土木工程概論(姜晨光)第1章概述1.1.2土木工程的學(xué)科屬性“土木工程”是科學(xué)與技術(shù)的集合體，既具有科學(xué)的屬性也具有技術(shù)的屬性。人類對客觀世界（比如大自然）的合理探索、揭示和認(rèn)識稱為“科學(xué)”。人類改造客觀世界（比如大自然）的手段稱為“技術(shù)”。“技術(shù)”有好壞之分，一個好的技術(shù)應(yīng)該在造福人類的同時維持自然的和諧與平衡，一個壞的技術(shù)可以將人類引入滅亡的邊緣。土木工程就是一種造福人類的技術(shù)，土木工程的發(fā)展應(yīng)該注意維持自然的和諧與平衡。1.1.3土木工程的學(xué)科分類我國對土木工程科學(xué)分類較細(xì)，將土木工程科學(xué)分成了許多獨(dú)立的并列學(xué)科，這些學(xué)科包括土木工程、建筑學(xué)、水利工程、交通運(yùn)輸工程、礦業(yè)工程、材料科學(xué)與工程、力學(xué)、等，并對這些并列學(xué)科又作了進(jìn)一步的細(xì)分。我國1997年頒布的《授予博士、碩士學(xué)位和培養(yǎng)研究生的學(xué)科、專業(yè)目錄》中，在土木工程一級學(xué)科目錄下設(shè)巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、市政工程、供熱-供燃?xì)?通風(fēng)及空調(diào)工程、防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程、橋梁與隧道工程、等6個二級學(xué)科，在建筑學(xué)一級學(xué)科目錄下設(shè)建筑歷史與理論、建筑設(shè)計及其理論、城市規(guī)劃與設(shè)計（含∶風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計）、建筑技術(shù)科學(xué)、等4個二級學(xué)科，在水利工程一級學(xué)科（共5個二級學(xué)科）目錄下設(shè)水工結(jié)構(gòu)工程、水利水電工程、港口-海岸及近海工程等3個二級學(xué)科，在交通運(yùn)輸工程一級學(xué)科（共4個二級學(xué)科）目錄下設(shè)道路與鐵道工程、交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理、等2個二級學(xué)科，在礦業(yè)工程一級學(xué)科（共3個二級學(xué)科）目錄下設(shè)采礦工程二級學(xué)科。1.1.4土木工程解決的主要問題土木工程在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著非常重要的作用。土木工程需要解決的主要問題可概括為以下4點(diǎn)。（1）、土木工程的根本目的和出發(fā)點(diǎn)是構(gòu)建人類活動所需要的、功能良好的、舒適美觀的空間和通道；（2）、土木工程產(chǎn)品能夠抵御自然或人為的作用力；（3）、土木工程材料是建造土木工程產(chǎn)品的根本條件，材料所需的資金占土木工程投資的大部分。因此，應(yīng)充分發(fā)揮所采用材料的作用。（4）、通過有效的技術(shù)手段、途徑和合理的組織手段，利用社會提供的各種物質(zhì)設(shè)備條件“又快、又好、又省”地完成土木工程建設(shè)任務(wù)。1.1.5土木工程的基本屬性土木工程的基本屬性可概括為綜合性、社會性、實(shí)踐性、統(tǒng)一性、等4性。1.2土木工程發(fā)展簡史土木工程的發(fā)展可大致分為古代、近代和現(xiàn)代3個歷史時期。迄今為止，土木工程歷史上曾出現(xiàn)過三次變革型的飛躍。不難理解，對土木工程發(fā)展起關(guān)鍵作用的首先是作為工程物質(zhì)基礎(chǔ)的土木建筑材料，其次是相關(guān)的設(shè)計理論和施工技術(shù)。每當(dāng)出現(xiàn)新的優(yōu)良建筑材料時，土木工程就會有一個飛躍式的發(fā)展。人們在早期只能依靠泥土、木料及其它天然材料從事營造活動，后來出現(xiàn)了磚和瓦（中國在公元前十一世紀(jì)的西周初期制造出瓦，最早的磚出現(xiàn)在公元前五世紀(jì)至公元前三世紀(jì)戰(zhàn)國時的墓室中）這種人工建筑材料，從而使人類第一次沖破了天然建筑材料的束縛，磚和瓦具有比土更優(yōu)越的力學(xué)性能、易于加工制作、可就地取材。磚、瓦的出現(xiàn)使人們開始廣泛地、大量地修建房屋、城防工程、等。由此，引領(lǐng)了土木工程的第一次飛躍，使土木工程技術(shù)得到了快速的發(fā)展。從磚、瓦的出現(xiàn)直到公元18---19世紀(jì)，在長達(dá)兩千多年的時間里，磚和瓦一直是土木工程的重要建筑材料，為人類文明作出了偉大的貢獻(xiàn)，甚至在目前還被廣泛使用。鋼材的大量應(yīng)用是土木工程的第二次飛躍。公元十七世紀(jì)70年代開始使用生鐵，十九世紀(jì)初開始使用熟鐵建造橋梁和房屋，這是鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的前奏。從公元十九世紀(jì)中葉開始，冶金行業(yè)冶煉并軋制出了抗拉和抗壓強(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，適應(yīng)發(fā)展需要的鋼結(jié)構(gòu)得以蓬勃發(fā)展。除應(yīng)用原有的梁、拱結(jié)構(gòu)外，新興的桁架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)逐漸得以推廣，迎來了土木工程結(jié)構(gòu)形式百花爭艷的新局面。建筑物跨徑也從磚結(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，大江、海峽上架起了大橋，地面上建起了摩天大樓和高聳的塔桅，地面上、下鋪設(shè)了鐵路，創(chuàng)造出了前所未有的奇跡。為適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的需要，以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)，材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計理論等就應(yīng)運(yùn)而生。施工機(jī)械、施工技術(shù)和施工組織設(shè)計的理論也隨之得到發(fā)展，土木工程得以由經(jīng)驗(yàn)上升為理論（科學(xué)），使土木工程科學(xué)在工程實(shí)踐和基礎(chǔ)理論方面煥然一新，促成了土木工程科學(xué)更迅猛的發(fā)展。公元十九世紀(jì)20年代，波特蘭水泥制成后，混凝土問世了?；炷凉橇峡删偷厝〔摹⒒炷翗?gòu)件易于成型、但混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，因而用途受到限制。公元十九世紀(jì)中葉以后，鋼鐵產(chǎn)量激增，隨之出現(xiàn)了鋼筋混凝土（其中的鋼筋承擔(dān)拉力、混凝土承擔(dān)壓力，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)）這種新型的復(fù)合建筑材料，公元二十世紀(jì)初以來，鋼筋混凝土已廣泛應(yīng)用于土木工程的各個領(lǐng)域。上世紀(jì)三十年代出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力混凝土，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能、剛度和承載能力均大大高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因而用途更為廣闊。這樣，土木工程就進(jìn)入了鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土占統(tǒng)治地位的歷史時期。混凝土的出現(xiàn)給土木工程帶來了新的經(jīng)濟(jì)、美觀的工程結(jié)構(gòu)形式，也使土木工程產(chǎn)生了新的施工技術(shù)和工程結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。帶來了土木工程的第三次飛躍。1.2.1古代土木工程古代土木工程通常是指公元17世紀(jì)中葉以前的土木工程，時間跨度很長，大致從新石器時代（約公元前5000～6000年前算起）開始至公元17世紀(jì)中葉。在這個歷史時期，土木工程所用材料大多就地取材，最早土木工程所用材料大多是當(dāng)?shù)氐奶烊徊牧希ū热缒嗤痢涓?、茅草、礫石），后來才逐步發(fā)展到土坯、石材、磚、瓦、木材、青銅、鐵以及混合材料（比如草筋泥、混合土等）?！扒卮u漢瓦”就是那個歷史時期的典型寫照，也是我們的先人對人類文明、對土木工程科學(xué)的巨大貢獻(xiàn)。最早的土木工程建造工具是石斧、石刀等，后來發(fā)展到了斧、鑿、鉆、鋸、鏟等的青銅和鐵制工具，興起了窯制技術(shù)和煅燒技術(shù)，出現(xiàn)了簡易型打樁機(jī)、簡易型桅桿式起重機(jī)等機(jī)械。在這個歷史時期，世界各國的土木工程建造幾乎全靠經(jīng)驗(yàn)和身手相傳，缺乏理論上的依據(jù)和指導(dǎo)，這一時期的土木工程特點(diǎn)可概括為“設(shè)計沒有理論、修造依靠經(jīng)驗(yàn)、材料取自天然、工具原始簡單”。我國的土木工程建設(shè)者為了行業(yè)的發(fā)展經(jīng)常借助文字將一些建造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)歸納和形象描述，這樣就有了專門的土木工程著作，比如公元前5世紀(jì)的《考工記》（總結(jié)了6門工藝、30個工種的技術(shù)規(guī)則）、公元1100年前后李誡（北宋）編寫的《營造法式》（詳細(xì)闡述了建筑設(shè)計方法、建筑施工方法、工料計算方法、等）、明代民間流傳的《魯班經(jīng)》（介紹了建房的工序和常用的構(gòu)架形式以及簡要的綜合知識）、等。在國外，最早的土木工程著作是文藝復(fù)興時期意大利人阿爾伯蒂在1485年前后撰寫的《論建筑》，該書對當(dāng)時流行的歐洲古典建筑在比例、制式、城市規(guī)劃方面的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的總結(jié)。由此可見，在古代7000余年的歷史長河中，我國的土木工程技術(shù)水平一直處于世界領(lǐng)先地位。以下是古代具有代表性的一些著名的土木工程。有據(jù)可查的典型古代土木工程項目有（1）中國黃河流域的裴李崗遺址（2）中國黃河流域的仰韶遺址（3）古埃及的金字塔（4）中國的殷墟遺址（5）亞述建筑（6）中國的萬里長城（7）中國的大運(yùn)河（8）中國的都江堰（9）中國的靈渠（10）中國的阿房宮（11）中國的成國渠與白渠（12）各類羅馬式與拜占庭式古建筑（13）各類哥特式古建筑（14）莫斯科的克里姆林宮（15）中國歷代王朝建造的大量宮殿和廟宇建筑1）故宮；2）明十三陵；…………………………1.2.2近代土木工程近代土木工程通常是指公元17世紀(jì)中葉到公元20世紀(jì)中葉（第二次世界大戰(zhàn)前后），歷時300年左右。17世紀(jì)以后歐洲各國先后進(jìn)入資本主義社會，工業(yè)革命導(dǎo)致社會經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)發(fā)生了巨大的變革，科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)飛躍式發(fā)展，也促進(jìn)了土木工程的快速發(fā)展和巨大進(jìn)步，牛頓力學(xué)的創(chuàng)立奠定了土木工程的力學(xué)分析基礎(chǔ)，在這一時期，土木工程逐漸形成了一門獨(dú)立的學(xué)科。這一時期土木工程學(xué)科的基本特征表現(xiàn)為以下7點(diǎn)。（1）、構(gòu)建起了學(xué)科的理論基礎(chǔ)（力學(xué)和結(jié)構(gòu)理論）；（2）、新型人工合成建筑材料（混凝土、鋼材、鋼筋混凝土、早期的預(yù)應(yīng)力混凝土、等）的出現(xiàn)與大規(guī)模應(yīng)用；（3）、傳統(tǒng)建筑材料（木、石、磚、瓦、等）的改善與廣泛使用；（4）、結(jié)構(gòu)形式（桁架、框架、拱結(jié)構(gòu)、等）的創(chuàng)新、改進(jìn)和發(fā)展；（5）、高層建筑的大量涌現(xiàn)；（6）、施工技術(shù)水平的快速提升；（7）、建造規(guī)模的迅速膨脹和建造速度的不斷提高。這一時期土木工程學(xué)科具有里程碑意義的重要科技成就主要有以下13個方面。（1）、科學(xué)巨匠伽利略（Galileo，1564-1642，意大利天文學(xué)家、力學(xué)家、哲學(xué)家）1638年發(fā)表的《關(guān)于兩門新科學(xué)的敘述與數(shù)學(xué)研究》首次用公式表達(dá)了梁的設(shè)計理論，并論述了建筑材料的力學(xué)性質(zhì)和梁的強(qiáng)度。（2）、科學(xué)巨匠牛頓（IsaacNewton，1642-1727，英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家）1687年提出了力學(xué)三大定律，奠定了近代物理學(xué)的根基，也奠定了土木工程科學(xué)的理論基礎(chǔ)。（3）、科學(xué)巨匠牛頓和數(shù)學(xué)家萊布尼茨的微積分理論奠定了近代數(shù)學(xué)的根基，也為土木工程科學(xué)提供了一個有力的數(shù)據(jù)分析工具。（4）、科學(xué)家虎克（英國）根據(jù)彈簧實(shí)驗(yàn)觀察所得的虎克定律（即，在彈性限度內(nèi)材料的變形與力與成正比）成為土木工程科學(xué)的又一個基礎(chǔ)理論。（5）、數(shù)學(xué)家歐拉（瑞士）1744年發(fā)表的《曲線變分法》建立了柱的壓屈理論，得到柱的臨界受壓公式，為土木工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析奠定了理論基礎(chǔ)。（6）、土木工程設(shè)計計算理論的構(gòu)建與繁榮。包括土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的容許應(yīng)力分析法（納維1825年創(chuàng)立）、極限平衡理論（里特爾、等19世紀(jì)末提出）、按破損階段劃分的強(qiáng)度計算方法（戴孫1922年提出）、等。（7）、水泥的發(fā)明（1824年英國人阿斯普丁獲得了波特蘭水泥的專利權(quán)，1850年出現(xiàn)水泥的生產(chǎn)，水泥是形成混凝土的主要材料，直到今天仍在土木工程中得到廣泛應(yīng)用）和混凝土強(qiáng)度的理論的構(gòu)建（20世紀(jì)初的水灰比學(xué)說初步奠定了混凝土強(qiáng)度的理論基礎(chǔ)）。（8）、新型土木工程結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)與相關(guān)計算方法（結(jié)構(gòu)力學(xué)）的建立。針對19世紀(jì)后期鐵路建設(shè)中出現(xiàn)的桁架和連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，惠普爾（美國）提出了桁架計算理論、克拉伯龍（法國）提出了連續(xù)梁計算方法、麥克斯韋提出了超靜定結(jié)構(gòu)的力法方程、莫爾發(fā)展了利用虛位移原理求位移的理論、本迪克森提出了轉(zhuǎn)角位移法、克羅斯創(chuàng)造了力矩分配法。（9）、鋼的發(fā)明（1859年發(fā)明的貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼法，使鋼材得以規(guī)?；a(chǎn)并愈來愈多地應(yīng)用于土木工程）與鋼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)（英國1851年建成了水晶宮、美國1883年建成了布魯克林橋、法國1889年建成了埃菲爾鐵塔，這三座19世紀(jì)規(guī)模最大或跨度最大或高度最高的鋼結(jié)構(gòu)的建成為土木工程結(jié)構(gòu)向高聳、大跨、大體量發(fā)展做了鋪墊）。（10）、鋼筋混凝土的出現(xiàn)與相關(guān)設(shè)計計算理論的發(fā)展。莫尼埃（法國）1861年在混凝土里置埋鐵絲網(wǎng)做成了一個大花盆，并將這種方法在土木工程中進(jìn)行推廣建成了一座蓄水池和一座橋梁，開創(chuàng)了鋼筋混凝土應(yīng)用的先河，成為土木工程史上具有重大里程碑意義的事件，德國人1884年購買了莫尼埃的專利進(jìn)行了鋼筋混凝土的試驗(yàn)研究，德國工程師威斯、克嫩、鮑興格爾等在1887年前后提出了應(yīng)將鋼筋配置在結(jié)構(gòu)受拉部位的觀點(diǎn)和鋼筋混凝土板計算方法，使鋼筋混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用直到今天。（11）、結(jié)構(gòu)動力學(xué)和工程抗震技術(shù)的發(fā)展。1906年的美國舊金山大地震和1923年的日本關(guān)東大地震催生了結(jié)構(gòu)動力學(xué)和工程抗震技術(shù)。（12）、傳統(tǒng)磚石結(jié)構(gòu)理論的繼承和發(fā)展。俄國別列留布斯基、拉赫琴等曾在19世紀(jì)中葉至20世紀(jì)初對磚、石、砂漿、砌體構(gòu)件的承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行過系統(tǒng)性的研究，1939年前蘇聯(lián)制定了世界上第一個磚石結(jié)構(gòu)規(guī)范。（13）、鐵路、公路、橋梁建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展。1825年斯蒂芬森（英國）在英格蘭北部修筑了世界第一條鐵路（長21km），1863年倫敦又建成了世界第一條地鐵（地下鐵道）。1770年英國用鑄鐵建成了跨度30.5m的拱橋、1926年用鍛鐵建成了世界第一座懸索橋（跨度為177m）、1890年又建成兩孔主跨達(dá)521m的懸臂式桁架梁橋，由此，現(xiàn)代橋梁的3種基本形式（梁式橋、拱橋、懸索橋）相繼面世。德國在1931---1942年間率先建成了長達(dá)3860km的高速公路網(wǎng)。1.2.3現(xiàn)代土木工程現(xiàn)代土木工程通常是指公元20世紀(jì)中葉（第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束）直到今天的歷史時期，和平和發(fā)展是這一歷史時期的主旋律，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展為土木工程科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，開始了以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為后盾的土木工程新時代。現(xiàn)代土木工程的特點(diǎn)可概括為以下若干方面：（1）、設(shè)計理論的科學(xué)化。（2）、建筑材料的輕質(zhì)高強(qiáng)化。（3）、施工過程的工業(yè)化。（4）、功能要求的多樣化。（5）、城市建設(shè)的立體化。（6）、交通工程的快速化。

…1.3土木工程的未來為適應(yīng)各類工程建設(shè)高速發(fā)展的要求，人們需要建造大規(guī)模、大跨度、高聳、輕型、大型、精密、設(shè)備現(xiàn)代化的建（構(gòu)）筑物。建造活動既要求高質(zhì)量和快速施工，又要求高經(jīng)濟(jì)效益。這就是未來土木工程需要面對的新課題。土木工程建設(shè)地區(qū)的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地基構(gòu)造急待