是以它的抗弯能力来承受
42、荷载的。梁式体系分简支梁、悬臂梁、固端梁和连续梁。简支梁桥和连续梁桥是最广泛的梁式体系梁桥。由于结构刚度大、经济性好，预应力混凝土梁式桥是最常用的结构型式。预应力混凝土连续刚构桥广泛应用于150m 以上的大跨度桥梁，最大跨径接近 300m。拱式体系的特点：主要承重结构是拱，其特点是竖向荷载作用下有水平推力。拱以承压为主来承受荷载，可采用抗压能力强的圬工材料（砖、石、混凝土） 。因为拱是有推力的结构，对地基要求较高，一般常建于地基良好的地区。用系杆承受水平推力的拱桥称为系杆拱桥，系杆拱桥不对基础产生水平推力，对地基要求不高，且具有拱桥的美观特征，故具有广泛的应用。刚架桥：是介于梁与拱之间的一种结
43、构体系，它是由受弯的上部梁式结构与承压的下部柱（或墩）整体结合在一起的结构。刚架桥的整个体系是压弯结构，也是有推力的结构。由于梁与柱的刚性连接，梁因柱的抗弯刚度而得到卸载作用，可以采用比梁桥较小的梁高，故一般用于跨径不大的城市桥或公路高架桥和立交桥。斜拉桥：是由承压的塔、受拉的索与承弯的梁体组合起来的一种结构体系。20 世纪 50 年代初，前联邦德国首先修建了钢斜拉桥，梁体用拉索多点拉住，好似多跨弹性支承连续梁，使梁体内弯矩减少，降低了建筑高度，从而减小了结构自重，节约了材料。这种体系因而发展很快，各国竞相采用，是第二次世界大战后桥梁发展史上最伟大的成就之一。当桥梁主跨为 300-500m 之
44、间可与拱桥比选，500-700m 之间一般选用斜拉桥，700-1000m 左右可与悬索桥比选。目前世界上斜拉桥的最大跨径为主跨 1088m 的我国苏通长江公路大桥。悬索桥：又称为吊桥，也是具有水平反力（拉力）的桥梁结构。传统的吊桥采用地锚式，即用悬挂在两边主塔上的强大的缆索作为主要承重构件，在竖向荷载作用下，通过吊杆使缆索承受很大的拉力，故需要在两侧桥台后方修筑巨大的锚定结构。现代吊桥广泛采用高强度钢丝编成的钢缆，以充分发挥其优异的抗拉性能，因此结构自重较轻，能以较小的建筑高度跨越其他任何桥型无与伦比的特大跨度，常用跨径为 700m 以上。目前世界上悬索桥的最大跨径为主跨 1991m 的日本明
45、石海峡大桥。传统的地锚式悬索桥承担荷载的主缆锚固在锚定上，水平力由地基承受。但是，也可将主缆直接锚固在主梁上，水平力由桥梁自身承担，从而取消了大体积锚定，这就形成了自锚式悬索桥。自锚式悬索桥将原来只属于特大跨径、外表美丽壮观的悬索桥型也能适用于较小跨径的城市桥梁。斜拉-悬索组合体系：包含悬索和斜拉两种体系的桥梁。5.3 世界和中国主要桥型的记录跨径悬索桥：明石海峡大桥（1991m，日本） ；舟山西堠门大桥（1650m，中国）。斜拉桥：多多罗桥（890m，日本） ；苏通长江公路大桥（1088m，中国） 。拱桥：新河峡桥（518m，美国） ；重庆朝天门长江大桥（552m，中国） 。梁桥：斯多马桑得
46、桥（301m，挪威） ；重庆石板坡长江大桥复线桥（330m，中国） 。第 6 章 轨道交通工程6.1 铁道的产生铁道产生的经济基础：工业革命为铁道的诞生奠定了经济基础。1640 年英国发生资产阶级革命。18 世纪 60 年代英国又开始工业革命。工业革命使英国工农业生产的水平大大提高了，经济空前繁荣，为新交通工具的产生提供了坚实的经济基础。铁道产生的技术基础：冶金技术和蒸汽动力技术的发展，再加上英国的轨道运输的经验，为铁道的产生准备了技术前提。轨道的演变：从石轨、板轨、木轨，发展到覆以铁条的木轨，再到铸铁轨、熟铁轨，直到现代的钢轨。斯蒂芬逊父子是铁道发展史上的关键人物。他们不仅造车，还负责修建铁
47、路。英国最早的铁路从利物浦到曼彻斯特总长约 48km，就是由他们建造的。6.2 铁道的组成与今后发展铁道工程的组成：包括线路、机车与车辆、车站及枢纽、信号与通信设备四个方面。铁道线路：是由路基、桥隧建筑物（包括桥梁、涵洞、隧道等）和轨道（包括钢轨、连接零件、轨枕、道床、防爬设备和道岔等）组成的一个整体工程结构。路基：是铁道线路的重要组成部分，由路基本体、路基防护及加固构筑物、路基排水设施三部分组成。其中路基本体是直接铺设轨道结构并承受列车荷载的部分，是路基工程中的主体构筑物。轨道：是线路的主要技术装备之一，它的作用是引导机车车辆运行，直接承受由车轮传来的荷载，并把它传递给路基或桥隧建筑物。钢轨
48、是轨道的主要部件，用于引导机车车辆行驶、并将所承受的荷载传布于轨枕、道床及路基。同时，为车轮的滚动提供阻力最小的接触面。轨枕是轨道结构的重要部件，一般横向铺设在轨下道床上，承受来自钢轨的压力，使之传布于道床。同时利用扣件有效地保持两股钢轨的相对位置。道床铺设在路基之上、轨枕之下，它将机车车辆的荷载通过钢轨、轨枕并经过道床的扩散作用，散布于路基面上，起着保护路基的作用。车站：是铁路运输的基本生产单位，它集中了和运输有关的各项技术设备，并参与整个运输过程的各个作业环节。车站按技术作业性质可分为中间站、区段站、编组站；按业务性质可分为客运站、货运站、客货运站；按等级可分为特等站、一至五等站。轨距：是
49、指两根钢轨之间的距离，即钢轨顶面下 16mm 范围内两根钢轨之间的最小距离。1937 年国家铁路协会裁定将轨距 1435mm 定为标准轨距，1520mm 及其以上的轨距为宽轨，1067mm 及其以下的轨距为窄轨。尽管多数国家采用的是 1435mm 的标准轨距，然而时至今日，全世界仍有 30 多种不同的轨距。由于各国铁路轨距不同，严重影响国际铁路运输的正常开展。我国采用的是标准轨距，但前苏联国家（俄罗斯、中亚五国等）采用的却是宽轨，而越南采用的是窄轨，因此我国的铁路运输与这些国家之间并不能畅通无阻，需要在国境站进行换装，不仅延长运输时间，而且增加了运输成本。从长远来看，全面推行标准轨距仍是世界铁路发展的大趋势。铁道运输的优点：（1）运量大、运价低廉且运距长；（2）行驶具有自动控制性；（3）有效使用土地；（4）污染性较低；（5）受气候限制小。铁道运输的缺点：（1）资本密集且固定资产庞大；（2）设备庞大不易维修，且战时容易遭致破坏；（3）货损较高；（4）营运缺乏弹性。我国铁道运输的特点：（1）客货运输并重；（2）数量质量兼顾；（3）速度、密度重量合理匹配；（4）运输安全情况复杂、保障难度大；（5）不同技术等级的铁路共同发展；（6）高新技术与适用技术并重，不同层次技术装备并存。铁路发展的趋势：高速化。目前我国已成为世
