土木工程概論1(2011.1.15)

土木工程概論緒論土木工程概論課程的任務(wù)土木工程發(fā)展的歷史土木工程的前景與展望如何學(xué)習(xí)《土木工程概論》1.1課程任務(wù)土木工程（CivilEngineering）的由來土木工程的定義(中國國務(wù)院學(xué)位委員會在學(xué)科簡介中的定義）建造各類工程設(shè)施的科學(xué)技術(shù)的總稱既指工程建設(shè)的對象，即建在地上、地下、水中的各種工程設(shè)施也指所應(yīng)用的材料、設(shè)備和所進行的勘測設(shè)計、施工、管理、保養(yǎng)、維修等技術(shù)1.1課程任務(wù)土木工程的范圍

包括房屋建筑工程、公路與城市道路工程、鐵道工程、橋梁工程、遂道工程、機場工程、地下工程、給水排水工程、港口、碼頭工程等。國際上，運河、水庫、大壩、水渠等水利工程也包括于土木工程之中。

房屋建筑道路隧洞鐵路橋梁地鐵公路港口碼頭給排水水利港口橋梁古建筑1.2土木工程發(fā)展的歷史

----古代土木工程從舊石器時代到17世紀中葉沒有設(shè)計理論指導(dǎo)，主要依賴經(jīng)驗建筑典范：西方（以磚石結(jié)構(gòu)為主）：埃及金字塔、希臘的帕特農(nóng)神廟、古羅馬斗獸場、索菲亞大教堂

埃及金字塔拱券在早期建筑中的應(yīng)用，磚砌穹拱希臘雅典衛(wèi)城曾經(jīng)既是人們祭祀，敬神的場所，又是古代雅典人的精神象征，今天已不再有具體的使用功能，但它的精神象征卻保持下來，并成為希臘城市象征希臘帕提農(nóng)神廟

(Parthenon，公元前447-前432年)1.2土木工程發(fā)展的歷史

----古代土木工程中國古代木結(jié)構(gòu)建筑：山西應(yīng)縣木塔、北京故宮、天壇，薊縣的獨特寺觀音閣中國古代磚石結(jié)構(gòu)建筑：萬里長城、河北趙州橋等中國古代水利：都江堰水利工程、京杭大運河山西佛光寺祖師塔山西應(yīng)縣木塔河北趙州橋木結(jié)構(gòu)石結(jié)構(gòu)石結(jié)構(gòu)1.2土木工程發(fā)展的歷史

----近代土木工程17世紀中葉到二戰(zhàn)前后新科學(xué)、新材料、新機械、新方法新科學(xué)：逐步形成為一門獨立學(xué)科新材料：1824年波特蘭水泥－>1859年轉(zhuǎn)爐煉鋼法－>1867年鋼筋混凝土->1928

年預(yù)應(yīng)力混凝土新機械：打樁機、壓路機、挖土機、掘進機、起重機、吊裝機等1.2土木工程發(fā)展的歷史

---近代土木工程工程經(jīng)典案例：

蘇伊士運河帝國大廈金門大橋法國艾菲爾鐵塔芝加哥家庭保險公司大廈都江堰水利工程在四川都江堰市城西，是全世界至今為止，年代最久、唯一留存、以無壩引水為特征的宏大水利工程。2200多年來，至今仍然繼續(xù)使用，并發(fā)揮巨大效益。李冰治水，功在當代，利在千秋，不愧為文明世界的偉大杰作，造福人民的偉大水利工程。都江堰1998年實際灌溉面積超過一千萬畝。1.2土木工程發(fā)展的歷史

----現(xiàn)代土木工程特點:功能要求多樣化城市建設(shè)立體化交通工程快速化工程設(shè)施大型化世界高樓排名2010含在建,迪拜塔世界第一。

1.2土木工程發(fā)展的歷

----現(xiàn)代土木工程世界第一懸索橋－日本明石海峽大橋世界第一斜拉橋－日本多多羅大橋世界第一電視塔－加拿大多倫多電視塔世界第一高壩---瑞士大迪克桑斯壩

上海金茂大廈是88層，建筑高度420.5m，建筑面積28.9萬平方米，于1998年8月28日竣工。鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱。

江陰長江大橋主跨1385m(江陰長江大橋，懸索結(jié)構(gòu)，1999)居世界第四位國家大劇院

工程外部圍護結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，是半橢圓球形，東西長軸212.2m，南北短軸143.64m，總高度46.285m。內(nèi)設(shè)歌劇院（2416席）、音樂廳（2017席）及戲劇院（1040席）及公共大廳等。屋面采用鈦金屬板，整個網(wǎng)殼外環(huán)繞人工湖（35500m2）,各種通道及入口均設(shè)在水下。設(shè)計為法國巴黎機場公司安德魯建筑師，整體結(jié)構(gòu)用鋼量6750t，195kg/m。薄壁結(jié)構(gòu)1.3土木工程的未來1、重大工程項目陸續(xù)興建

----向更高、更大、更快發(fā)展日本擬建的SKYCITY，地上高1000m,可容納3-4萬人居住。1.3土木工程的未來2、向太空、海洋、荒漠地開拓1.3土木工程的未來3.工程材料向輕質(zhì)、高強、多功能化發(fā)展4.設(shè)計方法精確化、設(shè)計工作自動化5.信息和智能化技術(shù)全面引入土木工程（1）信息化技術(shù)（2）智能化技術(shù)（3）智能化交通（4）土木工程分析的仿真系統(tǒng)6.可持續(xù)發(fā)展1.4《土木工程概論》的學(xué)習(xí)建議1、科學(xué)、技術(shù)與工程的關(guān)系科學(xué)（science）:why技術(shù)（Technique）:how工程（Engineeing）：科學(xué)技術(shù)+社會、經(jīng)濟+政治、法律+人文、美學(xué)等2、知識、能力與素質(zhì)要求專業(yè)知識自主學(xué)習(xí)能力綜合解決問題的能力創(chuàng)新能力協(xié)調(diào)管理能力3、如何學(xué)習(xí)土木工程概論教學(xué)方法課堂教學(xué)(教材）施工現(xiàn)場認知實踐（工地實物圖片、錄像、模擬動畫等）師生互動土木工程概論土木工程材料29目錄早期土木工程材料近代土木工程材料 現(xiàn)代土木工程材料30土木工程材料概述縱觀歷史：金屬冶煉、木材防腐和陶瓷工藝等方面，都曾居世界領(lǐng)先地位新建筑材料的出現(xiàn)將導(dǎo)致土木工程飛躍式的發(fā)展土木工程的三次飛躍發(fā)展是磚瓦的出現(xiàn)、鋼材的大量運用、混凝土的興起

土木工程材料：土木工程中所使用的各種材料的統(tǒng)稱材料在土木工程中的作用：對保證工程質(zhì)量的作用對工程造價的影響對工程技術(shù)進步的促進作用材料發(fā)展方向：轉(zhuǎn)向關(guān)注能源消耗和生態(tài)環(huán)境3132一、土木工程材料概述－－材料的種類劃分按化學(xué)成分分類，如表所示33材料的種類劃分按功能分類：結(jié)構(gòu)材料（承受荷載作用的材料，如基礎(chǔ)、柱、梁所用的材料）功能材料（具有其它功能的材料，如起圍護作用的材料；起防水作用的材料；起裝飾作用的材料；起保溫隔熱作用的材料等）按用途分類：如建筑結(jié)構(gòu)材料；橋梁結(jié)構(gòu)材料；水工結(jié)構(gòu)材料；路面結(jié)構(gòu)材料；建筑墻體材料；建筑裝飾材料；建筑防水材料；建筑保溫材料等。34土木工程的歷史演進過程洞穴時期沒有結(jié)構(gòu)木材為主要建筑材料磚瓦人工材料的使用生鐵作為輔助性材料鋼材成為建筑材料混凝土與鋼筋混凝土出現(xiàn)石材進入建筑材料領(lǐng)域建筑材料、設(shè)計理論和施工技術(shù)對結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用每當出現(xiàn)新的優(yōu)良的建筑材料時，結(jié)構(gòu)工程就會有跨躍式的發(fā)展計算力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)代化的起重機械與施工技術(shù)362.1早期土木工程材料－－（磚瓦砂石灰木）磚、瓦、砂、石、灰可統(tǒng)稱為地方材料，屬于最基本的建筑材料例１：金字塔由砂、石、灰等古老而基本的材料建成，完全沒有含混凝土和鋼筋。例２：趙州橋橫跨很寬的河流而中間不用橋墩。這不僅體現(xiàn)了較好的結(jié)構(gòu)特性，而且還表明磚、砂、石、灰等材料制作水平高和運用合理37磚：常用砌筑材料之一磚瓦的生產(chǎn)和使用在我國歷史悠久，有“秦磚漢瓦”之稱。至今仍然廣泛地用于墻體、基礎(chǔ)、柱等砌筑工程中。按有無孔洞：空心磚，多孔磚和實心磚按生產(chǎn)工藝:燒結(jié)磚、非燒結(jié)磚早期建筑材料之磚燒結(jié)普通磚標準尺寸：240mm

×115mm×53mm考慮10mm灰縫厚，則4塊磚長、8塊磚寬和16塊磚厚長度均為1m強度等級：取10塊磚試樣進行抗壓強度測驗，根據(jù)抗壓強度平均值和強度標準值劃分成五個等級，MU30,MU25,MU20MU15,MU10粘土磚缺點：生產(chǎn)取土量大、能耗高、磚自重大，施工強度高、工效低，將被新型材料取代，有的城市已禁用38早期建筑材料之磚39早期建筑材料之瓦瓦：屋面材料按成分分：粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、鋼絲網(wǎng)水泥瓦、聚氯乙烯瓦、玻璃鋼瓦、瀝青瓦等按形狀分：平瓦、波形瓦目前粘土瓦：小青瓦、脊瓦和平瓦粘土瓦只能應(yīng)用于較大坡度的屋面。粘土瓦缺點：材質(zhì)脆、自重大、片小，施工效率低，且需大量木材等，在現(xiàn)代建筑使用比例已逐漸下降

56近代土木工程材料之鋼材概述：應(yīng)用量最大的金屬材料，廣泛應(yīng)用于鐵路、橋梁、建筑工程等各種結(jié)構(gòu)工程中類別（土木工程用的鋼材主要指下面兩類）：用于鋼結(jié)構(gòu)的各種型材（如圓鋼、角鋼、工字鋼等）、鋼板、管材用于鋼筋混凝土中的各種鋼筋、鋼絲等

57工字鋼角鋼槽鋼鋼管鋼絲5859

——鋼結(jié)構(gòu)用材我國鋼結(jié)構(gòu)用鋼材的鋼類主要有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：指一般結(jié)構(gòu)鋼及工程用熱軋板、管、帶、型、棒材，現(xiàn)行國家標準是《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB700－88）。可軋制各種型鋼、鋼板、鋼管與鋼筋。低合金結(jié)構(gòu)鋼：普通碳素鋼的基礎(chǔ)上，少量添加若干如硅、錳、釩、鈦、鈮等合金元素而成，顯著提高和改善鋼的強度、耐腐蝕性、耐磨性、低溫沖擊韌性等。應(yīng)用日益廣泛，在諸如大跨度橋梁、大型柱網(wǎng)構(gòu)架、電視塔、大型廳館中成為主體結(jié)構(gòu)材料。

近代土木工程材料之鋼材國家體育場國家體育場建筑體形上像鳥巢。可容納8萬人。平面為橢圓形,長軸340m短軸292m。屋蓋中間有一個146m×76m的開口，這部分將設(shè)計成開合屋蓋。采用加肋薄壁箱形截面，總用鋼量達16萬t。1931紐約帝國大廈完工，102層，高381米（EmpireStateBuilding）。

1970當時世界最高大廈紐約世界貿(mào)易大廈建成，高410米

上海環(huán)球金融中心

由日本森大廈株式會社的全額子公司森海外株式會社及日本具有代表性的銀行、保險公司、商社等36家企業(yè)，偕同政府系統(tǒng)機構(gòu)日本海外經(jīng)濟協(xié)力基金(OECF)聯(lián)合投資的上海環(huán)球金融中心，總投資逾750億日元。位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，建筑總面積335,420平方米，地下3層，地上94層。建成后的高度達460米?？傆娩摿?6000t，鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱，目前正在施工基礎(chǔ)。上海金茂大廈

金茂大廈是由中國上海對外貿(mào)易中心股份有限公司獨家投資5.6億美元建設(shè)的一座88層的超高層大廈，建筑高度420.5米，建筑面積28.9萬平方米，于1998年8月28日竣工?？傆娩摿?4000t，鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱。設(shè)計者為美國S.O.M事務(wù)所。

央視新臺址央視新臺址建設(shè)工程位于北京朝陽區(qū)東三環(huán)中路、北京商務(wù)中心區(qū)的核心地段，占地面積18.7萬平方米，總建筑面積55萬平方米,230m。央視新臺址建設(shè)工程總投資約50億元人民幣，2003年10月開工建設(shè)，2008年正式運行。大連遠洋大廈

大連遠洋大廈由大連遠洋運輸公司、中遠房地產(chǎn)開發(fā)公司與美國ESPIRIT公司聯(lián)合投資14.8億人民幣開發(fā)的集五星級酒店和甲級寫字樓為一體的智能大廈。總建筑面積14.8萬平方米。其中：A座為五星級酒店，地上51層，總高200.8m。鋼筋混凝土核心筒，外框鋼框架。設(shè)計、加工、安裝全部國產(chǎn)化。臺北101

長寬各150m，總面積30277m2，塔高508m，世界第一高，26層以上以8層為一單元。主要由巨柱、核心系統(tǒng)及外伸桁架梁。巨柱自地下5層至地上90層，最大尺寸為2.4mx3m。直徑5.5m，中670t的阻尼器

高聳建筑電視塔、微波塔、通訊塔等東方明珠電視塔東方明珠廣播電視塔座落在上海浦東新區(qū)黃浦江畔，以其468米的高度成為亞洲第一高塔。她于1991年3月開始建造，1994年11月完工，總重量達12萬噸，總投資8.3億元人民幣。東方明珠塔由三根直徑為九米的擎天立柱、太空艙、上球體、下球體、五個小球、塔座和廣場組成。

電視塔、天線、發(fā)射架、管道支架

鋼結(jié)構(gòu)輕型鋼結(jié)構(gòu)容器和其他構(gòu)筑物陜西銅川天然氣公司1000立方米天然氣球罐大連西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62鋼球罐油罐、儲氣罐

海洋平臺75概述：主要指鋼筋，鋼筋是土木工程中使用最多的鋼材品種之一，其材質(zhì)包括普通碳素鋼和普通低合金鋼兩大類。鋼筋按生產(chǎn)工藝性能和用途的不同可分為：熱軋鋼筋、冷加工鋼筋、熱處理鋼筋和碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線等。

——鋼筋混凝土用鋼材近代土木工程材料之鋼材環(huán)球金融中心混凝土開澆受力鋼筋架立筋箍筋錨固端混凝土結(jié)構(gòu)的配筋鋼筋的分類１．熱軋鋼筋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對熱軋鋼筋的要求：機械強度較高，具有一定的塑性、韌性、冷彎性和可焊性。Ⅰ級鋼筋直徑8-20mm,為光圓鋼筋（HPB235）Ⅱ（HRB335）、Ⅲ（HRB400）、Ⅳ（HRB500）級鋼筋為帶肋鋼筋，有小直徑6-25mm和大直徑28-50mm兩個系列78鋼筋的分類--熱軋鋼筋Ⅰ級鋼筋的強度較低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，廣泛用做普通鋼筋混凝土中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋Ⅱ級與Ⅲ級鋼筋的強度較高，塑性及焊接性也較好，廣泛用做大、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋Ⅳ級鋼筋強度高，但塑性與焊接性較差，適宜作預(yù)應(yīng)力鋼筋79熱軋鋼筋光圓鋼筋螺紋鋼筋月牙紋鋼筋人字紋鋼筋鋼筋的分類—冷加工鋼筋2.冷加工鋼筋：常溫下對熱軋鋼筋進行冷拉、冷拔、冷軋等機械加工冷拉鋼筋冷拉后鋼筋的強度提高，但塑性、韌性變差冷拉鋼筋不宜用于受沖擊或重復(fù)荷載作用的結(jié)構(gòu)冷拔低碳鋼絲

冷拔低碳鋼絲是用6.5mm～8mm的碳素結(jié)構(gòu)鋼通過拔絲機進行多次強力拉拔而成。冷拔低碳鋼絲由于經(jīng)過反復(fù)拉拔強化，強度大為提高，但塑性顯著降低，脆性隨之增加，已屬硬鋼類鋼筋。81鋼筋的分類—熱處理鋼筋和碳素鋼絲3熱處理鋼筋熱處理鋼筋是用熱軋螺紋鋼筋經(jīng)淬火和回火的調(diào)質(zhì)處理而成的，公稱直徑分別為6mm、8mm、2mm和10mm熱處理鋼筋目前主要用于預(yù)應(yīng)力混凝土。4碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線是預(yù)應(yīng)力混凝土專用鋼絲，它們由優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)過冷加工、熱處理、冷軋、絞捻等過程制得。特點：強度高、安全可靠、便于施工

82強度高，粘結(jié)性好強度高，塑性低強度高預(yù)應(yīng)力鋼筋鋼筋熱軋鋼筋鋼絞線消除應(yīng)力鋼絲熱處理鋼筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圓鋼筋帶肋鋼筋帶肋鋼筋帶肋鋼筋非預(yù)應(yīng)力鋼筋強度塑性弱強高低熱處理鋼筋鋼筋的性能鋼材抗拉、抗壓、抗彎、抗剪切強度都很高。常溫下能承受較大的沖擊和振動荷載，有一定的塑性和很好的韌性。鋼材具有良好的加工性能，可以鑄造、鍛壓、焊接、鉚接和切割，便于裝配。建筑用金屬材料的發(fā)展趨勢：以高效鋼材為主體的低合金鋼將得到進一步的發(fā)展和應(yīng)用。隨著冶金工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，建筑鋼材將向具有高強、耐腐蝕、耐疲勞、易焊接、高韌性或耐磨等綜合性能的方向發(fā)展。各種焊接材料及其工藝將隨低合金鋼的發(fā)展不斷完善和配套。8485土木工程三大基礎(chǔ)材料：鋼材、木材、水泥水泥的定義

水泥是粉狀的水硬性膠凝材料，即加水拌合成塑性漿體，能在空氣中和水中凝結(jié)硬化，可將其它材料膠結(jié)成整，并形成堅硬石材的材料。水泥的分類（見下表）工程中最常用的水泥：硅酸鹽系列水泥（國外稱波特蘭水泥）摻混合材料的水泥：礦渣、火山灰、粉煤灰硅酸鹽水泥等近代土木工程材料之水泥2023/7/3186近代土木工程材料之水泥

--硅酸鹽水泥和普通水泥的技術(shù)特征細度：水泥顆粒的粗細程度，比表面積應(yīng)大于300m2/kg凝結(jié)時間：初凝：水泥加水拌和起至水泥漿開始失去塑性終凝：水泥加水拌和起至水泥漿完全失去塑性并開始產(chǎn)生強度要求：初凝時間不能過短，終凝時間不能過長。硅酸鹽水泥初凝時間≥45min，終凝時間≤6.5h鑒定:初凝時間不合要求，報廢；終凝時間不合要求，不合格。堿含量：按Na2O+0.65K2O計算值表示，不能過大。87近代土木工程材料之水泥--硅酸鹽水泥和普通水泥的技術(shù)特征體積安定性：水泥在硬化過程中，體積變化是否均勻的性能游離氧化鈣或氧化鎂或石膏含量過多導(dǎo)致安定性不良安定性不合格的水泥應(yīng)廢棄強度：膠砂的強度而不是凈漿的強度硅酸鹽水泥：42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R普通水泥：32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R帶“R”為早強型，不帶“R”普通型水化熱：主要在早期釋放，后期逐漸減少。不宜用作大體積砼882023/7/3189近代土木工程材料之水泥

--硅酸鹽水泥和普通水泥的適用范圍硅酸鹽水泥和普通水泥的適用范圍特點應(yīng)用范圍強度等級較高重要結(jié)構(gòu)的高強度砼、鋼筋砼和預(yù)應(yīng)力砼工程凝結(jié)硬化較快，抗凍性好早期強度要求高、凝結(jié)快，冬季施工及嚴寒地區(qū)受反復(fù)凍融的工程含有較多的Ca(OH)2，抗軟水侵蝕和抗化學(xué)腐蝕性差不宜用于經(jīng)常與流動軟水接觸和有水壓作用的工程不宜用于受海水和礦物等作用的工程水化過程放熱大不宜用于大體積砼構(gòu)筑物一、快硬硅酸鹽水