土木工程概论(第四版)罗福午刘伟庆(武汉理工大学出版社)讲义

1土木工程（专业）概论学习笔记2一、土木工程专业培养目标和人才素质要求1、土木工程是建造各类土建工程设施的科学技术的统称。它既指与人类生活、生产活动有关的各类工程设施，也指应用材料、设备为这些工程设施所进行的勘察、设计、施工、检测、维修等工程技术活动。2、土木工程要解决的问题：（1）形成人类活动所需要的、功能良好和舒适美观的空间和通道，这是土木工程的根本目的和出发点；（2）能够抵御自然或人为的作用力，这是土木工程之所以存在的原因；（3）充分发挥所采用的材料的作用；（4）通过有效的技术途径和组织管理手段，利用社会所能提供的物资设备条件，“好、快、省”地组织人力、物力、财力，把工程设施建造成功，付诸安全耐久的使用，这是土木工程的最终归宿。3、土木工程一般包括两个方面：（1）技术方面：勘察、测量、设计、施工、监理、开发；（2）管理方面：制定政策和法规、企业经营、项目管理、施工组织、物业管理。4、土木工程的基本属性：（1）社会性，表现为土木工程随社会不同历史时期的需求和科学技术水平的提高而发展，同时也受社会政治、经济、资源、能源和环境等条件的约束；（2）综合性，表现为土木工程是运用多种生态资源和各类科学技术，进行开发、勘测、设计、施工、维护、管理的综合成果；（3）实践性，表现为土木工程是在实践中形成和发展的，实践使土木工程不断得到创新，是土木工程学科理论不断得到发展；（4）实用经济美观统一性，表现为土木工程必须符合人民的物质和精神需求，力求土木工程的建设成果既实用经济，又美观悦目；（5）建造过程单项性，表现为土木工程一般按建设单位的设计任务书和招投标要求单项进行设计、单项进行施工。5、土木工程专业的培养目标：培养适应社会主义现代化建设需要，德智体全面发展，掌握土木工程相关学科的基本原理、知识和方法，获得土木工程师基本训练的，具有创新精神的高等工程技术专门人才；毕业后能从事土木工程的设计、施工和管理工作，具有初步的规划和研究开发能力。6、科学是关于自然、社会和思维的知识体系。技术是根据生产实践经验和自然科学原理发展成的各种生产工艺、作业方法和操作技能的总称。3工程是开发应用科学的知识和技术的手段，在物质、经济、人力、政治、法律和文化限制内满足社会需求的一种有创造力的建设实践。有创造力的实践是工程的本质。工程师是从事工程活动的技术家，工程师的核心职能是革新和创造。7、工程师有三种类型：技术实施型、研究开发型、工程管理型。工程师的职责是：（1）能够以科技知识和实际经验为公众的福利服务作为自身的专业职务；（2）应该以保障社会、资源和环境的可持续发展作为自身的社会责任；（3）以合理的人力、财力、物力和时空条件作为自身完成任务的价值约束；（4）以恪守许可的法律政策、本行业的行为标准作为自身的行动准则；（5）以忠诚的事业心、责任感、执着追求新发展作为自身的职业风范。8、人的素质是指人在先天生理基础上，受后天环境和教育的影响，通过自身的认识和实践，养成比较稳定的基本品质。它大体有以下4个方面：（1）认知和学识方面，既要博也要精，它们是素质的根本；（2）意识和才能方面，是对现实的思维反应，并有自觉行动的能力，它们是素质的核心；（3）情感和品德方面，表现为正确处理与社会、事业和他人的关系，是素质的灵魂；（4）体魄和心理方面，表现为身心健康、学风纯正，是素质的基础。9、培养素质的主要途径：（1）充分利用学校设备和学习条件，严谨、勤奋的学习；（2）努力参与多种教学、研究和工程实践，提高自己的实践意识和动手能力；（3）自觉培养自主性学习的能力，勤于思考，敢于探索，勇于创新；（4）积极参加集体活动，承担社会工作；（5）养成运动习惯，注意劳逸结合，加强心理修养；（6）关心国家大事，注视国际和国内科技发展的新动向；提高自身素质，适应时代和社会进步新潮流。4二、土木工程的发展简史1、土木工程学是指运用数学、物理、化学等基础科学知识，力学、材料等技术科学知识以及土木工程方面的工程技术知识来研究、设计、修建各种建筑物和构筑物的一门学科。建筑物是指供人们进行生产、生活或其他活动的房屋或场所。构筑物是指人们一般不直接在内进行生产、生活活动的工程设施。2、古代土木工程有很长的时间跨度，大致从新石器时代（约公元前5000年起）开始至17世纪中叶。古代土木工程具有代表性的有：（1）中国黄河流域的仰韶文化遗址和西安半坡村遗址；（2）埃及帝王陵墓建筑群——吉萨金字塔，建于公元前27世纪；（3）公元前7世纪至明朝修筑的万里长城；（4）约公元前256年—公元前251年的战国时期修建的四川都江堰大型引水枢纽，它是世界历史上最长的无坝引水工程；（5）公元532-537年建造的土耳其伊斯坦布尔索菲亚大教堂；（6）公元590-608年建造的隋代敞肩式单孔圆弧弓形石拱桥——赵州桥；（7）公元1056年建造的山西应县木塔，是保存至今的唯一木塔，也是我国现存的最高的木结构之一；（8）中国历代封建王朝建造的大量宫殿和庙宇建筑都是木构架结构；（9）西欧各国以意大利比萨大教堂和法国巴黎圣母院为代表的教堂建筑，都采用了砖石拱券结构。古代土木工程缺少理论上的依据和指导，只有一些经验总结和形象描述土木工程的著作：我国公元前5世纪的《考工记》，北宋李诫在公元1100年编写成书的《营造法式》，意大利文艺复兴时期阿尔贝蒂著的《论建筑》。3、近代土木工程的跨度为从17世纪中叶至20世纪中叶的300年间。4、近代土木工程的主要特征：（1）有力学和结构理论作为指导；（2）砖、瓦、木、石等建筑材料得到日益广泛的适用，混凝土、钢材、钢筋混凝土以及早期的预应力混凝土得到发展；（3）施工技术进步很大，建造规模日益扩大，建造速度大大加快。5、近代土木工程具有重大意义的事件：（1）1638年，意大利学者伽利略出版《关于两门新科学的谈话和数学证明》，论述了建筑材料的力学性质和梁的强度，首次用公式表达了梁的设计理论。（2）1687年，英国科学家牛顿总结的力学三大定律是土木工程设计理论的5基础。（3）1744年，瑞士数学家欧拉出版的《曲线的变分法》建立了柱的压屈理论，得到计算柱的临界受压力的公式，为分析土木工程结构物的稳定问题奠定了基础。（4）1825年，纳维建立了土木工程中结构设计的“容许应力分析法”；19世纪末里特尔等人提出的“极限平衡”的概念。为土木工程的结构理论分析打下了基础。（5）1824年，英国的阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权，1850年开始生产，使混凝土在土木工程中得到广泛应用。20世纪初，水灰比等学说初步奠定了混凝土强度的理论基础。（6）1859年发明了贝塞麦转炉炼钢法，使钢材得以大量生产。（7）1867年，法国的莫尼埃用铁丝加固混凝土制成花盆，这是钢筋混凝土的开端。（8）1883年，“摩天楼之父”詹莱建造的住宅保险大厦是世界上最先用铁框架承受全部大楼里的重力，外墙仅为自承重墙的高层建筑。（9）1886年，美国人杰克逊首先用预应力混凝土制作建筑配件，1930年法国工程师弗涅希内将高强度钢丝用于预应力混凝土，克服了因混凝土徐变造成所施加的预应力完全丧失的问题，使预应力混凝土得到广泛应用。（10）1906年美国旧金山大地震，1923年日本关东大地震推动了结构动力学和工程抗震技术的发展。6、现代土木工程的特点：首先是社会经济建设对土木工程提出日益复杂和高标准的要求；其次是土木工程的材料、施工和设计理论，以及工程教育的理论出现了新的发展趋势。7、现代社会经济建设的发展对土木工程的要求，表现为以下3个方面：（1）土木工程功能化，即土木工程日益同它的使用功能或生产工艺紧密结合。（2）城市建设立体化，20世纪以来城市建设有3个趋向，即高层建筑大量兴起，地下工程高速发展，城市高架公路、立交桥大量涌现。（3）交通运输高速化，其标志是：高速公路的大规模修建，据不完全统计，21世纪初全世界有60多个国家拥有总长约170000公里的高速公路；铁路电气化的形成和大量发展，1964年10月，世界铁路营运史上的第一条高速铁路日本东京至大阪的新干线建成，行车时速达到210千米每小时；长距离海底隧道的出6现。8、材料、施工和设计理论以及工程教育理论新的发展趋势是：（1）建筑材料的轻质高强化，普通混凝土向轻骨料混凝土、加气混凝土和高性能混凝土方向发展，钢材向低合金、高强度方向发展。（2）施工过程的工业化、装配化，土木工程的施工出现工厂生产构配件、组合体，现场拼装的方式。（3）设计理论的精确化、科学化，理论分析由线性分析到非线性分析，由人工到计算机辅助，土木工程学的学科理论迅速发展。（4）工程教育理念的工程化，工程教育从侧重“工程技术教育”进步到侧重“工程学科教育”。7三、土木工程中的材料1、土木工程材料的重要性质（1）物理性质：容积密度——材料在自然状态下单位体积的质量；密度——材料在绝对密实状态下单位体积的质量；与水有关的性质——含水率、吸水性、透水性、抗冻性；材料的热工性质——导热性、耐火性、收缩膨胀。（2）力学性质：强度——在外力作用下抵抗破坏的能力；变形——承受形状改变的能力；弹性——外力去除后仍能回复原装的性质；塑性——外力去除后不能恢复原装保持变形后的性质；韧性——材料受冲击能够承受很大变形不致破坏的能力。（3）耐久性质2、土木工程材料按其自身组织的不同分为金属材料和非金属材料，金属材料分为黑色金属和有色金属，非金属材料分为无机材料和有机材料。按材料在土木工程设施中所起的作用和功能分，可分为：承重材料、围护材料、装饰材料、胶结材料。3、在所有土木工程材料中，最为主要和大宗的是钢材、混凝土、木材和砌体。4、钢材有低碳钢和低合金钢。最常用的类型有型材、板材、管材和线材。钢材的容积密度为7850kg/m3，低碳钢在结构设计中的抗拉和抗压设计强度约为215N/m㎡，低合金钢的抗拉和抗压设计强度为310-380N/m㎡。钢材的优点是材质均匀、强度高、塑性好，便于加工安装；但耐火性差、易于锈蚀、维护费用高。5、混凝土有水泥混凝土、轻混凝土、沥青混凝土等。混凝土的容积密度为2400kg/m3，钢筋混凝土的容积密度为2500kg/m3，沥青混凝土的容积密度为2000kg/m3。结构用水泥混凝土的强度等级一般为C20-C40，甚至可达到C60-C80（C20为边长150mm立方体试块的极限压应力为20N/m㎡，以此类推）。C20-C40混凝土在实际受压构件中抗压设计强度为10-20N/m㎡，抗拉设计强度为1.1-1.7N/m㎡。混凝土抗拉强度低，混凝土结构一般为混凝土和钢筋组成的钢筋混凝土结构。6、木材常用的有原木、方木、条木、板材，还有木质人造板和胶合木。杉（松）木的容积密度为400-500kg/m3（500-700kg/m3）松木顺纹抗拉设计强度为8-10N/m㎡，顺纹抗压设计强度为10-16N/m㎡，在承重结构中不允许木材横纹受拉。7、砌体有石砌体、实（空）心砖砌体、中小混凝土块砌体、硅酸盐块砌体8等，砌体的强度都很低。常用砖砌体的抗压强度只有1.5-3.5N/m㎡,抗拉强度仅有0.1-0.2N/m㎡。石砌体的容积密度为2400-2600kg/m3，实心砖砌体的容积密度为1900kg/m3。8、就我国国情来看，在土木工程中应用最广泛的是钢筋混凝土。钢材多用于高层、大跨、重型建筑物，大跨度桥梁，铁路工程和大直径管道工程，是土木工程用材的发展方向。木材主要用于木屋盖、木模板、枕木、门窗、家具和建筑装修。砌体用于中小型房屋和桥梁，以及涵洞、挡土墙等构筑物。近年来，组合结构得到很大发展。9四、土木工程中的力学和结构概念1、转动效应称为力矩（土木工程中习称弯矩），可以量化为重力值和悬挂点到重力作用线的垂直距离的乘积Fi×di表示。当顺时针和逆时针两个方向转动效应之和为零时，处于转动平衡；装置上向下的重力和悬挂点处的反作用力相等，装置处于不移动的静止状态，称之为移动平衡。2、对任何一个土木工程而言，力有外力、内力、反力之分。所有土木工程结构都处于外力、反力和内力作用下的平衡状态，承受的内力有以下5种和他们之间的组合：（1）产生拉伸变形的是拉力，一般用+N表