土木工程的發(fā)展.課件

1、土木工程的發(fā)展 徐 蕓武漢大學土木建筑工程學院學號：2006121000132006-10-251 引言 土木工程是指房屋、公路、鐵路、橋梁、水工、港工、地下等工程的總稱。土木工程對國家的經(jīng)濟建設(shè)和人民生活的影響非常明顯和重要。土木工程密切關(guān)系到人類賴以生存和繁衍的四大基本要素：衣、食、住、行，為人類提供住宅、賓館、公寓、衣料生產(chǎn)貯藏基地、食品冷庫、公路、機場、鐵路、港口、碼頭、廠房、實驗室等現(xiàn)代人類生活和發(fā)展的必要場所空間。 2 土木工程的歷史 2.1 中國土木工程的歷史 遠在上古時期，中國古人類就在野外穴居，為了避免野獸侵襲，有巢氏（中國的傳說中的巢居的發(fā)明者），教古人離開天然巖洞、構(gòu)木為

2、巢，居于樹上。我國古代土木工程多采用土、石、木等材料建造，建造技術(shù)和藝術(shù)造型達到當時極高的成就。像長城（圖1）、趙州橋（圖2）、都江堰（圖3）等都是具有代表性的中國古代土木工程的杰作。 圖1 長城 萬里長城的修筑，一方面當然是中國人智慧與力量的展示，是各個朝代軍事防御的歷史，另一方面，似乎也是一種失敗的證明。顧炎武論及明末發(fā)生在居庸關(guān)的戰(zhàn)事時感嘆到：“地非不險，城非不高，兵非不多，糧非不足也，國法不行而人心去也?！币坏┩醭咏鼪]落，長城也并不能真正抵擋什么。 圖2 趙州橋 著名匠師李春建造。橋長64.40米，跨徑37.02米，是當今世界上跨徑最大、建造最早的單孔敞肩型石拱橋。因橋兩端肩部各有二

3、個小孔，不是實的，故稱敞肩型，這是世界造橋史的一個創(chuàng)造（沒有小拱的稱為滿肩或?qū)嵓缧停?經(jīng)歷了10次水災(zāi),8次戰(zhàn)亂和多次地震,特別是1966年邢臺發(fā)生的7.6級地震,這里也有四點幾級地震，趙州橋沒有被破壞,著名橋梁專家茅以升說“先不管橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅就它能夠存在1300多年就說明了一切”。 2.2 世界土木工程發(fā)展歷史 曬干的磚，大約8000年前歐洲已開始采用；鑿琢自然石的采用，大約在50006000年前；至于在建筑中采用燒制的磚，亦有3000年的歷史。世界古代的偉大建筑，以公認的七大奇跡（圖4圖10）最為引人注目,它們都建于公元前600年公元前200年,且均為石材建造,大都用于宗教、軍事和航

4、海。且都是建于當時經(jīng)濟和科技非常發(fā)達的地區(qū)，說明土木工程的發(fā)展與經(jīng)濟繁榮和科技進步是密不可分的。 圖4 埃及金字塔 (獅身人面像) 金字塔是七大奇觀中最古老，也是惟一處保存得相對完整的遺跡。 圖5 希臘奧林匹克 宙斯神廟 古希雕刻家菲迪亞斯的杰作，用象牙來制作宙斯神像的軀體，用黃金制成宙斯神像的長袍 。為表崇拜而興建的宙斯神像是當時世上最大的室內(nèi)雕像,第一個奧林匹克運動會就在此地舉辦。頭戴橄欖編織的環(huán),右手握著由象牙及黃金制成的勝利女神像,左手拿著一把鑲有閃爍耀眼金屬的權(quán)杖,上面有一只鷹停留著,寶座則以獅身人面像、勝利女神及神話人物裝飾,不包括寶座,僅神像就相等于四層高的現(xiàn)代樓宇，使坐在寶座上

5、宙斯頭部差不多頂著神殿頂。 圖6 地中海的羅得島太陽神銅像 雕像修筑了十二年，高約33米，以大理石建成，再以青銅包裹，雕像是中空的，里面用復雜的石頭和鐵的支柱加固。但這個偉大的雕像建成僅僅56年被強烈地震毀壞了，脆弱的膝蓋成為了巨像的致命傷，巨像從此倒在Mandraki港附近的岸邊。 圖7 巴比倫空中花園 這座神話般的建筑是尼布甲尼撒二世為他的一個妃子修建的，大約120米見方，高出地面20多米。據(jù)說它要由奴隸們轉(zhuǎn)動機械裝置從下面的幼發(fā)拉底河里抽上大量的水來灌溉花園里的花草。 圖9 亞歷山大燈塔 建在一座人工島上，它至少有122米高，用閃光的白色石灰石或大理石建成 ?！盁羲墙ㄖ谌龑优_階之上，

6、在它的頂端，白天用一面鏡子反射日光，晚上用火光引導船只。” 它也是六大奇跡中最晚消失的一個。十四世紀的大地震徹底摧毀了它。 圖10土耳其國王摩索拉斯陵墓 這座偉大的白色大理石陵墓是為卡里亞王國的摩索拉斯國王和其妻子修建的，毀于地震中。摩索拉斯的塑像可能矗立在頂端。陵墓外面裝飾以奇異的雕刻花紋。底部建筑為長方形，面積是40米乘30米，高45米，其中墩座墻高20米，柱高12米，金字塔高7米，最頂部的四匹馬拉著一架古代雙輪戰(zhàn)車的雕像高6米，建筑物被墩座墻圍住，旁邊以石像作裝飾。 全球十大最高建筑 表1 排 名12345名 稱臺北101大廈石油雙塔西爾斯大廈金貿(mào)大廈國際金融中心地 點中國臺北馬來西亞美

7、國芝加哥中國上海中國香港高 度(m)508451.9441.9420.6412.1排 名678910名 稱帝國大廈中環(huán)大廈中銀大廈東京士摩天廣場漢考克大廈地 點美國紐約中國香港中國香港中國高雄美國芝加哥高度(m)381374343.5347.9343.5圖11 臺北101 大廈 “世界高樓”四項指標中的三項世界之最，即“最高建筑物”（結(jié)構(gòu)高度： 米）、“最高使用樓層”（樓板最高： 米）和“最高屋頂高度”（樓頂高度: 米）。剩下的一項“世界最高天線高度”仍為美國西爾斯大樓(頂端高度：529米)。 因高空強風及臺風, 在88-92樓層掛置一個重達680公噸的巨大鋼球“調(diào)和質(zhì)塊阻尼器“，利用擺動來減

8、緩建筑物的晃幅。防震措施方面，采用新式的“巨型結(jié)構(gòu)”，在大樓之四個外側(cè)分別各有二支巨柱，共八支巨柱，每支截面約3米長、2.4米寬，自地下5樓貫通至地上90樓，柱內(nèi)灌入高密度混凝土，外以鋼板包覆。 圖12 石油雙塔 位于吉隆坡市中心美芝律，高88層，是當今世界名冠的超級建筑。巍峨壯觀，氣勢雄壯，是馬來西亞的驕傲。它曾以451.9米的高度打破了美國芝加哥西爾斯大樓保持了22年的最高記錄。整個吉隆坡市秀麗風光盡收眼底，夜間城內(nèi)萬燈齊放，景色尤為壯美。 圖13 西爾斯大廈 位于美國伊利諾州芝加哥，樓高442米，共地上108層。 美國伊利諾伊州的芝加哥市堪稱摩天大樓的發(fā)源地。它是為西爾斯-婁巴克公司建造

9、的，于1973年竣工。 西爾斯大廈由9座塔樓組成。它們的鋼結(jié)構(gòu)框架焊接在一起，這樣也助于減少因其高度所造成的在風中搖動。所有的塔樓寬度相同，但高度不一。大廈外面的黑色環(huán)帶巧妙地遮蓋了服務(wù)性設(shè)施區(qū)。圖14 香港國際金融中心 位于香港中環(huán)的國際金融中心一期1998年竣工，高39層，180米，自建成后便吸引了不少國際金融機構(gòu)進駐。國金二期2003年落成，高420米，共88層，為香港最高建筑物。被稱為“驚世之作”的香港國際金融中心二期外形設(shè)計概念是以一個向外地的朋友“招手”的手勢，向海外朋友表示“歡迎您”的意思。 圖15 日韓世界杯仁川運動場 該運動場的屋頂造型有點像正在沖風破浪的航船，充分體現(xiàn)出了仁

10、川作為一個海港的歷史韻味。橢圓形的造型使得觀眾和場上的球員顯得更為親近。為體現(xiàn)韓國的曲線美，通過鋼材使用最少化的純粹電纜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的采用來表現(xiàn)傳統(tǒng)的屋檐曲線，通過使用輕便的合成纖維的帳幕來減少自身重量。 【橋梁工程】目前世界跨度最大的懸索橋是日本的東線明石海峽懸索大橋（圖17），跨度為1990m；最長的斜拉橋是日本的多多拉橋，橋主跨有890m（圖18），預計在不久的將來中國的蘇通長江公路大橋（圖19）將刷新這一世界紀錄。最大跨度的拱橋是中國上海的盧浦大橋（圖20），跨度為550m。世界十大懸索橋及斜拉橋分別見表2和表3。 【公路、水利、特種結(jié)構(gòu)工程】世界高速公路總里程最長的國家為美國，其總長為8

11、1105公里。最高的大壩為高285m的瑞士大狄克桑斯壩(鋼筋混凝土)。最高的電視塔為加拿大高549m的多倫多塔（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)），其次為莫斯科澳斯坦電視塔，高537m。 全球十大斜拉橋 表3 排 名12345名 稱蘇通長江公路大橋多多羅大橋諾曼第橋南京第二長江大橋武漢第三長江大橋地 點中國日本法國中國中國高 度(m)1088890856628618排 名12345名 稱青州閩江大橋楊浦大橋名港中央大橋徐浦大橋Skarnsundet大橋地 點中國中國日本中國挪威高 度(m)605602590590530圖17 日本明石海峽大橋 跨越日本神戶市和淡路島之間,為三跨二鉸加勁桁梁式吊橋,主跨1991米

12、（960+1991+960）,雙向六車道,抗震按承受8.5級強烈地震設(shè)計,為目前世界上跨度最大的懸索橋 。 鋼結(jié)構(gòu)的橋塔矗立于海面以上297米；主纜采用預制平行絲股法架設(shè)而成。鋼絲束使用了最新的高強鍍鋅鋼絲，其抗拉極限強度高達1800MPa;大橋桁架式加勁梁為14米。圖18 日本多多拉大橋 圖19 蘇通長江大橋 位于南通市和蘇州市之間。 今年10月5日,世界最高橋塔300.4米的蘇通大橋主塔施工順利完成。大橋主塔是支撐橋梁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),將要承受10萬噸的荷載, 采用人字形結(jié)構(gòu),體現(xiàn)了天人合一的中華文化理念,中下塔柱采用高標號的鋼筋砼結(jié)構(gòu)，上塔柱用來固定斜拉索的區(qū)域采用了鋼混結(jié)構(gòu)，每個主塔耗用砼2

13、8000方、鋼材9000多噸。目前鋼箱梁和斜拉索安裝已開始,預計二00七年七月份將實現(xiàn)大橋的主跨合龍,力爭在二00八年奧運會開幕前竣工通車。 圖20 上海盧浦大橋 江澤民同志親筆題寫橋名、有“世界第一拱”之稱的黃浦江越江大橋上海盧浦大橋工程，全長3900米，其中主橋長750米，為全鋼結(jié)構(gòu),主跨直徑達550米，居世界同類橋梁之首。 3.2 中國現(xiàn)狀 回顧20世紀特別是改革開放20年來，我國建設(shè)取得舉世矚目的輝煌成就。下面介紹我國的房屋、橋梁、鐵路、公路、水利、特種結(jié)構(gòu)等建設(shè)情況。 結(jié)構(gòu)工程： 改革開放后在我國大陸建造了許多高層建筑，具有代表性的高層建筑，除101大廈外還有世界排名第4的上海金茂大

14、廈（圖21）、深圳的地王大廈（圖22）。在特種結(jié)構(gòu)方面，我國有4所電視塔排在世界前十位，其中1995年建成的上海東方明珠電視塔（圖23）以468m的高度排在世界第三位。 為迎接2008年的奧運會，北京在建設(shè)一大批大跨超長建筑，像國家體育場“鳥巢”結(jié)構(gòu)（圖24）、國家游泳中心“水立方”（圖25）、國家大劇院（圖26）等。 表1表明，無論在工程結(jié)構(gòu)的改革、建筑功能使用、新技術(shù)和新材料的采用上及合理組織施工方面，還是在抗震分析和計算機程序應(yīng)用上及有關(guān)抗震控制試驗研究上，我國均達國際先進水平。 圖21 金茂大廈 建筑高度為421米，為下方形的框架筒體結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒墻厚850mm，混凝土C60，外圍鋼筋混凝

15、土柱和鋼柱。圖22 地王大廈 圖23 東方明珠 位于浦東陸家嘴，與南浦、楊浦兩座大橋構(gòu)成了“雙龍戲珠”的美景,人們傳神地將她喻為“大珠小珠落玉盤”的珠塔。這座亞洲第一、世界第三的廣播電視塔，由三個混凝土(摻入了上海建科院的尼龍基合成就纖維)筒體組成獨特造型，高468 米，猶如一串從天而降的明珠，散落在上海浦東這塊尚待雕琢的玉盤之上。圖 25 鳥巢結(jié)構(gòu) 圖24 水立方 圖26 國家大劇院 橋梁工程： 我國的橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，取得了輝煌成就。表2及表3表明，我國已進入橋梁工程發(fā)達國家之列，且有多座橋梁居世界同類型橋梁中跨度排名之首，廣州的丫髻沙大橋（圖27）為跨度最大的中承式鋼管混凝土拱橋。圖27

16、 丫髻沙大橋 全長米，主橋采用三跨連續(xù)自錨中承式鋼管砼拱橋橋型。橋面橫桿連接肋使用馬鋼熱軋H型鋼Q345材質(zhì)H390*300*10*16規(guī)格 8米定尺等共400余噸。主跨達到360米，為當今世界鋼管混凝土拱橋中主跨度最長；大橋平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體每側(cè)重量達13680噸，不僅居國內(nèi)第一，也是世界同類型第一座萬噸轉(zhuǎn)體橋梁；豎轉(zhuǎn)加平轉(zhuǎn)相結(jié)合的施工方法世界領(lǐng)先。 鐵路工程： 截至2000年底，我國鐵路運營路程已達6.87萬公里，居世界第4位，亞洲之首。鐵路朝著城市輕軌和地鐵兩方面發(fā)展。同時，我國也在積極建造高速鐵路，武漢至廣州的高速鐵路運營時間僅需4小時。此外，磁懸浮列車（圖28）也在發(fā)展。 圖28 磁懸浮列車(

17、上海磁懸浮列車試運行)公路建設(shè)： 到2000年底，公路通車總里程達140萬公里，20年內(nèi)增加了35萬多公里，其中高速公路24336公里，居世界第三，僅次于美國和加拿大。水利建設(shè)： 50年間全國興建大中小水庫8.6萬座，水庫總蓄水量4580億m3，建設(shè)和整修大江大河堤防25萬公里，目前防洪工程發(fā)揮的經(jīng)濟效益達7000多億元。在大壩建設(shè)方面，我國先后建成了青海龍羊峽大壩、貴州烏江渡大壩、四川二灘大壩等水利水電工程，在建的三峽水電站（圖29）總裝機容量達1820萬千瓦，建成后將超過目前世界上發(fā)電量最大的伊泰普水電站50%而躍居世界第一。 圖29 三峽大壩全景圖（于2006年5月14日） 2006年5

18、月20日完成混凝土澆筑的三峽大壩是目前世界上規(guī)模最大的混凝土重力壩，全長2309米，分為左、右兩個壩段，混凝土澆筑總量1610萬立方米。左岸大壩全長1600多米，于1998年底開始澆筑，2002年10月建成。右岸大壩全長660多米，于2003年7月開始澆筑。4 土木工程的未來 地球上可以居住、生活和耕種的土地和資源是有限的，而人口增長的速度是不斷加快的。因此，人類為了爭取生存，土木工程的未來至少向五個方向發(fā)展。 4.1 向高空延伸 現(xiàn)在人工建筑物較高的為646m的波蘭Gabin227kHz長波臺鋼塔，由15根鋼纖繩錨拉。日本在東京建造800.7m高的千年塔（圖31），它在距海約1.25英里的大

19、海中，將工作、休閑、娛樂、商業(yè)、購物等融于一體的抗震豎向城市中，居民可達5萬人。中國擬在上海附近的1.6公里寬，200m深的人工島上建造一棟高1250m的仿生大廈，居民可達10萬。印度也提出將投資50億建造超級摩天大樓（圖32），其地上共202層，高達710m。 圖31 東京千年塔 170層、840米高千年塔聳立在東京灣，距離海岸2公里。它是一小型的垂直城鎮(zhèn)，此建筑被構(gòu)思為一根巨大的“定海神針”，包裹在螺旋線形的金屬框架內(nèi)，矗立于游艇碼頭之中。采用圓錐狀體形,底面周長600米。由于塔的錐形結(jié)構(gòu)及螺旋狀鋼籠的設(shè)計，使其內(nèi)部穩(wěn)定，能夠抵制該地區(qū)可能隨時會發(fā)生的颶風和地震的沖擊。 圖32 印度摩天大

20、樓 4.2 向地下發(fā)展 1991年在東京召開的城市地下空間國際學術(shù)會議通過了東方宣言，提出了21世紀是人類開發(fā)利用地下空間的世紀。建造地下建筑將有效改善城市擁擠、節(jié)能和減少噪聲污染等優(yōu)點。日本于20世紀50年代末至70年代大規(guī)模開發(fā)利用淺層地下空間，到80年代末已開始研究50100m深層地下空間的開發(fā)利用問題。 日本1993年開建的東京新豐州地下變電所，將深達地下70m。目前世界上共修建水電站地下廠房約350座，最大的為加拿大的格朗德高級水電站。 我國城市地下空間的開發(fā)尚處于初級階段，目前已有北京、上海、廣州等六個城市建有地鐵，已開通的總長度達215公里；設(shè)有140個地鐵站，北京地鐵長度已達4

21、1.6公里。 4.3 向海洋拓寬 為了防止機場噪聲對城市居民的影響，也為了節(jié)約使用陸地，2000年8月4日，日本大阪利用18億立方圍海建造的1000m長的關(guān)西國際機場（圖33）試飛成功。阿拉伯聯(lián)合酋長國首都迪拜的七星大酒店（圖34）也建在海上，洪都拉斯將建海上城市型游船，該船將長804.5m，寬228.6m，有28層樓高，船上設(shè)有小型噴氣式飛機的跑道、醫(yī)院、旅館、超市、飯店、理發(fā)店和娛樂場等。圖33 關(guān)西機場 位于泉州沖約5km的大阪灣上，已于1994年9月正式通航，成為世界上第一個名副其實的海上機場。 圖34 七星酒店 建于海濱的人工島上,是一個帆船形的塔狀建筑,321米高。采用雙層膜結(jié)構(gòu)建

22、筑形式,造型輕盈、飄逸。住店旅客可坐豪華的勞斯萊斯汽車直接往返于機場,也可從28層專設(shè)的機場坐直升機,花15分鐘空中俯瞰迪拜美景?？腿丝杀粷撍偷讲蛷d,就餐前可欣賞到海底奇觀。 4.3 向海洋拓寬 近些年來，我國在這方面也已取得可喜的成績，如上海南匯灘圍墾成功和崇明東灘圍墾成功（圖35），最近又在建設(shè)黃浦江外灘的拓岸工程。圍墾、拓岸工程和建造人工島有異曲同工之處，為將來像上海這樣大的近海城市建造人工島積累了科技經(jīng)驗和準備力量。 圖35 上海崇明東灘生態(tài)城（Dongtan Eco City） 總體規(guī)劃一期2010年完工 4.4 向沙漠進軍 全世界約有1/3陸地為沙漠，每年約有600萬公頃的耕地

23、被侵蝕，這將影響上億人口的生活。世界未來學會對下世紀初世界十大工程設(shè)想之一是將西亞和非洲的沙漠改造成綠洲。改造沙漠首先必須有水，然后才能綠化和改造沙土?，F(xiàn)在利比亞沙漠地區(qū)已建成一條大型的輸水管道，并在班加西建成了一座直徑1公里、深16公里的蓄水池用以沙漠灌溉。 在缺乏地下水的沙漠地區(qū)，國際上正在研究開發(fā)使用沙漠地區(qū)太陽能淡化海水的可行方案，該方案一旦實施，將會啟動近海沙漠地區(qū)大規(guī)模的建設(shè)工程。 我國沙漠輸水工程試驗成功，自行修建的第一條長途沙漠輸水工程甘肅民勤調(diào)水工程已于全線建成試水，順利將黃河水引入河西走廊的民勤縣（三面被沙漠包圍）紅崖山水庫。我國首條沙漠高速公路榆靖高速公路(圖36)已全線通車，其全長116公里。圖36 榆靖高速公路 東起陜西省榆林市榆陽區(qū)芹河鄉(xiāng)孫家灣村，西至