土木工程概論

土木工程概論前言土木工程是一個覆蓋面非常廣闊的工程學科，按工程對象的不同，有以下分支：建筑工程、橋梁工程、巖土工程、隧道和地下工程、軌道交通工程、道路與機場工程、港口工程、礦井工程等，國際上還包括水利工程、給水排水工程、暖氣通風工程等；按工作內(nèi)容的不同，有以下分工：設(shè)計、施工、管理、咨詢、監(jiān)理、投資、教育、研究、開發(fā)等的技術(shù)和管理工作；按工作性質(zhì)的不同，有以下幾種職業(yè)：工程技術(shù)人員、教師和研究人員等。在高等學校內(nèi)設(shè)置土木工程專業(yè)就是為了培養(yǎng)土木工程所需的各類人員。在土木工程專業(yè)開設(shè)的課程中，一般都在第一學期為剛?cè)雽W的新同學開設(shè)土木工程概論課程。其目的就是讓剛進入土木工程專業(yè)學習的學生通過土木工程概論課程的學習能夠?qū)ν聊竟こ痰墓ぷ鲗ο?、工作?nèi)容和工作性質(zhì)有一概略且較完整的了解，有助于學生能夠結(jié)合自己的特點和興趣，對大學期間的學習作出合理的考慮和安排。本課程共包含12章內(nèi)容：第1章和第2章主要介紹什么是土木工程、土木工程師的職業(yè)內(nèi)容、土木工程師是怎樣工作的、土木工程師應具有的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)以及學生應怎樣適應大學的專業(yè)教育環(huán)境。第3章到第12章則分別介紹土木工程的分支，分別為土木工程材料、建筑工程、橋梁工程、軌道交通工程、隧道工程、水工結(jié)構(gòu)物、海洋工程結(jié)構(gòu)、土力學與基礎(chǔ)工程、水利工程和減災。對于參加工程管理專業(yè)自學考試的同學來講，本課程的重點章節(jié)為第4章到第8章共5章，次重點章節(jié)為第1章到第3章共3章，一般章節(jié)為第9章和第10章共2章，第11章和第12章不列入考核范圍。

第1章土木工程和土木工程師1.1什么是土木工程土木工程的定義：土木工程是建造各類工程設(shè)施的科學技術(shù)的總稱，它既指工程建設(shè)涉及的工程材料和設(shè)備相關(guān)的勘測、設(shè)計、施工和保養(yǎng)維修等技術(shù)活動，也指工程建設(shè)的對象，如房屋、道路、鐵路、運輸管理、隧道、橋梁、運河、堤壩、港口、電站、機場、海洋平臺、給水排水以及防護工程等。古代社會沒有土木工程師和建筑師的區(qū)分（統(tǒng)稱為建筑師），直到18世紀，從事公共建筑設(shè)施規(guī)劃設(shè)計、建造和保養(yǎng)維修的專業(yè)人士開始稱自己為“土木工程師”。1761年，著名的Eddy燈塔的設(shè)計和建造者JohnSmeaton成立了土木工程協(xié)會，并第一個稱自己為“土木工程師”，使公眾開始了解土木工程師的職業(yè)和他們所從事的工作。土木工程與我們的日常生活密切相關(guān)，并在人類的發(fā)展歷史中起到了重要的作用。各種大大小小的工程結(jié)構(gòu)的建造，不論是在設(shè)計、規(guī)劃還是在工程的管理上，都需要土木工程師來完成。土木工程是一門古老的學科，它已經(jīng)取得了巨大的成就，未來的土木工程將在人們的生活中占據(jù)更重要的地位?？萍嫉陌l(fā)展以及地球不斷惡化的環(huán)境也將促使土木工程向太空和海洋發(fā)展，為人類提供更廣闊的生存空間。另外，各種工程材料新技術(shù)的涌現(xiàn)也將推動土木工程的進步。傳統(tǒng)的工程材料主要是鋼材、鋼筋、混凝土、木材和磚材。在未來，傳統(tǒng)材料將得到改良，一些全新的更加適合建筑的材料將問世，尤其是化學合成材料將推動建筑走向更高點。同時，設(shè)計方法的精確化，設(shè)計工作的自動化，信息和智能技術(shù)的全面引入，將會使人們有一個更加舒適的居住環(huán)境。1.2土木工程的分支廣義的土木工程涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域：建筑工程、交通土建工程、井巷工程、水利水運設(shè)施工程、城鎮(zhèn)及建筑環(huán)境設(shè)施工程、防災減災工程。土木工程的分支（從學科角度劃分）：結(jié)構(gòu)工程、水利與水資源工程、環(huán)境工程、交通工程、測量工程和巖土工程等。結(jié)構(gòu)工程：是與建筑和橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及建造相關(guān)的科學技術(shù)。水資源工程：涉及水供應和水系網(wǎng)絡(luò)、洪水和洪澇災害的控制、水利和水質(zhì)相關(guān)的環(huán)境問題以及水質(zhì)環(huán)境遙感預測的規(guī)劃、管理、設(shè)計和運營等。環(huán)境工程：不僅涉及水的環(huán)境質(zhì)量，還包括空氣質(zhì)量和土地的使用。環(huán)境工程師關(guān)注大氣污染、水污染、固體廢物處理、放射性有害物質(zhì)控制、昆蟲災害控制和安全潔凈水的供應等與環(huán)境有關(guān)的問題。交通工程：是采用某種方式將人群或物體有序高效地從一個地方運送到另一個地方的科學技術(shù)。測量工程：是對地表進行精密測量以獲取工程項目所在位置的可靠信息。巖土工程：是土木工程中處理工程項目設(shè)計施工中與土、巖石和地下水相關(guān)的專門技術(shù)。

1.3若干位歷史記載的著名土木工程師約瑟夫?阿斯普?。河?，1824年發(fā)明了“波特蘭”水泥（即硅酸鹽水泥）。約翰?斯米頓：英國人，是歷史上第一個稱自己為土木工程師的人，以區(qū)別于當時的軍事工程師。1771年，他成立了歷史上第一個工程專業(yè)協(xié)會，即土木工程師協(xié)會。他以設(shè)計和建造英國Eddy燈塔而著名?？?太沙基：奧地利人，土力學之父，將土的固化、側(cè)壓、承載能力和穩(wěn)定理論引進了土力學。詹天佑：中國江西人，鐵路工程專家，1905年被清政府任命為總工程師，主持修建了我國自建的第一條鐵路——京張鐵路。茅以升：我國著名土木工程學家、橋梁專家、工程教育家，中國近代橋梁事業(yè)的先驅(qū)。20世紀30年代，他主持設(shè)計并組織修建了錢塘江公路鐵路兩用大橋。1.4科學、技術(shù)和工程工程：是將科學理論應用于人們社會實踐活動的一門專門藝術(shù)，它的主要作用是把自然資源轉(zhuǎn)化為人類服務(wù)。工程師：是掌握并運用科學理論知識和數(shù)學工具，具備專業(yè)技術(shù)能力和良好職業(yè)道德，具有創(chuàng)新意識，解決問題滿足人類需求的專業(yè)技術(shù)人員。工程師應該兼具科學家和數(shù)學家的素質(zhì)，具有創(chuàng)新意識，知任善斷，善于解決問題，工程師應具備良好職業(yè)道德和為公眾社會服務(wù)的責任心，工程師還應是一位改革創(chuàng)新者，要充分意識技術(shù)變革對社會將產(chǎn)生巨大的影響。技術(shù)：人運用自己的知識，采用工具或其他方式使人們生活得更方便或舒適。人類利用技術(shù)來改善和提高工作能力。通過技術(shù)，人們能更好地相互通信交流。技術(shù)使人們能用上更好的產(chǎn)品。科學和技術(shù)的關(guān)系：兩者密切關(guān)聯(lián)?？茖W是技術(shù)得以存在的基礎(chǔ)。技術(shù)是科學理論的應用?？茖W家：其工作的主要目的是獲取和增加人類對自然的知識和了解。在追求新知識的進程中，科學家要進行系統(tǒng)的研究?？茖W家與工程師的區(qū)別：科學家探尋的是對自然現(xiàn)象和規(guī)律的更深理解，工程師則側(cè)重于自然現(xiàn)象和規(guī)律知識的應用，來開發(fā)出新的裝置和工藝。工程師開展研究的目的是為了解決實際問題，科學家是為認識和了解自然現(xiàn)象和科學規(guī)律而進行研究，其研究的目的不在于是否具有實際應用背景。1.5土木工程師的工作做什么土木工程師的工作范圍：（1）丈量和測繪地表；（2）設(shè)計并指導橋梁、隧道、房屋、堤壩和海岸結(jié)構(gòu)的施工；（3）道路、公路、鐵路和機場的規(guī)劃、設(shè)計和施工；（4）高效交通流程和控制的系統(tǒng)設(shè)計；（5）水利灌溉和防洪工程的設(shè)計與施工；（6）給水排水體系以及廢棄物處理；（7）管理大型工程項目。土木工程師可以細分為各類專長，這些專長相對獨立，但又相互關(guān)聯(lián)。結(jié)構(gòu)工程師：從事各類工程的設(shè)計和技術(shù)指導。施工工程師（建造師）：在施工現(xiàn)場工作，其職責是在現(xiàn)場將圖紙轉(zhuǎn)化為混凝土和鋼的實體。測繪測量工程師：其工作在工程設(shè)計前開始并伴隨工程的整個進行過程。測量工程師采用大量的電子儀器甚至借助衛(wèi)星技術(shù)來進行工程測量。交通工程師：其工作涉及與整個公共交通系統(tǒng)有關(guān)的規(guī)劃、設(shè)計、施工和維護管理等一切活動。環(huán)境工程師：其工作涉及采用科學技術(shù)和方法來進行供水處理和廢水處理、土表恢復補償、水管、溝渠、固體廢料處置等技術(shù)工作，并盡量減少人類這些活動對環(huán)境的不利影響。水利工程師：從事與水相關(guān)的規(guī)劃、設(shè)計、施工和日常維護的技術(shù)工作。巖土工程師：負責了解并確定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以下的巖石層和土的條件及特性，這些參數(shù)會影響上部道路、水庫、橋梁以及其他大型結(jié)構(gòu)的安全性。1.6土木工程師是怎樣工作的土木工程師的工作程序：收集數(shù)據(jù)、計劃或規(guī)劃、設(shè)計、經(jīng)濟分析、現(xiàn)場施工以及日常運營或維護。工程項目的規(guī)劃：通過較大范圍的規(guī)劃分析來確定工程所涉及相關(guān)設(shè)施的未來需求，要進行盡可能遠的需求分析，如果需要，應進行針對近期需求的初步設(shè)計。工程設(shè)計：是一個綜合過程，是通過采用方案規(guī)劃和場地勘察的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)主的要求，設(shè)計出能滿足功能要求的、并可在業(yè)主預算下建造出來的結(jié)構(gòu)或設(shè)施的過程。1.7土木工程師職業(yè)土木工程師的職業(yè)可分為三大類：咨詢、承包和維護。咨詢工程師：其職責一般涵蓋工程項目總體準備、項目的造價估算、項目監(jiān)理、場地勘察、項目的工程設(shè)計，以及現(xiàn)場施工的督查指導等。工程承包行業(yè)的土木工程師（即建造師）：其工作是進行現(xiàn)場的具體工程測量、獲取所供材料的相關(guān)資料、安排工程施工的實施細節(jié)方案，并決定現(xiàn)場所需的施工機械種類、數(shù)量以及所需的勞動力人數(shù)。市政工程師：承擔著地方和中央政府管轄的公共基礎(chǔ)設(shè)施項目的規(guī)劃、督管和維護管理。可行性分析：所有重要的項目，啟動前都會有一個詳細的項目可行性分析，在對眾多可能性方案的初步分析基礎(chǔ)上，給出一個或幾個建議方案。1.8土木工程的明天未來的土木工程師既面臨挑戰(zhàn)，又充滿機遇。挑戰(zhàn)：人口增長，基礎(chǔ)設(shè)施老化，各種自然災害等。機遇：中國經(jīng)濟的快速發(fā)展為土木工程的發(fā)展提供了難得的機遇，目前全世界過半的土木工程項目是由中國人完成的（我國鋼材和水泥的產(chǎn)量均超過世界總產(chǎn)量的一半）。

第2章為土木工程師準備的大學教育2.1土木工程師應當具有哪些必要的知識大學的工程教育包含基礎(chǔ)教育和專業(yè)教育。基礎(chǔ)教育的首要任務(wù)是培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)教育課程不僅包括高等數(shù)學、大學物理、大學化學、計算機等理工類課程，還開設(shè)有人文社科類課程，如哲學、文學、歷史學等，以及經(jīng)濟學、管理學的課程。土木工程的專業(yè)教育由兩部分構(gòu)成：專業(yè)基礎(chǔ)與專門化知識。專業(yè)基礎(chǔ)涉及的課程：材料力學、結(jié)構(gòu)力學、彈性力學、土力學與基礎(chǔ)工程、工程制圖、工程管理等。專門化知識：土木工程專業(yè)包含許多專門領(lǐng)域（如房屋建筑工程、橋梁工程、道路工程等），教學計劃中與之相對應開設(shè)了專門的課程組，要求高年級學生能夠掌握某一專門化方向的知識系統(tǒng)，從而學會如何設(shè)計、分析、組織和實施工程項目。2.2大學的專業(yè)教育能為學生提供什么課程：課程的性質(zhì)一般有必修課、推薦選修課（限定選修課）和任意選修課。教師：大學教師也給學生上課、布置和批改作業(yè)、針對一些專題安排學生的課堂討論，指導實驗和實習，組織課程考試并給出成績。同時，大學教師往往還是科學家或工程師。不過，大學教師很少直接監(jiān)督學生的一般學習過程。實驗室：大學工程專業(yè)的實驗室內(nèi)裝備有各種實驗設(shè)備和測試儀器并且面向所有學生開放，可以幫助學生完成基本和全面的訓練。實驗室提供詳盡的實驗指導書，實驗類型有演示、驗證、技能操練和自行探索等多種。實踐環(huán)節(jié)：包括實驗室工作、工程設(shè)計作業(yè)（含課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等）、工程施工現(xiàn)場的參觀和實習、戶外地質(zhì)勘探、各種對象的工程測量等。圖書館：館藏出版物，包括書籍、期刊、報刊、報告和各種論文，提供給學生取之不盡的知識源泉。2.3未來土木工程師應有怎樣的能力土木工程師應具備的5種能力：（1）應用知識的能力；（2）進行實驗和解釋數(shù)據(jù)的能力；（3）設(shè)計能力；（4）與團隊協(xié)調(diào)工作的能力；（5）表達和有效溝通的能力。2.4怎樣適應大學的專業(yè)教育環(huán)境課程學習：是大學期間最重要的任務(wù)。校園活動：通過積極參與課外的校園活動促進自己全面發(fā)展。體育鍛煉：養(yǎng)成體育鍛煉的習慣，這并非是對土木工程專業(yè)學生的特殊要求，因為保持身體健康將幫助所有學生以充分的自信和精力投入學習和將來的職業(yè)發(fā)展。意識到自己的社會責任：工程師們負責設(shè)計、建造的每一個工程項目都不僅要解決技術(shù)問題，更重要的是在工程技術(shù)問題后面，第一位的是生命和財產(chǎn)的安全，同時還要考慮其對環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的影響。土木工程專業(yè)的學生從大學時代起就應該意識到自己的社會責任，注意培養(yǎng)起自己關(guān)心人類和自然和諧發(fā)展的情懷。2.5樹立終身學習的理念大學教育給予學生的只是今后成為工程師的初步訓練。在完成大學學業(yè)后，還必須繼續(xù)學習，在工作實踐中學習。在有經(jīng)驗的老工程師指導下，通過工程項目的規(guī)劃、設(shè)計、施工等過程，熟悉各種相關(guān)法律、規(guī)范、技術(shù)標準，學會處理各種實際問題。2.6我國土木工程專業(yè)教學指導意見土木工程專業(yè)教學指導意見的核心是要求辦學院校切實按照寬口徑專業(yè)規(guī)格進行專業(yè)建設(shè)和學生培養(yǎng)。同時，給各院校以充分的自主性，在保證寬口徑和基本培養(yǎng)規(guī)格的前提下，各院?？梢栽谡n程設(shè)置、教材選用、教學重點、培養(yǎng)方式等方面，根據(jù)自己的條件辦出自己的特色。

第3章土木工程材料3.1概述土木工程材料的重要性：土木工程材料是建筑物的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在任何一項建筑物中，土木工程材料的投資都占有非常大的比重。土木工程中許多技術(shù)突破，往往依賴于土木工程材料性能的改進和提高。土木工程材料的分類：木材、石材、金屬材料、水泥、混凝土、砌塊、瀝青材料、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。約在距今4000-10000年前的新石器時代，人類學會了加工木材，然后修筑簡單的住所，成為最早的木結(jié)構(gòu)建筑。木材的優(yōu)點：輕質(zhì)高強；有較高的彈性和韌性；易加工；承受沖擊和振動作用好；導熱系數(shù)低；保溫隔熱；具有較好的耐久性；裝飾效果好；絕緣性能強；無毒性。木材的缺點：構(gòu)造不均勻，呈各向異性；自然缺陷多，影響材質(zhì)和使用率；濕脹干縮，易產(chǎn)生干裂和翹曲；易腐蝕、霉爛和蟲蛀；耐火性差，易燃燒。木材的主要物理和力學性質(zhì)：含水率、濕脹干縮、表觀密度和強度。木材的強度：抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度。有順紋強度和橫紋強度之分。木材的順紋強度比其橫紋強度要大得多。在工程上均充分利用木材的順紋強度。木材強度以順紋抗拉強度為最大，其次是抗彎強度和順紋抗壓強度。影響木材強度的主要因素：含水率、密度、顆粒結(jié)構(gòu)、溫度和木材缺陷。其中木材的密度是影響其強度的最主要因素。密度越大，強度越高；密度越小，強度越低。木材的分級：根據(jù)木材的缺陷情況，可將木材分為一、二、三、四等。結(jié)構(gòu)和裝飾用木材一般選用等級高的木材。按照承重結(jié)構(gòu)的受力要求對木材進行分級，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級。一般Ⅰ級木材用于受拉或受彎構(gòu)件；Ⅱ級木材用于受彎或受壓構(gòu)件；Ⅲ級木材用于受壓構(gòu)件及次要受彎構(gòu)件。3.3金屬材料在土木工程中，使用最多的金屬材料是鋼材。鋼材的優(yōu)點：品質(zhì)均勻、強度高，具有一定的彈性和塑形變形能力，能夠承受沖擊、振動等荷載；可加工性能好，可以進行各種機械加工，也可通過鑄造的方法，將鋼鑄造成各種形狀；還可以通過切割、鉚接或焊接等多種方式的連接，進行裝配法施工。鋼材的缺點：容易腐蝕，維修費用高，而且能耗大、成本高、耐火性差。土木工程結(jié)構(gòu)用鋼：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。鋼結(jié)構(gòu)用鋼：熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、熱（冷）軋鋼板、鋼管、鋼絲繩和鋼絞線等。鋼筋混凝土用鋼：熱軋鋼筋、冷軋帶肋鋼筋和預應力筋。專門結(jié)構(gòu)用鋼：橋梁結(jié)構(gòu)鋼和鋼軌鋼。橋梁結(jié)構(gòu)鋼的要求：除了具有較高的強度外，還要具有良好的塑性、韌性、可焊性和較高的疲勞強度，具有良好的抗大氣腐蝕性。鋼軌鋼的要求：不僅具有較高的強度以承受較高的壓力和抗剝離能力，而且還要具有較高的耐磨性、沖擊韌性和疲勞強度。鋼材的防腐：（1）涂敷保護膜；（2）電化學防腐；（3）制成合金鋼。3.4水泥1824年，英國的約瑟夫?阿斯普丁發(fā)明了波特蘭水泥（即硅酸鹽水泥）。水泥的發(fā)明是土木工程材料歷史上的一個重要里程碑。水泥是最常用的土木工程材料之一。用水泥制成的砂漿和混凝土，堅固耐用，廣泛應用于土木建筑、水利、國防等工程。水泥的分類：按其組成可分為常用水泥和特種水泥兩類。常用水泥是以硅酸鹽水泥熟料為主要組分的水泥；特種水泥是指水泥熟料為非硅酸鹽類的水泥。水泥的組成：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兩大類?；钚曰旌喜囊话憧商岣咚鄰姸龋腔钚曰旌喜臅档退鄰姸?，但可以減少水化熱。3.5混凝土混凝土是由膠凝材料（如水泥）將集料（骨料）膠結(jié)而成的固體復合材料?；炷潦乾F(xiàn)代土木工程中應用最廣、用量極大的人造建筑材料?；炷恋姆诸悾焊鶕?jù)混凝土中膠凝材料的不同分為水泥混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土、樹脂混凝土、瀝青混凝土等。其中在土木工程中使用最廣泛的是水泥混凝土?；炷恋膬?yōu)點：具有較高的強度和耐久性，可以通過調(diào)整其組分，使其具有不同的物理力學特征，以滿足各種工程的不同要求；混凝土拌合物具有可塑性，便于澆筑成各種形狀的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)；能與鋼筋牢固地結(jié)合成堅固、耐久、抗震且經(jīng)濟的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；經(jīng)久耐用，維修費用低?；炷恋娜秉c：抗拉強度低，一般不用于承受拉力的結(jié)構(gòu)；在溫度、濕度變化的影響下容易產(chǎn)生裂縫?；炷恋膽茫核嗷炷潦请S著硅酸鹽水泥的出現(xiàn)而問世的。隨著科學技術(shù)的進步，混凝土的強度不斷提高，性能不斷完善，品種不斷增加。進入20世紀以來，混凝土已經(jīng)成為土木工程中至關(guān)重要的一種建筑材料，因而受到廣泛的關(guān)注。它被廣泛應用于工業(yè)與民用建筑、給水排水工程、水利水電工程、交通工程以及地下工程、國防建設(shè)等?；炷恋闹饕夹g(shù)性質(zhì)：混凝土拌合物的和易性、凝結(jié)特性，硬化混凝土的強度、耐久性等?；炷恋膹姸龋悍譃榭箟簭姸?、抗拉強度、抗彎強度及抗剪強度等。其中以抗壓強度為最大，故混凝土主要承受壓力。混凝土的組成：主要由水泥、水、骨料三種材料組成。為改善混凝土的性能，常加入一定量的混凝土外加劑。為降低成本、改善混凝土的性能還加入一些摻合料。骨料：普通混凝土所用骨料按粒徑大小分為兩種，粒徑大于5mm的稱為粗骨料（通常為石子），粒徑小于5mm的稱為細骨料（通常為砂）?；炷镣饧觿涸诎柚苹炷吝^程中摻入的不超過水泥質(zhì)量5%的能按要求改善混凝土性能的物質(zhì)，稱為混凝土外加劑。混凝土外加劑可改善混凝土的和易性和硬化后的混凝土性能，并收到節(jié)省水泥、節(jié)約能源、加快施工速度、減輕勞動強度等效果?；炷翐胶狭希簽楣?jié)約水泥，改善混凝土的性能，在混凝土拌制時摻入量大于水泥質(zhì)量5%的礦質(zhì)粉末，稱為混凝土摻合料?；炷镣饧觿┖偷V物摻合料已成為配制混凝土時所必需的原材料，因為它們能夠改善混凝土的和易性、強度和耐久性，而且能幫助混凝土利用更多的固體廢棄物，節(jié)省資源、能源，保護環(huán)境，提高混凝土的綠色化水平?；炷僚浜媳龋菏侵富炷粮鹘M成材料數(shù)量之間的比例關(guān)系。常用的表示方法有兩種：一種是以1m3混凝土中各組成材料的質(zhì)量表示；另一種方法是以各項材料相互間的質(zhì)量比（常以水泥質(zhì)量為13.6砂漿砂漿的作用：砂漿在土木工程中也具有重要作用。砂漿在土木工程中主要起粘結(jié)、傳遞荷載、附著、保護、防水、裝飾等作用。砂漿的組成：由膠凝材料、細骨料、外加劑和水等材料按適當比例配制而成。按膠凝材料不同，砂漿可分為水泥砂漿、石灰砂漿和混合砂漿等。砂漿的強度等級：根據(jù)砂漿的抗壓強度劃分為M2.5、M5.0、M7.5、M10、M15、M20、M25和M30等。影響砂漿強度的因素主要有材料性質(zhì)、配比和施工質(zhì)量等。3.7瀝青材料瀝青材料的特性：瀝青是一種憎水的膠凝材料，常溫下呈黑色或黑褐色固體、半固體或粘稠狀的液體，與礦物材料有較強的粘結(jié)力，具有良好的防水、抗?jié)B、耐化學腐蝕性。主要用于生產(chǎn)防水材料、防腐材料和鋪筑瀝青路面等。工程上使用的瀝青材料主要是石油瀝青和煤瀝青，其中因為石油瀝青的性質(zhì)優(yōu)于煤瀝青，故應用最廣。瀝青材料的應用：通常按照工程應用特性，將石油瀝青分為道路石油瀝青、建筑石油瀝青和普通石油瀝青三類。道路石油瀝青主要在道路工程中用作膠凝材料，用來與碎石等礦物質(zhì)材料配制成瀝青混合料。建筑石油瀝青主要用于制作油紙、油氈和防水涂料等。這些材料大部分應用于屋面及地下防水、溝槽防水、防腐蝕及管道防腐工程等。3.8合成高分子材料高分子材料的特性：具有密度低、比強度高、耐水性及耐化學腐蝕性強、抗?jié)B性及防水性好、裝飾性好、易加工等許多優(yōu)點；同時，高分子材料也存在諸多缺陷，如耐熱性差、易燃燒、易老化等。高分子材料的用途：高分子材料作為土木工程材料，開始于20世紀50年代，現(xiàn)在已成為繼水泥、木材、鋼材之后的又一種重要的建造材料。高分子材料的主要形式有塑料制品、橡膠制品、涂料、膠粘劑、密封劑、玻璃鋼、防水材料等。3.9墻體材料墻體材料：用來砌筑、拼裝或用其他方法構(gòu)成承重或非承重墻的材料稱為墻體材料。墻體材料主要有磚、砌塊和板材三類。

第4章建筑工程4.1建筑工程的特點建筑工程：是一門涉及各類建筑的設(shè)計、施工和修復等工程問題的學科，需要綜合應用建筑學、地質(zhì)學、測量學、土力學、工程力學、建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)、施工機械等各種知識和技術(shù)。建筑本身的特點：（1）任何一個建筑產(chǎn)品都處在特定的地點，固定在地面上不能移動，由于不同的地點具有不同的地貌和地質(zhì)條件，因此有必要對每一個建筑作專門的地基和基礎(chǔ)設(shè)計；（2）建筑產(chǎn)品應是多功能的，從而滿足用戶的多種需要，包括使用功能、規(guī)模、結(jié)構(gòu)形式、風格、舒適性和經(jīng)濟性；（3）建筑產(chǎn)品的尺度在長度、寬度、高度三者之一或者全部都要比其他產(chǎn)品大得多；（4）建筑會受到許多形式的荷載或力的作用。建筑工程施工的特點：（1）由于體量尺寸大和技術(shù)復雜，建筑產(chǎn)品的建造過程中需要一定規(guī)模的人力、機械設(shè)備和大量的建筑材料，并且需要很長一段時間才能完工，少則幾個月，多則若干年；（2）工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)是在固定的工廠車間，而建筑產(chǎn)品的建造沒有固定的地點，經(jīng)常一個地方到另一個地方的流動；（3）建筑施工通常露天作業(yè)，很容易受到自然環(huán)境的影響和干擾。建筑工程項目管理的特點：（1）建筑產(chǎn)品的建造需視作一個項目來運作，應有明確的目標、詳細的工作內(nèi)容、規(guī)定的施工進程、成本預算、質(zhì)量標準等細節(jié)，制定一個完備的項目管理計劃是十分重要的；（2）一個建筑項目常常需要若干個階段才能完成，將涉及許多施工部門和專業(yè)人員，很多不確定事件、因素會影響到項目的運作進程。4.2建筑的組成和功能建筑的組成：包含基礎(chǔ)、墻或柱、樓面、屋蓋、樓梯、門、窗戶、陽臺等，這些構(gòu)件可分成圍護結(jié)構(gòu)和承重結(jié)構(gòu)兩大類。圍護結(jié)構(gòu)：建筑的功能是通過圍護結(jié)構(gòu)來達到的，圍護結(jié)構(gòu)將建筑圍護起來，形成封閉的區(qū)域，阻止外界風、雨、雪的侵入，但是能讓陽光、新鮮空氣進入，使人們安全舒適地生活和工作。墻、門、窗、屋檐、圍欄、雨棚等都屬于圍護結(jié)構(gòu)。承重結(jié)構(gòu)：建筑受到其自重和來自人群、家具、設(shè)備、結(jié)構(gòu)材料等的重量以及雪、風、地震等的作用，這些統(tǒng)稱為荷載。建筑中能承受這些荷載并將它們傳遞到其他部位的結(jié)構(gòu)稱為承重結(jié)構(gòu)。由承重結(jié)構(gòu)組成的體系稱為結(jié)構(gòu)體系，涵蓋各式各樣的構(gòu)件，例如梁、板、柱、屋架、承重墻、基礎(chǔ)等?；A(chǔ)：是一幢建筑最下面的部分，而基礎(chǔ)之下的土壤稱為地基，不屬于建筑范圍?；A(chǔ)將承受整幢建筑的荷載，并將其傳遞到地基。承重墻：用來承受來自屋面或樓面荷載的墻稱為承重墻。其他的墻叫做非承重墻。樓蓋：是水平布置的構(gòu)件，在豎向?qū)蓚€樓層分隔開來。樓蓋不但能承受豎向和水平荷載，還能起到隔聲、防火和防水的作用。屋蓋：一幢建筑的頂部稱為屋蓋或屋頂。屋蓋既是圍護結(jié)構(gòu)，避免其下的空間遭受風、雨、雪的侵襲，又是承重結(jié)構(gòu)，承受屋面自重和各種活荷載。樓梯：人們從一個樓層到另一個樓層的豎向交通是通過樓梯實現(xiàn)的。除了樓梯，電梯和自動扶梯也是豎向交通設(shè)備。但樓梯是最基本、最經(jīng)濟的日常交通設(shè)備，也是緊急情況時人們撤離的通道。因此，即使安裝了電梯或自動扶梯的建筑仍有必要設(shè)置樓梯。窗與門：是建筑中兩類圍護結(jié)構(gòu)。窗的功能是讓陽光和空氣進入，讓人們看到室外；門用來供人在各獨立房間之間進與出，同時也像窗那樣具有日光照明和通風的功能。在不同使用條件下，窗與門還需有隔熱或隔聲，防水、或防火、或防塵、或防盜等功能。陽臺：是建造在建筑底層以上的外墻上的平臺，用矮墻或欄桿圍護。人們可從室內(nèi)進入陽臺，欣賞室外景色或沐浴溫暖陽光。4.3建筑分類建筑分類的目的：是研究每類建筑的特點和性能，建立設(shè)計和施工的規(guī)范、標準。建筑按照用途分類：分為生產(chǎn)性建筑和民用建筑，生產(chǎn)性建筑又可次分為工業(yè)建筑和農(nóng)畜業(yè)建筑，民用建筑也可次分為住宅建筑和公共建筑。建筑按照結(jié)構(gòu)材料分類：分為木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等。建筑按照樓層數(shù)目分類：分為低層建筑（1~3層）、多層建筑（4~6層）、中高層建筑（7~12層）和高層建筑（12層以上）。公共建筑高度大于24m就屬于高層建筑。高度大于100m的建筑稱為超高層建筑。4.4建筑的結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的定義：建筑中承重的骨架，承受建筑的自重和外界的各種荷載，并將它們傳遞到建筑的地基上?？蚣芙Y(jié)構(gòu)：是一種由線狀構(gòu)件（典型的是梁和柱）所組成的結(jié)構(gòu)，構(gòu)件之間在端部相互連接，連接處稱為“節(jié)點”。雖然節(jié)點作為整體在受力后可轉(zhuǎn)動，但是認為相連的構(gòu)件之間沒有相對轉(zhuǎn)角發(fā)生?？蚣芙Y(jié)構(gòu)能抵抗豎向荷載，也能抵抗水平荷載。豎向荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的受力特點：當框架梁受到豎向荷載后，梁發(fā)生撓曲變形，梁端部趨于轉(zhuǎn)角變形。另一方面，梁端與柱頂是剛性連接，梁端難以自由轉(zhuǎn)動，因為它受到柱子的約束。因此，柱子除了承受來自梁傳遞過來的軸力外，還要承受彎矩，然后，柱子又將這些內(nèi)力傳遞到地面。水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的受力特點：當框架結(jié)構(gòu)受到側(cè)向（或水平）荷載作用后，借助梁柱之間的剛性連接，梁能約束柱子的轉(zhuǎn)動。梁的剛度與框架抵抗側(cè)向荷載的能力有著密切的聯(lián)系，它也能起到將部分側(cè)向荷載從一側(cè)傳遞到另一側(cè)的作用。側(cè)向荷載將使框架中所有構(gòu)件產(chǎn)生彎矩、剪力和軸力。桁架結(jié)構(gòu)：是由一些單根線狀的桿件以單個三角形或多個三角形布置方式組裝而形成的結(jié)構(gòu)，桿件之間在連接處通常假定為鉸接。桁架結(jié)構(gòu)的受力特點：由桿件組成的桁架受到荷載作用后，桁架作為整體受彎，這相當于一根梁那樣的方式受彎。但是，桁架中的桿件并不受彎，而是純粹的軸心受壓或者受拉。索：是一種柔性的線狀構(gòu)件，它受到外部荷載后會隨著荷載的幅值和作用位置的情況而產(chǎn)生相應的變形，其形成的形狀稱為“索狀”。在索里只存在拉力。懸索結(jié)構(gòu)和斜拉索結(jié)構(gòu)是建筑屋蓋中常用的兩種大跨度結(jié)構(gòu)形式。殼：是一種三維的薄壁剛性結(jié)構(gòu)，它可做成任何形狀的表面。常用表面的形狀有旋轉(zhuǎn)曲面、移動曲面和直紋曲面等。殼的受力特點：殼體通過曲面內(nèi)的壓應力、拉應力、剪應力來承載，薄薄的殼體，其抗彎能力有限，因此薄殼只適合承受均布荷載，且廣泛應用于建筑屋蓋。4.5特種工程結(jié)構(gòu)特種工程結(jié)構(gòu)的種類：電視塔、水塔、冷卻塔、煙囪、筒倉、儲存罐等。通常，這類結(jié)構(gòu)的高度或者長度都很龐大。它們被用作為公共設(shè)施、工業(yè)生產(chǎn)和儲存。通常采用鋼筋混凝土或鋼材建造。

第5章橋梁工程5.1橋梁的組成和分類橋梁的組成部分可分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。橋梁上部結(jié)構(gòu)的組成及其作用：橋梁上部結(jié)構(gòu)由橋面、橋道結(jié)構(gòu)、承重結(jié)構(gòu)以及連接系組成。橋面是車輛或行人行走部分；橋道結(jié)構(gòu)支承橋面，將荷載傳給承重結(jié)構(gòu)；承重結(jié)構(gòu)架立在支座上，將荷載傳給支座；連接系位于主梁之間，承受水平荷載。橋梁下部結(jié)構(gòu)的組成及其作用：橋梁下部結(jié)構(gòu)由支座、墩臺和基礎(chǔ)組成。支座支承上部結(jié)構(gòu)，將荷載傳給墩臺，并將上部結(jié)構(gòu)固定在墩臺上，保證上部結(jié)構(gòu)的伸縮、彎曲等變形；墩臺支承上部結(jié)構(gòu)，并將上部結(jié)構(gòu)荷載傳至基礎(chǔ)；基礎(chǔ)將橋墩傳來的荷載分布到地基中去。橋梁的組成部分也可分類成五個“大部件”與五個“小部件”。橋梁的五大部件是指橋梁承受汽車或其他運輸車輛荷載的那些結(jié)構(gòu)，它們要通過承受荷載的計算與分析，是橋梁安全性的保證。包括橋跨結(jié)構(gòu)、支座系統(tǒng)、橋墩、橋臺、墩臺基礎(chǔ)。橋跨結(jié)構(gòu)是路線遇到障礙中斷時，跨越這類障礙的承重結(jié)構(gòu)；支座系統(tǒng)支承上部結(jié)構(gòu)并傳遞荷載到橋梁墩臺上，它應保證上部結(jié)構(gòu)在荷載、溫度變化或其他因素作用下所預計的位移功能；橋墩在河中或岸上支承兩側(cè)橋跨上部結(jié)構(gòu)的建筑物；橋臺設(shè)在橋的兩端，一側(cè)與路堤相接，并防止路堤滑塌，另一側(cè)則支承橋跨上部結(jié)構(gòu)；墩臺基礎(chǔ)保證橋梁墩臺安全并將荷載傳至地基的結(jié)構(gòu)部分。橋梁的五小部件是直接與橋梁服務(wù)功能有關(guān)的部件，過去總稱為橋面構(gòu)造。包括橋面鋪裝、排水防水系統(tǒng)、欄桿、伸縮縫、燈光照明。橋面鋪裝的平整、耐磨性、不翹曲、不滲水是保證行車舒適的關(guān)鍵；排水防水系統(tǒng)應能迅速排除橋面上積水，并使?jié)B水的可能性降至最小限度；欄桿既是保證安全的構(gòu)造措施，又是有利于觀賞的最佳裝飾件；伸縮縫是指在橋跨上部結(jié)構(gòu)之間，或在橋跨上部結(jié)構(gòu)與橋臺端墻之間設(shè)置的縫隙，以保證結(jié)構(gòu)在各種因素作用下的變位。為使橋面上行車順適，無任何顛動，橋上要設(shè)置伸縮縫構(gòu)造；燈光照明增添了城市光彩奪目的夜景。橋梁的分類：我國《公路工程技術(shù)標準》（JTJ001-97）規(guī)定了特大、大、中、小橋的跨徑劃分：特大橋（單孔跨徑L0≥150m，總長L≥1000m）、大橋（單孔跨徑40m≤L0≤150m，總長100m≤L≤1000m）、中橋（單孔跨徑20m≤L0≤40m，總長30m≤L≤100m）、小橋（單孔跨徑5m≤L0≤20m，總長8m≤L≤30m）、涵洞（單孔跨徑L0﹤5m）。國際上一般認為單跨跨徑小于150m屬于中小橋梁，大于150m即稱為大橋。而能稱之為特大橋的，只與橋型有關(guān)：懸索橋（跨徑L0﹥1000m）、斜拉橋（跨徑L0﹥500m）、鋼拱橋（跨徑L0﹥500m）、混凝土拱橋（跨徑L0﹥300m）。橋面可布置在橋跨結(jié)構(gòu)的上面或下面。布置在橋跨結(jié)構(gòu)上面的，稱上承式橋，在下面的稱下承式橋，在中間的稱中承式橋。上承式橋的主要優(yōu)點：構(gòu)造簡單，施工方便；橋跨結(jié)構(gòu)的寬度可做得小些，因而可節(jié)約橋墩臺的圬工數(shù)量；橋道布置簡單，而且車輛、行人在橋面上通過時，視野開闊。所以，對城市橋來說，一般可采用上承式。橋梁按其用途劃分：公路橋、鐵路橋、公路鐵路兩用橋、農(nóng)橋、人行橋、運水橋及其他專用橋。橋梁按主要承重結(jié)構(gòu)材料劃分：木橋、鋼橋、圬工橋（磚、石、混凝土橋）、鋼筋混凝土橋和預應力鋼筋混凝土橋。采用最廣泛的是混凝土橋（中小跨徑橋）和鋼橋（大跨徑橋）。5.2橋梁的結(jié)構(gòu)體系橋梁的結(jié)構(gòu)體系：梁式、拱式、剛架、斜拉、懸索以及各種組合體系。梁式體系的特點：豎向荷載作用下無水平推力。梁作為承重結(jié)構(gòu)是以它的抗彎能力來承受荷載的。梁式體系分簡支梁、懸臂梁、固端梁和連續(xù)梁。簡支梁橋和連續(xù)梁橋是最廣泛的梁式體系梁橋。由于結(jié)構(gòu)剛度大、經(jīng)濟性好，預應力混凝土梁式橋是最常用的結(jié)構(gòu)型式。預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋廣泛應用于150m以上的大跨度橋梁，最大跨徑接近300m。拱式體系的特點：主要承重結(jié)構(gòu)是拱，其特點是豎向荷載作用下有水平推力。拱以承壓為主來承受荷載，可采用抗壓能力強的圬工材料（磚、石、混凝土）。因為拱是有推力的結(jié)構(gòu)，對地基要求較高，一般常建于地基良好的地區(qū)。用系桿承受水平推力的拱橋稱為系桿拱橋，系桿拱橋不對基礎(chǔ)產(chǎn)生水平推力，對地基要求不高，且具有拱橋的美觀特征，故具有廣泛的應用。剛架橋：是介于梁與拱之間的一種結(jié)構(gòu)體系，它是由受彎的上部梁式結(jié)構(gòu)與承壓的下部柱（或墩）整體結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)。剛架橋的整個體系是壓彎結(jié)構(gòu)，也是有推力的結(jié)構(gòu)。由于梁與柱的剛性連接，梁因柱的抗彎剛度而得到卸載作用，可以采用比梁橋較小的梁高，故一般用于跨徑不大的城市橋或公路高架橋和立交橋。斜拉橋：是由承壓的塔、受拉的索與承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。20世紀50年代初，前聯(lián)邦德國首先修建了鋼斜拉橋，梁體用拉索多點拉住，好似多跨彈性支承連續(xù)梁，使梁體內(nèi)彎矩減少，降低了建筑高度，從而減小了結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約了材料。這種體系因而發(fā)展很快，各國競相采用，是第二次世界大戰(zhàn)后橋梁發(fā)展史上最偉大的成就之一。當橋梁主跨為300-500m之間可與拱橋比選，500-700m之間一般選用斜拉橋，700-1000m左右可與懸索橋比選。目前世界上斜拉橋的最大跨徑為主跨1088m的我國蘇通長江公路大橋。懸索橋：又稱為吊橋，也是具有水平反力（拉力）的橋梁結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的吊橋采用地錨式，即用懸掛在兩邊主塔上的強大的纜索作為主要承重構(gòu)件，在豎向荷載作用下，通過吊桿使纜索承受很大的拉力，故需要在兩側(cè)橋臺后方修筑巨大的錨定結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代吊橋廣泛采用高強度鋼絲編成的鋼纜，以充分發(fā)揮其優(yōu)異的抗拉性能，因此結(jié)構(gòu)自重較輕，能以較小的建筑高度跨越其他任何橋型無與倫比的特大跨度，常用跨徑為700m以上。目前世界上懸索橋的最大跨徑為主跨1991m的日本明石海峽大橋。傳統(tǒng)的地錨式懸索橋承擔荷載的主纜錨固在錨定上，水平力由地基承受。但是，也可將主纜直接錨固在主梁上，水平力由橋梁自身承擔，從而取消了大體積錨定，這就形成了自錨式懸索橋。自錨式懸索橋?qū)⒃瓉碇粚儆谔卮罂鐝?、外表美麗壯觀的懸索橋型也能適用于較小跨徑的城市橋梁。斜拉-懸索組合體系：包含懸索和斜拉兩種體系的橋梁。5.3世界和中國主要橋型的記錄跨徑懸索橋：明石海峽大橋（1991m，日本）；舟山西堠門大橋（1650m，中國）。斜拉橋：多多羅橋（890m，日本）；蘇通長江公路大橋（1088m，中國）。拱橋：新河峽橋（518m，美國）；重慶朝天門長江大橋（552m，中國）。梁橋：斯多馬桑得橋（301m，挪威）；重慶石板坡長江大橋復線橋（330m，中國）。

第6章軌道交通工程6.1鐵道的產(chǎn)生鐵道產(chǎn)生的經(jīng)濟基礎(chǔ)：工業(yè)革命為鐵道的誕生奠定了經(jīng)濟基礎(chǔ)。1640年英國發(fā)生資產(chǎn)階級革命。18世紀60年代英國又開始工業(yè)革命。工業(yè)革命使英國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水平大大提高了，經(jīng)濟空前繁榮，為新交通工具的產(chǎn)生提供了堅實的經(jīng)濟基礎(chǔ)。鐵道產(chǎn)生的技術(shù)基礎(chǔ)：冶金技術(shù)和蒸汽動力技術(shù)的發(fā)展，再加上英國的軌道運輸?shù)慕?jīng)驗，為鐵道的產(chǎn)生準備了技術(shù)前提。軌道的演變：從石軌、板軌、木軌，發(fā)展到覆以鐵條的木軌，再到鑄鐵軌、熟鐵軌，直到現(xiàn)代的鋼軌。斯蒂芬遜父子是鐵道發(fā)展史上的關(guān)鍵人物。他們不僅造車，還負責修建鐵路。英國最早的鐵路從利物浦到曼徹斯特總長約48km，就是由他們建造的。6.2鐵道的組成與今后發(fā)展鐵道工程的組成：包括線路、機車與車輛、車站及樞紐、信號與通信設(shè)備四個方面。鐵道線路：是由路基、橋隧建筑物（包括橋梁、涵洞、隧道等）和軌道（包括鋼軌、連接零件、軌枕、道床、防爬設(shè)備和道岔等）組成的一個整體工程結(jié)構(gòu)。路基：是鐵道線路的重要組成部分，由路基本體、路基防護及加固構(gòu)筑物、路基排水設(shè)施三部分組成。其中路基本體是直接鋪設(shè)軌道結(jié)構(gòu)并承受列車荷載的部分，是路基工程中的主體構(gòu)筑物。軌道：是線路的主要技術(shù)裝備之一，它的作用是引導機車車輛運行，直接承受由車輪傳來的荷載，并把它傳遞給路基或橋隧建筑物。鋼軌是軌道的主要部件，用于引導機車車輛行駛、并將所承受的荷載傳布于軌枕、道床及路基。同時，為車輪的滾動提供阻力最小的接觸面。軌枕是軌道結(jié)構(gòu)的重要部件，一般橫向鋪設(shè)在軌下道床上，承受來自鋼軌的壓力，使之傳布于道床。同時利用扣件有效地保持兩股鋼軌的相對位置。道床鋪設(shè)在路基之上、軌枕之下，它將機車車輛的荷載通過鋼軌、軌枕并經(jīng)過道床的擴散作用，散布于路基面上，起著保護路基的作用。車站：是鐵路運輸?shù)幕旧a(chǎn)單位，它集中了和運輸有關(guān)的各項技術(shù)設(shè)備，并參與整個運輸過程的各個作業(yè)環(huán)節(jié)。車站按技術(shù)作業(yè)性質(zhì)可分為中間站、區(qū)段站、編組站；按業(yè)務(wù)性質(zhì)可分為客運站、貨運站、客貨運站；按等級可分為特等站、一至五等站。軌距：是指兩根鋼軌之間的距離，即鋼軌頂面下16mm范圍內(nèi)兩根鋼軌之間的最小距離。1937年國家鐵路協(xié)會裁定將軌距1435mm定為標準軌距，1520mm及其以上的軌距為寬軌，1067mm及其以下的軌距為窄軌。盡管多數(shù)國家采用的是1435mm的標準軌距，然而時至今日，全世界仍有30多種不同的軌距。由于各國鐵路軌距不同，嚴重影響國際鐵路運輸?shù)恼ｉ_展。我國采用的是標準軌距，但前蘇聯(lián)國家（俄羅斯、中亞五國等）采用的卻是寬軌，而越南采用的是窄軌，因此我國的鐵路運輸與這些國家之間并不能暢通無阻，需要在國境站進行換裝，不僅延長運輸時間，而且增加了運輸成本。從長遠來看，全面推行標準軌距仍是世界鐵路發(fā)展的大趨勢。鐵道運輸?shù)膬?yōu)點：（1）運量大、運價低廉且運距長；（2）行駛具有自動控制性；（3）有效使用土地；（4）污染性較低；（5）受氣候限制小。鐵道運輸?shù)娜秉c：（1）資本密集且固定資產(chǎn)龐大；（2）設(shè)備龐大不易維修，且戰(zhàn)時容易遭致破壞；（3）貨損較高；（4）營運缺乏彈性。我國鐵道運輸?shù)奶攸c：（1）客貨運輸并重；（2）數(shù)量質(zhì)量兼顧；（3）速度、密度重量合理匹配；（4）運輸安全情況復雜、保障難度大；（5）不同技術(shù)等級的鐵路共同發(fā)展；（6）高新技術(shù)與適用技術(shù)并重，不同層次技術(shù)裝備并存。鐵路發(fā)展的趨勢：高速化。目前我國已成為世界上高速鐵路里程最多的國家。6.3我國鐵道建設(shè)的發(fā)展我國鐵路建設(shè)經(jīng)歷了五個階段：（1）開創(chuàng)時期（1876-1893年）。1876年，英國資本集團采取欺騙手段擅自修筑了吳淞鐵路，雖然這條鐵路只經(jīng)營了一年多，但還是讓國人領(lǐng)略了當時先進的交通方式，為后來鐵路的發(fā)展起了先導的作用；（2）帝國主義爭奪路權(quán)，中國鐵路緩慢發(fā)展時期（1894-1948年）。1894年，清政府在中日甲午戰(zhàn)爭中戰(zhàn)敗后，八國聯(lián)軍攫取了中國的鐵路權(quán)益。清政府時期（1876-1911年）修建鐵路約9400km，其中帝國主義直接修建經(jīng)營的約占41%，帝國主義通過貸款控制的約占39%，國有鐵路僅占20%左右。北洋政府時期（1912-1927年）在關(guān)內(nèi)修了約2100km鐵路。南京國民黨政府時期（1928-1948年）共修建鐵路約13000km。（3）新中國成立后，搶修和恢復鐵路運輸生產(chǎn)時期（1949-1952年）。1949年一年共搶修恢復了8278km鐵路。從1950年開始，我國在大西南、大西北有重點地修建了成渝、成昆、天蘭鐵路和湘桂鐵路。從1952年開始，動工修建蘭新、寶成、豐沙等鐵路干線。（4）中國鐵路網(wǎng)骨架基本形成時期（1953-1978年）。從1953年開始，國家進入有計劃發(fā)展國民經(jīng)濟的時期。到1980年鐵路經(jīng)過了五個“五年計劃”的建設(shè)，取得了輝煌的成績。1980年底鐵路營運里程達49940km，全國鐵路網(wǎng)骨架基本形成。（5）貫徹改革開放政策，中國鐵路步入新的發(fā)展時期（1979年以來）?！吨虚L期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》明確了我國鐵路中長期建設(shè)目標：到2020年，我國將建成“四橫四縱”客運專線網(wǎng)，線路長度在12000km以上。全國鐵路經(jīng)過了6次全面提速，青藏鐵路的通車和一批城際高鐵的開通，標志著我國在鐵路建設(shè)上取得了巨大成就。6.4高速軌道交通系統(tǒng)1964年10月1日，世界上第一條高速鐵路——日本東京至大阪的東海道新干線正式投入運營，速度達到210km/h。高速鐵路的特點：高速鐵路與傳統(tǒng)鐵路相比，無論是設(shè)計理論還是施工技術(shù)要求均有很大的改變。以高速鐵路路基為例，為保證路基強度大、變形小，并具有足夠的穩(wěn)定性和耐久性，高速鐵路路基結(jié)構(gòu)的形式較傳統(tǒng)鐵路路基有明顯的變化，控制路基沉降成為高速鐵路路基設(shè)計的關(guān)鍵，路基剛度與列車、軌道系統(tǒng)的匹配問題也成為實現(xiàn)高速和舒適運行的根本。我國于1999年8月開工建設(shè)的秦沈客運專線在高速鐵路建設(shè)方面邁出了第一步。2008年8月1日，京津城際鐵路正式通車運營，列車速度達到350km/h，是中國鐵路全面進入“高速時代”的重要里程碑。高速鐵路網(wǎng)的類型：新建列車最高運行速度不小于200km/h的客運專線；改造能使列車以200-220km/h速度運行的既有線路；改造能使擺式車體列車以200-230km/h速度運行的既有線路。磁懸浮系統(tǒng)：在磁懸浮鐵路上運行的列車，是利用電磁系統(tǒng)產(chǎn)生的吸引力或排斥力將車輛托起，使整個列車懸浮在線路上，利用電磁力進行導向，并利用直線電機將電能直接轉(zhuǎn)換成推進力來推動列車前進。德國和日本在磁懸浮技術(shù)方面處于領(lǐng)先。德國采用常導磁吸式，而日本采用超導磁斥式。目前世界上唯一一條投入商業(yè)運營的磁懸浮線是上海磁懸浮示范運營線，該線于2002年12月31日啟用，線路全長30km，最高運行速度430km/h。磁懸浮鐵路的優(yōu)點：與傳統(tǒng)鐵路相比，磁懸浮鐵路由于消除了輪軌之間的接觸，因而無摩擦阻力；磁懸浮列車由于沒有鋼軌、車輪、接觸導線等摩擦部件，可以省去大量的維修工作和維修費用；線路垂直負荷小，適于高速運行，速度可達500km/h以上；無機械振動和噪音，無廢氣排出和污染，有利于環(huán)境保護，能充分利用能源，獲得較高的運輸效率。另外，磁懸浮列車可以實現(xiàn)全盤自動化控制。因此，磁懸浮列車是未來最具有競爭力的交通工具之一。

第7章隧道工程7.1引言隧道工程：是一種狹長線形的地下開挖工程，其軸向長度遠大于橫向尺寸的寬和高。隧道廣泛應用于人類的各類活動，例如居住、貯藏、交通、電力輸送等。我國在鐵路隧道、公路隧道、地下鐵路、水工隧道及地下工廠等建設(shè)方面都取得了豐碩的成果。到目前為止，我國大陸已建設(shè)了5500多條鐵路隧道，總長度約3000余公里，位居世界第一。隧道工程是一種規(guī)模巨大且投資昂貴的工程類型，因此在施工前期需要進行詳細的規(guī)劃與設(shè)計。7.2隧道類型與隧道結(jié)構(gòu)隧道類型：（1）明挖法隧道。地層只產(chǎn)生被動的靜荷載作用于隧道結(jié)構(gòu)上，其分析方法類似于地上結(jié)構(gòu)；（2）軟土隧道。地層開挖后需立即施筑剛性支護。地層通常主動提供彈性抗力以約束襯砌結(jié)構(gòu)的向外變形；（3）中硬巖石隧道。修建于中等堅硬的巖石或內(nèi)聚力很大的土層中，其圍巖具有足夠的自穩(wěn)能力，允許在開挖后暴露一定的時間。一部分土層應力在支護結(jié)構(gòu)有效地發(fā)揮作用前可以得到永久性的釋放。因此，將只有小部分原始地應力作用于襯砌結(jié)構(gòu)之上；（4）硬巖隧道。由于圍巖堅硬，具有很強的自穩(wěn)能力，故必要時只需施筑薄層襯砌即可。隧道結(jié)構(gòu)：（1）圓形結(jié)構(gòu)。這種類型的盾構(gòu)法隧道在軟土地區(qū)的地鐵建設(shè)中應用十分廣泛，而且與其他結(jié)構(gòu)形式相比具有很多優(yōu)點。首先，圓形結(jié)構(gòu)十分經(jīng)濟且施工方便。另外，圓形的盾構(gòu)機械易于生產(chǎn)和操作，受力性能也更好；（2）矩形和馬蹄形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式不如圓形結(jié)構(gòu)應用廣泛，原因是其結(jié)構(gòu)形式復雜且造價昂貴，而且受力情況也十分復雜；（3）雙圓盾構(gòu)形式。已開始應用于上海地鐵的建設(shè)中，并將會得到進一步的推廣。7.3隧道施工鐵路隧道的施工方法：在我國5500多條鐵路隧道中，絕大部分是采用新奧法（NATM）進行施工的。在新奧法思想的指導下，隧道通過采用預裂爆破和光面爆破的方法以求盡量減少對圍巖的擾動，從而成功實現(xiàn)了大斷面的開挖。開挖后立即施作錨桿和噴射混凝土從而及時控制圍巖的變形，并在圍巖基本穩(wěn)定后施筑二次襯砌。在施工過程中，需要通過監(jiān)測技術(shù)了解圍巖狀況并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果適時調(diào)整施工和設(shè)計方案。如今，新奧法已經(jīng)成為我國隧道設(shè)計與施工中應用最為廣泛的思想和原理。利用巖石隧道掘進機（TBM）方法施工的目前只有秦嶺隧道。其他施工方法如盾構(gòu)法、沉管法等也應逐步被引進至鐵路隧道在特殊地質(zhì)條件下的施工建設(shè)中。公路隧道的施工方法：（1）大斷面公路隧道。我國已完成了多條三車道公路隧道的建設(shè)。如云南的平年隧道、廣州的靠椅山隧道、四川的天生平隧道及振武山隧道等。公路部門設(shè)立了諸多關(guān)于三車道隧道結(jié)構(gòu)計算、開挖方法和支護措施等方面的科研項目，取得了豐碩的科研成果并已直接應用在以上隧道的工程建設(shè)中；（2）水底公路隧道。上海打鋪路隧道是國內(nèi)第一條軟土水底公路隧道，也是國內(nèi)第一條采用盾構(gòu)法施工的隧道。廣州珠江隧道是第一條由我國獨立設(shè)計施工的沉管法隧道。懸浮隧道是沉管隧道的一種特殊形式，其特殊性表現(xiàn)在沉管管段不是埋在水底溝槽內(nèi)，而是懸浮于水中，隧道結(jié)構(gòu)用錨索或墩基礎(chǔ)與海底地基相連，這種隧道可以方便地與郊區(qū)道路網(wǎng)或城市設(shè)施連接。地鐵的施工方法：中國第一條地鐵建于北京，并于1969年投入運營。在20世紀60年代和80年代的北京與天津地鐵修建中，明挖的施工方法得到了廣泛應用。雖然明挖法會對居民的生活造成較大的干擾，但具有造價低和施工速度快等優(yōu)勢。在20世紀80和90年代，盾構(gòu)法和礦山法在地鐵施工中的大廣泛應用，這兩種方法可以有效減少對城市交通、市民生活的干擾，并可避免對周圍建筑物和管線安全造成影響。除盾構(gòu)法外，新奧法也被廣泛應用于我國地鐵的修建中。近幾年，蓋挖法在我國地鐵車站的修建中得到推廣應用。水工隧道和地下廠房的施工方法：（1）天生橋水電站。修建于20世紀80年代，設(shè)有三條引水隧洞。采用TBM（巖石隧道掘進機）施工；（2）甘肅引大入秦工程。于1995年建成通水，采用兩臺TMB掘進機施工；（3）山西萬家寨引黃工程。也是采用TMB掘進機進行開挖的。7.4未來發(fā)展展望隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進，超長和超大型地下工程建設(shè)必將成為未來的發(fā)展趨勢。規(guī)劃中的未來重點工程項目有海南瓊州海峽隧道、渤海灣橋隧工程、20多個城市的地鐵工程、溪洛渡水電站、錦屏水電站、上海崇明隧道工程等。

第8章水工結(jié)構(gòu)物8.1水工結(jié)構(gòu)的基本類型水利工程：是一門研究水的流動與控制的科學。水利工程結(jié)構(gòu)形式：大壩結(jié)構(gòu)和運河渠道是最主要的兩種水利工程結(jié)構(gòu)形式。此外，還包括其他用途的水工建筑物：（1）水利發(fā)電設(shè)備；（2）河流運輸設(shè)施；（3）農(nóng)田水利設(shè)施。大壩：是一種擋水結(jié)構(gòu)，其主要作用就是攔蓄水流。在硅酸鹽水泥發(fā)明前，大壩主要有兩種類型，砌體壩（堆砌）和土石壩（填筑壩）。石頭砌塊是通常用來建造砌體壩的主要材料，而現(xiàn)代的砌體壩則用鋼筋混凝土建造。這類砌體壩往往建造在水流湍急的峽谷之間，這里通常具有良好的巖石條件作為大壩的基礎(chǔ)。土石壩的建造需要大量的土石方用于截流，這些土石方是由碎石與泥土組成，并經(jīng)壓實。土石壩一般建造于水流相對緩慢之處?；炷链髩蔚慕Y(jié)構(gòu)形式：重力式大壩、扶壁式大壩和拱壩。大壩設(shè)計前的調(diào)查研究：在開始設(shè)計和建造大壩之前，需要進行大量勘察與科學研究工作。這項調(diào)查研究工作不僅涉及建設(shè)地的地質(zhì)地貌特征調(diào)查，而且還涉及當?shù)氐耐寥缼r石樣本情況，以確定地質(zhì)因素對大壩設(shè)計與建造的影響。要確定大壩截流后水流的水力特性，以便水利工程師利用這些數(shù)據(jù)來計算水流壓力。此外，還必須研究是否用圍堰或水流改道來建造大壩。大運河：在現(xiàn)代水利水電工程中，世界上有三個最著名的國際大運河。德國的基爾運河，連接北海與波羅的海，全長95km；埃及的蘇伊士運河，連接地中海與紅海，全長169km；巴拿馬運河，連接大西洋與太平洋，全長85km。中國的京杭大運河是中國古代一項偉大工程，它溝通了中國南北水上交通、灌溉了運河兩岸的地區(qū)，至今仍然發(fā)揮著作用。美國現(xiàn)代最主要的運河建設(shè)項目是圣勞倫斯航道。船閘：是運河的最重要的設(shè)施之一，當船舶進入船閘后，船閘關(guān)閉，然后進水或者泄水，船舶隨著水位一同上升或下降，使船舶能在同一的高水位或低水位內(nèi)航行通過。水利樞紐：為了滿足防洪要求和獲得灌溉、發(fā)電、供水等方面的效益，需要在河流適宜地段建造各種不同類型的建筑物，用來控制和支配水流。集中建造的幾種水工建筑物配合使用，形成一個有機綜合體，即水利樞紐。水利樞紐工程開發(fā)是一項巨大的工程項目，包括水利結(jié)構(gòu)工程和水利發(fā)電工程，是以實現(xiàn)除水害、興水利為目標，對整個河流和河段進行全面綜合開發(fā)，并根據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展的需要分段分步驟地建設(shè)實施。8.2水流特點水壓力：水流的機械運動對結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生靜水壓力和動水壓力。這些壓力的大小可以通過水力學計算公式計算。滲水對大壩基礎(chǔ)的影響：地下滲透水壓力會引起向上的隆起，并作用于大壩底部。這些直接作用向上的壓力，稱為滲透壓力，或反壓力。這種隆起作用會對大壩起上浮壓力作用，并引起大壩基礎(chǔ)的抗剪強度減弱?？瘴g現(xiàn)象：當高速水流通過大壩時，高速水流會形成局部真空區(qū)，水流產(chǎn)生氣泡，氣泡不斷潰滅，并產(chǎn)生強大壓力，破壞大壩結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為空蝕現(xiàn)象。水工混凝土的退化：主要是由于地下水滲透，凍融，酸堿度以及混凝土裂縫等原因引起。8.3大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計大壩的分類：根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和建筑材料來劃分，可分為重力壩、拱壩、支墩壩（扶壁式大壩）、堆石壩和土壩等。前三種通常是用混凝土建筑的。重力壩依靠其自重達到穩(wěn)定，且通常在平面上是直的，有時也有稍呈彎曲。拱壩則將壩后水的水平方向大部分推力借助拱的作用傳到河谷兩岸。與重力壩比較，拱壩可具有較薄的橫斷面。拱壩適合建在V形狹窄河谷中，因為河谷兩壁能夠經(jīng)受住拱作用所產(chǎn)生的推力。最優(yōu)壩型的選擇：是一個有關(guān)工程和經(jīng)濟兩方面的問題。需要考慮一些關(guān)鍵因素，如地形、地質(zhì)和氣候等。壩型時常決定于在當?shù)乜捎玫慕▔尾牧虾涂赏ㄟ_的運輸條件。設(shè)計重力壩時應考慮的幾種力：（1）壩的重量；（2）靜水壓力；（3）上托力；（4）冰壓力；（5）地震作用；（6）反作用力。土壩設(shè)計的主要問題：在給定壩基條件下，選擇的材料成分和邊坡應能使壩體的任何部分都不會發(fā)生坍塌。堆石壩的設(shè)計要點：在壩上游坡筑不透水層防止?jié)B漏；設(shè)置由粗砂、礫石和小巖石組成的濾層，使不透水層土質(zhì)不致進入堆石的大縫隙；壩基必須堅實足以承受豎向壓力，并對橫向滑動應有足夠抵抗力。8.4明渠流明渠流：是指水流具有自由表面的流動，如天然河道、人工渠道中的水流流動。一般可劃分為恒定流和非恒定流，也可分為均勻流和非均勻流。8.5長江三峽水利樞紐工程介紹長江是我國第一大河流，全長達6300km，流域面積達180km2，年平均徑流量為1000億m3，長度和年平均徑流量均是世界第三。三峽工程：位于西陵峽的中間，其壩址位于湖北省宜昌市三斗坪，離上游的葛洲壩工程約40km。三峽工程具有巨大的綜合效益，如防洪、發(fā)電和航運等。三峽水利樞紐工程的組成：主要有攔蓄大壩、泄水設(shè)施、發(fā)電廠和導航設(shè)施等。大壩主體為鋼筋混凝土重力式結(jié)構(gòu)，最大高度達175-185m，長度為2500-2800m。

第9章海洋工程結(jié)構(gòu)海洋工程：是一個相對較新的工程領(lǐng)域，指設(shè)計、制造和安裝能適應非常惡劣海上環(huán)境的近海工程結(jié)構(gòu)物，如海洋平臺，以滿足人類不斷勘察與開發(fā)新的食物資源、能源和礦產(chǎn)資源的需要。9.1海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要步驟：（1）確定設(shè)計要求；（2）評估環(huán)境和外力條件；（3）提出初步設(shè)計方案和主要安裝方法；（4）評估工程經(jīng)濟，建造及施工安裝關(guān)鍵技術(shù)，基礎(chǔ)條件等，并確定最后設(shè)計方案；（5）結(jié)構(gòu)與構(gòu)件詳細設(shè)計以承受工作荷載和環(huán)境荷載；（6）最后，評估設(shè)計，以確保可以承受在運輸和安裝后的各種荷載作用。固定式近海平臺的特點：一般具有穩(wěn)定性好和自持能力強的特點。由于它的甲板負荷大，除了可作為鉆井用之外，一般多用作采油平臺。平臺結(jié)構(gòu)的確定主要取決于結(jié)構(gòu)所承受的環(huán)境荷載、現(xiàn)場海域條件和平臺安裝程序。9.2海洋結(jié)構(gòu)實例海洋平臺的類別：包括導管架式、重力式、牽索塔式、張力腿式、自升式、坐底式、半潛式和鉆井船等。導管架式平臺：由一個預制的鋼質(zhì)導管架和一個預制的鋼質(zhì)平臺組成。導管架從海底一直延伸到水面以上，平臺位于導管架頂上。管樁通過導管架的腿插入海底，上部與平臺連接以支持平臺。這些管樁不僅支持了平臺，而且把整個平臺固定就位，并承受風、浪和流的側(cè)向荷載。導管架式平臺特別適合于軟質(zhì)土壤區(qū)域。重力式平臺：依靠自身重量固定就位和抵抗風、浪及流等引起的側(cè)向荷載。這類平臺擁有巨大的基礎(chǔ)構(gòu)件，當它們加了壓載以后，能產(chǎn)生很大的所需重量，且能把這個重量分布在一個足夠大的海床區(qū)域內(nèi)，以防地基破壞。重力式平臺與導管架式平臺相比，一個優(yōu)點是減少了現(xiàn)場安裝所需的時間，另一個優(yōu)點是巨大的混凝土立柱能承受很大的平臺豎向荷載。重力式平臺適合于土質(zhì)堅硬及打樁困難的區(qū)域。牽索塔式平臺：由等截面的支承構(gòu)件