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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,*,第11章 土木工程的專業(yè)基礎(chǔ),11.1 土木工程材料,11.1.1 土木工程材料的發(fā)展歷程,材料、信息、能源是現(xiàn)代文明的三大支柱，因此，材料是現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)，對建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展起關(guān)鍵作用的要屬作為工程物質(zhì)基礎(chǔ)的土木工程材料（或稱“建筑材料”）。土木工程材料是土木工程結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，關(guān)系到工程的使用功能和耐久年限。每當(dāng)出現(xiàn)新的優(yōu)良的土木工程材料時，建筑結(jié)構(gòu)就會有飛躍式的發(fā)展。,原始社會，我們祖先在與猛獸和大自然的斗爭中，極需一個安全的棲身之所，但當(dāng)時沒有工具，他們只能住在穴洞里，僅僅采集樹枝樹葉作遮蓋。

2、舊石器時代，有了簡單的工具，人們伐木搭建草棚，居住條件得到一定改善。但此時人們?nèi)蕴幱凇把ň映蔡帯钡穆浜髸r代。遠(yuǎn)在距今400010000年的新石器時代，由于石器工具的進(jìn)步，勞動生產(chǎn)力提高，人們以土、木和石頭、等天然材料為主建設(shè)自己的家園。這時人們主要使用黏土來抹砌簡易的建筑物，有時還摻入稻草、稻殼等植物纖維加筋增強(qiáng)，有的甚至經(jīng)過燒烤處理。在我國和古埃及一些古代建筑物上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時將磚塊樣的土坯放在太陽中曬干而不用火燒，每一磚層上鋪一層泥漿，這層泥漿干燥后就可以加固磚坯墻身?；鸬氖褂檬篃林破罚ū热绱u、瓦和石灰等）成為可能。于是，建筑材料由單純的天然材料進(jìn)入了人工生產(chǎn)階段。,磚、瓦和石灰的出現(xiàn)被認(rèn)為

3、是建筑結(jié)構(gòu)的第一次飛躍，人們在早期只能依靠泥土、木料、石料等天然材料從事營造活動。在公元前11世紀(jì)的西周初期，我國勞動人民就能制造出磚和瓦，隨后作為膠凝結(jié)材料的石灰也應(yīng)運(yùn)而生。隨著磚、瓦和石灰這些人工建筑材料的出現(xiàn)，人類第次沖破了天然建筑材料的束縛。與土相比，磚、瓦和石灰具有更優(yōu)越的力學(xué)性能，其用于房屋的建造，牢固性大大增強(qiáng)，且可以隔絕潮氣。磚和瓦可就地取材，加工和燒制又比較容易。從此，人們開始大量、廣泛地修建房屋、水利和防御工程。所以說，磚、瓦和石灰的出現(xiàn)是人類建筑結(jié)構(gòu)史上的一個里程碑。在長達(dá)三千多年的時間里，磚、瓦和石灰一直是土木工程領(lǐng)域的重要建筑材料，為人類文明作出了偉大的貢獻(xiàn)。,混凝土

4、的大量應(yīng)用是建筑結(jié)構(gòu)的第二次飛躍。19世紀(jì)20年代，波特蘭水泥（即我國所稱的“硅酸鹽水泥”）制成后，混凝土開始大量應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)?；炷林猩啊⑹橇峡删偷厝〔?，混凝土構(gòu)件易于成型，這是混凝土能廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的得天獨(dú)厚的條件?；炷脸惺軌毫Φ哪芰﹄m較好，但承受拉力的能力卻很小，使其用途受到很大限制。19世紀(jì)中葉以后，鋼鐵產(chǎn)量激增，隨之出現(xiàn)了鋼筋混凝土這種新型的復(fù)合建筑材料，其中鋼筋承擔(dān)拉力、混凝土承擔(dān)壓力，發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)。從此，鋼筋混凝土廣泛地應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)30年代，預(yù)應(yīng)力混凝土的出現(xiàn)，極大地提高了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能、剛度和承載能力，因而用途也更為廣闊。,鋼材的大規(guī)模應(yīng)

5、用是建筑結(jié)構(gòu)的第三次飛躍。人們在17世紀(jì)90年代開始使用生鐵，19世紀(jì)初開始使用熟鐵建造橋梁和房屋，這是現(xiàn)代意義上鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的前奏。到了19世紀(jì)中葉，冶金業(yè)冶煉并軋制出抗拉和抗壓強(qiáng)度都很高、延性好、質(zhì)量均勻的建筑鋼材，隨后又生產(chǎn)出了高強(qiáng)度鋼絲、鋼索。于是，鋼結(jié)構(gòu)得到蓬勃發(fā)展。剛開始，鋼材只應(yīng)用于梁、拱結(jié)構(gòu)，后來，鋼材也逐漸應(yīng)用于新興的桁架、框架、網(wǎng)架和懸索結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了土木工程結(jié)構(gòu)形式“百花爭艷”的局面。建筑物跨徑隨之從磚結(jié)構(gòu)、石結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)的幾米、幾十米發(fā)展到鋼結(jié)構(gòu)的百米、幾百米，直到現(xiàn)代的千米以上。于是，在地面上建造起摩天大樓和高聳鐵塔，大江、大河及海峽上架起大橋，甚至在地面下鋪設(shè)鐵路，創(chuàng)造

6、出了史無前例的奇跡。,從建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的三次大飛躍可以看出建筑材料的技術(shù)水平?jīng)Q定著建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展。如今，各種混凝土外加劑的生產(chǎn)和應(yīng)用，使得高強(qiáng)混凝土、自密實(shí)混凝土、高性能混凝土的配制和施工應(yīng)用易如反掌，加之鋼材與混凝土組合形式的多樣化，土木工程材料的內(nèi)涵不斷豐富，極大地促進(jìn)了土木工程技術(shù)的發(fā)展。,11.1.2 土木工程材料的分類,土木工程材料按材料來源可分為天然材料、人造材料、等；按使用部位可分為結(jié)構(gòu)材料、屋面材料、墻體材料、地面材料、等；按功能可分為防水材料、裝飾材料、承重材料、絕熱材料、等。最常見的分類方法是按基本組成分類，見表11-1-1。金屬材料的特點(diǎn)是不透明、密度大、導(dǎo)電導(dǎo)熱、變形大（

7、金屬鍵），有機(jī)材料的特點(diǎn)是透明或半透明、密度小、絕緣、導(dǎo)熱性差、變形大、耐熱性差（共價鍵），無機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)是硬、脆、是熱和電的絕緣體、耐熱、耐化學(xué)侵蝕（離子鍵）。,表11-1-1 常用土木工程材料的分類,11.1.3 土木工程材料的基本性質(zhì),土木工程材料的基本性質(zhì)包括基本物理性能、力學(xué)性能、材料與水有關(guān)的性能、材料的熱工性質(zhì)、材料的耐久性、等。,基本物理性質(zhì)包括密度、表觀密度、堆積密度、孔隙率、空隙率、等。,力學(xué)性質(zhì)包括強(qiáng)度、彈性、塑性、脆性、韌性、硬度、耐磨性、等。,材料與水有關(guān)的性質(zhì)包括親水性、憎水性、吸水性、吸濕性、耐水性、抗凍性、抗?jié)B性、等。,材料的熱工性質(zhì)包括導(dǎo)熱性、熱容量、比

8、熱、熱阻、傳熱系數(shù)、等。,材料的耐久性是指材料在使用條件下，受各種內(nèi)在或外在因素作用，能長期不破壞，不失去原有性能，仍能正常使用的性質(zhì)。影響材料耐久性的因素有物理作用、機(jī)械作用、化學(xué)作用、生物作用。為提高材料的耐久性，可根據(jù)材料特點(diǎn)和使用情況采取相應(yīng)的措施，除從材料本身組成、結(jié)構(gòu)上設(shè)法外，還應(yīng)提高材料對外界作用的抵抗力（如提高密實(shí)度、防腐處理、化學(xué)浸漬等）；用其它材料保護(hù)主體材料（覆面、抹灰、噴涂涂料等），也可設(shè)法減輕侵蝕介質(zhì)對材料的破壞作用（降低濕度、排除侵蝕性物質(zhì)、通風(fēng)、疏導(dǎo)等）。材料的高耐久性可保證工程長期正常使用、減少維修費(fèi)用、延長使用年限、節(jié)約社會財富。,11.1.4 材料的組成、結(jié)

9、構(gòu)及其對材料性能的影響,1）材料組成。材料組成包括化學(xué)組成、礦物組成、配料組成3類。材料的化學(xué)組成對材料性能具有顯著影響，這是土木工程結(jié)構(gòu)三大材料的共性。材料的礦物組成對材料性能也具有顯著影響（比如金剛石和石墨）。材料的配料組成同樣對材料性能具有顯著影響，比如混凝土的配合比問題。例如：混凝土需配料形成，其中的粗骨料為多礦物組成，礦物成分中的某一種為化學(xué)組成。,2）材料結(jié)構(gòu)。材料結(jié)構(gòu)可分為微觀結(jié)構(gòu)、宏觀結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、等。材料結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)不同其性能也差異很大。,11.1.5 土木工程材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是對標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域中需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一的技術(shù)事項(xiàng)所制定的標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、方

10、法標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、等。土木工程材料涉及的主要是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、方法標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)按約束性可分為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)、推薦性標(biāo)準(zhǔn)。涉及工程建設(shè)的質(zhì)量、安全、衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及國家需要控制的其它工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品及產(chǎn)品生產(chǎn)、儲運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)等均為強(qiáng)制執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，除此以外的為推薦性標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)等級分國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我國標(biāo)準(zhǔn)的代號和編號為國家標(biāo)準(zhǔn)GB、GB/T；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC、JGJ、SY、等；地方標(biāo)準(zhǔn)DB、DB/T；企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q。外國標(biāo)準(zhǔn)的代號和編號是：ASTM為美國材料試驗(yàn)協(xié)會；JIN為日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；DIN為德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；BS為英國標(biāo)準(zhǔn)；NF為法國標(biāo)準(zhǔn)；ISO為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織。我國標(biāo)準(zhǔn)的表示方法是“標(biāo)準(zhǔn)

11、代號標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布順序號發(fā)布年代名稱”，比如“GB1752001 硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥”。標(biāo)準(zhǔn)隨著時代的進(jìn)步和變化在不斷地修訂，標(biāo)準(zhǔn)的作用是保證所規(guī)定事物的達(dá)到一定的水準(zhǔn)和要求。,11.2 土木工程制圖,語言和文字是交流思想的工具，語言表達(dá)方法豐富多彩，它可以把一件事描述得生動、感人。關(guān)于語言的表達(dá)方法，是語文課學(xué)習(xí)的內(nèi)容。但是，任何事物都有它的不足之處。,人們可以用語言或文字來表達(dá)自己的思想，但是如果用語言或文字來表達(dá)物體的形狀和大小是很困難的。因此，表達(dá)物體形狀和大小的圖樣，就成為生產(chǎn)中不可缺少的技術(shù)文件了。設(shè)計者通過圖樣來表達(dá)設(shè)計對象；制造者通過圖樣來了解設(shè)計要求，并依據(jù)圖樣來制造機(jī)器；

12、使用者也通過圖樣來了解機(jī)器的結(jié)構(gòu)和使用性能；在各種技術(shù)交流活動中，圖樣也是不可缺少的。因此，圖樣被稱為工程技術(shù)上的語言，工程畫被稱為“工程話”。,不同的生產(chǎn)部門對圖樣有不同的要求，建筑工程中使用的圖樣稱為建筑圖樣，機(jī)械制造業(yè)中所使用的圖樣稱為機(jī)械圖樣。機(jī)械制圖就是研究機(jī)械圖樣的一門課程。人們在工廠里經(jīng)常聽到這樣一句話，就是“按圖施工”，如果我們沒有掌握機(jī)械制圖的知識，就無法做到按圖施工。這就從一個側(cè)面告訴我們，圖樣在工業(yè)生產(chǎn)中有著極其重要的地位和作用。作為一個工程技術(shù)人員，如果不懂得畫圖，不懂得看圖，在單位上就無法從事技術(shù)工作。,工程圖學(xué)是研究工程技術(shù)領(lǐng)域中有關(guān)圖的理論及其應(yīng)用的科學(xué)。包括：理

13、論圖學(xué)、應(yīng)用圖學(xué)、計算機(jī)圖學(xué)、制圖標(biāo)準(zhǔn)化、制圖技術(shù)、圖學(xué)教育以及圖學(xué)史等內(nèi)容。工程制圖又叫工程畫。它是研究繪制與閱讀工程技術(shù)圖樣的學(xué)科。包括：機(jī)械工程制圖、建筑工程制圖、土木工程制圖、水利工程制圖、化學(xué)工程制圖、船舶工程制圖等。其主要內(nèi)容有：繪制工程圖樣的基本原理；儀器畫圖、徒手畫圖和計算機(jī)畫圖的方法；有關(guān)圖樣畫法、尺寸注法、圖形符號等的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定；看圖的方法等。,建筑工程制圖有畫法幾何、制圖基礎(chǔ)、建筑工程制圖3部分組成。畫法幾何部分主要介紹正投影法的基本原理；點(diǎn)、直線、平面的三面投影規(guī)律；立體及其截交線；兩回轉(zhuǎn)體表面的相貫線；等。制圖基礎(chǔ)部分主要介紹制圖的基本知識、基本技能；形體分析法的基本

14、原理和方法；組合體三視圖的畫法、讀法和尺寸標(biāo)注；各種視圖、剖面圖、斷面圖的概念、畫法、標(biāo)注方法及其適用條件；視圖的恰當(dāng)表達(dá)方案；軸測投影圖的基本知識（比如正等軸測圖和斜二等軸測圖）；等。建筑工程圖部分主要介紹建筑施工圖常用的符號、建筑材料、總平面圖、建筑構(gòu)造及配件圖例；一般建筑施工圖的圖示特點(diǎn)；建筑施工圖一般的畫圖步驟；一般建筑施工圖的閱讀方法與步驟；結(jié)構(gòu)施工圖的基本知識；一般基礎(chǔ)平面圖及基礎(chǔ)詳圖的繪制和閱讀；樓層和屋頂結(jié)構(gòu)布置平面圖的繪制與閱讀方法；鋼筋混凝土構(gòu)件詳圖的閱讀與繪制；等。,計算機(jī)繪圖是計算機(jī)圖學(xué)的一個分支，它的主要特點(diǎn)是給計算機(jī)輸入非圖形信息，經(jīng)過計算機(jī)的處理，生成圖形信息輸出

15、。一個計算機(jī)繪圖系統(tǒng)可以有不同的組合方式，最簡單的是由一臺微型計算機(jī)加一臺繪圖機(jī)組成。除硬件外，還必須配有各種軟件，如操作系統(tǒng)、語言系統(tǒng)編輯系統(tǒng)、繪圖軟件和顯示軟件等等。,當(dāng)操作者通過鍵盤或圖形輸入板輸入原始數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)便可自動進(jìn)行繪制和顯示工作，一個復(fù)雜的零件圖或裝配圖，往往可以在幾分鐘甚至幾秒鐘之內(nèi)完成。這種繪圖方式稱自動繪圖。它的優(yōu)點(diǎn)是快捷而省事，缺點(diǎn)是觀察者不能對繪制和顯示過程進(jìn)行干預(yù)，只能在過程結(jié)束后才能得知輸出結(jié)果的正誤。這種繪圖和顯示又叫被動的（或靜態(tài)的）計算機(jī)繪圖。,有許多繪圖工作，尤其地設(shè)計階段，不可避免地要進(jìn)行反復(fù)試畫和推敲，而產(chǎn)品的不斷更新也要求對已定型圖紙進(jìn)行必要的修改

16、。為此在圖形的繪制和顯示過程中，需要有觀察者的參與，要求系統(tǒng)具有人機(jī)對話的交互功能。這樣的系統(tǒng)稱為動態(tài)的計算機(jī)繪圖。在動態(tài)繪圖中，觀察者根據(jù)需要可以控制和干預(yù)正在顯示的圖形，直接在熒光屏上對圖形進(jìn)行修改和增補(bǔ)。該系統(tǒng)目前所使用的人機(jī)交互工具有光筆、鼠標(biāo)器、圖形輸入板或數(shù)字化儀，以及操縱桿、軌跡球等。,11.3 土木工程設(shè)計學(xué),土木工程設(shè)計主要包括外形設(shè)計（比如建筑學(xué)專業(yè)的建筑設(shè)計）和結(jié)構(gòu)設(shè)計2部分。,11.3.1 外形設(shè)計,土木工程外形設(shè)計的好壞決定于建筑師的修養(yǎng)，建筑師的修養(yǎng)是經(jīng)過長期的自我修煉形成的。建筑是一門給環(huán)境帶來美感的藝術(shù)，要想設(shè)計美好的建筑，必先美化自己的心，這便是修養(yǎng)。近代歐美建筑史上有許多優(yōu)秀建筑師具有極其豐富的自然科學(xué)知識（包括氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理、地質(zhì)、物理學(xué)、機(jī)械學(xué)等），并直接靈活運(yùn)用到其設(shè)計中去，所以有所謂“綠色建筑”、“自然建筑”、“環(huán)境建筑”、“太陽能建筑”等等。,11.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計,我國現(xiàn)行規(guī)范采用了半概率極限狀態(tài)設(shè)計方法。即同時以極限狀態(tài)的發(fā)生概率和工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對荷載取值、構(gòu)件強(qiáng)度以分項(xiàng)安全因數(shù)加以保證。荷載規(guī)范中的荷載取值是在正常使用條件下，