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在土木工程的长期实践中,人们不仅对房屋建筑艺术给予很大注意、取得了卓越成就;
而且对其他工程设施,也通过选用不同的建筑材料(例如采用石料、钢材和钢筋混凝土)配合自然环境建造了许多艺术上十分优美、功能上又十分良好的工程。
古代中国的万里长城、都江堰,现代世界上的许多电视塔和斜张桥,都是这方面的例子。
“材料、施工、理论”是土木工程的三要素。
正是这三要素的相互影响和促进,才有了土木工程的不断发展,而其中又以材料最为关键。
砖瓦的出现使古代土木工程发生了第一次飞跃;
十九世纪中叶,钢材和钢筋混凝土在建筑营造中的应用则使近代的土木工程发生了革命性的变化,实现了土木工程的第二次飞跃;
至二十世纪中叶,预应力混凝土的发明和广泛使用则是土木工程的第三次飞跃,标志着现代土木工程的开始。
二、土木工程的理论基础
哲学、数学、文学是人类发展的阶梯和持久动力,一个人对社会贡献的大小取决于其哲学、数学、文学素养的高低。
哲学是解决世界观和方法论问题的,对任何一个问题进行处理、研究、分析、判断首先必须有正确的思路,而能够给你正确思路的东西只能是哲学。
我们对任何一个问题进行处理、研究、分析、判断的过程中需要对各个因素进行量化和关联分析,在关联分析的基础上才能得出正确的结果,能够帮你分析并得出正确的结果的东西只能是数学。
我们要把对任何一个问题的处理、研究、分析、判断结果及过程准确记录并表达出来只能依靠文学。
这就是任何一个名标青史的科学巨匠都是哲学家并具有很高文学素养的原因。
土木工程作为一门科学,哲学、数学和文学也是它赖以发展和进步的根基,哲学、文学过于深奥,需要用人的一生去体味,而数学却是土木工程工作者经常借助的工具,因此,从狭义上讲数学是土木工程的根基。
土木工程以数学为工具、力学为支撑、工程技术科学为外延、构建起了自己的科学体系。
土木工程科学要应用许多数学理论,涉及到很多数学学科(比如微分学、积分学、空间几何学、概率论、数理统计、线形代数、复变函数、数值分析、等等)。
土木工程科学要应用许多力学理论,涉及到很多力学学科(比如静力学、动力学、运动学、材料力学、结构力学、土力学、岩石力学、弹性力学、塑性力学、弹塑性力学、粘弹性力学、爆炸力学、流体力学等等)。
土木工程科学有专属的工程技术科学理论,这些理论都与力学和数学联系紧密,要学好土木工程必须首先学好数学,数学学好了才能学好力学,力学学好了才能学好土木工程专属的工程技术科学,因此“力学不通、土木难通;
力学一通、土木全通”,同样“数学不通、力学难通;
数学一通、力学易通”。
土木工程科学的专属工程技术科学理论可分为基础理论和技术理论两大部分。
基础理论包括土木工程制图理论(机械制图、建筑制图、画法几何、计算机绘图、等)、工程测量学、工程地质学、土木工程实验技术学、等。
技术理论包括房屋建筑学、土木工程材料学、基础工程学、结构工程学(包括砌体结构、木结构、钢筋混凝土结构、钢结构、预应力结构、塔桅结构、桥梁结构、地下结构、线路工程结构(公路、铁路、管道、电力输送、)、水利工程结构、航站工程结构、港口与航道工程结构、特种结构、等等)、装饰工程学、抗灾工程学(包括工程结构抗震、工程结构放火等)、设备工程学、施工技术学、土木工程法学、土木工程经济学、土木工程管理学等等。
第二节土木工程的专业基础
一、土木工程材料
(一)土木工程材料的发展历程
材料、信息、能源是现代文明的三大支柱,因此,材料是现代科学的基础,对建筑结构的发展起关键作用的要属作为工程物质基础的土木工程材料(或称“建筑材料”)。
土木工程材料是土木工程结构的物质基础,关系到工程的使用功能和耐久年限。
每当出现新的优良的土木工程材料时,建筑结构就会有飞跃式的发展。
原始社会,我们祖先在与猛兽和大自然的斗争中,极需一个安全的栖身之所,但当时没有工具,他们只能住在穴洞里,仅仅采集树枝树叶作遮盖。
旧石器时代,有了简单的工具,人们伐木搭建草棚,居住条件得到一定改善。
但此时人们仍处于“穴居巢处”的落后时代。
远在距今4000~10000年的新石器时代,由于石器工具的进步,劳动生产力提高,人们以土、木和石头、等天然材料为主建设自己的家园。
这时人们主要使用黏土来抹砌简易的建筑物,有时还掺入稻草、稻壳等植物纤维加筋增强,有的甚至经过烧烤处理。
在我国和古埃及一些古代建筑物上发现,当时将砖块样的土坯放在太阳中晒干而不用火烧,每一砖层上铺一层泥浆,这层泥浆干燥后就可以加固砖坯墙身。
火的使用使烧土制品(比如砖、瓦和石灰等)成为可能。
于是,建筑材料由单纯的天然材料进入了人工生产阶段。
砖、瓦和石灰的出现被认为是建筑结构的第一次飞跃,人们在早期只能依靠泥土、木料、石料等天然材料从事营造活动。
在公元前11世纪的西周初期,我国劳动人民就能制造出砖和瓦,随后作为胶凝结材料的石灰也应运而生。
随着砖、瓦和石灰这些人工建筑材料的出现,人类第—次冲破了天然建筑材料的束缚。
与土相比,砖、瓦和石灰具有更优越的力学性能,其用于房屋的建造,牢固性大大增强,且可以隔绝潮气。
砖和瓦可就地取材,加工和烧制又比较容易。
从此,人们开始大量、广泛地修建房屋、水利和防御工程。
所以说,砖、瓦和石灰的出现是人类建筑结构史上的一个里程碑。
在长达三千多年的时间里,砖、瓦和石灰一直是土木工程领域的重要建筑材料,为人类文明作出了伟大的贡献。
混凝土的大量应用是建筑结构的第二次飞跃。
19世纪20年代,波特兰水泥(即我国所称的“硅酸盐水泥”)制成后,混凝土开始大量应用于建筑结构。
混凝土中砂、石骨料可就地取材,混凝土构件易于成型,这是混凝土能广泛应用于土木工程结构的得天独厚的条件。
混凝土承受压力的能力虽较好,但承受拉力的能力却很小,使其用途受到很大限制。
19世纪中叶以后,钢铁产量激增,随之出现了钢筋混凝土这种新型的复合建筑材料,其中钢筋承担拉力、混凝土承担压力,发挥了各自的优点。
从此,钢筋混凝土广泛地应用于建筑结构。
20世纪30年代,预应力混凝土的出现,极大地提高了钢筋混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力,因而用途也更为广阔。
钢材的大规模应用是建筑结构的第三次飞跃。
人们在17世纪90年代开始使用生铁,19世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋,这是现代意义上钢结构出现的前奏。
到了19世纪中叶,冶金业冶炼并轧制出抗拉和抗压强度都很高、延性好、质量均匀的建筑钢材,随后又生产出了高强度钢丝、钢索。
于是,钢结构得到蓬勃发展。
刚开始,钢材只应用于梁、拱结构,后来,钢材也逐渐应用于新兴的桁架、框架、网架和悬索结构,出现了土木工程结构形式“百花争艳”的局面。
建筑物跨径随之从砖结构、石结构、木结构的几米、几十米发展到钢结构的百米、几百米,直到现代的千米以上。
于是,在地面上建造起摩天大楼和高耸铁塔,大江、大河及海峡上架起大桥,甚至在地面下铺设铁路,创造出了史无前例的奇迹。
从建筑结构经历的三次大飞跃可以看出建筑材料的技术水平决定着建筑结构的发展。
如今,各种混凝土外加剂的生产和应用,使得高强混凝土、自密实混凝土、高性能混凝土的配制和施工应用易如反掌,加之钢材与混凝土组合形式的多样化,土木工程材料的内涵不断丰富,极大地促进了土木工程技术的发展。
(二)土木工程材料的分类
土木工程材料按材料来源可分为天然材料、人造材料、等;
按使用部位可分为结构材料、屋面材料、墙体材料、地面材料等;
按功能可分为防水材料、装饰材料、承重材料、绝热材料、等。
最常见的分类方法是按基本组成分类,见表15-1。
金属材料的特点是不透明、密度大、导电导热、变形大(金属键),有机材料的特点是透明或半透明、密度小、绝缘、导热性差、变形大、耐热性差(共价键),无机非金属材料的特点是硬、脆、是热和电的绝缘体、耐热、耐化学侵蚀(离子键)。
表15-1常用土木工程材料的分类
(三)土木工程材料的基本性质
土木工程材料的基本性质包括基本物理性能、力学性能、材料与水有关的性能、材料的热工性质、材料的耐久性等。
基本物理性质包括密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、空隙率等。
力学性质包括强度、弹性、塑性、脆性、韧性、硬度、耐磨性等。
材料与水有关的性质包括亲水性、憎水性、吸水性、吸湿性、耐水性、抗冻性、抗渗性等。
材料的热工性质包括导热性、热容量、比热、热阻、传热系数等。
材料的耐久性是指材料在使用条件下,受各种内在或外在因素作用,能长期不破坏,不失去原有性能,仍能正常使用的性质。
影响材料耐久性的因素有物理作用、机械作用、化学作用、生物作用。
为提高材料的耐久性,可根据材料特点和使用情况采取相应的措施,除从材料本身组成、结构上设法外,还应提高材料对外界作用的抵抗力(如提高密实度、防腐处理、化学浸渍等);
用其它材料保护主体材料(覆面、抹灰、喷涂涂料等),也可设法减轻侵蚀介质对材料的破坏作用(降低湿度、排除侵蚀性物质、通风、疏导等)。
材料的高耐久性可保证工程长期正常使用、减少维修费用、延长使用年限、节约社会财富。
(四)材料的组成、结构及其对材料性能的影响
1、材料组成
材料组成包括化学组成、矿物组成、配料组成3类。
材料的化学组成对材料性能具有显著影响,这是土木工程结构三大材料的共性。
材料的矿物组成对材料性能也具有显著影响(比如金刚石和石墨)。
材料的配料组成同样对材料性能具有显著影响,比如混凝土的配合比问题。
例如:
混凝土需配料形成,其中的粗骨料为多矿物组成,矿物成分中的某一种为化学组成。
2、材料结构
材料结构可分为微观结构、宏观结构、孔结构、等。
材料结构形式及特点不同其性能也差异很大。
(五)土木工程材料的技术标准
技术标准是对标准化领域中需要协调统一的技术事项所制定的标准。
技术标准主要包括基础标准、产品标准、方法标准、安全标准、卫生标准等。
土木工程材料涉及的主要是产品标准、方法标准。
标准按约束性可分为强制性标准、推荐性标准。
涉及工程建设的质量、安全、卫生标准及国家需要控制的其它工程建设标准,产品及产品生产、储运的标准等均为强制执行的标准,除此以外的为推荐性标准。
标准等级分国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。
我国标准的代号和编号为国家标准GB、GB/T;
行业标准JC、JGJ、SY、等;
地方标准DB、DB/T;
企业标准Q。
外国标准的代号和编号是:
ASTM为美国材料试验协会;
JIN为日本工业标准;
DIN为德国工业标准;
BS为英国标准;
NF为法国标准;
ISO为国际标准化组织。
我国标准的表示方法是“标准代号+标准发布顺序号+发布年代+名称”,比如“GB175-2001硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥”。
标准随着时代的进步和变化在不断地修订,标准的作用是保证所规定事物的达到一定的水准和要求。
二、土木工程制图
语言和文字是交流思想的工具,语言表达方法丰富多彩,它可以把一件事描述得生动、感人。
关于语言的表达方法,是语文课学习的内容。
但是,任何事物都有它的不足之处。
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