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土木工程学院林旭健第一章土木工程及其专业人才培养一、土木工程的概念——CivilEngineering土木工程是建造各类工程设施的科学、技术和工程的总称。科学（Science）：是关于事物的基本原理和事实的系统知识。技术（Technology和Technique）：是根据生产实践经验和自然科学原理发展而成的各种生产工艺、作业方法、操作技能、设备装置的总和。工程（Engineering）：是将自然科学的原理应用到工农业生产部门中去而形成的各学科的总称。土木工程：是指采用各种工程材料，修建各类工程设施（房屋、道路、铁路、桥梁、隧道、港口、机场、运河、堤坝等）的生产活动和工程科技，包括对上述各类工程的勘测、设计、研究、开发、施工、维护、翻修等活动及其所需要的工程科技。土木工程学科：是指运用各种科学知识（数学、物理、化学等基础科学知识，力学、材料等技术科学知识）和工程技术知识来研究、设计、建造、维修各种建筑物、构筑物、道路、桥梁等工程设施的一门学科。土木工程专业：是培养掌握土木工程科学技术、了解土木工程基本属性，能够解决土木工程基本问题的专门人才的学业门类。二、土木工程的基本属性1）社会性：土木工程的发展取决于社会不同历史时期的科技水平和管理水平。2）综合性：需要运用多种工程技术，进行土木工程建设活动（勘察、测量、设计、研究、开发、施工、监理、加固、维修等）。3）实践性：由于影响因素众多且错综复杂，土木工程对实践有很强的依赖性。4）技术、经济和艺术的统一性：土木工程是为人类需要服务的，反映了不同历史时期技术、经济和艺术的发展和统一。三、土木工程所要解决的问题1）形成功能良好和美观舒适的空间和通道，满足人类活动的需要——土木工程存在的根本目的和出发点。2）具有抵御自然界各种作用力的功能（承载力、变形、稳定、耐久性）——土木工程存在的根本原因。3）充分发挥所用材料的性能——材料是土木工程存在的根本条件。4）通过有效的技术途径和组织手段，利用社会能够提供的物资设备条件，将工程设施建造成功、付诸使用——土木工程的最终实现。四、土木工程的发展历史（一）古代土木工程（约公元前5000年起到十七世纪中叶）特点：1.材料：就地取材→加工材料2.施工：石器→简单金属工具→施工机械；分工逐渐细化3.主要凭经验建造，缺乏理论依据和指导（二）近代土木工程（从17世纪中叶至20世纪中叶）特点：1.广泛使用砖、瓦、石、木等工程材料；开始使用钢筋混凝土、预应力混凝土2.建造技术、规模、速度日益进步3.有力学和结构的理论指导实践在近代土木工程时期内以下几件大事具有重大意义：——意大利学者伽利略在1638年出版的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中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。——英国科学家牛顿在1687年总结了力学三大定律，它们是土木工程设计理论的基础。——瑞士数学家欧拉1744年出版的《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。——1825年纳维建立了土木工程中结构设计的容许应力法；19世纪末里特尔等人提出极限平衡的概念。他们都为土木工程结构理论分析打下了基础。——1824年英国人阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权。这是形成混凝土的主要材料，使混凝土在土木工程中得到广泛应用。——1859年发明了贝赛麦转炉炼钢法，使得钢材得以大量生产，并能越来越多的应用于土木工程。——1867年莫尼埃用钢丝加固混凝土制成花盆，并用这种方法建造了蓄水池，这是应用钢筋混凝土的开端。——1886年杰克逊首先用预应力混凝土制作建筑配件。1930年弗涅希内将高强钢丝用于预应力混凝土，使预应力混凝土得到广泛应用。——1906年美国旧金山大地震，1923年日本关东大地震，这些自然灾害推动了结构动力学和工程抗震技术的发展。——1883年美国在芝加哥建造的11层保险公司大楼，是世界上最先采用铁框架的高层建筑。——1889年法国在巴黎建成的高300米的埃菲尔铁塔，是近代钢结构高层建筑的萌芽。——土木工程在铁路、公路、桥梁建设中得到大规模发展。（三）现代土木工程（20世纪中叶二战结束后至今）特点：1.工程材料轻质、高强、功能化2.施工过程工业化、装配化3.设计理论精确化、科学化，土木工程学科理论迅速发展现代土木工程的特征：土木工程功能化城市建设立体化交通运输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产工艺紧密结合。城市建设立体化的三个趋势：高层建筑大量兴起地下工程高速发展城市高架公路、立交桥大量出现交通运输高速化：高速公路的大规模修建电气化铁路形成和发展长距离海底隧道的出现水利工程大型化：20世纪中叶以来，由于设计理论和施工技术的提高，水利工程建筑速度加快,规模增大，200米以上的高坝不断出现。五、土木工程专业人才的培养（一）培养目标培养掌握土木工程科学技术、了解土木工程基本属性，具备从事土木工程的项目规划、设计、研究、开发、施工、管理的基本能力，能够在房屋建筑、地下建筑、道路、桥梁、隧道、矿井等的设计、施工、管理、教育、研究、开发部门从事技术或管理工作的高级工程技术人才。（二）专业培养要求要求具有扎实的自然科学基础，了解当代科技的主要应用和应用前景；学习、掌握工程力学、岩土力学、流体力学等课程的基本理论；了解土木工程主要法规；掌握工程材料、工程规划与选型、结构分析与设计、地基处理等方面的专业知识；掌握有关工程测量、工程试验、电工学、工程机械、施工技术与管理等方面的基本知识；接受课程设计、实验仪器操作、现场实习等方面的基本训练；具备工程制图、计算机应用、使用主要测试试验仪器设备的基本能力；具有综合运用各种手段查询国内外资料、获取信息的基本技能。主干课程：材料力学、结构力学、土力学、流体力学、建筑材料、钢结构、混凝土结构、房屋结构、桥梁结构、道路勘测设计与路基路面结构、施工技术与管理等。主要实践性教学环节：认识实习、专业实习（或生产实习）、毕业实习、课程设计、毕业设计或毕业论文等。主要专业实验：建筑材料实验、材料力学实验、结构实验、土工实验等。（三）土木工程专业对人才的素质要求1.思想、道德素养好2.掌握现代科技知识3.综合能力强4.具备协作、创新意识和坚定意志5.具有健康的心理和体魄（四）培养良好素质的途径1.努力学习2.加强实践3.与时俱进4.开拓创新5.实事求是6.组织协作7.身心健康第二章土木工程中的材料一、土木工程材料的分类ConstructionMaterial（一）按材料自身组织的不同划分1.金属材料黑色金属：钢、铁等有色金属：铜、铝、铅、锌、锡等及其合金2.非金属材料无机材料：水泥、砂、石、砖、瓦、陶瓷、玻璃、无机纤维等有机材料：塑料、沥青、竹、木、油漆、有机纤维等（二）按在工程设施中的作用和功能分1.承重材料钢、混凝土、木、砌体等，承受自然界各种作用力2.围护材料砖、瓦、轻质混凝土、纤维制品等，保持空间和通道使用功能3.胶结材料水泥、石灰、石膏、沥青等4.装饰材料玻璃、油漆、墙地面饰面材料等，创造优美、舒适环境二、工程材料的一般性质1.物理性质密度：材料在绝对密实状态下单位体积的质量容积密度：材料在自然状态下单位体积的质量与水有关的性质：含水率、吸水率、亲水性、抗渗性等材料热工性质：导热性、耐火性、收缩膨胀等2.力学性质强度：抵抗材料破坏的能力变形：承受形状改变的能力弹性：撤除外力后，变形能完全恢复的性质塑性：撤除外力后，不能恢复原有形状的性质韧性：冲击断裂时吸收机械能的能力3.耐久性质材料在长期使用过程中经受各种环境和条件的作用（日晒雨淋、化学侵蚀、温湿度变化、冻融循环、机械摩擦、虫菌寄生等），仍能保持使用性能的能力。三、主要工程材料简介（一）钢材Steel1.钢的种类：（1）按组分及含量分：碳素钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢合金钢：性能改善（2）按形状分：型材：角钢、槽钢、工字钢、H形钢等板材：薄板、厚板、压型钢板等管材：有缝钢管、无缝钢管等线材：钢筋、钢丝、钢绞线等2.作为工程材料所具有的优缺点优点：材质均匀、强度高、塑性好，便于加工安装缺点：耐火性差、容易锈蚀、维护费用高（二）混凝土Concrete1.混凝土的组成与强度水泥混凝土：常用强度等级C15-C80《普通混凝土力学性能试验方法》：标准值fcu，k确定：标准方法制作、养护，边长150mm的立方体试块，龄期28天，标准试验方法测试，具有95%保证率的抗压强度。2.作为工程材料所具有的优缺点优点：易于就地取材、造价低，强度较高，刚度大、整体性好，耐火、耐久，可塑（模）性好，可与钢筋有机结合形成钢筋混凝土结构缺点：自重大，抗裂性差，费工、费模板、工期长（三）砌体Masonry1.砌体的组成由砂浆将块材（天然石材、人工砌块）粘结砌筑而成，强度低于砌块、甚至砂浆。2.作为工程材料所具有的优缺点优点：易于就地取材、造价低，耐火耐久、保温隔热性能好，便于施工。缺点：强度低，抗裂、抗震性能差，结构体积大，手工砌筑工作量大。（四）木材Wood1.天然、人造木材天然木材：顺纹、横纹，各向异性人造木材：性能因制造工艺而不同2.作为工程材料所具有的优缺点优点：便于制作、架设，工期短，自重轻，造价低缺点：易燃、易腐朽，结构构件变形大四、工程材料的发展（一）高强化、高性能化（二）多品种、多功能（三）复合化、组合化第三章土木工程中的力学和结构一、结构的概念Structure（一）结构的定义每一项土木工程设施，都具有用一定材料建造的、能够抵御自然界各种作用力的空间骨架——结构。（二）结构的功能要求1.安全性结构在正常施工、使用条件下，能够承受可能出现的各种作用，在偶然事件（灾害事件）发生时、发生后，保持必要整体性、不致倒塌的能力。2.适用性结构在正常使用条件下，具有良好的工作性能。3.耐久性结构在正常维护条件下，随时间推移，仍能满足功能要求的能力。二、结构上的作用、作用效应和结构抗力（一）作用：施加在结构上的集中荷载、分布荷载，以及引起结构外加变形、约束变形的原因。1.按作用形式分：直接作用（施加在结构上的集中荷载、分布荷载）间接作用（引起结构外加变形、约束变形的原因）直接作用：永久荷载（结构及面层自重；固定设备自重等）可变荷载（使用活载；车辆荷载；风荷载；雪荷载）偶然荷载（撞击；爆炸等）间接作用：外加变形作用（地基沉陷，尤其不均匀沉降）约束变形作用（温、湿差作用等）惯性作用（地震作用等）2.按随时间的变异：永久作用、可变作用、偶然作用3.按随空间位置的变异：固定作用、可动作用4.按结构的反应：静态作用（对结构构件产生的加速度可忽略，如基础沉降、恒载、一般楼面活载等）动态作用（地震、吊车荷载、风载等）（二）作用效应：由于作用而在结构或构件中产生的内力和变形。（三）结构抗力：结构或构件承受内力、变形的能力（承载力、刚度等），由材料性能、截面几何参数等因素构成。结构安全可靠的前提：结构抗力≥作用效应三、结构构件类型StructureMember1.梁主要荷载垂直于纵轴，以受弯矩、剪力为主。2.板主要荷载垂直于板面，以受弯矩为主。3.柱主要荷载平行于纵轴，以受轴向拉、压力和弯矩为主。4.承重墙主要荷载平行于板面，以受拉、压力和弯矩为主。5.挡土墙主要荷载垂直于板面，以受弯矩、剪力为主。6.索线形柔性构件，荷载通过吊索传递到支承构件。7.杆以受轴向拉、压力为主。8.拱曲（折）线形构件，荷载主要作用在纵轴平面内，以受压、弯、剪为主。9.壳曲面形构件，以受压为主，由于传力好，厚度可极小。10.膜薄膜材料制成，只能承受拉力。四、结构体系与型式1.墙体结构（承重墙结构）墙体不仅起围护作用，更是承受竖向和水平荷载的主要构件。2.框架结构以框架作为建筑物的竖向、水平承重结构。3.框架—墙结构4.筒体结构承重墙围成封闭筒体。5.错列桁架结构整层高的桁架横跨两外柱之间的空间，桁架沿建筑物高度交替错列。6.网架结构由杆件按一定的网格形式，通过节点连接而成的空间结构。轻质、高强、大跨（大刚度）、抗震。7.拱结构8.壳体结构由薄壳和边缘构件（梁、