土木概論匯總

土木工程學院林旭健土木工程概論第一章

土木工程及其專業(yè)人才培養(yǎng)一、土木工程的概念

——CivilEngineering

土木工程是建造各類工程設施的科學、技術(shù)和工程的總稱。

科學（Science）：是關(guān)于事物的基本原理和事實的系統(tǒng)知識。

技術(shù)（Technology和Technique）：是根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和自然科學原理發(fā)展而成的各種生產(chǎn)工藝、作業(yè)方法、操作技能、設備裝置的總和。

工程（Engineering）：是將自然科學的原理應用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門中去而形成的各學科的總稱。

土木工程：

是指采用各種工程材料，修建各類工程設施（房屋、道路、鐵路、橋梁、隧道、港口、機場、運河、堤壩等）的生產(chǎn)活動和工程科技，包括對上述各類工程的勘測、設計、研究、開發(fā)、施工、維護、翻修等活動及其所需要的工程科技。土木工程學科：

是指運用各種科學知識（數(shù)學、物理、化學等基礎(chǔ)科學知識，力學、材料等技術(shù)科學知識）和工程技術(shù)知識來研究、設計、建造、維修各種建筑物、構(gòu)筑物、道路、橋梁等工程設施的一門學科。土木工程專業(yè)：

是培養(yǎng)掌握土木工程科學技術(shù)、了解土木工程基本屬性，能夠解決土木工程基本問題的專門人才的學業(yè)門類。

二、土木工程的基本屬性

1）社會性：

土木工程的發(fā)展取決于社會不同歷史時期的科技水平和管理水平。2）綜合性：

需要運用多種工程技術(shù)，進行土木工程建設活動（勘察、測量、設計、研究、開發(fā)、施工、監(jiān)理、加固、維修等）。3）實踐性：

由于影響因素眾多且錯綜復雜，土木工程對實踐有很強的依賴性。4）技術(shù)、經(jīng)濟和藝術(shù)的統(tǒng)一性：

土木工程是為人類需要服務的，反映了不同歷史時期技術(shù)、經(jīng)濟和藝術(shù)的發(fā)展和統(tǒng)一。三、土木工程所要解決的問題

1）形成功能良好和美觀舒適的空間和通道，滿足人類活動的需要

——土木工程存在的根本目的和出發(fā)點。2）具有抵御自然界各種作用力的功能（承載力、變形、穩(wěn)定、耐久性）

——土木工程存在的根本原因。3）充分發(fā)揮所用材料的性能

——材料是土木工程存在的根本條件。4）通過有效的技術(shù)途徑和組織手段，利用社會能夠提供的物資設備條件，將工程設施建造成功、付諸使用

——土木工程的最終實現(xiàn)。四、土木工程的發(fā)展歷史

（一）古代土木工程

（約公元前5000年起到十七世紀中葉）

特點：

1.材料：就地取材→加工材料

2.施工：石器→簡單金屬工具→施工機械；分工逐漸細化

3.主要憑經(jīng)驗建造，缺乏理論依據(jù)和指導（二）近代土木工程

（從17世紀中葉至20世紀中葉）

特點：

1.廣泛使用磚、瓦、石、木等工程材料；開始使用鋼筋混凝土、預應力混凝土

2.建造技術(shù)、規(guī)模、速度日益進步

3.有力學和結(jié)構(gòu)的理論指導實踐

在近代土木工程時期內(nèi)以下幾件大事具有重大意義：

——意大利學者伽利略在1638年出版的著作《關(guān)于兩門新科學的談話和數(shù)學證明》中論述了建筑材料的力學性質(zhì)和梁的強度，首次用公式表達了梁的設計理論。

——英國科學家牛頓在1687年總結(jié)了力學三大定律，它們是土木工程設計理論的基礎(chǔ)。

——瑞士數(shù)學家歐拉1744年出版的《曲線的變分法》建立了柱的壓屈理論，得到計算柱的臨界受壓力的公式，為分析土木工程結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定問題奠定了基礎(chǔ)。

——1825年納維建立了土木工程中結(jié)構(gòu)設計的容許應力法；19世紀末里特爾等人提出極限平衡的概念。他們都為土木工程結(jié)構(gòu)理論分析打下了基礎(chǔ)。

——1824年英國人阿斯普丁取得了波特蘭水泥的專利權(quán)。這是形成混凝土的主要材料，使混凝土在土木工程中得到廣泛應用。

——1859年發(fā)明了貝賽麥轉(zhuǎn)爐煉鋼法，使得鋼材得以大量生產(chǎn)，并能越來越多的應用于土木工程。

——1867年莫尼埃用鋼絲加固混凝土制成花盆，并用這種方法建造了蓄水池，這是應用鋼筋混凝土的開端。

——1886年杰克遜首先用預應力混凝土制作建筑配件。1930年弗涅希內(nèi)將高強鋼絲用于預應力混凝土，使預應力混凝土得到廣泛應用。

——1906年美國舊金山大地震，1923年日本關(guān)東大地震，這些自然災害推動了結(jié)構(gòu)動力學和工程抗震技術(shù)的發(fā)展。

——1883年美國在芝加哥建造的11層保險公司大樓，是世界上最先采用鐵框架的高層建筑。

——1889年法國在巴黎建成的高300米的埃菲爾鐵塔，是近代鋼結(jié)構(gòu)高層建筑的萌芽。

——土木工程在鐵路、公路、橋梁建設中得到大規(guī)模發(fā)展。（三）現(xiàn)代土木工程

（20世紀中葉二戰(zhàn)結(jié)束后至今）

特點：

1.工程材料輕質(zhì)、高強、功能化

2.施工過程工業(yè)化、裝配化

3.設計理論精確化、科學化，土木工程學科理論迅速發(fā)展現(xiàn)代土木工程的特征：

土木工程功能化

城市建設立體化

交通運輸高速化

水利工程大型化

土木工程功能化：

土木工程日益同它的使用功能或生產(chǎn)工藝緊密結(jié)合。城市建設立體化的三個趨勢：

高層建筑大量興起

地下工程高速發(fā)展

城市高架公路、立交橋大量出現(xiàn)交通運輸高速化：

高速公路的大規(guī)模修建

電氣化鐵路形成和發(fā)展

長距離海底隧道的出現(xiàn)

水利工程大型化：

20世紀中葉以來，由于設計理論和施工技術(shù)的提高，水利工程建筑速度加快,規(guī)模增大，200米以上的高壩不斷出現(xiàn)。

五、土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)

（一）培養(yǎng)目標

培養(yǎng)掌握土木工程科學技術(shù)、了解土木工程基本屬性，具備從事土木工程的項目規(guī)劃、設計、研究、開發(fā)、施工、管理的基本能力，能夠在房屋建筑、地下建筑、道路、橋梁、隧道、礦井等的設計、施工、管理、教育、研究、開發(fā)部門從事技術(shù)或管理工作的高級工程技術(shù)人才。（二）專業(yè)培養(yǎng)要求

要求具有扎實的自然科學基礎(chǔ)，了解當代科技的主要應用和應用前景；

學習、掌握工程力學、巖土力學、流體力學等課程的基本理論；

了解土木工程主要法規(guī)；

掌握工程材料、工程規(guī)劃與選型、結(jié)構(gòu)分析與設計、地基處理等方面的專業(yè)知識；

掌握有關(guān)工程測量、工程試驗、電工學、工程機械、施工技術(shù)與管理等方面的基本知識；

接受課程設計、實驗儀器操作、現(xiàn)場實習等方面的基本訓練；

具備工程制圖、計算機應用、使用主要測試試驗儀器設備的基本能力；

具有綜合運用各種手段查詢國內(nèi)外資料、獲取信息的基本技能。主干課程：

材料力學、結(jié)構(gòu)力學、土力學、流體力學、建筑材料、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、房屋結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、道路勘測設計與路基路面結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)與管理等。主要實踐性教學環(huán)節(jié)：

認識實習、專業(yè)實習（或生產(chǎn)實習）、畢業(yè)實習、課程設計、畢業(yè)設計或畢業(yè)論文等。主要專業(yè)實驗：

建筑材料實驗、材料力學實驗、結(jié)構(gòu)實驗、土工實驗等。（三）土木工程專業(yè)對人才的素質(zhì)要求

1.思想、道德素養(yǎng)好

2.掌握現(xiàn)代科技知識

3.綜合能力強

4.具備協(xié)作、創(chuàng)新意識和堅定意志

5.具有健康的心理和體魄（四）培養(yǎng)良好素質(zhì)的途徑

1.努力學習

2.加強實踐

3.與時俱進

4.開拓創(chuàng)新

5.實事求是

6.組織協(xié)作

7.身心健康第二章

土木工程中的材料

一、土木工程材料的分類

ConstructionMaterial

（一）按材料自身組織的不同劃分

1.金屬材料

黑色金屬：鋼、鐵等

有色金屬：銅、鋁、鉛、鋅、錫等及其合金2.非金屬材料

無機材料：水泥、砂、石、磚、瓦、陶瓷、玻璃、無機纖維等

有機材料：塑料、瀝青、竹、木、油漆、有機纖維等（二）按在工程設施中的作用和功能分

1.承重材料

鋼、混凝土、木、砌體等，承受自然界各種作用力

2.圍護材料

磚、瓦、輕質(zhì)混凝土、纖維制品等，保持空間和通道使用功能3.膠結(jié)材料

水泥、石灰、石膏、瀝青等

4.裝飾材料

玻璃、油漆、墻地面飾面材料等，創(chuàng)造優(yōu)美、舒適環(huán)境二、工程材料的一般性質(zhì)

1.物理性質(zhì)

密度：材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量

容積密度：材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量

與水有關(guān)的性質(zhì)：含水率、吸水率、親水性、抗?jié)B性等

材料熱工性質(zhì)：導熱性、耐火性、收縮膨脹等2.力學性質(zhì)

強度：抵抗材料破壞的能力

變形：承受形狀改變的能力

彈性：撤除外力后，變形能完全恢復的性質(zhì)

塑性：撤除外力后，不能恢復原有形狀的性質(zhì)

韌性：沖擊斷裂時吸收機械能的能力

3.耐久性質(zhì)

材料在長期使用過程中經(jīng)受各種環(huán)境和條件的作用（日曬雨淋、化學侵蝕、溫濕度變化、凍融循環(huán)、機械摩擦、蟲菌寄生等），仍能保持使用性能的能力。

三、主要工程材料簡介

（一）鋼材Steel

1.鋼的種類：

（1）按組分及含量分：

碳素鋼：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼

合金鋼：性能改善（2）按形狀分：

型材：角鋼、槽鋼、工字鋼、H形鋼等

板材：薄板、厚板、壓型鋼板等

管材：有縫鋼管、無縫鋼管等

線材：鋼筋、鋼絲、鋼絞線等

2.作為工程材料所具有的優(yōu)缺點

優(yōu)點：材質(zhì)均勻、強度高、塑性好，便于加工安裝

缺點：耐火性差、容易銹蝕、維護費用高（二）混凝土Concrete

1.混凝土的組成與強度

水泥混凝土：常用強度等級C15-C80

《普通混凝土力學性能試驗方法》：

標準值fcu，k確定：標準方法制作、養(yǎng)護，邊長150mm的立方體試塊，齡期28天，標準試驗方法測試，具有95%保證率的抗壓強度。2.作為工程材料所具有的優(yōu)缺點

優(yōu)點：易于就地取材、造價低，強度較高，剛度大、整體性好，耐火、耐久，可塑（模）性好，可與鋼筋有機結(jié)合形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

缺點：自重大，抗裂性差，費工、費模板、工期長（三）砌體Masonry

1.砌體的組成

由砂漿將塊材（天然石材、人工砌塊）粘結(jié)砌筑而成，強度低于砌塊、甚至砂漿。2.作為工程材料所具有的優(yōu)缺點

優(yōu)點：易于就地取材、造價低，耐火耐久、保溫隔熱性能好，便于施工。

缺點：強度低，抗裂、抗震性能差，結(jié)構(gòu)體積大，手工砌筑工作量大。（四）木材Wood

1.天然、人造木材

天然木材：順紋、橫紋，各向異性

人造木材：性能因制造工藝而不同2.作為工程材料所具有的優(yōu)缺點

優(yōu)點：便于制作、架設，工期短，自重輕，造價低

缺點：易燃、易腐朽，結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形大

四、工程材料的發(fā)展

（一）高強化、高性能化

（二）多品種、多功能

（三）復合化、組合化第三章

土木工程中的力學和結(jié)構(gòu)

一、結(jié)構(gòu)的概念

Structure

（一）結(jié)構(gòu)的定義

每一項土木工程設施，都具有用一定材料建造的、能夠抵御自然界各種作用力的空間骨架

——結(jié)構(gòu)。（二）結(jié)構(gòu)的功能要求

1.安全性

結(jié)構(gòu)在正常施工、使用條件下，能夠承受可能出現(xiàn)的各種作用，在偶然事件（災害事件）發(fā)生時、發(fā)生后，保持必要整體性、不致倒塌的能力。2.適用性

結(jié)構(gòu)在正常使用條件下，具有良好的工作性能。

3.耐久性

結(jié)構(gòu)在正常維護條件下，隨時間推移，仍能滿足功能要求的能力。二、結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應和結(jié)構(gòu)抗力

（一）作用：

施加在結(jié)構(gòu)上的集中荷載、分布荷載，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形、約束變形的原因。1.按作用形式分：

直接作用（施加在結(jié)構(gòu)上的集中荷載、分布荷載）

間接作用（引起結(jié)構(gòu)外加變形、約束變形的原因）直接作用：

永久荷載（結(jié)構(gòu)及面層自重；固定設備自重等）

可變荷載（使用活載；車輛荷載；風荷載；雪荷載）

偶然荷載（撞擊；爆炸等）

間接作用：

外加變形作用（地基沉陷，尤其不均勻沉降）

約束變形作用（溫、濕差作用等）

慣性作用（地震作用等）

2.按隨時間的變異：

永久作用、可變作用、偶然作用

3.按隨空間位置的變異：

固定作用、可動作用4.按結(jié)構(gòu)的反應：

靜態(tài)作用（對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的加速度可忽略，如基礎(chǔ)沉降、恒載、一般樓面活載等）

動態(tài)作用（地震、吊車荷載、風載等）（二）作用效應：

由于作用而在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。（三）結(jié)構(gòu)抗力：

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受內(nèi)力、變形的能力（承載力、剛度等），由材料性能、截面幾何參數(shù)等因素構(gòu)成。結(jié)構(gòu)安全可靠的前提：

結(jié)構(gòu)抗力≥作用效應三、結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型

StructureMember

1.梁

主要荷載垂直于縱軸，以受彎矩、剪力為主。

2.板

主要荷載垂直于板面，以受彎矩為主。3.柱

主要荷載平行于縱軸，以受軸向拉、壓力和彎矩為主。

4.承重墻

主要荷載平行于板面，以受拉、壓力和彎矩為主。5.擋土墻

主要荷載垂直于板面，以受彎矩、剪力為主。6.索

線形柔性構(gòu)件，荷載通過吊索傳遞到支承構(gòu)件。7.桿

以受軸向拉、壓力為主。8.拱

曲（折）線形構(gòu)件，荷載主要作用在縱軸平面內(nèi)，以受壓、彎、剪為主。9.殼

曲面形構(gòu)件，以受壓為主，由于傳力好，厚度可極小。10.膜

薄膜材料制成，只能承受拉力。四、結(jié)構(gòu)體系與型式

1.墻體結(jié)構(gòu)（承重墻結(jié)構(gòu)）

墻體不僅起圍護作用，更是承受豎向和水平荷載的主要構(gòu)件。2.框架結(jié)構(gòu)

以框架作為建筑物的豎向、水平承重結(jié)構(gòu)。3.框架—墻結(jié)構(gòu)4.筒體結(jié)構(gòu)

承重墻圍成封閉筒體。5.錯列桁架結(jié)構(gòu)

整層高的桁架橫跨兩外柱之間的空間，桁架沿建筑物高度交替錯列。6.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

由桿件按一定的網(wǎng)格形式，通過節(jié)點連接而成的空間結(jié)構(gòu)。輕質(zhì)、高強、大跨（大剛度）、抗震。7.拱結(jié)構(gòu)8.殼體結(jié)構(gòu)

由薄殼和邊緣構(gòu)件（梁、拱、桁架）組成，承載力高、剛度大，無需中間支柱。9.空間折板結(jié)構(gòu)

薄壁結(jié)構(gòu)，受力較好、剛度較大，施工（支模）較薄殼簡單。10.索結(jié)構(gòu)（懸掛式結(jié)構(gòu)）五、基礎(chǔ)形式

柱下獨立基礎(chǔ)柱（墻）下條形基礎(chǔ)

筏形基礎(chǔ)

箱形基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)

六、結(jié)構(gòu)失效

（一）結(jié)構(gòu)的預定功能和極限狀態(tài)

整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分在承載能力、變形、穩(wěn)定、裂縫寬度等方面超過某一特定狀態(tài)，以致不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，這一特定狀態(tài)即該功能的極限狀態(tài)。

1.承載能力極限狀態(tài)：

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力，或產(chǎn)生不適于繼續(xù)承載的過大變形。

——“安全性”

2.正常使用極限狀態(tài)：

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。

——“適用性”、“耐久性”（二