1、第一单元土木工程前言或许，工程师对于人类文明形成所做出的贡献多于其他专业人才群体。在各个社会中，工程师的作用就是发展技术应用以满足实际需要。例如，应用电力系统向城市供电，应用水轮驱动水碾，应用人造心脏延长生命，等。向我们提供水、燃料、电力的系统，交通网络系统，通讯系统，以及带来其他方便的系统是工程技术应用的产物。尽管真正的工程师们在以上进步和人类幸福中所起的作用，但对他们所起作用的理解仍是不完全的。工程是将知识转化为实际有效应用的技术，工程师则是在这样的转化中起关键作用的人。工程是服务人类的职业，人类环境是需要考虑的重要事项。通常，区分工程师和科学家一直存在困难，决定科学家的工作在哪里终止，工
2、程师的工作从哪里开始也存在困难。科学与工程中有联系的工作的基本区别在于它们的目的不同。科学家以发明为目的，而工程师坚持有效使用发明来满足人类的需要。例如，德国物理学家亨利奇赫兹发现了无线电波，而古里耶尔莫马克尼则利用无线电波发展了无线电信技术，这是一项工程奇迹。在相关科学家建立了核裂变的科学原理后，制造原子武器、建造核电厂的艰难工作则由电力、化学和机械工程师来完成。土木工程是以向人类提供安全、舒适住所为目的的工程分支。住所是人类的基本需要之一，它由土木工程师负责提供。供水和灌溉系统的有效规划能增加一个国家的粮食产量。住所除了简单的掩蔽功能外，土木工程师还能将其建造来为居住者提供安宁、舒适的生活
3、。世界上的工程奇迹从塔形结构到今天的薄壳结构都是土木工程发展的结果。道路、铁路、桥梁等交通网线是土木工程师的劳动果实，没有这样的交通网线，社会将不可能得到发展。任何工程学科都是由各种专业分支构成的巨大领域，土木工程的主要专业分支如下：1. 结构工程结构工程是土木工程的最重要专业分支，结构的建造需要有效的规划、设计和施工方法，以实现完整的建造目的。一般地，结构工程建造包含五个步骤： 定位，并合理排列结构构件，形成确定的形式，以实现最佳的使用功能。 决定作用于结构上不同力的大小、方向和性质。 结构分析，弄清受上述作用力的结构构件的行为特征。 结构设计，以保证不同载荷作用下的结构稳定性。 结构施工，
4、采用精心选择的材料，由熟练工人完成。2. 岩土工程为了实现建筑于地面结构的有效功能，必须知道土的特征。岩土工程给出土的基本知识体系，这一分支涉及以下方面： 土“土力学”下的材料的性质和行为特征。 结构、机器等基础的不同类型及其稳定性。岩土工程也涉及基础的分析、设计和施工。3. 流体力学、水力学和水力机械流体力学讲述静止或运动流体的性质和特征，流体力学原理可以用到日常生活中，如：飞机的飞行，水中鱼的游动，以及血管中的血液循环等。水力结构，如大坝和配水结构的设计需要知道水的作用力和压力水的特征。利用水能的机械称为水力机械，如：涡能机利用水的势能发电，水泵是利用机械能提升水的装置。这些机械的工作有效
5、性取决于该学科中涉及到的流体特征。4. 交通工程一个国家的发展主要取决于可用的交通设施，一个国家的财富用可用的道路和航空设施来衡量。有三种交通模式，即：陆路、水路和空中运输，本专业涉及交通路线的设计、施工和运营。交通工程包含以下分支：公路工程、铁路工程、港口工程、机场工程，分别涉及道路的规划和设计和铁道、港口和机场。供水、净化水和环境工程没有食品人可以生存几天，但没有水人则活不了多久。向公众供给饮用水和废水的安全处理是土木工程师的责任。水来自于降水和地下水。供水工程涉及水的定位和收集、水处理方法、标准极限试验和水的有效供给。废水、固体废料、有毒废料等不能直接排放，因为这样会影响环境。因此，必须
6、对这些废料进行处理和标准极限试验，然后再排放。卫生工程涉及废水的收集，处理方法和有效排放，保证世界安全。自然和人为产生并排入大气中的废料破坏自然平衡。人为或人类活动引起的污染物已经超过了大气系统的承受能力。环境工程师的作用是通过将各种技术应用到废料净化工作中，架设起生物学和技术之间的桥梁。环境工程涉及保护环境免受人类活动有害影响的方法，从而使得人类富裕生活的环境质量得到改善。5. 灌溉工程灌溉可定义为通过人工方法，向耕种土地供水的过程，灌溉工程包括与江河水的控制有关的工程，以及水涝区排水的研究和设计。因此，灌溉工程涉及不同水源的控制和利用，这一工作通过修建大坝、水库、沟渠、增压站、通往耕种土地
7、的配水渠来实现。6. 测量、水准测量和遥感在重要的土木工程，如：铁路、公路、大坝和房屋建设开工前，需要有详细的测量图表明工程区域的精确边界。测量定义为收集数据，以便将地表面上各种点的相对位置绘制在水平面图上的技术，水准测量则是在垂直平面上确定地面各点相对高程的过程。测量工作的主要目的是准备出测量物体的平面图。测量和收集必要资料，画出平面图需要使用各种仪器。遥感是利用空中摄影，获取某地区周围数据的技术，智能解释将给出地形的清晰图像。第 2 单元土木工程师土木工程师的任务是：规划与设计道路、桥梁、管线、区域排水渠、机场、污水处理系统、以及其它的多种设施，并指导这些设施的施工和维护。土木工程师可能工
8、作在某个特定领域，如：施工、土地开发、结构或水力设计、土力学、污水处理、或固体废料管理，他们也可能与不同专家就更广泛的问题进行合作，如：土地污染或地下水污染、或能源开发与保护。土木工程师可能设计工程项目的主要特征，然后指导绘图工作，写出设计说明，并为最后的成本估算做准备，他们也可能准备契约，财产记述，公共道路图等。在现场，他们常常完成测量、现场勘查、或施工检查或监管，他们也可能取土样并进行土体试验，或进行建筑材料的试验室或现场试验。在很多情况下，土木工程师的作用是保证工程项目安全、及时完成，并有效利用资源，这些工程包括：公路建设、废料管理、海岸开发和岩土工程。为对工程项目进行规划、管理、设计和
9、施工监管，咨询土木工程师与客户保持联络，他们工作在不同项目现场，他们富有经验，可以作为项目经理运作项目。土木工程提供多种机会，并满足有助于改进和提高多个场地的大众生活质量，在土木工程范围内，咨询工程师是设计者，合同工程师将他们的设计转变为现实。土木咨询工程师向用户提供各种各样的服务，在他们事业的开始阶段，他们的工作是对小的工程项目负责，但项目的规模可能随他们获得经验的增加而增加。结构工程中，工程师可能完成详细的计算，保证设计性能满足结构要求，这些工程师也可能去现场，确保进行中的工作符合设计图和说明书，他们还可能检查需要修理或替换的现有结构。交通工程中，工程师设计街道、公路及进行设计变更，以改善
10、交通流动，他们完成勘测工作，做出初步设计，并对施工中将使用的材料进行检查和试验，他们也可能准备环境影响报告。这些工程师还可能进一步擅长于特定部分的工作，如：改善交通标志，规划设计防撞装置，或研究行人交通。除此之外的工程师研究人口增长和工业发展趋势，以决定未来的交通需要。土木工程师工作在许多不同的场所，从安静的现代办公室到遥远地区的工作现场，他们可能频繁旅行，或在进行远距离项目时的临时移居。他们还可能与其他的专业技术人员组成临时项目工作队，一道工作。有很多的土木工程师工作在城市、乡村、州或联邦政府，其他的则工作在咨询公司，或担当独立顾问，有的工程师为建筑公司工作，有少数在大学全职或兼职从事教学。
11、这一行业的就业情况受到建筑活动及政府聘用波动的严重影响。现阶段，该行业各个方面的就业增长略受限制，尽管无工作经验大学毕业生数量一般能满足入门级岗位数量的需求，但有特殊技能和经验的高素质工程师短缺，最大短缺将最可能在施工、交通、能源产生和分配、环境保护和抗震工程等领域。由于该行业对现场计算机技术的巨大依赖性，具有计算机科学培训或经验的土木工程师将有特别好的机会。抗震工程师、能源生产与分配工程师、及环保工程师特别短缺。加利福利亚土木工程师的中等小时工资为 29.71 美元，附加福利通常包括带薪度假、病假和健康保险，一些雇主还提供退休养老计划和利润分享。通常，土木工程师每周工作 40 小时，但当工程
12、期限有要求时工作延时，例如施工项目的工程师常常在繁忙期超时工作。土木工程师必需将数学和力学的喜好与对社区事务和环境问题的兴趣结合起来，他们必须能够组织、分析、评估技术资料，以解决详细的工程问题，并作为队员之一工作。打算成为土木工程师的高中学生应该学习大学的预备课程，如：化学、物理和英语，以及业务和绘图课程。这些人应该尽可能多地学习数学课程，包括：代数、几何、三角和微积分。土木工程的理工科学士是大多数入门级岗位的最低要求，研究和大学教学要求硕士或博士，某些学校开设了工程技术认定委员会（ABET）认定的土木工程必修课。雇主建议学生通过暑假工作或大学的工作学习计划获得实践经验，雇主也给学生推荐计算机
13、课程，因为这一职业对计算机技术有依赖性。所有的咨询土木工程师都要求获得州职业工程师注册委员会的登记，负责批准计划、技术说明书和报告的土木工程师也要求获得这样的登记注册，很多雇主要求特定水平的进一步注册（大多数公共机构中的副土木工程师） 。注册要求通过两门考试和一到六年的土木工程工作经验，成功的候选者将收到土木工程师注册证书。在政府工作的土木工程师常常从实习工程师开始他们的事业生涯。当他们获得经验后，他们可能晋升到助理工程师、副工程师和高级工程师岗位。为了获得更高的薪水，有资历的文职工程师可以转移到管理和行政岗位。在私人企业工作的土木工程师可以晋升在责任更大的工作岗位，如：职员工程师、项目工程师
14、、或主任工程师。获得资质后，这些人可以担当私人公司的顾问，或进入他们有可能晋升到高级管理层次的行政岗位。为了推动土木工程的进步，理工科硕士学位正变得愈加重要。在招聘入门级岗位时，某些雇主举行校园面试，其他的雇主则需要来自大学就业中心或工程教研组的推荐。高级岗位的招聘可能在报纸和专业杂志上刊登广告，雇主和应聘者也可以利用专业协会、私人就业服务机构、或加州就业局的招聘服务，政府机构一般会发布行政事务公告，告知所有通过行政事务招聘程序获得的当前岗位。第 3 单元多层建筑设计结构框架。多层建筑的钢框架是梁、次梁或桁架和柱的系统，设计来承受结构的全部重力载荷，并抵抗风力和地震力。屋面和楼板系统由跨于两垂
15、直立柱之间的水平梁、格栅梁直接支撑，典型的层或楼面通常可以在水平方向延伸到更大的范围和在垂直方向重复到摩天高度，除非遇到高风力或地震载荷，要求对框架设计进行修改。在结构框架的设计中，一开始应该注意到对特殊设施的规定，如电梯井和楼梯间，这些构件穿过几个楼层，要求固定某些立柱的位置。其余立柱可以排列成基于建筑学布置和屋面、楼面、墙体和隔墙采用的典型施工考虑的规则形式。根据连接的型式和特点，美国钢结构学会的规范允许三种钢框架结构类型。类型1，通常命名为 “刚框架”（连续框架），假定梁柱的连接具有足够刚度，以实质上保持相接两构件的原有夹角不变。类型2，通常命名为 “简支”框架，（无约束，自由端），假定
16、就重力载荷而言，梁端、次梁端之间的连接只为抗剪，重力载荷下，可自由旋转。类型3，通常命名为 “半刚性”框架（部分约束），假定梁和格梁的连接具有相关的、已知的抗弯矩能力，程度介于类型1的在完全刚性和类型2的完全柔性之间。这一部分，应特别关注类型2的结构中（“简支”框架）中的抗风支撑的其他要求。为了给建筑物提供侧向刚度，特别是具有类型2的框架连接，可以设计一个支撑系统来抵抗有风和地震载荷作用于外墙上的侧向力。作用于外墙的风载荷由楼面系统传递给刚框架系统中的支撑排架或剪力墙。如果楼面刚度不够以传递载荷，必须在排架之间提供水平支撑系统。支撑排架可以布置在外墙中、永久性内墙中、电梯和楼梯井周围、及这些支
17、撑不碍事的其他服务区。如果可能，支撑排架应该在建筑物内对称布置，以避免建筑物绕垂直轴的扭曲。风载荷在支撑排架上的分配应该考虑风合力作用线与抗风系统阻力中线之间的偏心。用于获得正规形状建筑物刚度的两种方法如图3.1所示。在核心墙型式中。侧向载荷抵抗系统与中心的公用设施有机结合；在承载墙型式中，外墙被约束而增加刚度，因此建筑物像是一个巨大的悬臂箱形体。承载墙式排架的使用是纽约世贸中心和芝加哥约翰汉考克大厦降低结构框架成本的重要因素。图3.1 增加刚度的墙体布置排架的约束方式有很多种。全对角拉接是抗风支撑最经济的型式，这种型式略受窗户和门开口的频繁使用限制。通常，桥门撑架的费用更高，仅用于大空间的情
18、况。空腹型拉牢排架具有建筑学上容易处理的优点，而且可以用在外墙上作为建筑物正面的一部分。楼面系统。多层建筑的楼面系统是比用于工业建筑类型更为精心的结构，它是包括次梁和主梁的框架，这一框架支撑楼覆盖层。目前，有几种不同的覆盖层可供应用，这些覆盖层的耐久性、抗火性、重量和对已建成楼面和天花板适应性，以及对设备安装适应性不同。适当楼面覆盖层的选择取决于占用要求，结构适用性和成本因素。当前使用中的楼面结构更为普遍的类型有：（1）钢筋混凝土板，（2）混凝土板系统，（3）空腹托梁系统，（4）多孔钢梁系统，（5）这四种类型的变种。当希望高度刚性时，钢筋混凝土板是适当的，虽然轻混凝土的使用已大大减少了恒载，但
19、这一系统是钢框架建筑物中采用的重量最大的楼面结构类型之一。在混凝土板系统中，金属板和支撑厚木板构成浇注混凝土的模板，这导致了加肋混凝土楼面，这是一种比传统钢筋混凝土板更轻质的楼板系统。最轻型的楼面结构类型之一是空腹托梁系统。该系统由2到2.5英寸的混凝土构成，混凝土现浇在肋钢丝网上，钢丝网下方铺有重纸板，重纸板直接敷在托梁上。满意的托梁设计与施工通过坚持刚托梁学会的规定来保证。目前有几种预制的托梁类型可供使用。多孔钢楼面具有与空腹托梁系统可比的重量，覆盖层上面的混凝土仅作光洁材料用，低强度的轻质混凝土足以达到此目的。承载系统由轻型冷轧多孔构件组成，这一系统简化了设备线路的安装，因为网孔可作为通
20、道，这起到降低多孔层高初期成本的作用。第 4 单元框架系统工程师如何设计建筑物来抵抗地层运动产生的各种力呢？从实质上讲，他们必须在一组小构件中进行选择，然后将选出来的构件在他们的设计中进行组合，形成完整的抗力系统。有三种结构系统能够抵挡风或地震在建筑物中产生的侧向力，它们是剪力墙、支撑结构和抗弯结构（有时称为刚架）。实际上，必须在这三种结构系统中进行选择。因此，设计人员只选择一种类型的结构体系来抵抗所受载荷。这种选择必须在设计的早期阶段完成，因为选用构件的不同特征在功能和美学上对建筑设计有很大的影响。例：如果将剪力墙选为抗风或抗地震系统，那么建筑物将具有永久性墙体形式，这些墙体将从屋顶到基础穿
21、过每一楼层。尽管这样的结构形式在建筑物是公寓或旅馆时可以接受，但如果建筑物是出租写字楼，则建筑物的功能将受影响，因为这种情况下对建筑物内部空间的要求是经常改变的。应该注意到，抗弯结构有时与其它的某一系统进行结合，形成双重系统，其中抗弯结构对其它系统有辅助作用。这种情况下，两种系统相互作用，共同承载。在水平面上，隔断一般由楼面和屋面单元形成，是必需的。（然而，有时水平支撑系统用作隔断，它独立于屋面和楼面结构）。隔断将侧向力传递给垂直抗力单元剪力墙或框架。设计剪力墙以承受来自隔断的侧向力，并将这些力传给地面。剪力墙中的力主要是剪切力，剪力使剪力墙的材料纤维试图彼此滑移。板房是剪力墙结构，足够多的板
22、墙必须彼此垂直布置，否则房屋将会坍塌。这是一种很无效的结构，因为墙体之间，墙体与隔断之间并无联系，如果这些墙体用公母槽或销钉连接，这种结构将变成对其大小和重量非常有效的结构。类似地，建筑物中墙体与楼面、屋面板之间的连接一定有很高的强度和延展性。支撑结构与剪力墙具有同样的作用形式，但一般地，根据细部结构设计的不同，支撑结构的抗力很小，而延展性较好。支撑通过三角形几何特性产生抗力，三角形几何特性预防结构受到侧向推力时垮塌。自行车是人们熟悉的支撑结构例子，如果没有支撑之间的对角连接，其他构件和连接点就必须有更大强度，以防结构散架。在有支撑结构的建筑物中，侧向力可能引起支撑不断拉伸和压缩，进一步使其失
23、去有效性，产生大的扭曲，最终导致支撑结构试图支撑的垂直结构垮塌。因而，延展性必须设计成支撑结构，以便他能够变形而不会突然折断。抗弯结构是针对框架结构的工程术语。抗弯结构中，侧向力主要通过梁柱的弯矩来抵抗，这种弯矩由梁柱之间高强度的刚性连接所产生。（对工程师来说，力对某一点的矩等于力乘该点与力作用线之间的距离）。简单的梯子是抗弯结构的例子。在使用抗弯结构的楼房中，不需要墙体或支撑结构，然而，节点将受到高应力，而且楼房的结构细部在钢和钢筋混凝土中是很重要的。最后一点，抗弯结构利用来自延性的吸能，延性即是结构最后破坏前的永久变形。延性是某些材料特别是钢只有在出现很大扭曲或变形后才会破坏的特性。金属变
24、形吸收能量，延缓结构的完全破坏。材料弯曲而不破坏，虽然有效性降低，但继续抵抗力和承受载荷， 因此抗弯结构一般是铆接或焊接的钢结构，其中材料的自然延性是优点。然而，含有大量精确定位加强钢筋且配筋合理的钢筋混凝土结构是同样有效的延性抗弯结构。第5单元地层运动时，结构会发生什么？本文集中讨论地震在建筑物上引起的危险，通过建筑规范可以采取的措施和降低风险的自主性教育。首先，而且最重要的，是处于住宅、学校、商场及可能有数千人聚集观看体育比赛或听音乐会的地方，以及别的地方的人的生命危险。人生命之外的危险是地震引起的经济和社会破坏，中等地震可能会导致许多房屋、工作、投资和社会资源的损失。尽管地震会引起公共设
25、施，如：供水和供电的破坏和中断，但这些问题是相对短期的，因为一般情况下公共设施公司都会遇到这样的中断，而且有应付的准备。地震可能引起交通系统的严重破坏，如：铁路和高速公路的中断，而且桥梁和天桥坍塌引起人员伤亡，像1989年洛马普列塔地震和1985年加州北岭地震中出现的情况那样。然而，这些是特殊问题，主要由州交通部门处理。实质上，提高建筑物的抗震特性被看成是减少地震对公众和社会威胁的关键。建筑物的健康与安全问题，一般通过书面的建筑规范控制，以保证一些不重要的设计与施工规范得到坚持，以避免建筑物的某些潜在危险。这些规范一般建立在最大载荷这样的事情上，以至于房屋的楼板不会因为人、设备和最小高度（以致
26、人不会翻过）的走廊栏杆等引起过载而垮塌。这些规定保证通常的最小安全标准，而且意味着设计者努力工作来达到通常的标准，而不必努力依靠自己每次设计新建筑去解决建筑设计中的所有问题。在美国的地震多发区，如：加州和阿拉斯加州，抗震规范得到了发展，几十年来被当地社会执行，现有的大多数建筑物设计时都考虑了抗震要求。然而，由于抗震建筑设计“科学”是相对较新的领域（第一个抗震规范于1972年在加州才得以执行） ，按照早期规范设计的建筑现在认为不一定安全的，某些情况下在这些地区必须继续工作，以加固和改善依照早期规范条款设计的建筑，并且完善规范。在美国的地震威胁没有伴随不断出现地震的地区，情况则不相同。许多处于危险
27、的建筑物数目繁多，这些建筑物设计时未考虑抗震问题，而且每年新建的建筑物一直都在加长这一危险建筑物清单。当不可避免的大地震或中度地震出现时，这些建筑物可能遭受灾难性损失。如：地震专家引述日本神户市的骇人破坏，1995年的那场地震导致了5,000多人失去生命。该地区过去一直被地震专家和地球科学家认定为地震危险区，但由于几百年来严重的地震未影响到神户市，当地的建筑物（虽然设计时考虑了抗震规范）是脆弱的，当地人们和政府的紧急响应服务在很大程度上处于无准备状态。在其居民一生未出现大地震的社区，地震经历是难以想象的，而且也难以形象化地震对熟悉的建筑物和其他结构物造成的后果。本文的意图是给读者地震对建筑物造
28、成破坏类型的某些概念，图片一般展示了加州和阿拉斯加州地震的结果，而且在极大程度上显示了按照低于现在抗震规范标准设计的旧建筑物，或抗震规范执行前未进行抗震加强的砖混建筑物的破坏结果。长期以来，人们认为未进行抗震加强的砖混建筑物的抗震性能是很差的。一般地，未进行抗震加强的砖混建筑物有砖或石块承重墙，木框架的楼面和屋面。楼面和屋面趋向于与墙体脱离和破坏，墙体上部，特别是女儿墙趋于垮塌，而且根据砂浆的质量和时间，墙体也趋于破坏。在加利福尼亚，加州要求所有城市都要提出其未抗震加强砖混建筑物的清单，并提出对建筑物的拆除或加固计划。在洛衫矶，1981年生效了一项法令，要求所有抗震加固建筑物的所有者于1995
29、年前要么拆除，要么加固建筑物，实质上要求对这类所有的8,000建筑物或者拆除，或者加固。1994年的北岭地震表明，与早期的地震相比，这类建筑物的性能得到明显改进没有人员死亡，受伤的人很少，旧金山和其他的很多加州城市现在也生效了类似的法令。人们对材料特性完全了解之前设计的旧一些的钢筋混凝土建筑结构在地震中遭受了严重破坏，如果没有用钢筋高度加强，混凝土是脆性材料，趋于没有警报的破坏。在国外地震造成了许多彻底的垮塌，但是在加州和阿拉斯加州，彻底的垮塌很少。然而，那些不可挽回的损失是巨大的。几乎没有构造墙体的框架结构遭到了最严重破坏，而对有很多混凝土墙的结构物，问题则没那么尖锐。20世纪70年代生效以
30、来，抗震规范要求专门的加固，这大大降低了这些脆性破坏的可能性。通常用于工业和商业厂房的预制钢筋混凝土建筑物也在地震中遭受严重破坏，在这些类型的建筑物中，破坏主要是由于预制构件之间或墙体与屋面之间的连接不足。图5.1中的建筑物是奥利弗医院，在971年加州旧金山地震中遭受了严重破坏，原因主要在“软弱层” （即：其下部两层的柔性大于引起破坏的上部楼层）条件引起破坏，这种破坏发生在结构从柔性柱变成刚性墙的地方。在典型的建筑物中，结构构件（楼板和屋面结构、承重墙、柱、梁、基础）仅占到建筑成本的大约15%20%，非构造的建筑、机械和电器构件占据建筑物重置价值的70%85%。虽然所有非构造构件受到损坏，或者
31、直接由于摇晃，或者由于结构建筑运动引起的扭曲。房屋的居住者特别易受非构造性构件破坏的伤害，垮落的女人墙和玻璃则造成屋外人的伤害，甚至死亡。受损的机械和电器部件会引起火灾和爆炸，此外，非结构构件损坏的修复是很昂贵的，而且可能发生在没有或有很少结构损坏的时候。据估计，在最近的地震中，没有严重结构损坏的很多建筑物都遭受了相当的非构造件损坏，有时总损失多达建筑物置换价值的50%。第6单元结构动力分析对工程问题，不是总能获得严格的数学解。事实上，只能对某些简单的情况获得解析解。对涉及到复杂材料性质、载荷和边界条件的问题，工程师们引入认为需要的假设和理想化，使问题在数学上容易处理，但就安全和经济而言，还能
32、够提供足够精确的解答和满意的结果。数学模型提供真实物理系统和数学可行解之间的联系，数学模型是为了替代包括对物理问题做出的所有假设的理想化系统的符号名称。自由度结构动力学中，决定系统任意时刻位置或轮廓需要的独立坐标数称为自由度数。一般地，连续结构有无穷的自由度数，然而理想化处理或选用适当的数学模型允许将自由度数量减小到离散数，而且在某些情况下减小到单自由度。图6.1表明，某些能够表示成单自由度的系统，以便于动力分析的例子，即结构模拟成具有单一位移坐标的系统。这些单自由度系统可以方便地用图6.2所示的数学模型描述。它有以下单元：（1）质量单元m，代表结构的质量和惯性特性；（2）弹簧单元k，代表结构
33、的弹性恢复力和势能能量；（3）阻力单元c，代表结构的摩擦特性和能量损失；（4）激励力F(t)代表作用于结构系统上的外力。力F(t)写成这种方式，以表明它是时间函数。在采用图6.2所示的数学模型中，假定系统的每个单元代表单一性质，即：质量m只代表惯性，不代表弹性或能量耗散，而弹簧k只代表弹性，而不代表惯性或能量耗散。最后，阻力器c只耗散能量。读者肯定能理解，这样的“纯”单元在物理世界中不存在，数学模型只是真实结构在概念上的理想化。例如，数学模型可以提供完整的和精确的模型本身的行为知识，但对于真实物理系统而言，这种知识只是有限的或近似的。然而，从实际角度看，由分析获得的信息可以很好地满足对物理系统
34、动力行为的足够理解，包括设计和安全要求。达朗贝尔原理获得运动方程的一种方法是应用达朗贝尔原理，该原理表述为：通过施加一般称为惯性力的外力，一个系统可以达到动力平衡状态。图6.3为带有惯性力m的自由体图示。惯性力等于质量乘加速度，而且总是指向相应坐标的负方向。达朗贝尔原理的应用允许我们将平衡方程应用到获得运动方程的过程中。如：图6.3中，y方向力的合成直接给出m + ky = 0，这是单自由度系统的运动方程。这种情况下，达朗贝尔原理的应用似乎意义不大。对于更复杂的问题，情况则不是这样的。其中，达朗贝尔原理和虚功原理的应用构成了分析的强有力工具。如后面讲解的那样，虚功原理可直接应用于任何平衡系统，
35、因此假如应用达朗贝尔原理来建立系统的动态平衡方程，则虚功原理也可以应用来求解动力问题。第 7 单元摩天大楼无论人们走到哪里，小城镇或大城市最显而易见和者的注意的特征之一是它的建筑物。特别是在大城市，高大的楼房突出于其它建筑物之上。在摩天大楼已经从早期的低矮的建筑演变成了坚实的直插云端的高塔的过程中，物理学已经变成了这种进步中的重要而精粹的主题。 摩天大楼及它们是如何工作的主题引起我们的兴趣，主要是因为它们的神秘和庄严。它们可当着它们所存在社会的窗户和它们暗含表现的文化描写。摩天大楼也保持着它们所包含文化主题世界中的意味深长的角色。 建设摩天大楼的想法主要是为了保存空间，而不是为了新奇。建设摩天
36、大楼所需要的物理学是复杂的。首先，随着国家进入工业化和城市化意识不断增强，摩天大楼的建设涉及到钢材的生产和使用。摩天大楼的建设是从铁向钢的演化开始的，钢是铁矿的副产品，当除去铁矿中的杂质时，钢就生成了。这一新产品（钢）比它的原来产品（铁）更高强，更质轻。世界上第一座由钢结构支撑的高层建筑是建于工业革命时期的10层芝加哥家庭保险大厦。这一新建筑发明导致了更先进结构的产生，这种结构是利用它出现前的老式材料不可能建成的。 超越历史进程，建筑已分成了很多不同时代。在历史早期，摩天大楼的建筑商被限于使用对于建设摩天大楼而言性能不够优良的材料。最早的摩天大楼是埃及的金字塔，或许，最有名的摩天大楼是比萨斜塔
37、、埃菲尔铁塔和（纽约）熨斗大厦，所有这些建筑物都具有同样必不可少的钢结构和建筑的骨架结构。这阻碍了建筑高度的增加，这种骨架结构使得基础非常大，以至于能够支撑高层建筑物，这好像人站在另一个人的肩上。基础的重量随建筑物高度增加成指数增加。这就使得钢的发展速度很快增加，以跟上摩天大楼的要求步伐。20世纪初期，世界上的很多摩天大楼具有比上部大得多的基础，而且建筑形式类似于2000多年前塔形建筑基础。以纽约伍尔沃斯大厦为例，为支撑摩天大楼的极大重量，其基础比其上部结构大得多。 随着摩天大楼开始变大变高，建设中考虑的因素从防火和抗洪水转到了抗风和抗摆动。摩天大楼的最重要要素之一是承受重力。基础也是建筑中的
38、重要要素，因为它使建筑物稳定、安全和定位。重力将以稳定的速度随建筑施工高度的增加而连续增加。让我们以芝加哥希尔斯大厦为：其质量为222,500t，重力（加速度）为10m/s2，高度为433m；因而，重力是一个非常大的数。 这一摩天大楼是美国设计和施工工程的一项胜利成果。美国社会文化中的最重要事情是摩天大楼的建成。摩天大楼必须征服的最重要因素是侧向风力和地震力。摩天大楼的创建是从家庭保险大厦开始的，它是第一座完全的钢结构建筑物。钢使得作用于地面的重力降低，风阻力减小。由于贝色加工（一种钢材大规模生产的有效方法）的诞生，工业革命受到很大影响。各楼层的混凝土必须等重量，然而材料总载荷是是随楼房高度增
39、加而变化的，风阻也随楼房增高而增加。以吉隆坡双子星塔（图7.1）和波士顿的约翰汉考克大厦（图7.2）为例，双子星塔的高度是约翰汉考克大厦的2倍，因此影响双子星塔的风阻力强度是约翰汉考克的4倍。就风阻而言，在摩天大厦的建设中给予了很多的考虑，当风吹向摩天大楼时，迎风面的立柱受拉，而背风面得立柱受压。 根据建筑物尺寸的不同，可能成组设置数百个阻尼器。每个都安装在楼面上，并与V型支撑相连，而V型支撑则焊接在横梁上。图7.3是阻尼器和V型结构图。当建筑物开始摇摆时，阻尼器将来会运动，抵消冲击振动。受到磁化后，阻尼器能施加的力将增加。 老式建筑使用小的廊厅，并使用很多梁支撑建筑物，在没有梁和廊厅的地方，
40、则填满重的砖石墙。摩天大楼的想法是制作轻外墙和在核心位置布设坚固的梁。核心位置通常是布设电梯和其它器具的地方。这样提供可更多的办公空间，而且建筑比老式建筑更加稳定、更轻。然而，最近的摩天大楼，如希尔斯塔具有外围的周边，提供刚性的中空的、质量较小的核心体，而且有效减小重力和作用于建筑物上的其它力。 随着这些过去的建筑物的完成，世界贸易中心在摩天大楼的结构方面将有更惊人的进步。基础将处在很软弱的地层上，进而引起了对工程师的关心。然而，他们带着好奇心面对这种逆境。为了更均匀地分布重量，他们在地层中更大范围、更大深度上布设梁。为了使基础支撑建筑物的质量，基础有比摩天大楼上部更大的总面积是必要的。世界贸
41、易中心用钢结构管建造，没有主题核心，而建筑物的强度位于外墙上。这允许有更多的办公空间，而且比老的摩天大楼建楼方式更坚固。 摩天大楼建设中需要注意的另一个关键方面是牛顿第二定律：F = ma（或“力”等于 “质量”乘“加速度” ） 。在摩天大楼必需建成抵抗地震或其它扰动方面，这一定律可以直接应用于其建造中。特别是，在易受地震的地区，土木工程师们非常留意地层运动加速度。由于摩天大楼那样的巨大质量，极小的地层（振动）加速度将导致巨大的力作用于建筑物，极大降低其稳定性，并常常引起灾难。 我们看到越来越多的高层建筑物正在竞争成为最高的摩天大楼，它们不服从重力定律和其它影响摩天大楼稳定性与强度的自然因素。
42、足够有趣的是，很高摩天大楼的数量（超过350m）正不断增加，更多的工程师正在努力建造最高的摩天大楼。 多年来，摩天大楼已经证明是有效的，而且大大影响美国社会和我们的历史。无论我们是否有摩天大楼，我们每个人都受到了摩天大楼存在的影响，摩天大楼对我们国家，而且在世界水平上，将一直是相当大的有益资产。第 8 单元岩石中的隧道施工由于其周围地层的更大强度，岩层中的隧道施工比软土中的隧道施工更容易。然而，这并不意味着岩体的岩土勘察比软土的土层勘察费用低，因为必需对岩石断层或不规则的存在和岩石结构的细节进行勘察和评估。 地下水条件可能对隧道开挖有重要影响，因此必需进行勘察。特别是，含水节理或层理必需确定，
43、潜在水流必需进行估算。 在所有岩石隧道工程中，必须预测地质条件的变化。一般地，这种变化将完全影响隧道施工的推进速度，并导致隧道施工方法或设备的较小调整。然而，在某些情况下，将可能遇到要求完全改变隧道施工方法的地质条件。 岩石中经常出现含水开的口节理或层理，当这些节理或层理与隧道开挖交叉时，将会带来严重问题：涌水可能变得太大，不能正常施工；节理中的填充材料受侵蚀导致岩石不稳定；矸石透湿或隧道或工作面破坏可能降低隧道施工生产力到可接受的极限以下。因而，无论在什么位置，都需要在施工前确定这样的节理或层理的存在可能性。 在剪切带或断层带遇到的岩石一般具有断裂面间距小，并导致完整岩石块度小的特点。因而，
44、岩石的表现更是像软地层而不是岩层。这种地质条件的出现将要求对开挖方法和支护设计进行大调整，进而将导致工期大大延迟，成本增加，特别是如果隧道采用全断面隧道掘进机（TBM）开挖时，更是如此。 钻眼爆破法 隧道开挖的钻眼爆破法有 100 多年的历史，自从 1860 年以机械化的形式引进以来，在钻眼设备及炸药和爆破方法方面已经得到了许多的重大改进，每次改进都使得施工更安全，而且一般地也增加了施工速度。 由于不断的应用，钻眼爆破方法现在已经很有名，而且很可靠。这已经在几乎所有岩石种类条件下进行了试验，证明钻眼爆破法是成功的，而且也已表明容易适用于更多的岩石种类条件。 钻眼爆破法的最明显优点是由合同商和工
45、程师在这一方法过去的大范围应用中获得的经验。由于最近光面爆破技术的引进，钻眼爆破方法已经达到了几乎完备的发展阶段。 钻眼爆破方法的另一个优点是相对低的设备资本投入。完全装备的凿岩台车费用远低于隧道掘进机。然而，钻眼爆破法的施工消耗费用高，产生效率低，因此其优越性仅体现在短隧道施工中。 钻眼爆破法的主要问题与循环作业有关。为了达到施工的高速度，每道工序必需在最短的时间内完成。为此，需要大功率的设备：特别明显的是通风和装岩设备。然而，这样的设备投入大于连续作业所要求的设备资本投入。进一步，每道工序所用设备在其它工序进行时处于闲置状态，因此设备的使用时间效率仅有 3050%。 “通风排烟”时间，占据
46、循环时间长度的大约 10%，是完全的非生产时间，因为这一时间段，人和设备都不能工作。最后，非生产时间也消耗在移动设备和不同工序之间人员的进出中，这样的时间构成多大 15%的时间损失。 与钻眼爆破法相关的另一个问题是对隧道的尺寸和形状缺乏精细控制。为了避免所谓的 “欠挖点” （围岩伸入设计的隧道开挖空间，这种岩石得用人工凿掉） ，选用的钻眼形式将引起超挖。超挖导致：增加隧道施工的出碴量，而且在隧道采用混凝土支护的情况下，大大增加混凝土用量。因而，超挖导致非生产成本。超挖量受爆破方法和岩体质量控制，坚固岩石中的隧道采用光面爆破技术开挖时，超挖最小。 全断面隧道掘进机 隧道掘进机的使用追溯到 188
47、2 年，但其完全的工业化发展可以假定为是最近 1954 年的事。 现在，市场上有大约 20 种 TBM,它们的共同特点是一般针对 TBM 使用的特定工程条件，对每台设备进行设计和改进。 似乎钻眼爆破法的大部分缺点已被 TBM 最小化或消除。钻眼爆破法的缺点之一是循环作业带来的时间延迟。相反，TBM 是连续作业的。连续推进导致更高的每小时推进量，而且最优化使用了辅助隧道施工设备，如：装岩和通风系统。然而，这种 TBM 的连续推进可能带来问题，因为隧道施工作业实际推进速度是有其最慢的工序决定的。在发展的早期阶段，机械是控制因素。但现在，一般地装岩系统控制着推进速度。因此，TBM 不一定总能发挥最大
48、效能，从而影响着隧道施工作业的经济性。 隧道掘进机在隧道开挖质量方面表现出重要优点。在质量好的岩石中，各种 TBM 均开挖出直径等于隧道设计直径和机械直径且壁面光滑的隧道。因而，实际上可以避免超挖，进而减少出矸量和支护的混凝土用量。光滑的隧道壁面和消除了爆破振动还带来了进一步的好处，这就是隧道顶部和两帮的岩石松动大大减少，因此岩石具有更好的自承能力。这进一步意味着对机械开挖的要求大大低于对钻爆法开挖隧道的要求。 隧道掘进机也有一些重要缺点。全断面 TBM 只能开挖出圆形的隧道断面，这样的隧道对于供水和排水隧道是理想的。但交通系统需要平缓以便铺轨。对这样的情况，马蹄形隧道断面更可取。另一方面，从
49、隧道稳定的观点看，圆形隧道更好。圆形隧道用于整个伦敦地下轨道交通系统中。一种给定的 TBM 只能开挖出一种尺寸的隧道，因为隧道直径决定于刀盘直径和刀盘上刀齿的位置。对某些掘进机，开挖直径的变化范围大约是 1 英尺，但一般地，对于新的隧道，必须制造新的掘进机。TBM 使用中，进一步的几何限制与最小的曲线半径有关。最小的可能曲线半径可以跟 TBM 制造商商谈，与机器形状和刀盘后的结构直径有关。 部分断面隧道掘进机 隧道施工技术的进一步发展，引进了部分断面隧道掘进机，这种机器最初在欧洲得到发展，并用于煤矿巷道掘进中，之后越来越多地用于中等尺寸的软岩隧道开挖中。 部分断面隧道掘进机由含有一个滚动刀盘，刀盘安装在摇臂末端，摇臂安装在行走架上。 刀盘是半球形的，直径 12 英尺，其上面装有不同数量和排列的刀齿。刀盘旋转，并向隧道工作面施加压力，以在刀齿的作用下凿入岩石，其方式与老式手持镐相似。 现在，在欧洲市场上，可以买到 10 种类型的部分断面隧道掘进机。 与 TBM 类似，部分断面掘进机也是连续作业，非生产性时间仅限于移动设备、更换磨损刀齿、及检修机器等所需要的时间。连续作业使得装岩和通风设备得到最充分应用。 部分断面掘进机开挖出高质量的隧道。很明显，隧道不如TBM 开挖的光滑，但大大优于钻爆法开挖的隧道。如果使用得当，通
