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文档简介

第一课

土木工程学土木工程学作为最老的工程技术学科,是指规划,设计,施工及对建筑环

境的管理。此处的环境涉及建筑符合科学规范的所有结构,从灌溉和排水系统到火箭发射

设施。

土木工程师建造道路:桥梁,管道,大坝,海港,发电厂,给排水系统,医院,学校,

公共交通和其他现代社会和大量人口集中地区的基础公共设施。他们也建造私有设施,比如

飞机场,铁路,管线,摩天大楼,以及其他设计用作工业,商业和住宅途径的大型结构。此

外,土木工程师还规划设计及建造完整的城市和乡镇,并且最近一直在规划设计容纳设施

齐全的社区的空间平台。

土木一词来源于拉丁文词“公民”。在1782年,英国人JohnSmeaton为了把他的非

军事工程工作区别于当时占优势地位的军事工程师的工作而采用的名词。自从那时起,土木

工程学被用「提及从事公共设施建设的工程师,尽管其包含的领域更为广阔。

领域。由于包含范围太广,土木工程学又被细分为大量的技术专业。不同类型的工程

需要多种不同土木工程专业技术。一个项目开始的时候,土木工程师要对场地进行测绘,

定位有用的布置,如地下水水位,下水道,和电力线。岩土工程专家则进行土力学实验以

拟定土壤能否承受工程荷载。环境工程专家研究工程对本地的影响,涉及对空气和地下水

的也许污染,对本地动植物生活的影响,以及如何让工程设计满足政府针对环境保护的需

要。交通工程专家拟定必需的不同种类设施以减轻由整个工程导致的对本地公路和其他交

通网络的承担。同时,结构工程专家运用初步数据对工程作具体规划,设计和说明。从项

目开始到结束,对这些土木工程专家的工作进行监督和调配的则是施工管理专家。根据其

他专家所提供的信息,施工管理专家计算材料和人工的数量和花费,所有工作的进度表,

订购工作所需要的材料和设备,雇佣承包商和分包商,还要做些额外的监督工作以保证工

程能准时按质完毕。

贯穿任何给定项目,土木工程师都需要大量使用计算机。计算机用于设计工程中使用的

多数元件(即计算机辅助设计,或者CAD)并对其进行管理。计算机成为了现代土木工程师

的必备品,由于它使得工程师能有效地掌控所需的大量数据从而拟定建造一项工程的最佳

方法。

结构工程学。在这一专业领域,土木工程师规划设计各种类型的结构,涉及桥梁,大

坝,发电厂,设备支撑,海面上的特殊结构,美国太空计划,发射塔,庞大的天文和无线

电望远镜,以及许多其他种类的项目。结构工程师应用计算机拟定一个结构必须承受的力:

自重,风荷载和飓风荷载,建筑材料温度变化引起的胀缩,以及地震荷载。他们也需拟定

不同种材料如钢筋,混凝土,塑料,石头,沥青,砖,铝或其他建筑材料等的复合作用。

水利工程学。土木工程师在这一领域重要解决水的物理控制方面的种种问题。他们的

项目用于帮助防止洪水灾害,提供城市用水和灌溉用水,管理控制河流和水流物,维护河

滩及其他滨水设施。此外,他们设计和维护海港,运河与水闸,建造大型水利大坝与小型

坝,以及各种类型的围堰,帮助设计海上结构并且拟定堵构的位置对航行影响。

岩土工程学。专业于这个领域的土木工程师对支撑结构并影响结构行为的土壤和岩石

的特性进行分析。他们计算建筑和其他结构由于自重压力也许引起的沉降,并采用措施使

之减少到最小。他们也需计算并拟定如何加强斜坡和填充物的稳定性以及如何保护结构免

受地震和地下水的影响。

环境工程学。在这一工程学分支中,土木工程师设计,建造并监视系统以提供安全的

饮用水,同时防止和控制地表和地下水资源供应的污染。他们也设计,建造并监视工程以

控制甚至消除对土地和空气的污染。他们建造供水和废水解决厂,设计空气净化器和其他

设备以最小化甚至消除由工业加工、焚化及其他产烟生产活动引起的空气污染。他们也采

用建造特殊倾倒地点或使用有毒有害物中和剂的措施来控制有毒有害废弃物。此外,工程

师还对垃圾掩埋进行设计和管理以防止其对周边环境导致污染。

交通工程学。从事这一专业领域的土木工程师建造可以保证人和货品安全高效运营的

设施。他们专门研究各种类型运送设施的设计和维护,如公路和街道,公共交通系统,铁

路和飞机场,港口和海港。交通工程师应用技术知识及考虑经济,政治和社会因素来设计

每一个项目。他们的工作和城市规划者十分相似,由于交通运送系统的质量直接关系到社

区的质量。

渠道工程学。在土木工程学的这一支链中,土木工程师建造渠道和运送从煤泥浆(混合

的煤和水)和半流体废污,到水、石油和多种类型的高度可燃和不可燃的气体中分离出来的

液体,气体和固体的相关设备。工程师决定渠道的设计,项目所处地区必须考虑到的经济

性和环境因素,以及所使用材料的类型——钢、混凝土、塑料、或多种材料的复合一一的

安装技术,测试渠道强度的方法,和控制所运送流体材料保持适当的压力和流速。当流体

中携带危险材料时,安全性因素也需要被考虑。

建筑工程学。土木工程师在这个领域中从开始到结束监督项目的建筑。他们,有时被

称为项目工程师,应用技术和管理技能,涉及建筑工艺,规划,组织,财务,和操作项目

建设的知识。事实上,他们协调工程中每个人的活动:测量员,布置和建造临时道路和斜

坡,开挖基础,支模板和浇注混凝土的工人,以及钢筋工人。这些工程师也向结构的业主

提供进度计划报告。

社区和城市规划。从事土木工程这一方面的工程师也许规划和发展一个城市中的社区,

或整个城市。此规划中所涉及的远远不仅仅为工程因素,土地的开发使用和自然资源环境

的,社会的和经济的因素也是重要的成分。这些土木工程师对公共建设工程的规划和私人

建筑的发展进行协调。他们评估所需的设施,涉及街道,公路,公共运送系统,机场,港

口,给排水和污水解决系统,公共建筑,公园,和娱乐及其他设施以保证社会,经济和环

境地协调发展。

摄影测量,测量学和地图绘制。在这一专业领域的土木工程师精确测量地球表面以获

得可靠的信息来定位和设计工程项目。这一方面涉及高工艺学方法,如卫星成相,航拍,

和计算机成相。来自人造卫星的无线电信号,通过激光和音波杜扫描被转换为地图,为隧

道钻孔,建造高速公路和大坝,绘制洪水控制和灌溉方案,定位也许影响建筑项目的地下

岩石构成,以及许多其他建筑用途提供更精确的测量。

其他的专门项目。尚有两个并不完全在土木工程范围里面但对训练相称重要的附加的专

门项目是工程管理和工程教学。

工程管理。许多土木工程师都选择最终通向管理的职业。其他则能让他们的事业从管

理位置开始。土木工程管理者结合技术上的知识和一种组织能力来协调劳动力,材料,机

械和钱。这些工程师也许工作在政府一一市政、国家、州或联邦;在美国陆军军团作为军

队或平民的管理工程师;或在半自治地区,城市主管当局或相似的组织。他们也也许管理

规模为从几个到百个雇员的私营工程公司。

工程教学。通常选择教学事业的土木工程师专家研究生和本科生技术上的专门项目。许多

从事教学的土木工程师参与会导致建筑材料和施工方法技术革新的基础研究。多数也担任

工程项目或技术领域的顾问,和重要项目的代理。

第二课建筑物与建筑学

建筑物的目的是给人类的活动提供一个遮风挡雨的地方。从穴居时代到现在,人类的第

一需要最基本的就是有一个可以遮风避雨之所。在一个比较i般的感觉中,建筑物的艺术包

含人类试图控制环境和直接自然力以满足需要所取得的所有成就。除建筑物外,这种艺术还

涉及大坝,运河,隧道,沟渠和桥。

遮风避雨的建筑物的设计和其他功用的土木工程结构的设计的科学基础原理是相同的。

而只是由于现代社会特定的需要,这两个领域才沿着不同的途径发展。相似的,关注作为遮

风避雨的建筑物的重要营造者也不再是一个单独的个体;相反的是由多个专家组成的小组:

规划师,建筑师,工程师和建造者。一个现代建筑物的实现依赖这个小组集体的智慧。

建筑物的结构是建筑物的功能、环境及各种社会经济因素共同作用的产物。公寓,办公

大楼和学校的不同在于它们实现的功能不同。公寓的每一个可居住空间如起居室和卧室必须

有来自窗户的自然光,而浴室和厨房可以采用人造光源因而可以安排在建筑物内部。这种必

要的设立对公寓的进深必然有限制。另一方面,对办公大楼而言,人造光源更能达成均匀照

明的规定,因此,对自然光的需求不再有建筑物进深的限制。

环境也许影响到建筑物的形状和外观。城市里的学校通过使用空白的围墙完全的封闭于

城市之外,而乡村的学校也许发展成为景观的一个重要部分,即使两者实现同样的功能。

最后,建筑物的结构被各种社会经济因素影响,涉及地价,租赁,工程预算,分区限

制。城市的高地价导致高层建筑物,而乡村的低地价导致低的建筑物。富人的住房建筑计划

不同于便宜的住房建筑计划。有威望的办公大楼的预算将大大地超过其他的办公大楼。建筑

物的大小和外形也许受到分区的限制。在所有这些例子中,有着相似功能的建筑物经常采用

不同的结构。

建筑学是建筑物的艺术。事实上所有的建筑学都是关于为了人类的使用而围住的空间。

在任何特殊的建筑物中所覆盖的精确活动一一广泛到从工厂的一条装配线到一个家庭的起

居室一一应当规定几个内部区域的大小和形状。这些空间也必须被安排在彼此合乎一定逻辑

的关系中。此外,在建筑物中的人类活动一一建筑学中的说法是“流通”一一需要大厅,楼

梯和电梯,它们的尺寸受到预期荷载的支配。建筑物的结构平面图,总是建筑师的第一考虑,

是进一步实现建筑物意图的空间组织中的这些不同目的的决定。好的平面组织可以指引访客

到达他们的在建筑物中的目的地并且使他们留卜印象。他们也许是卜意识地被大厦很显然的

各个单元的关联所指引。相反地,不好的平面组织将带来不便,浪费和视觉混乱。

此外,一个结构需要很好地被建造。它应当有结构需要的和被选材料允许的耐久性。建

筑学的未经加工的材料,如石,砖,木,钢或玻璃,部分决定了建筑物的结构并对建筑物

进行表达。石能抵抗压缩,尽管一起压挤的力几乎是不能拟定的。在一个实验室里压碎石

是也许,但是对于实际应用,它的抗压强度则是无限的,另一方面,石在抵抗各向拉力方面

是很弱的。任何空间跨度的梁在支承之间容易向下弯曲,梁的下半区承受拉力。由于石承受

拉力的能力很弱,这种材料的梁相对地比较短,并且支撑间距比较小。此外,石柱必须坚固,

其高宽比很少超过10o在石类建筑中,门,窗及柱之间的空间几乎都被迫高大于宽,这源

于石的垂直矩形美学。石在西方世界建筑学中占有如此之高的统治地位,以致,即使在木结

构建筑时期其适当的造型一直被妥善保护着,像在美国的乔治王时代。然后,石借助它自身

的构造类型,成为支撑楼板和屋顶的墙,成为承重结构中的密排柱,成为重要承受压力的

拱形结构。

木是一种纤维材料,相比其抵抗压力的能力而言,宜更易于抵抗拉力。木制梁也许相对

比石制梁长,并且木制柱较细且可以广泛地作一定间隔的排列。由于木的自然性质常形成宽

敞于高的水平矩形,这在口本建筑学中常被见到。钢的抗拉强度也等于或大于其抗压强度。

已经观测过钢结构建筑物建筑过程的任何人一定曾注意到由细的广泛地作一定间距排列的

柱及每个楼板的长梁所组成的水平格状矩形。木和钢的性质意味着框架结构一一一个支撑楼

板和屋顶的骨架一一任何的铺面材料都也许是必需的。木和钢也准许悬臂结构,在这种结构

中,梁的投影超过支承的最后一个测点。

最后,建筑学不仅必须超过符合强度和空间的实际需要,它也一定要使人得到精神满

足。建筑物应当使每一个零部件形成一个美学的统一体。因此,结构的侧面和背面应当与正

面具有足够的一致性,可以使所有相关部提成为一个独立的整体。同样地,大部分的内部分

区也需要在外部设计上有所表现。正殿,甬道,袖廊,半圆形壁龛,并且辐射哥德式大教堂

的小礼拜堂,举例来说,所有是在外部上看得见的,所以访客在潜在意识里意识到他们将在

里面找到什么。

建筑规定有恰当的比例,即令人快乐的虚与实、高与宽、长与宽的关系。人类已经作过

许多尝试用数学公式来解释好多比例,如黄金分割。然而,这些努力并没有被广泛接受,尽

管在设计各处透过一些尺寸(举例来说,一个模数是一个柱的直径一半)的复测法已经收到

很好的结果。这种复测法帮助提出了人类思想渴望的可视规则。

一个建筑物还应当有建筑师称作的比例尺,它应当能在视觉上传达它的真实尺寸。如长

椅、台阶或楼梯栏杆等元素,尽管由于它们特别的因素在大小方面有些微可变,但仍然与人

类的正常尺度有关。

它们因此也几乎不可察觉地成为精确计量整个大厦尺度的测量单位。因这些单位对整个

建筑物而言太小,所以还需要其他中间尺度的元素。楼梯和一个楼梯栏杆也许给门口的尺寸

一个提醒,依次是柱廊的高度,最后是整个的结构廊。凡尔赛的PetitTrianon在比例尺方

面相称完美。罗马的圣彼得堡由于缺少小元素而让人很难感知它的巨大。

虽然全装饰在一些现代的建筑中被拒绝,但它过去由于固有的美或为了强调建筑物的一些

重点而常被采用。装饰品也许用于突出建筑物的特性和建筑物目的的可视化表现。因此,一

个银行要看起来像银行,一个教堂也应当同样地可以被立刻确认。抱负地,任何建筑物应当

通过与它建筑上的邻居的一些关系和地方地理学上看起来属于它的位置。

通过建筑学目的的成型,再受材料、比例和设计者给定的比例尺和特性支配,建筑物成为建

造它们的时代的抱负的表达和热望。历史性建筑学的连续性式样是他们的时代精神的化身。

第三课建筑物的组成

材料和不同的结构形式联合组成建筑物的各种不同部分,涉及承重框架,外壳,楼板

和隔墙。建筑物也有像升降机,供暖和冷却,照明这样的与机械和电力有关的系统。上部结

构是建筑物地面以上的部分,而下部结构和基础则是建筑物地面以下的部分。

摩天大楼的出现得益于19世纪的两大发展:钢骨架结构和旅客升降机。钢,作为一种

建筑材料,源于1885年贝色麦转炉的引入。GustaveEiffel(1832-1932)将钢结构引入法

国。1889年巴黎展览会的塔和他为Galeriedes机械的设计表现了钢结构的灵活性。艾菲

尔铁塔高984英尺(300米),是人类建造的最高的结构,直到40年后才被美国一系列的

摩天大楼超越。

第一个升降机是在1857年被ElishaOtis安装于纽约的一幢百货公司。在1889年,

Eiffel在艾菲尔铁塔上安装了第一个大尺寸的升降机,它的水力升降机能在一个小时内运

送2350个旅客到达顶点。

承重框架。直到19世纪晚期,建筑物外墙被用作支承楼板的承重墙。这种结构本质上

一种梁柱模型,并且仍然被用于房屋框架结构。

承重墙结构由于需要巨大的墙厚而限制了建筑物的高度。例如,芝加哥建于19世纪80

年代16层的Uonadnock大厦,较下层的楼板下的墙厚达5英尺(1.5米)。在1883年,

WilliamLeBaronJenney(1832T907)采用铸铁柱支撑楼板的方式以形成笼状结构。由钢

梁和钢柱组成的骨架构造最早用于1889年。由于骨架构造,围墙变成一个“幕墙”,胜于

起支撑作用。砖石一直被用作幕墙材料,直到20世纪30年代,轻金属和玻璃幕墙开始被使

用。在钢结构引入后,建筑物的高度连续快速地增长。

在二次世界大战前,所有的高层建筑都是采用钢结构。战后,钢材的短缺和混凝土质量

的改良导致钢筋混凝土高层建筑的出现。芝加哥的Marina塔(1962)是美国最高的混凝土建

筑。它的高度达588英尺(179米),被伦敦的高达65()英尺(198米)的邮政大厦和其他塔

式建筑所超越。

关于摩天大楼构造观点的转变恢复了承重墙的使用,在纽约城由EeroSaarinen于1962

年设计的哥伦比亚广播系统大楼,有一个由5英尺(1.5米)宽,相邻柱的中心距为10英

尺(3米)的混凝土柱组成的环形墙。这个环形墙事实上有效地组成了一个承重墙。产生这

种趋向的一个理由是,采用建筑物的墙壁作为一个筒体,可以非常经济地获得起到抗风作

用的足够硬度。世界贸易大厦是这种筒体方法的另一个例证。相反地,刚性框架或垂直的桁

架通常被用于提供侧向稳定性。

外壳。建筑物的外壳由透明元素(窗)和不透明元素(墙)所组成。尽管塑料正在被

使用,窗传统上还是使用玻璃,特别是在学校,破损产生了一个维护问题。用于覆盖结构

并由结构支撑的墙元素由多种材料建造:砖,预制构件,混凝土,石,不透明玻璃,塑料,

钢和铝。木重要被用于房屋建筑,由于有火灾的危险,它通常不用于商业,工业和公用建

筑。

楼板。建筑物中楼板的构造依赖于所使用的基本结构框架。在钢结构中,楼板或是搁

置在钢梁上的混凝土板,或是表面附有混凝土的波状钢组成的凹板。在混凝土结构中,楼

板或是搁置在混凝土梁上的混凝土板,或是一系列顶端有一个薄板双向都近距离排列的混

凝土梁,在其下部提供了一个多余的空间。这种类型的板的使用依赖于支撑柱或墙间的跨

度和空间的功能。例如,在公寓中,当墙和柱的间距在12英尺到18英尺(3.7米到5.5米),

最常用的结构是无梁的实心混凝土板。这种板的下部可以用作其下层空间的天花板。办公

大楼中常使用波纹钢楼板,这是由于波纹钢楼板的波纹当由另一块金属板盖上时,可以形

成电话线和电线通道。

机械和电力系统。一个现代建筑不仅涉及它所需要的空间(办公室,教室,公寓),还

涉及帮助提供舒适环境的机械与电力系统的辅助空间。在摩天办公大楼中,这些辅助空间

也许构成总建筑面积的25%。在办公大楼中,供暖,通风,电力和卫生管道系统的重要性体

现在工程预算的40%被分派给它们。由于使用带有不能开窗的密封性建筑屋的增长,精细的

机械系统被用于通风和空调。渠道和管道携带来自中央风扇室和空气调节机的新鲜空气。

悬吊在上部楼板结构下面的天花板,隐藏着管道系统,还包含照明设备。用于动力和电话

通讯的电力配线,也被安顿在天花板空间内,或被埋置在楼板结构中的管道内。

已有种种尝试将机械和电力系统通过坦白地表达它们以合并到建筑物的建筑学中。举例

来说,在爱荷华州首府得梅因的美国共和保险公司大楼(1965),管道和楼板结构以一种有

组织和优雅的形式暴露在外,用吊顶进行分派。这种方法使得减少建筑物的花费成为也许,

并且可以允许改革,例如在结构的跨度方面。

地基与基础。所有的建筑物都支撑在地面上,因此,土体的性质成为任何建筑设计中

极端重要的考虑因素。基础的设计依赖于许多土体的要素,如土的类型,土壤的层理,土

层的厚度和它的压缩性,以及地下水的状态。土壤很少有一个单一的成分。它们通常是不

同厚度土层的混合物。为了评估,土壤被按照颗粒大小分为不同等级,它们从淤泥到粘土

到砂到砂砾到岩石依次增长。大体上,较大颗粒土的负载能力将会强于较小的一些。最硬

的岩石可以高达每平方英尺100吨(每平方米976.5公吨)的负载,但是最软的淤泥所能

承受的负载只有每平方英尺0.25吨(每平方米2.44公吨)。所有表面以下的土都处在受

压状态中,说得更精确一些,这些土承受与作用在其上的土柱重量相等的压力。许多土(除

了大多数的砂和砾石以外)显示出弹性性质一在荷载作用下受压变形,当荷载解除后可

以回弹。土壤的弹性经常依赖于时间,也就是说,土的变形也许发生在荷载作用后从数分

钟到数年的时间长度上。超过一个时段,假如建筑物作用在土体上的负载高于土的天然压

实重量,它也许产生沉降。相反地,假如建筑物作用在土体上的负载小于土体的天然压实

重量,它也许隆起。土也也许在建筑物自重作用下产生流动,就是说,它很容易被压挤出。

由于压实和流动效应:建筑物趋向于沉降。例如比萨和博洛尼亚的斜塔,不均匀沉降能

产生破坏效果一一建筑物也许倾斜,外墙和隔墙也许产生裂缝,窗户和门可可以变得不起

作用,并且极端的情况是建筑物也许倒塌。尽管在某些极端条件下,像墨西哥城的情况,能

产生严重的后果,但是不均匀沉降并不是那么严重。过去12023以来,那里地卜.水水位的变

化已经使一些建筑物沉降超过10英尺(3米)。由于这种运动能发生在施工工程中和其后,

仔细分析在建筑物下土的行为显得非常重要。

土的巨大的可变性导致基础问题多样的解决方法。在地表附近存在坚硬土时,最简朴的解决

方法是把杜放置在一个小的混凝土板上(扩展基底)。土较软的地方,有必要将杜荷载传递

到一个较大的面积上,在这种情况下,则在整个建筑物底下采用连续的混凝土板(筏或席)。

地表附近的土体不能承载建筑物重量时,木制,钢制或混凝土制桩被打入以加固土体.

建筑物的施工工程自然是从基础到上部结构。但是,设计工程则是从屋顶到基础(沿重力的

方向)。过去,基础不依照系统调查。科学设计基础的方法已经在20世纪内得到发展。美

国KarlTerzaghi的先锋研究,运用上力学和探测及测试程序技术,使精确预报基础的行为

成为也许。过去基础的破坏,像经典的例子一一比萨斜塔,已经变得几乎不存在。然而,基

础仍然是许多建筑物一个隐藏而昂贵的部分。

第四课高层建筑

FazliirRahmankhan大体上建筑施工工艺学方面已有许多进步,在超高层的设计和施

工上已经取得了惊人的成就。

高层建筑初期的发展开始于钢结构。钢筋混凝土和薄壳筒系统已经经济而竞争性地被用

于大量的住宅和商业目的的结构。由于新型结构系统的创新和发展,现在从50到100层的

高层建筑遍布全美国。

更大高度的规定增长了梁柱的尺寸以使建筑物刚性更强,以便在风荷载作用下建筑物

将不会产生超过一个可接受限度的摆动。过度的侧移也许导致隔墙,天花板和其他建筑细部

的反复性损害。此外,过度侧倾也许使建筑物的居住者日于对摆动的知觉而导致不便。钢筋

混凝上和钢结构系统,能充足运用整个建筑物固有潜在的劲性,因而不需要额外加劲以限

制侧倾。

例如,在一个钢结构中,经济性由建筑物房屋面枳每平方英尺钢的所有平均数量来定

义。图一中的曲线A采用层逐渐增长的数量表现传统框架的平均单位重。曲线B则表现框架

受到所有横向荷载保护下的平均钢重量。上下边界之间的间隙则表现传统梁柱框架为高度付

出的额外费用。结构工程师已经发展了可消除这一额外费用的结构系统。

钢结构体系。由于一些类型的结构改革,钢高层建筑物得到了发展。此改革被用于办

公大楼和公寓的建造。

带有刚性带式桁架的框架。为了将一个框架结构的外柱约束于内部的垂直梁架,也许在

建筑物中部和顶部采用一个刚性带式桁架的系统。这一系统的最佳例证是在密尔瓦基的威斯

康辛州第一银行建筑物(1974)。

框架筒体。只有当建筑物突出地面的所有的柱构件可以彼此连接使整个建筑物成为一

个空心简体或一个劲性箱体时,一懂高层建筑的整个结构才干最有效。这种特殊的结构体

系第一次大约是用于芝加哥的43层楼高的德威特栗木钢筋混凝土公寓。而这一系统最重要

的应用是纽约的110层楼高的世界贸易中心的钢结构双塔。

对角柱桁架支撑筒体。建筑物的外柱可以被适当的分隔却仍能通过在梁柱中线处交叉

对角构件连接使之作为一个筒体而共同工作。这种简朴而又极其有用的系统最早被用于芝

加哥的约翰汉考克中心,其仅仅使用了传统的40层楼高建筑的用钢量

组合筒体(束筒)。由于对更大更高的建筑物的连续需求,框架筒和对角柱桁架支撑

筒也许采用组合使用的形式以发明更大的筒,并仍可以保持高功效。芝加哥110层楼高的

西尔斯瑞巴克总部有9个简,由三排建筑物组合而成。一些个别简体终止在建筑物不同的

高度,证明了无限建筑也许性的结构观念。西尔斯塔高1450英尺(442m),是世界上最高

的建筑。

薄壳筒体系。筒结构体系的发展提高了高层建筑抵抗侧向力(风和地震作用)和飘移

(建筑物的侧向运动)的能力。薄壳筒使筒结构体系有了进一步的发展。薄壳筒的进步是

运用(高层)建筑的外表面(墙和板)作为与框筒共同作用的结构构件,为高层建筑抵抗侧

向荷载提供了一个有效的途径,并且可获得不设柱子,节省成本,使用面积与建筑面积之比

很高的室内空间。

由于薄壳表面的作用:筒体的框架构件数量减少,使得结构更轻,费用更少。所有标准

柱和外墙托梁都采用标准型钢,使得组合构件的使用和花费最小化。四周外墙托梁的深度规

定也被减少,并且楼板上的顶梁对有用空间的占用会达成最小。这种结构系统已经被使用于

54层楼高的匹兹堡的梅隆银行中心。

混凝土体系。虽然采用钢结构建造的高层建筑开始很早,但是钢筋混凝土高层建筑的

快速发展在办公大楼和公寓方面对钢结构体系产生了很大的挑战。

框架筒体。由上面讨论到的,高层建筑最早的框架筒体概念应用于43层楼高的德威特

栗木公寓。在这一建筑物中,外柱以中心距为5.5英尺(168米)的间隔排列,内柱则用于

支撑8英寸厚的混凝土平板。

筒中筒。另一个用于办公大楼的钢筋混凝土结构体系是将内部框架筒体与传统的剪力墙工

艺相结合。这种体系由间距很小的柱子构成的外框架筒与围绕中心设备区的刚性剪力墙内

筒组成。这种被称为筒中筒的体系使设计目前世界上最高(714英尺或218米),总费用只

相称于传统35层楼高的剪力墙结构体系的轻型混凝土建筑(52层楼高的休斯顿的壳广场建

筑)成为也许。

结合混凝土和钢的体系也得到发展,这方面的一个例子是由也idmore,Owings和Merril1

发展的复合体系。它是采用间距很小的混凝土外框架筒包围钢框架内筒组成,因此兼有钢筋

混凝土和钢结构体系的优点。在新奥尔良的一个52层楼高的壳广场建筑便是以这一体系为

基础。

第五课环境工程

环境工程是有关由结构,机器,系统和人类的活动引起的污染的一个工程分支。文

明的发展已经引起许多地球生态系统的紊乱,导致空气,陆地和水的污染。环境工程师的

责任不仅在于设计系统以缓和这一污染,并且还需要教育人们保护他们周边的环境免受

其他污染。环境工程的实践被划分为以下各种不同层次。

水质解次。在许多情况下,河流,湖泊和海洋已经被由住宅,商业,和工业源点排放

的液态废料污染。这些水体许多已经由于20世纪70年代的一次运动被开垦装配上新的废

水解决设备并且一些旧的设备也得到了改良,可以采用物理化学和生物学方法从液态废水

中除去污染物。有机物使河流和湖泊中的氧气耗尽,并因此导致鱼类的死亡和有毒的臭气。

物理化学和生物学工序可以取去大量的有机物,连同来自废弃河流上漂浮的浮渣和滑

脂。化学消毒可以使废弃河流中的细菌,病毒和原生生物钝化。物理化学方法用于除去废弃

河川中的固体化学物,所用的方法有过筛,砂和砂砾分离,化学凝结和单纯沉淀。生物学方

法有加菌滤渣,接触塔和生物圈。

这些解决方法应用到住宅,商业和工业废水上,已经减少了许多河流,湖泊和海洋的

污染限度。然而,大部分地区存在着清理不完全的情况。在许多其他地区的暴风雨期间发生

未经解决的卫生废污和大量废水的无限制排放。这些排放物来源于携带卫生废污和大量垃圾

的管道。在暴风雨期间,陆地上的杂质混合着管道里的卫生废污,并且废水量超过了管道的

承载量;在它能到达废水解决设备前,这一混合物的部分就流了最近的水体。通常,建造一

整套全新的分开卫生废污的管道价格太昂贵。但是,一些都市,像芝加哥,已经开始采用建

造一个能在暴风雨期间储存大量流量的深地下隧道,废水可以合理的速率进出解决设备的

系统来解决这一问题。

在那些废水一定会进入湖泊和干的河川的地方,必须采用更高水平的解决措施,涉及

营养物和胶质物的除去。物理化学和生物学解决方法被月于废水的解决。此外,在生物方法

解决后,化学制品被用于营养物的沉淀,和紧接着固体残留物的凝结和过滤。在一些情况下,

粒状的活性碳或膜被用于废弃河川的附加净化。由于任何可见的污染对水域的形状产生的破

坏,所以这种更高水平的解决是可取的。此外,这种解决还可以对水域上由营养物磷和氮引

起的潜在的富营养化效应起防止作用。

对于有废水排放而下游又用于饮用水源的河流,需要特别注意的不仅有废污中有机物

的排除,尚有使微生物钝化进行的消毒程序。还需要关心的是来自工业生产的有机化学污染

物或者沿河农田使用的杀虫剂和除草剂污染的河川

世界上比较普遍的是对排入河川的废水进行间接的反复运用。同时,只要排放物通过适

当的解决,并且有机化学污染物被消除,也是可以被接受的。比较不可接受的是直接反更使

用废水作饮用的用途,甚至是在高度解决之后。最关心的则是疾病爆发的也许性。但是,一

些国家,像以色列,出于需要做实验,在物理化学解决前通过在成熟作用的地沼中长时间

储存废水来反复使用。反复使用废水,紧接着进行可取的解决,再用于农作物的灌溉和为高

尔夫课程浇水,这种方法已经变得相称普遍和可接受,特别是在干燥性气候下。此外,某些

特定地区如那不勒斯,佛罗里达和欧文,力口州,已经装配双重的水系,一方面解决过的废

水用于户外住宅,商业,以及消防用水等用途,另一方面保存高质量的水用于潜在的需要。

在其他的情况,大型工业声业直接从河川中取水用户工业上的冷却。

废水固体物质解决。从废水中通过物理化学和生物学方法分离出来的有机和无机的固

体必须进行脱水,采用生物和化学方法使之稳定,并且需掩埋在受约束的垃圾场,焚烧或者

堆制成肥料。有些固体不一定要脱水,而是能直接应用到陆地的一些环境,接着是生物稳

定过程。可以举出很多这样的例子,如在密尔瓦基,威斯康辛州,固体被加工作肥料。

不幸的是,在世界的许多地方,涉及美国的东海岸,固体废物既不是再生作陆地也不

是焚烧作能源,而是用船或者管道运送到大海再直接向海水中倾卸。我们希望这种做法会被

废止,而焚化作能量供应以及堆制成肥反复运用于上地将会代替海洋倾卸解决。在固体废物

堆肥的地方,有毒的和重金属必须在源点被除去。

解决废水中的固体废物的方法有挤压,皮带,离心分离机以及流化床火炉脱水。已经受

到相称注意的此外一种方法是容器堆肥。

垃圾解决。在陆地上的废物和垃圾的不加选择的倾卸已经引起严重的污染问题。垃圾

解决可以控制在一个设计和操作很好的垃圾掩埋场,并且这也许是特定的小社区的一个适

当方法。然而,在中型和大型社区用于垃圾解决的土地正在严重缩减,井且垃圾堆肥在陆

地上的反复使用也许已经被限制应用。对大多数社区适当的系统似乎是垃圾的焚化,通过

燃烧有机材料来回收能量。来自热反映堆以及废水解决厂焚烧固体废物的火炉的空气发生

发射系统必须设计成能防止化学品和微粒子空气污染。这些空气发射系统涉及静电沉淀和

加力燃烧室。

有害废物解决。不幸的是,由于来自工业和商业活动以及公众代办站的长期非法领卸

和洗涤,乡间和地下水已经变得混乱并且被污染。来自倾卸解决地的废物储存容器的去除

必然地是个很慢的方法,并且一个经核准的解决基地必须存在并发展。被污染的土壤和地

下水的净化是个更慢的方法,净化工艺必须被设计并实行。例如,被有机化学物污染的水

应慢慢从蓄水层中抽取,然后通过空气脱膜或粒状活性碳吸附作用除去污染物。经净化后

的水再回注入蓄水层,这个工程则需要数年才干完毕。在一些情况下,这也许是不便的,

由于这对那些必须使用这些地下水作饮用供应的社区,会导致健康危害。

空气污染控制。柴油驱动的卡车和不受限制的汽油机使环境中废烟增长,工业烟囱则

带来污染。在美国,1987年环境保护组织出版的登记表显示,每年有磅(公斤)的有毒

化学品被释放到空气中,当一亿人居住的时候,其他的空气污染物重要来自于汽车,超过

联邦标准。像洛杉机这样的大城市的地方烟雾则由各社区的活动引起。在美国中西部由工

业烟囱排放的废气引起的酸雨降落在了东北部和加拿大的森林和湖泊上。

虽然已经做了很多空气净化的尝试,但是解决的行动还是受到很大的限制。工艺学上可

用于除去空气中的颗粒物质和化学污染物的方法是可用的(例如多样性火炉,流化床反映堆

以及究竟久经考验的空气发射技术),但是代价昂贵,并且过程缓慢。

饮用管理。安全高质量的饮用水的可用性是现代文明中一个重要的要素。

源点。通过撤回来自河川的饮用水的间接废水运用是一个可行并且经济的供应社区饮

用水的方法,特别是在滨水地区。水必须通过消毒解决以使微生物污染物钝化,还必须进

行物理化学解决以除去有机和无机污染物。

其他的饮用水源是自然湖泊和水库。它们往往优于河水,并且它们可作多重用途,如给

排水和水力电气的动力。这些湖泊的部分区域的受限制的娱乐使用是很寻常的。

地下的蓄水层是一个次水的通常源点,并且其质量相称高,除了那些化学污染已经发

生的地方。在世界的一些地区,蓄水层能被开垦的地表水回灌。

在世界许多地区的一个严重的问题是在低降水和降雪期间纯净饮水的短缺。一场大规模

旱灾发生在1989年美国东海岸的春天。在旱灾中出现水资源短缺的两个因素是:许多饮水

供应系统没有能计划充足以应对旱灾;相对低的水价使大量水被浪费。

质量。必须审慎选择最纯净的水用于饮水,如地下水,泉水,或高地湖泊,然后对其

源点进行强制性保护。防止地下水的化学污染是极其重要的,其可以通过明智的控制地表

水沿岸的使用来实现。湖泊能被用于娱乐及水源。然而如此的混合应用需要作很好的计划。

供应水的净化与分水除的规划和控制同样重要。在源点质量相称好的地方,化学消毒,

凝结,过滤就足够了。假如水是来自含泥量多并遭受有机物污染的河川供应,则需要额外的

解决措施。在20世纪80年代,净水工艺有了大幅的进步。臭氧已经成为一种消毒剂的选择,

由于它是对细菌,病毒和原生动物消毒的最有效的消毒剂,并且它不像氯,当水中存在有

机物质的时候,它不会形成致癌副产物。经济内嵌或直接的过滤可以用于净化许多高地供

应。和臭氧结合,这种方法对许多未过滤水供应是能合月的。粒状的活性碳可以除去水中产

生味道和气味的物质,并且能吸取有害的有机化学物质。

对自来水污染最后的屏隙是配水系统的小心管理。化学制品能被添加到已净化水中以抵消系

统的腐蚀状态,如此可大大减少铅管系统接合处对铅的滤去量。并且水管能填塞水泥砂浆并

保持奔流以防止脏水。

其他方面。环境工程学可以用于区域性问题的解决。变得富营养化和藻类繁盛的池塘

和湖泊不能被用于娱乐,并且这水假如被用于饮用也许是有害的。海港处水的无差别的解决

和随之发生的海滩污染能通过适当的规则和强制执行来防止。最后,还必须发展对景观地废

物的最佳解决方法。

第六课:取暖,通风,和空调

取暖,通风,和空调系统是环境工程的重要方面,就最新的概念而言,他涉及建筑工

程的所有方面:比如说给排水工程,隔音工程及室内布置工程。环境工程的概念就标志着建

筑的所有因素都有着内在的联系。取暖可由照明设备提供,举个例子:管道是影响空港系统

的重要因素,同时,它也能影响结构的设计。

虽然目前有条文对建筑的种种限制,但是这个科目还是被延伸到交通工具中,如:大

客车,6机,轮船,航天器和潜艇。这些都有着很高的特殊规定。取暖,通风,和空调系统

在目前的背景下,将被定义为控制一个封闭空间的环境这一普遍的关系。除了使人安逸的设

备外,许多工业进程都依赖着一个稳定的大气层,如此以来,工程的分支则覆盖了一个相

祢大的应用范围。取暖系统涉及到提高温度以达成高温环境。通风系统则涉及到提供新鲜空

气和抽出那些被污染或具有杂质的空气。空调系统则涉及了取暖和通风系统的功能,并且还

增长了降温功能,调节湿度和洁净空气,过滤灰尘,细菌和空气中的杂质。

在历史上,人们生火在自己周边取暖是最容易做到的,并且无疑的是木材是最初的燃

料。一方面在洞穴中,由石器时代遗留下来的炉边可以说明,后来就在泥土或是草地上生

火。

发现木炭可以由木材制得,并且是一种无烟的燃料,这被看作在适当的地方的一个简

朴的进步,那些地方仅仅需要适度取暖,如中国,日本,以及地中海沿岸。

此外一个进展就是气孔和烟窗的出现。一方面是在屋顶中央开个简朴的孔,而后来则连

着壁炉,这种发明源于欧洲13世纪。烟和汽水将不再硬延于生活空间。

火炉在公元前62023在中国出现并使用。它比壁炉更节省热量。火炉从俄罗斯传到德国

和欧洲的大部分国家。及到今天它还在被使用,并且还是一家人的焦点地方。火炉有根过大

西洋进入美国,在那里,本杰明.富兰克林于1744年改善发明设计,但其先行者却是那些

传统的大腹便便的火炉。

将近于18世纪末期,一方面对壁炉进行科学精制仿佛归功于物理学家本杰明.汤娜生。

计算rumford。他的目的是在使用耐火粘土团和使用罩盖时提高明火的使用效率。这两项设

计减少了总的辐射热量。由于他的想法并没有被接受,而导致严重的燃料浪费连续至今。

在烧火加热的同时对外部空间加热,这在现在被描叙为中央取暖系统,由希腊

Laccdacmonians发明,并且第一个使用到加热楼板中。在城市Ephesus中的大神殿被认为

使用褐煤作为燃料,将暖气通过气孔导入地板中。

虽然希腊人结识到集中取暖的优点,但是罗马人才称得上古代最伟大的供暖技师。他们

发明了独特的火坑供暖系统。地板提高了底座,热气从熔炉中被导入地板下的空间。暖气通

过埋在墙里的中空的赤陶导管。这一系统在整个欧洲都可以找到,可见当时罗马文化的繁

荣。在意大利,火坑供暖装置仅仅应用于浴室内。在凉爽的地方如英国,则不仅仅应用于浴

室,也用于起居室,和有时需要取暖的一些房间里。

如此科学技术的发展和精炼随着罗马帝国的衰弱和城市的毁灭而终止。那些黑暗时期似

乎又回到了原始生活。城堡和住宅使用那些如同原始人类同样粗糙地取暖,在通风良好的大

厅的石板上用原木燃烧取暖。依旧用庞大而沉重的兽皮保暖,这样连续了152023后,舒适

的罗马的火坑供暖系统被重新发现并用于现代城市。

在18世纪和19世纪初的工业革命出现了以蒸汽机作动力。这也提供了新的取暖方法。

最初用于工厂和磨坊。蒸汽在导管中输送被大规模用于取暖而不仅限于工业需求,还可认为

学校,教堂,法院,议会大厅,甚至家庭和园艺的温室提供暖气。

蒸汽表面非常烫,导致在空中有烘烤似的作用,经常伴有燃烧残骸一般的异味,而用

热水的优点在于有一个比较低的表面温度和比蒸汽更温和一般的影响。它在1830年被接受。

第一套热水取暖系统安装在伦敦的新西大教堂医院,用这种方式取暖时,热水在低压

下能不断地流向重要的地方。它运用散热器,对流暖炉,插入地板及天花板的取暖系统,用

扇子将暖气分派到不同的地方的方法。

在1831年,英格兰人JocobPerkins获得高压热水系统的革新方法的专利权。这种系

统就是通过一个卷成圈的连续循环的坚固导管接受从暖气炉的热量,运送水在一个封闭的

系统绕圈配置在建筑中,在弯管中循环流动。这一系统获得了相称大的推广。尽管它具有很

高的温度,他的装备比那些用于低压设备中的大而重的铸铁导管相比显得小而整洁。高压热

水的原理它已经在一个现代的系统中复兴,它一方面遍布欧洲,后来传向其他各地,重要

用于工业取暖。

大约直到19世纪才产生对封闭空间来用某种形式诱导通风的需要。那时所建的集会礼

堂,剧院,教堂要容纳数百甚至数千人。在工业中,一些改良蒸汽的气压在汽油灯工作间的

磨坊中作为动力,来抵消那些增大的却作废的比例。

矿井在最口时期的通风技术是采用在其通风口的最底部用暖气炉燃烧。而一些建筑的最

初通风系统就起源F上叙方法。例如:重建于1837年的伦敦NewHouses国会厅。会场的空

气排出便采用焦碳燃烧的方法。早高高的通风11的最底部空间不断地保持燃烧。那些保存哥

特式建筑的外形特性的建筑却不再使用通风口。新鲜空气从河岸的通风口吸入而室内空气通

过出风口穿过国会大厅地板下的隧道而被导入泰吾士河中。

虽然旋转式的电扇早在16世纪就发明了,但从18世纪在工业中安装了蒸汽机驱动风扇

以来,一直没有找到一种方便的动力供应,直到无所不在的电流的出现。

压力通风系统是一种初期通风道中的蒸汽管加热空气把供热和通风结合起来的方法。其

压力也是由蒸汽驱动的鼓风机提供。热空气在压力的作用下通过管道被运送到建筑物的各个

部位。学校,医院和工厂都是采用这种方法取暖的。

蒸发冷却也许最初出现印度。在那里人们把湿的草席挂在向风一边的空地上,结果可以

冷却至11到17摄氏度,席子可以手工保湿或在它上面穿孔,这样的系统运用了空调的一个

最基本的原理。

“空调”这一专业名词的出现归功于StuartW.Cramer,他在192023向美国棉花制作

商协会提交了一个关于纺织工厂湿度控制的论文。控制纺织品的潮气等同于在大气中增长水

蒸气,这很早就被认为是空调,但它却不是。但是直到192023,当WillisCarrier出版了

他数年来的研究成果后,具有科学基础的空调诞生了。

从空调的发展历史来看,从生产质量到空调设备一步,在19世纪2023代大

剧院,大商场,和办公大楼上都安装了空调设备。空调的经济价值是显著的。空

调的发展成为一个重要的工业。但是我们期待更新的冷却技术的出现。

在19世纪末期,取暖和通风系统的设计很大限度上是凭经验,科学方法的

发展在19世纪90年代得到了改变,一战前,研究工作是由

Belin-Charlottenburg大学和其它的一些部门担任。战争过后,许多国家都开

始了研究,特别在联合王国,美国,德国,瑞典和法国,所有的这些研究,使

现代空调的影响不断提高。

第七课桥梁

桥梁是跨越如河流、11谷这样障碍的一种建筑,从而提供交通便利,到目前为止,大部

分桥梁都是公路桥或铁路桥。大量的高架桥于19世纪在欧洲建成,目的是保持其运河中船

舶的航行。最小的一座桥在纽约市的肯尼迪机场,它重要是把滑行飞机拖到跑道上服务的。

人类建成的第一座桥类似于原始人在孤立地带建成的。初期人类的工具和建筑技术如同

原始人类同样都是最初级的。他们只要通过最少的加工和安装即可建成。

在森林里,随处可得结实的木材和圆木,那时侯的桥极也许是由一根或并排的几根圆

木建成,也许在其上覆一些木枝或草垫以方便行走。

处在热带地区的印度、非洲、和南美洲纤维藤被用来建成悬索桥,这些藤被系在小河或

山谷两边的树上或岩石上,一根或更多的藤被踩在上面行走,其它的则排列在膏腴几英尺的

地方,用作手扶用.虽然藤索桥通常不稳定。但有很多用incas建成藤索桥有足够的坚固和

稳定性,被用于西班牙士兵和它们马匹的通行。

在岩石地区,石头被用来建桥,横跨河流以很小的间距布置石碓作为桥墩,然后用平

坦的石头横过相邻的桥墩就建成连接两岸的通道,大部分的石桥就是这种类型,叫做鼓掌

桥。现在在Dartmoor、英格兰仍然可见,但是它们都建于中世纪甚至更晚。

原始桥梁的第一步变革被认为出现在中国古代,随后传入印度。河床一般比树要宽,中

国人和印度人在河流的中央建成两个树桩。在这个结构的两端,用圆木的一端架在树桩上并

微微向上倾斜,使其每一层都比它下面的高几英尺。为了增长稳定性,每个木桩在两岸都用

一堆大而重的石头锚同;接近河中央,在河中间的两个木桩的两端则用简支梁连接。在这种

结构中,天然支架桥在两个自由杆的中间加桩后可达成很宽的跨度。

早在公元前4000年的Mesopotamia和在公元千3000年的埃及,用石头或FI光

烤干的砖被用来安装重叠的横梁。这种结构看起来像的拱,下部更平稳,被叫做突拱。要使

突拱变为更直的拱,它需要石头的内部构造适合光滑。这种直拱比突拱更坚固,且早在公元

前500年就被使用。

这种直石拱具有经济和经久耐用,它可以由许多静止在码头上的拱而跨过小的河流。并

且,它一般会经常出现,而它的质量比先前的任何结构都要好。在中国和罗马的古代,这种

整体石拱被广泛地用于桥梁结构。它一直被广泛地使用直到19世纪。

这里有4类基本结构可以用作水面上的或障碍物上的桥:刚架桥、悬臂桥、拱桥、和悬

索桥体系。

刚架桥最简朴也也许是最早使用的-即刚架桥河流。这样它的两端固定在相对的河岸。

这种刚架桥可以组成某种形状的木梁、钢筋混凝土梁或更复杂的约束。刚架桥这种类型的桥

的跨度可以采用在中间建桥墩或在峡谷建搁栅撑,再用几根横梁连接起来而增长跨度。刚架

桥的材料必须可以承担压力和拉力。尽管它的名字叫曲梁,但事实上这种具有双重规定的杆

能用于刚架桥上。结果,梁弯曲较高的部分的压力比直的部分低一半以上,假如他的受压承

载力太弱,它将会成扣环:假如受拉承载力太弱,他将会破坏。

悬臂桥在运用中间桥墩的长跨距桥中它通常是不可行的桥梁结构。举个例子,在深而流

速急的河流或软泥中,也许很难建桥墩使它有足够深度达成基岩层。在这种情况下,冈I架桥

结构用两根横梁就可以延伸-----从每岸伸出一根梁,而在两根梁的端部基础进行锚固。这

种简朴的刚架桥结构更具有静定性,而每一根锚固的梁的这种基础结构就叫悬臂桥,或许

这种最简朴而熟悉的悬臂桥例子便是跳水板。在普通的悬臂式桥梁中,悬臂梁端部之间的间

隙是闭合的,为道路提供r连续的桥面。但是假如把这种桥梁在其闭合点断开,那么每一根

悬臂梁都不需要此外设立支撑而可保持稳定。通常悬臂烫中间间隙是闭合的既是刚架桥。如

此却使悬臂粮延伸了跨度,

悬索桥在没有中间桥墩的情况下比悬博桥跨越更大的距离。悬索桥的支撑体系是靠连续

可弯曲的缆绳的两端的锚司,悬索桥最简朴的例子是杂技场高空走钢丝杂技演员用的钢丝。

原始的悬索桥经常是一把很小的几根这样的钢丝系在•起来提供扶手和立足点的。在水平公

路上的现代悬索桥则是由筮绳悬吊在车行道两边的下面.

拱桥则是相反于悬索桥的作用,在那些悬索桥缆绳自由的提供支撑力的地方,拱桥却是

从它的两端支柱固定的向上弯曲。由于在形状上的不同,悬索桥的缆绳的各点都趋向拉伸而

拱桥的支柱的各处都趋于挤压。由于这些因素,悬索桥的缆绳必须尽也许的防止延伸,饿拱

桥材料则尽也许地抵抗压缩。由于拱结构不一定规定材料具有抗拉强度,所以拱桥可以用砖

或石头建造,砖或石头通过拱传递压力的特性结合在一起。这种材料在其它的基本桥梁结构

中却亳无用处。

在拱桥中,荷载由公路上垂直传递下来,直到拱形遭到破坏。当拱遭到纯压而达成临界

荷载时,便会改变力的传递途径。有压缩力的推力通过节点或墩传到地面。拱这种简朴而优

美的结构成为桥梁中的一种基本结构。

第八课:桥的设计与构造

规划现代重要的桥梁建造的第一步是广泛地研究拟定桥梁的必要性。比如:假如是高

速公路桥,在美国则是由州桥管理局研究规划并拟定,在程序上会同本地的政府或联邦政

府一起,对重要公路桥梁进行评估研究。如在接近高速公路网上减少交通堵塞,对本地经济

的影响和桥的造价。这就投定了工程的投资方式,如公众收费,发行债券或支付过桥费都被

考虑进来。假如研究认为其可行信,那么桥选址和占地问题将着手解决。在这•点上,现场

测绘工作开始进行,做好精确的实地测量;潮汐,洪水因素,水流和水路上的其他的特性都

要仔细研究,在陆地和水下的泥土和岩石的钻孔取样都尽也许地在基础处进行。

桥梁设计的选择决定最佳跨度

把桥建成梁,悬臂,桁架,拱,英尺米

悬索或其他类型结构的重要因

素是:(1)地点,如跨越河流;

(2)目的,如建桥为了方便交

通;(3)跨度;(4)可用的

材料;(5)花费;(6)美观

和和谐性。

在一定范围的跨度内,

每种结构的都有最大的作用和

经济。如下表所示:

桥的类型

梁桥20到10006.1到304.8

刚架桥80到30024.4至IJ91.4

拱桥200到100061.0至IJ304.8

桁架桥200到140061.0至IJ426.7

悬臂桥500到1800152.4到548.6

悬索桥100()到5000304.8到1524.0

上表表白了许多类型的合用性有相称多的重叠。在一些实例中,在不同的初步设计中,

用来比较不同类型的桥结构是为了在最后有最佳的选择,

材料的选择桥梁设计者能选用大量的现代高强材料,涉及混泥土,钢筋,和多种耐腐

蚀的合金。

拿Varian-Narrows大桥来说,设计者使用了七种不同的合金钢,其中之一的合金的屈

服强度为50000英镑每平方英寸(3115kg/cml),并且不需要油漆保护,由于有一种氧化膜覆

盖在它的表面而防止腐蚀,设计者还选用钢丝绳作为缆绳,它的抗拉强度超过250000英镑

每平方英寸(17577kg/cml)

抗压强度高达8000英镑每平方英尺(562.5kg/cin2)的混泥土现在被生产用作桥梁工

程,并且它在增长特殊化学物质后具有很高的抗脆裂性能和抗风化性能,这种混泥土被用作

预应力碎,并且其加强了钢丝绳的抗拉强度,其强度达成250000英镑每平方英寸(17577

kg/cm2)

桥梁的其它使用材料还铝合金和木材:现在的铝合金的屈服强度超过了40000每平

方英寸(2818kg/cnf).把木材碾成细长的薄片,然后用胶水粘在一起而做成的梁是自然木

材强度的二倍。例如用南部松树而胶结的梁能承受的工作应力达成了3000英镑每英寸

(210.9kg/cm*)。

应力分析一座桥要抵抗一系列的合力,如拉力,压力,剪力和扭力。此外,结构还需

要一定的安全储备一保局限性。对结构进行精确计算各种单独的压力和拉力,这就叫应力分

析。这或许是桥梁建设中最复杂的技术。应力分析的目的是为了拟定作用在结构上的里的数

量。

作用在桥梁结构的应力都可以分为二类荷载:动荷载和静荷载。静荷载一一即桥结

构自身不变的重量一一它往往也是最大的荷载。动荷载或静荷载有很多,涉及桥面上的机动

车,风荷载,和积冰积雪荷载.

虽然随时在桥面上移动的机动车的总重量相称于静荷载和动荷载来说是一个很少的

部分,而对设计者来说,由于机动车辆产生的振动和冲击压力而会出现特殊问题。例如:在

路面上机动车的不规则的运动或碰撞对桥面产生短暂而影响加倍的活荷载而导致严重的影

响。

风在桥上的施加的里即直接敲打桥结构又间接的敲打在桥面上的通行的车辆。假如

出现空气弹性振动,在这种情况下的TacomaNarrows大侨的风作用被大大地增大,由于这

种危险的存在,桥的设计者在桥址必须知道所能发生的最大的风。尚有其它的力作用在桥上,

如:地震产生的压力也必须注意。

对桥墩的设计通要给予特殊的关注,由于桥墩承担水流,浮冰和漂浮物而产生的重

荷,桥墩通常尚有被船撞击的也许。

电脑在应力分析上协助桥梁设计者,并扮演一个很重要的角色。用一个精确的模型实

验,特别对桥的动力的活动状态的研究也可以帮助设计者。一个小比例的桥模结构中,对桥

模各处的应力,加速度和变形都可以进行精确测量。桥模这时可以承受同样比例的荷载和动

力条件来分析桥的变化。风洞实验也可以保证不再发生TacomaNarrows大桥的失败。在现

代技术的帮助下,桥梁事故出现的机会将大大少于以前。

建筑基础建筑物都是从基础开始的,基础的花费几乎大大超过上层建筑。水下基础通

常会碰到很大的困难,有个古老的方法常被用于浅水中,即在小范围内垂直围堰而建桥墩。

罗马人常用这种方法。

在深水中建基础一般用沉箱法。沉箱是一个底部开11其余封闭的大盒子而沉入河床上,

工人们在为挡水而充满压缩空气的沉箱里,越挖越深,沉箱也跟着下沉。当达成合适的深度

后在箱内填入混泥土而成为基础。

在深水中建基础的另一种方法比沉箱法更安全和更低的成本,用于钢或混泥土桥墩。在

现代的打桩工具下把重桩打入深水中,桩可以在水面或水下截断或做成桩帽。如在水卜把它

们做成桩帽,可把•根预制空心桩浮运到做成承台桩的那•点,然后从空心桩套内灌入混

泥土。

建设上层建筑当所有的桩和支柱建好后,则上部结构开始建筑。结构的建设方法有很

多种类,共有六类建造方法:脚手架,浮运,悬臂,滑移,直升和悬挂法。

在用脚手架建造时,重要用来建混泥土拱桥。金属或木支撑都是临时搭设为竖直支撑。

脚手架都是根据需要而灵活搭建的。特别结构在激流回深谷上时.,临时桥墩和站桥一般使用

在宽而浅的河上。

浮运法重要用来建很长的桥梁。主桥部分是在河岸预制的,然后用驳船浮移到桥梁位

置。用浮吊起重机或卷扬机把该部分精确吊到大桥的建设部位。

悬臂技术不仅用于悬臂桥中,也用于刚拱桥上,先建成一个桥台,然后一步步延伸到

中央,起重机和帕车可以完毕看仪沉重物在结构上的操作。

滑移法建筑很少用到。这种方法,如一个预制构件或一个组合结构在竖立的支柱上,

滑过临时或永久性的支撑:直到它进入安装的另一个支撑。

直升法重要用于轻质小跨度的公路桥。每一个预制桥单元被垂直悬起并旋转到桥梁支撑

点上。

在由悬挂法建设的桥梁中,-串缆绳连接俩边的桥头堡,被用作桥面支撑点。开始的桥

面施工却在在桥梁施工的最后,并且是由俩端向中央发展。移动吊车在已完毕的桥面上移动,

用来运送重材,悬挂钢缆:有时在其他类型的桥梁中被用来在全跨上运送材料。

所有的建筑方法在施工阶段都需要验算应力和变形,在用悬臂梁法施工的

桥梁中,由于完全不同的支撑和荷载条件,未竣工桥梁内的应力也许会超过已

竣工桥梁内的应力。

当公路的铺装,标志,灯光,护栏和附属设施完毕后,桥梁就准备投入使

用了。

第九课海港和海上工程

海港和海上的建筑工作比城市设计有更多不平常的问题和富有挑战性,连续宽广的大

海是自然界最不知疲劳,最有气势和具有强大的自然力,为工程师提供一个对手去发现在

海洋中的建筑的任何弱点或缺陷,而却防止它们。

海事工程的目的。这些广泛进行的工程重要目的有两类:水面运送,围海造陆或河道管

理。在第一批进行的工程直接用于为水陆交通工具中的货品和乘客转移提安全而经济的设

施。渔港的出现分派着大海的资源。为轮船和水型K机提供了安全岛,是船舶的停泊处或是

私人水飞机的降落处。围海造陆与河道管理是致力于防止海洋对陆地侵蚀恢复和改造海洋所

占用土地以及维护江河入海口以作为内陆径流排放的有效措施这样的工程。在很多地方,由

于没有连续维护,大浪和暴雨一起将导致居民区的洪灾时常发生。

土木工程技术所有的工程都有很多广泛的相同。事实上要认出在同一时期经常出现相似

的工程的不同特性。例如:重要河道清淤至足够的深度的工作即有助于通航,同时也能增长

上游洪水的泄洪能力。

水力模型。海边上建工程的计划取决于运送,围海造陆,河道管理是否促进发展技术

模型的研究,曾经认为科技是不必要的,这些研究表白必不可少的第一步是对任何港口或

沿海地区进行再开发,去做有用的即使是非常小的更改或增长地区,海港,河口被做成缩

尺模型。所以水不以被引导如同潮汐和其他的潮流同样,在同一方向以相同速率处在同一个

地方。各种设备一般都是电子控制,被发展以海浪和潮汐为动力用来生产。

这个实验的可贵之处在于引出了在比例上减少被发现相称于鲜少模型尺寸的比例。这样

以来,苏格兰的ClydeEstuary工程的巨大模型在14分时的潮汐循环中或大约50次优实际

潮汐次数。

三年潮汐的影响使海港的数据图表也随着更改,假如在时间为三周的实验中对模型的

研究,那么任何其他的潮流在非预期内的冲刷或淤泥也许被查出来。这种价值关系对改变位

置的防堤提供保护同样可以被研究。运用波浪生成设备,发现次要的或不利的影响。

在受保护的区域,波浪因带来混乱而不受欢迎,这是可以预料甚至还是抢先的。

天然港口和人造港口:

在世界的海岸线中的确存在着偏见,自然界为人类提供的港湾仅仅等待使用。例如纽约

湾,探险者GiouvannidaVec-azan。称纽约是庇护船只“最满意的地方”,像进口,港湾,

出也许需要先进的挖泥机:当然还必须修建港口结构,但最重要的是这些都保持着自然形

成状态,并且它们对世界上许多大城市来说,其存在非常重要。由于像这些天然的海港并不

是经常需要一般的家们设计的人造海港那样的港口设备,在一个人工海港的创建中,最重要

的结构设施是防浪堤,有时候也叫防波堤,或者掘地道,其重要作用是保持近海岸的海水

安静,人工海港的位置当然应当选择在有潜能的海岸的突出部位;也可以偏于稍微缩进一

些。所以,经常出于经济性或都战略性考虑,通常会沿着小太隙蔽的海岸线的陆地上修建防

浪堤围住一些区域,建造纯粹的港口,

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