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土木工程概论 课程代码：1214定价：7元目录1 土木工程专业培养目标和人才素质需求1.1 土木工程和土木工程专业土木工程：是建造各类工程设施的科学、技术和工程的总称。土木工程需要解决的问题：1, 首先表现为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。2，其次表现为能够抵御自然或人为的作用力。3，第三表现为充分发挥所采用材料的作用。4，第四表现为怎样通过有效的技术途径和组织手段，利用各个时期社会能够提供的物资设备条件，“好、快、省”地组织人力、财力和物力，把社会所需要的工程设施建造成功，付诸使用。土木工程具有以下四个基本属性： 社会性：土木工程随社会不同历史时期的科学技术和管理水平而发展。 综合性：土木工程是运用多种工程技术，进行勘测、设计、施工工作的成果。 实践性：由于各种影响土木工程的因素既众多又错综复杂，使得土木工程对实践的依赖性很强。 技术、经济和艺术统一性：土木工程是为人类需要服务的，它必然是每个历史时期技术、经济、艺术统一的见证。2 土木工程的内涵和发展简史2.1 土木工程的内涵土木工程是一种工程分类，指用石材、砖、砂浆、水泥、混凝土、钢材、钢筋混凝土、木材、建筑塑料、铝合金等建筑材料修建房屋、铁路、道路、桥梁、隧道、运河、堤坝、港口等工程的生产活动和工程技术。土木工程也是一种学科，成为土木工程学。它是指运用数学、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。2.2 土木工程的发展简史古代土木工程古代土木工程有着很长的时间跨度，它大致从新石器时代（约公元前5000年起）开始至17世纪中叶。随着年代的推移，古代土木工程具有代表性的有： 中国黄河流域的仰韶文化遗址（新石器时代），如：西安半坡村遗址。 埃及帝王陵墓建筑群，建于公元前2700-前2600年，其中以古王国第四王朝法老胡夫的金字塔最大。 公元前770年秦襄公时期，人们曾用以木材和青铜质金釭做成的木框架建造房屋。 约公元前256-前251年（战国时期）始建于秦昭王末年的四川都江堰大型引水枢纽，是世界历史上最长的无坝引水工程。 公元532-537年间建造在君士坦丁堡（今土耳其伊斯坦布尔）的索菲亚大教堂。 公元590-608年建造在河北省赵县的赵州桥，拱上设有4个小拱，既能减轻桥身自重，又便于排洪，且更显美观，是世界上最早的敞肩式拱桥，早于欧洲同类桥约1000年。 公元1056年建成的山西应县木塔（佛宫寺释迦塔），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。 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。该时期经典著作：我国公元5世纪的考工记，北宋李诫在公元1100年编写的营造法式，意大利文艺复兴时期阿尔贝蒂著的论建筑。近代土木工程近代土木工程的时间跨度为从17世纪中叶至20世纪中叶的300年间。这个历史时期的土木工程的主要特征有：-有力学和结构理论作为指导；-砖、瓦、木、石等建筑材料得到日益广泛的使用；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；-施工技术进步很大，建造规模日益扩大，建造速度大大加快。现代土木工程现代土木工程为20世纪中叶第二次世界大战结束后至今的土木工程。他们具有以下特点： 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。 城市建设立体化 20世纪中叶以来，城市建设有3个趋向：-高层建筑的大量兴起-地下工程的高速发展-城市高架公路、立交桥大量涌现 交通运输高速化 其标志是：-高速公路的大规模修建-铁路电气化的形成和大量发展-长距离海底隧道的出现由于社会发展出现了以上3个方面要求，必然使得构成土木工程的3个要素：材料、施工和理论也出现了新的发展趋势：-建筑材料的轻质高强化-施工过程的工业化、装配化-设计理论的精确化、科学化3 土木工程中的材料3.1 土木工程材料的一般性质土木工程所用的材料按其自身组织的不同可分为金属材料和非金属材料两大类：非金属材料 无机材料 天然石材（砂、石）陶质材料（砖、瓦、陶瓷）胶结材料（石膏、石灰、水泥、水玻璃等）混凝土、砂浆未焙烧人造石材（硅酸盐和水泥制品）隔热材料（无机纤维）玻璃及其他制品 有机材料 木材、竹材 胶结材料（沥青等） 隔热材料（有机纤维） 油漆 塑料金属材料 黑色金属 生铁，铸铁 碳钢、合金钢 有色金属 铝、铜、铅、锌、锡等及其合金若按材料在土木工程设施中所起的作用和功能分，又可以分为以下类别： 承重材料-其承受大自然和人为的各种作用力和作用 围护材料-起保护空间和通道使用功能的作用 装饰材料-起创造优美和舒适环境的作用 胶结材料-典型的如水泥、石膏、沥青3.2 4种主要工程材料的简介 钢材 钢材的优点是材质均匀、强度高（因而做成的结构相对重量较轻）、塑性好，便于加工安装；但耐火性差，易于腐蚀、维护费用较高。低碳钢：主要成分是铁（Fe，约占99%）和少量的碳（C，通常不超过0.22%）。低合金钢：主要成分是铁（Fe，约占99%）和少量的碳（C，通常不超过0.22%），还含有少量锰、硅、钒等元素。各种钢在结构设计中抗拉和抗压设计强度值：低碳钢：约为215N/mm；低合金钢：310380N/mm。 混凝土 混凝土的优点是可模型、耐久性、耐火性、整体性都较好，易于就地取材，价格较低，强度比砖、木材高，能和钢筋粘结做成各种强度高的钢筋混凝土结构；但其自重较大，施工比较复杂，工序多，工期长，易产生裂缝。 木材由于木材在生长过程中形成纹理，是各向异性的材料，其顺纹与横纹方向的性能不一。木材有结构自重轻，制作容易，架设简便，工期快，造价便宜等优点；但也有易燃、易腐朽和结构变形大等缺点。 砌体土木工程用的砌体，是由石材、粘土、混凝土、工业废料等材料做成的块材，和水泥、石灰膏等胶凝材料与砂、水混合做成的砂浆，叠合粘结而成的复合材料。砌体的优点是易于就地取材，价格低廉，施工简便，隔热保温性以及耐火耐候性好；但因其强度很低导致结构笨重，而且粘土砖与农田争地，应限制使用；此外，砌体结构当前主要是用手工在现场砌筑而成的，施工时劳动量大，工程中质量问题偏多。4 土木工程中的力学和结构概念 力、力矩和平衡力 是一种物体间有方向的相互作用，这种相互作用有使物体改变原来形状或改变运动方向，或二者具有的效应。用Alexander Calder 提出的装置可以说明力矩和平衡的概念。在这个处于静止状态的装置中，任何一个支杆都有一组重力作用在上面，每个重力围绕悬挂点的转动效应都可量化为该重力值和悬挂点到重力作用线的垂直距离的乘积,这个转动效应成为力矩。力矩既可按顺时针方向转动，也可按逆时针方向转动，当两个方向转动效应之和为零时，称为转动平衡状态。另外，装置上所有向下的重力必然和悬挂点处的反作用上举力相等，装置才会处于不移动的静止状态，这时也称此装置处于移动平衡状态。4.2 外力、内力和反力5种内力特征及对应表示符号：1产生拉伸变形的是拉力，一般以+N表示；2产生压缩变形的是压力，一般以N表示；3产生弯曲变形的是弯矩，一般以M表示4产生剪切变形的是剪力，一般以V表示；5产生扭曲变形的是扭矩，一般以表示. 荷载和作用直接是夹在土木工程结构上的外力是由荷载引起的。土木工程中的荷载大体有以下三类：永久荷载：指在使用期间永久在结构上，其值不随时间变化的荷载（恒载）。可变载荷：指在使用期间施加在结构上的值随时间变化的载荷（活载）。 使用活载：楼面活载、屋面活载都是使用活载。 车辆活载：铁路列车、公路车辆以及工业厂房中的起重吊车等的荷载，表现为一系列集中荷载和均布荷载组成的移动荷载。 风载：由风的运动而施加在墙面或结构上的压力称为风载。 雪载：指由积雪引起的荷载。偶然荷载：指在使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载，如撞击荷载、爆炸荷载等 。因间接施加影响引起结构受力的称为作用。作用也使结构内部产生内力和变形。它们也以三种形式出现： 约束变形作用：以温差作用为典型。 外加形变作用：以地基的沉陷作用为典型。 惯性作用：以地震作用为典型。 结构和结构失效承受由荷载和作用在结构中产生内力的是结构的构件。一般来说结构的构件有以下几种：板：指平面尺寸较大而厚度较小的平面构件，通常水平放置，承受垂直于板面的荷载，以受弯矩为主。梁：承受垂直于其纵轴方向荷载的线性构件，以受弯矩和剪力为主。柱：是工程结构中主要承受压力，有时也同时承受弯矩的竖向构件，以受压力和弯矩为主。墙：受平行或垂直于墙面方向的竖向平面构件，前者以受压力为主，后者以受弯矩和剪力为主。杆：承受轴向力的直线形构件。拱：承受沿其纵轴平面内荷载的曲线形构件，以受压力和弯矩、剪力为主。壳：一种曲面形具有很好空间传力性能的构件，能以极小厚度覆盖大跨度空间，以受压力为主。索：以柔性受拉钢索组成的构件，直线或曲线形。膜：以薄膜材料制成的构件，只能承受拉力。由上述基本构件组成的结构有下列典型：墙体结构：以墙为主体的结构；框架结构：以梁、柱组成的框架为主体的结构；框架-筒体结构（里筒外框）：利用四周墙形成的封闭筒体，和框架一起组合成的结构；桁架错列结构：将杆组成一些由平面三角形图案集合成的较大跨度的桁架，以错列桁架形式形成的结构；网架结构：将杆组成网络形的空间网架，以空间网架为主体形成的结构；拱结构：以拱为主题的结构；壳体结构：以空间薄壳为主题的结构；空间折板结构：以多块平板折叠成空间折板形成的结构；钢索结构：以索为主体的结构。受结构传来荷载影响的土层或岩层称地基。常见的土可分为6类： 岩石 颗粒间牢固粘结的、整体的或者有裂缝的岩体； 碎岩土 多数粒径大于2mm的土，按粗细又分块（漂）石、卵（碎）石、圆（角）砾； 砂土 多数粒径大于0.075mm、小于2mm的土，按粗细又分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂； 粉土 颗粒粒径更细，粘结介于粘性土和上述非粘性土之间的土； 粘性土 粒径比粉土更细、更具有明显粘性的土； 人工填土 回填土、垃圾、工业废料等。基础是将上部结构荷载传递给地基、连接上部结构与地基的下部结构，地基是受结构传来荷载影响的土层或岩层。因搁置的深度不同，基础可分为深基础（桩基础、沉箱基础）和浅基础（独立基础、条形基础、筏型基础、箱型基础）。地基的土是由固体矿物颗粒、水和空气三部分组成，成为土的三相，即固相、液相、气相。地基承载力：在保证地基稳定的条件下，地基压缩变形控制在房屋容许范围内时，地基单位面积上所承受的最大荷载，单位是k N /或k Pa。土木工程的任何预定结构都应该具有以下四项预定功能：1 能承受正常施工和使用时可能出现的各种内力；2 在正常使用时具有良好的工作性能（例如不发生过大的挠度和侧向位移，不发生过大的不均匀沉陷，不使人感到晃动等）；3 在正常维护下具有足够的耐久性能（例如有抵抗酸类和盐类物质腐蚀的能力）；4 在偶然事件发生时能保持必须的稳定性（例如有良好的抗地震能力）。在这四项预定功能中，1和4是安全性；2是适用性；3是持久性。安全、适用、持久三者缺一不可，但是安全第一。结构的失效，意味着结构或者属于它的构件不能满足上述某一项预定功能要求。结构失效现象：1破坏：是指结构或构件截面抵抗作用力的能力不足以承受作用效应的现象。2失稳：是指结构或构件因长细比过大而在不大的作用力下突然发生作用力平面外的极大变形的现象。3发生影响正常使用的变形：指楼板、梁的过大挠度或过宽裂缝；柱、墙的过大侧移；结构有过大的倾斜或过大的沉陷；人在室内有摇晃的感觉等。4倾覆或滑移：指整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡而倾倒或移动的现象。5结构所用材料丧失耐久性： 指钢材生锈、混凝土受腐蚀、砖遭冻融、木材被虫蛀蚀等化学、物理、生物现象。4.5 结构的定义和对结构的要求土木工程设施中的结构：是一个在空间和通道中用各种基本构件组合建成的有功能特征的机体，为土木工程设施的持久使用和美观需求服务，对生命财产提供安全保障。一个优秀的土木工程结构要求具有以下特色：1在应用上，要充分满足空间和通道的多项使用要求2在安全上，要完全符合承载、变形、稳定的持久需要3在造型上，要能够与环境、规划和建筑艺术融为一体4在技术上，要力争体现科学、技术和工程的新发展5在建造上，要合理用材、节约能源、与施工实际紧密结合。5 建筑工程概述5.1 引言建筑工程：典型的建筑工程是房屋工程，他是兴建房屋的规划 勘察 设计 施工的总称，目的是为人类生产生活提供场所。对房屋的基本要求是： 实用：指房屋要有舒适的环境，要有宽敞的空间和合理的布局，要有坚实可靠的结构， 要有先进、优质和方便的使用设施。这些是房屋在规划、建筑布局和建筑技术、结构、设备方面的要求。它是功能性的。 美观：指房屋的艺术处理，包括广义的美观和协调，以及观察者的视觉和心灵的感受。它是房屋在建筑艺术方面的要求。它是精神性的。 经济：指用尽可能少的资金、材料和人力，在尽可能短的时间里，优质地完成房屋的建设。它是房屋在施工、技术经济方面的要求。它是经济性的。5.2 建筑物的类别按建筑物使用性质分为： 住宅建筑 2. 公共建筑 3. 商业建筑 文教卫生建筑 5. 工业建筑 6. 农业建筑按房屋结构采用的材料分为： 生土结构 以地壳表层的天然物质（岩土）作为建筑材料，经过采掘、成型、建筑而建造的建筑物。 木结构 采用方木、圆木、条木、板材连接而成。 砌体结构 采用砖、石、混凝土砌块等砌体做成，主要用于上述墙体结构。 钢筋混凝土结构 采用钢筋混凝土或预应力混凝土做成，主要用于上述框架结构、剪力墙结构、筒体结构、拱结构、空间薄壳和空间折板结构。 刚-混凝土组合结构 建筑物的承重构件部分为钢构件、部分为钢筋混凝土构件，或承重构件的同一截面内有混凝土和型钢或钢管同时存在，依靠交互作用或材料的粘结作用协同工作的结构。 钢结构 采用各种型钢或钢管连接做成，在上述结构体系中除墙体结构和薄壳、折板结构外，都可以做成钢结构。 薄膜充气结构 常用于公共建筑的屋盖结构。按组成房屋主体结构的形式和受力系统，即结构体系分为： 承重墙结构（剪力墙结构） 利用房屋的墙体作为竖向承重和抵抗水平荷载的结构。 框架结构 采用梁、柱组成的框架作为房屋的竖向承重结构，并同时承受水平荷载。其中如梁和柱整体连接，其间不能自由转动、可以承受弯矩的称刚接框架结构；如梁、柱非整体连接，其间可以自由转动、不能承受弯矩的称铰接框架结构。 筒体结构 利用屋间四周墙体形成的封闭筒体作为主要抵抗水平荷载的结构。也可利用框架和筒体组合成框架-筒体结构。 错列桁架结构 利用整层高的桁架横向跨越房屋两外柱之间的空间，并利用桁架交替在各楼层平面上错列的方法增加整个房屋的刚度，也使居住单元的布置更加灵活，这种结构体系称错列桁架结构。 拱结构 以在一个平面内受力的，由曲线（或折线）形构件组成的拱所形成的结构，来承受整个房屋的竖向荷载和水平荷载。 薄壳结构 由曲面形板与边缘构件（梁、拱和桁架）组成的空间结构。它能以较薄的板面形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖大跨度的空间而无需中间支柱。 折板结构 由多块平板组合而成的空间结构，是一种既能承重又可围护，用料较省，刚度较大的薄壁结构。 网架结构 由多根杆件按照一定的网格形式，通过节点连接而成的空间结构，具有空间受力、重量轻、刚度大、可跨越较大跨度、抗震性能好等优点。 悬挂式结构（钢索结构） 楼面荷载通过吊索或吊杆传递到支撑柱上去，再由柱传递到基础的结构。5.10 特种构筑物特种结构指房屋、地下建筑、桥梁、隧道、水工结构以外的具有特殊用途的构筑物。包括有贮液池、烟囱、筒仓、水塔、挡土墙、深基坑支撑结构、电视塔和纪念性构筑物等。水池和水塔是建筑工程中常用的给排水工程构筑物，用于储存液体。水池：位于地平面以上或地下。水塔：是储水和配水的高耸结构，是给水工程中常用的构筑物，用来保持和调节给水管网中的水量和水压。水塔由水箱、塔身和基础三部分组成。筒仓：是贮存粒状和粉状松散物体（谷物、面粉、水泥、碎煤等）的立式容器，可作为生产企业调节和短期贮存生产用的附属设施，也可作为长期贮存粮食的仓库。烟囱：是工业中常用的构筑物，可由砖、钢筋混凝土或型钢制造，由筒身、内衬、隔热层、基础组成。其形式有单筒、多筒或筒中筒等。它是把烟气排入高空的高耸结构，能改善燃烧条件，减轻烟气对环境的污染电视塔：为筒体悬臂结构或空间框架结构，由塔基、塔座、塔身、塔楼及桅杆等5部分组成。目前世界上最高的是加拿大多伦多的CN电视塔。6 地下工程概述地下工程：在地面以下土层、岩体中或水底以下修建各种类型的地下建筑物或结构的工程，可称为地下工程。地下工程的特色：一方面是它必然承受着四周岩层和土层传来的压力，称围岩压力或岩体压力；另一方面岩层和土层有都具有较好的抗暴、抗震能力和良好的热稳定性和密闭性。因而，地下工程设施可作为有效的防空、防炸设施，形成恒温恒湿防震防振的环境，并能节约地面建筑占地，这是它的优点；但是地下工程设施建造时对地质条件要求较高，施工比较困难，投资较高，这又是它的缺点。地下工程设施的结构与地上建筑的结构不同，主要是与岩（土）层接触处必须有衬砌结构，其作用是承受岩土层和爆炸等静力和动力荷载，并防止地下水和潮气的侵入。衬砌结构的型式主要由使用、地质和施工3个因素综合决定，为了使衬砌四壁大体受压而较少受弯、受拉，最适宜的衬砌外形介于圆形和蛋形之间。地下工程的内容包括：研究及建造各种城市地下设施的规划、勘测、设计、施工和维护等。它是综合性的应用科学与工程技术。 地下工程设施的分类和案例地下设施主要有下列7类： 住宅设施：指各种地下或半地下住宅，我国的窑洞及北美等地的覆土式房屋就是典型的地下住宅。 城市设施：为改善城市功能的各项设施，包括埋在地下的各类管线、变电站等，迁至地下，有益于改善城市环境、提高市民生活质量。 生产设施：在城市人口密集区，将有噪声污染、振动污染的工业厂房、变电站等，迁至地下，有益于改善城市环境、提高市民生活质量。 交通设施：指运输物资或人员的各种地下公路、铁路、管线等。交通功能是大多数城市开发利用地下空间的主要目的。 贮藏设施：地下空间有恒温性及防盗性好，鼠害轻。节能、安全、低成本的地下仓库广泛应用于储存食物、水资源、石油、城市垃圾等。 防灾、人防设施：地下空间对各种自然、人为灾害具有较强的综合防灾能力，地下人防设施在战争时承担人防功能，而和平时期仍可用于和平事业。 军事设施：指各种永备的和野战的工事、屯兵的作战坑道、指挥所、通信枢纽部、掩蔽所、军用油库、军用物资仓库、导弹发射井等。按建造方式不同，地下工程可分为单建式与附建式。单建式：指独立建造的地下工程，地面上没有其他建筑物。附建式：一般指各种建筑物的地下室部分。 隧道工程隧道：是修筑在岩体、土体或水底，两端有出入口的，供车辆、行人、水流及管线等通过的通道，包括交通运输方面的铁路、道路、水底隧道和各种水工隧洞等。隧道工程的特点： 是交通运输线路穿越天然障碍 穿越的地质条件复杂多变，遇到意外情况比较多，工程定位、设计、施工方法都必须随时做相应调整 施工作业面窄，可能容纳的劳动能力和机械设备都受到限制，对工业化、机械化施工要求高 造价昂贵铁路隧道由洞口路堑（或引道）、洞门、洞身衬砌结构和隧道内外附属构筑物（道床、避车洞、水沟、照明、设置电气化设备的洞室等）组成。隧道内的线路可用单向坡或双向坡，由于列车在隧道内车轮与钢轨间的粘着力降低和空气阻力的增大，隧道内的纵向坡度要适当折减。全世界的铁路隧道约占世界铁路总长的0.8，其中有一半分布在中国和日本。我国是世界上铁路隧道最多的国家，其中有一半以上分布在云南、贵州、四川、陕西等省。道路隧道分为山岭道路隧道、水底道路隧道和城市道路隧道。道路隧道的优点：隧道能克服高程障碍，缩短线路长度，减小坡度和曲率，从而提高线路技术标准。道路隧道的设计特点：隧道要尽量设计成直线，隧道内的纵坡通常应不小于0.3,不宜大于3.5。目前世界上最长的公路隧道为2003年建成的我国穿越秦岭的终南山隧道，全场18.4km。水底隧道：一般分为水底段和河岸段，后者又有暗埋、敞开及出口部分。铁路或公路遇到水面障碍物时，除可修建桥梁通过外，修建水底隧道有时是最佳方案，尤其在水面宽、航运繁忙，通过巨型船只较多，两岸建筑物密集，不宜建筑高桥和长引桥的情况下。地下铁道（地铁）是指在城市地下由电力机车牵引的铁路，是解决大城市交通拥挤的大量、快捷、安全运送乘客的现代化交通工具，在战争时还可起到防护作用。根据地铁所处位置，可分为以下几种： 浅埋地铁：将线路埋在地面街道之下，线路走向受城市地面建筑物的影响，线路顶部、地铁车站顶部要有最小的回填土层。 深埋地铁：不受城市地面建筑物影响，多数线路在平面上都为直线，转弯处采用大半径曲线，使列车行驶平稳。 地面地铁线路段：一般修建在居民较少的城郊。 高架地铁线路段：设置在用钢或钢筋混凝土建造的高架线路桥上。地铁建筑物一般有： 地铁车站：它是大量乘客的集散地，要求有较大空间，良好通风、照明和清洁的环境，还要有艺术性和精致的装饰。 区间隧道：它是连接各车站区的线路通道，其横断面形式取决于埋深、地质条件和施工方法等因素，其内部尺寸根据建筑限界拟定。 出入口建筑物：有地面站厅、自动扶梯斜隧道、地面牵出线（与车库和地面线路相连系的线路）等。7 桥梁工程概述 引言桥梁：指供道路、铁路、渠道、管线等跨越水体、山谷或彼此间相互跨越的工程构筑物。桥梁工程：指修建的这些工程构筑物和修建、使用过程中所应用的各项技术总称，是土木工程中属于结构工程的一个分支学科，它与房屋建筑工程一样、也是用砖石、木、混凝土、钢筋混凝土和各种金属材料建造的结构工程。桥梁的原始雏形是堤坝、独木桥、浮桥和石拱。现代桥梁多用钢筋混凝土、预应力混凝土和钢材建造，其主要组成部分有： 桥跨结构（桥孔结构、上部结构）：包括桥面板、桥面梁以及支撑它们的结构构件如大梁、拱、悬索等，其作用是承受桥面上各种车辆、行人的荷载。 桥墩、桥台（下部结构）：是支撑桥跨结构的承重构件。桥台设在桥身两端，其作用除支撑桥跨结构外还要与路堤衔接并防止路堤滑塌。桥墩设在两桥台之间，其作用是支撑桥跨结构。 桥梁基础：是桥墩、桥台的埋入土中的扩大部分，其作用是使桥上全部荷载传至地基。墩台基础在整个桥梁施工中是比较困难的部分，常要在水中作业。跨度:筑物中,梁、拱券两端的承重结构之间的距离，两支点中心之间的距离。桥梁全长:有桥台的桥梁为两岸桥台侧墙或八字墙尾端间的距离；无桥台的桥梁为桥面系长度通常指桥孔范围内，从设计通航水位（或设计洪水位）至桥跨结构最下缘的净空高度。桥下净空高度:通常指桥孔范围内，从设计通航水位（或设计洪水位）至桥跨结构最下缘的净空高度。桥梁涵洞按跨度l和桥梁全长L可区分为：涵洞-L8m , l5m ;小桥-8m=L=30m , 5m =l20m ;中桥-30mL100m , 20m=l40m ;大桥-100m=L500m , 40m=l=500m , l=100m ;桥梁工程中的荷载、材料、地基和内力效应4个基本问题和建筑工程相同，但有以下3点区别： 活载：主要是铁路列车或公路车辆荷载，它们是以一系列集中力和均布作用力组成的移动式荷载。 作用效用：桥梁结构除承受各种荷载引起的拉力、压力、弯矩、剪力、扭矩以外，还要承受由铁路列车或公路汽车行进过程中产生的冲击力、离心力、横向摇摆力（铁路列车有）、制动力或牵引力等。 地基上的墩、台和基础：与建筑工程相比，桥梁基础埋置较深（因活载强大和地基的浅层土较软），水中的桥墩和桥台及其基础要考虑河流冲刷和船只撞击，水中墩、台和基础施工时遇到的技术问题复杂，导致工程量大、工期长、造价高。 桥梁类别 梁式桥：是一种在竖向移动式荷载作用下无水平反力的结构体系，与建筑工程中的梁相似。 拱桥：指的是在竖直平面内以拱圈作为上部结构主要承重构件的桥梁。拱桥的三种承载方式：上承载式桥（车辆在拱上行驶），下承载式桥（车辆在拱下行驶）和中承载式桥（车辆在拱中部行驶）。 刚架桥：是梁和柱（或竖墙）整体结合的桥梁结构，受力状态介于梁式桥和拱桥之间。 斜拉桥：由主梁、塔柱和斜索三种基本构架组成，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔柱，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。索面根据桥宽和美观要求可为双索或单索面。索面有辐射形、竖琴形和扇形三种。 悬索桥：是指以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。 组合体系桥：采用以上几种桥型的组合形式，如梁板式和拱桥的组合。 桥墩、桥台和桥梁基础 桥墩的类型及适用范围：根据其结构形式可分为实体式(重力式)桥墩（适用于大中型桥梁）、构架式桥墩（克服了重力式的缺点，但有时会经不住漂浮物的撞击）和桩(柱)式桥墩（适用于跨度不大于30m的桥梁）。 桥台的类型及适用范围：实体式：它以U形或八字形最常用，由于体积和自重大，适用于填土高度810m以下的桥梁。埋置式：将台身大部分埋入椎体护坡中，露出台帽以安置支座及上部结构，适用于桥头为浅滩时。 桥梁基础的类型及适用范围：刚性扩展基础（适用于浅基础，地基为密实土层）桩基础（按施工方法分为打入式钢板桩或混凝土预制桩以及现浇式混凝土灌注桩两种，按受力情况又分为端承桩和摩擦桩两种，适用于地基上部土层软弱、适宜的持力层较深时）、管柱基础、沉井基础（广泛应用于桥梁工程中）、沉箱基础（以气压沉箱修筑桥墩桥台的构筑物）。桥墩、桥台的受力构造和特点：桥墩的作用是支承从它左右两跨的上部结构通过支座传来的竖向力和水平力;桥台既要承受桥跨结构传来的竖向力和水平力，还要当土护岸，承受台后填土及土上荷载产生的土压力。斜拉桥和悬索桥的基本受力原理：受力分析，左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力；同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力；由于这两个力是对称的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了，最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。悬索桥：自锚式悬索桥的上部结构包括：主梁、主缆、吊杆、主塔四部分。传力路径为：桥面重量、车辆荷载等竖向荷载通过吊杆传至主缆承受，主缆承受拉力，而 主缆锚固在梁端，将水平力传递给主梁。由于悬索桥水平力的大小与主缆的矢跨比有关，所以可以通过矢跨比的调整来调节主梁内水平力的大小，一般来讲，跨度较大时，可以适当增加其矢跨比，以减小主梁内的压力，跨度较小时，可以适当减小其矢跨比，使混凝土主梁内的预压力适当提高。8 道路工程概述8.1 引言道路：根据其所处的位置、交通性质、使用特点可分为公路、城市道路和专用道路。公路：是指连接城市与乡村的主要供汽车行驶的道路 。按其重要程度分为：国家干线公路（国道）；省级干线公路（省道）；县级公路（县道）；乡级公路（乡道）四类。按其任务功能和适应车辆分为：高级公路、一、二、三、四级公路。城市道路：通达城市各个地区，供城市内交通运输及行人使用，便于居民生活、工作及文化娱乐活动，与城市外道路连接并承担对外交通的道路称为城市道路。专用道路：指由工矿农林部门投资修建供部门车辆使用。交通工程是以交通为对象进行规划、设计、施工、养护、管理工作及其相应科学技术和工程设施的总称。8.2 道路的组成路线：道路由于受到自然环境与地物地貌的限制，在平面上有转折，在纵面上有起伏，它的中线是一条三维空间曲线称路线。道路的线形：就是指道路中线在空间的几何形状和尺寸，可以用平面线形（道路中线的水平投影）、纵断面线形（沿道路中线竖直剖切的曲面展成的竖向平面线形）来表示。道路的平面线形常采用直线、圆曲线和缓和曲线以及三种线形的组合线形。 直线段不宜过长，否则容易引起驾驶员疲劳、麻痹。 圆曲线段半径R不宜过小，否则容易引起汽车向外滑移或倾覆。 缓和曲线长度不能过小，应使汽车行驶所受离心力平稳过渡。缓和曲线的线形有回旋曲线、三次抛物线和双曲线等，常用的是回旋曲线。道路的平面组合线形有：简单形、基本形、卵形、S形、凸形、复合形等。道路的纵断面线形常采用直线（又叫直坡段）、竖曲线，竖曲线又分为凸形和凹形两种。纵断面线形设计主要是解决道路线形在纵断面上的位置、形状和尺寸，具体内容包括纵坡设计和竖曲线设计两项。道路纵断面设计考虑的因素及设计目的：因素：道路性质、任务、等级和自然因素，路基稳定、排水及工程量，对纵坡的大小、长短、前后纵坡情况、竖曲线半径大小以及与平面线形的组合关系。目的：行车安全、快速、舒适、工程造价较低、营运费用少。道路平、纵线形组合设计：是指在满足汽车运动学和力学要求的前提下，研究如何满足视觉和心理方面的连续、舒适、与周围环境的协调和良好的排水条件。交叉口：道路与道路、道路与铁路相交处称为交叉口，可分为平面交叉口和立体交叉口两类。平面交叉口是城市道路网最常见的一种节点形式，包括有（无）信号控制简单交叉口、拓宽路面式交叉口、环行交叉口等几种类型。立体交叉口根据交通功能可分为分离式和互通式。道路结构的组成分为：路基、路面、沿线工程和管理设施。路基：是道路行车路面下的基础，是有土、石构成的带状的土工建筑物。路基应满足的基本要求：1、具有足够的承载力和刚度2、具有足够的水温稳定性3、具有足够整体稳定性。路基横断面的典型形式有路基、路堑和半填半挖路基三种类型。 路堤：是指高于原地面的填方路基。 路堑：是指低于原地面的挖方路基。 半填半挖路基：是指在一个横断面内，部分为路堤，部分为路堑的路基。路基施工的特点：工程量大、工程项目多、工艺简单、施工条件差。路面：又称行车部分，是路基表面用各种材料分层铺筑的构筑物。路面应满足的基本要求：1、功能性好：指能提供快速、安全、舒适、经济的车辆行驶表面。2、结构性好：指在使用过程中不出现以下损坏：1、断裂或裂缝损坏，使路面整体性受到破坏；2、永久变形类损坏，使路面有永久性的较大变形；3、耗损类损坏，使路面部分材料散失或磨损。3、耐久性好：指路面在达到预订损坏状况前能承受行车荷载作用的次数或使用年限。4、安全性好：指路面表面的抗滑能力，如果车辙深度超过1013mm，车辆高速行驶时会因车辙内积水而出现飘滑。路面设计的主要内容为： 路面结构层的选择和组合方案的提出； 各结构层混合料的组成设计； 各结构层的厚度设计； 方案的工程经济分析和比选，确定实施方案。路面结构层次通常包括 面层：其作用是承受行车荷载较大的竖向力、水平力和冲击力的作用，同时又受到降水的侵蚀作用和温度变化的影响；要求：具有更高的结构强度、刚度、不透水和温度稳定性，表面还应有良好的平整度、粗糙度和耐磨性。 基层：其作用是承重；要求：具有足够的强度。基层有时设两层，分别为上基层和底基层。 垫层：其作用是排水、隔水、防冻、防污或扩散荷载应力。路面等级的划分： 按面层材料可分为沥青路面、水泥混凝土路面、块料路面和粒料路面； 按技术条件及面层类型不同可分为高级路面、次高级路面、中级路面和低级路面等四个等级。 按车辆荷载的工作特性可分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面。沿线工程和管理设施： 桥涵：包括桥梁和涵洞，指道路在跨越河流、沟谷和其他障碍物时使用的构筑物。涵洞：指横贯并埋设在路堤中供排泄洪水、灌溉或交通使用的渠道或管道；多跨桥梁总长小于8m，单孔跨度小于5m的也称涵洞。 隧道：为道路从底层内部或水下通过而修筑的构筑物。是修筑在岩体、土体或水底，两端有出入口的，供车辆、行人、水流及管线等通过的通道，包括交通运输方面的铁路、道路、水底隧道和各种水工隧洞等。隧道由洞身和洞门两部分组成，明挖岩体后修筑棚式或拱式洞身，再覆土而建成的隧道称明洞。 防护工程：为保证路基稳定，加固边坡所修建的人工构筑物如挡土墙等称为防护工程。 排水系统：为保证路基稳定，免受自然水的侵蚀，道路应修建排水设施。道路的排水系统按其排水方向不同，可分为纵向排水系统和横向排水系统；按排水位置又可分为地面排水和地下排水两部分。 交通管理设施：包括道路标志（指示标志、警告标志等）、路面标志、交通监视设施、安全岛等。 交通安全设施：跨线桥、地下横道、色灯信号、护栏、防护网、反光标志、照明等。 停车设施：停车场、汽车停靠站、回车道等。 路用房屋及绿化设施：如养护房屋、营运房屋、收费所、加油站等。 高速公路高速公路：是全封闭、全部控制出入、全部立体交叉、路中央有分隔带的现代化汽车公路。我国规定高速公路的设计行车速度最低60km/h , 最高120km/h。高速公路的通行能力大，平均昼夜汽车交通量25000辆以上，为一般公路的3-4倍；安全性能高，交通事故死亡率是一般公路的 1/31/2。高速公路标志着一个国家工业化、现代化的水平。高速公路与普通公路的区别： 汽车专用（并且对农用汽车、特殊货运汽车也作出限制）； 分道行驶（有中央分隔带、超车车道、行车车道等）； 控制出入（全封闭、全立交，路段两侧设禁人栅）； 设施完善（除完善的安全、监控设施外，还有紧急电话和服务区等）。高速公路的社会效益和经济效益： 运输效益高； 技术效益好：因高速公路线形条件好，路面平整，无横向干扰，可降低机件磨损，减少技术保养开支，降低燃料消耗。 安全效益可观：高速公路的现代化管理，使人、车、路高度协调，大大减少交通事故。 加速城市发展； 刺激工业发展：高速公路的发展肯定会推动汽车工业，乃至机械、冶金、材料的发展。 带动第三产业发展：能带动旅游业、商业、饮食业、游乐及体育等第三产业的发展和交通运输业配套的服务行业（如加油站、修配厂、信息服务等）的发展。 协调经济联合与合作：有利于地区发展的均衡化，实现发达地区和欠发达地区在资金、技术、资源、人才上的优势互补。高速公路存在的突出问题： 投资大、造价高：我国高速公路的平均造价超过1500万元/km，甚至可以超过5000万元/km； 对环境影响大：除因路基宽、占地大会引起对地形、植被、水系、地基等方面损害外，还会对原有居民生活区产生不利影响，噪声和废气污染也不可避免。 城市道路城市道路：指大、中、小城市及大城市卫星城区内的道路、广场、停车场等，但不包括后街坊内部的道路。城市道路的组成内容： 车行道：包括机动车道、非机动车道和轻轨或有轨电车道。 路侧带：包括人行道、设施带（含行人护栏、照明杆柱、信号灯、标志牌等）和路侧绿化带。 分隔带：包括分隔对向行驶车辆、分隔机动和非机动车车流的地带；分隔带同时也是道路绿化带。 交叉口和交通广场； 停车场和公交车停靠站； 道路雨水排水系统：如街沟、雨水口、检查井等。 其他设施：如交通信号灯、安全护栏、渠化交通岛、照明设施等。 我国公路发展的特点目前我国公路发展的特点： 国道是我国公路的骨架，在公路运输中占着主导地位； 高速公路发展迅速，近年来每年建成的高速公路达数千公里； 路网整体水平和公路通行能力有明显提高； 桥梁和隧道建设水平上了一个新的台阶； 筹资力度进一步加大； 公路运输在综合运输体系中所占比重进一步提高。9 铁路工程概述铁路：由线路、路基和线路上部建筑3部分组成。此外，属于铁路工程设施的还有桥梁、涵洞、隧道、排水系统、车站设施、机务设备、电力供应等。铁路工程：是指铁路上各种土木工程设施和修建铁路各个阶段（勘测、设计、施工、养护、改建等）所运用技术和管理的总称。 铁路的组成铁路线路是铁路横断面中心线在铁路平面中的位置，以及沿铁路横断面中心线所作的纵断面状况。铁路路基是铁路线路承受轨道和列车荷载的地面构筑物。路基可分为路堤、路堑、半路堤半路堑3种基本形式。铁路线路上部建筑包括与列车直接接触的钢轨、轨枕、道床和道岔。线路上部建筑的强度和稳定性，取决与钢轨类型、轨枕类型和密度、道床类型和厚度等因素。根据主要运营条件，如近期的运量和最高行车速度，将轨道分为特重、重、次重、中和轻型5个等级。钢轨：起承受车身重力及引导列车运行方向的作用。轨枕：是钢轨的支座，它除了承受钢轨传来的力（包括竖向力及侧向和纵向水平力）并将其传给道床外，还起着保持钢轨方向和轨距的作用。道床：是铺设在铁路路基顶面上的道碴层。道岔：是铁路线路、线路间连接和交叉设备的总称，其作用是使机车车辆由一条线路转向另一条线路，或者越过与其相交的另一条线路。铁路工程设计的主要内容有： 在经济上论证所设计线路在交通运输系统中的地位、作用和经济效益，说明其可行性； 根据铁路的技术等级、勘测的地形地物在技术上选择线路； 设计路基、线路上部建筑、桥梁、涵洞、隧道等工程； 进行车站、机务、给水、供电、铁路信号等项目的设计；其中最为关键的是第2部分及铁路的线形设计，主要内容为：一，铁路选线、定线： 根据国家政治、经济和国防需要，结合线路经过地区的自然条件、资源分布、工农业发展等情况，规划线路的基本走向，选定铁路的主要技术标准。 根据沿线的地形、地质、水文等自然条件和村镇、交通、农田、水利设施，来设计线路的空间位置。 布置沿线的各种建筑物，如车站、桥梁、隧道、涵洞、挡土墙等，确定其类型和大小，使其在总体上互相配合，在全局上合理。二，进行全线线路的平面和纵剖面设计。 高速铁路高速铁路指客运列车以超过200km/h的高速运行的铁路，按其功能分客运专用和客运、货运共用两类。当今世界上的高速铁路有以下几种模式： 日本新干线模式：全部修建新线，旅客列车专用； 法国模式：部分修建新线，部分改造旧线，旅客列车专用； 德国模式：全部修建新线，旅客及货物列车混用； 英国模式：既不能修建新线也不大量改造旧线，主要采用由摆式车体的车辆组成的动车组，旅客货物列车混用。高速铁路的主要技术问题： 高速铁路线路应能保证按规定的最高车速，安全、平稳和不间断地运行。 轨道的平顺性是解决列车提速的至关重要的问题。 高速列车的牵引动力是实现高速行车的重要关键技术之一。 高速铁路的信号与控制系统是提高速列车安全、高密度运行的基本保证。我国铁路速度从160km/h起步的主要原因： 技术上的条件：160km/h是准高速的起点，是通向200km/h及其以上高速的桥梁，也是传统技术延伸与新技术发展的过渡点； 经济上的条件：在既有线路上进行适当的技术改造，即可达到速度160km/h的要求，比一开始实现速度200km/h以上的高速的投资要少得多。 磁悬浮铁路高速铁路除轮轨式列车外，还有悬浮式列车，其中又分磁悬浮与气悬浮两类。在气悬浮车中，又再分为气垫悬浮车（气垫车）与气膜悬浮车（气浮车）两种。磁悬浮铁路与传统铁路有着截然不同的区别和特点。磁悬浮列车流线型的外观设计，显示出与众不同的身子，没有车轮是其最突出的特点。与传统铁路相比，磁悬浮铁路由于消除了轮轨之间的接触，因而无摩擦阻力，线路垂直荷载小，适于高速运行。列车速度高达500km/h以上，目前最高试验速度为552km/h。磁悬浮列车的运行原理：磁悬浮铁路上运行的列车，是利用电磁系统产生的吸引力和排斥力将车辆托起，是整个列车悬浮在铁路上，利用电磁力进行导向，并利用直流电机将电能直接转换成推进力来推动列车前进。磁悬浮列车的优点： 由于无机械振动和噪声，无废气排除和污染，有利于环境保护，能充分利用能源，从而获得高的运输效率。 列车运行平稳，也能提高旅客的舒适度。 磁悬浮列车没有钢轨、车轮、接触导线等摩擦部件，可以省去大量的维修工作和维修费用。 城市地下铁道和轻轨伦敦于1863年修建了世界上第一条地下铁道。城市轻轨一般有较大比例的专用道，大多采用浅埋隧道或高架桥的方式，车辆和通信信号设备也是专门化的，克服了有轨电车运行速度慢、正点率低、噪声大的缺点。它比公共汽车速度快、效率高、省能源、无空气污染等。轻轨比地铁造价低、见效快。城市轻轨和地下铁道一般具有如下特点： 线路多经过居民区，对噪声和振动的控制较严，除了对车辆结构采取减震措施及修筑声障屏以外，对轨道结构也要求采取相应的措施。 行车密度大，运营时间长，留给轨道的作业时间短，因而需采用高质量的轨道部件，一般采用混凝土道床等维