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《土建工程基础》教案及讲稿完整版
土建工程基础
(第一课)
0绪论
第一节土木建筑工程概况
一、土木建筑工程的定义
土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。
它既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养维修等技术活动;也工程指建设的对象,即建造在地上或地下、陆上或水中,直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施,例如房屋、道路、铁路、运输管道、隧道、桥梁、运河、堤坝、港口、电站、飞机场、海洋平台、给水和排水以及防护工程等。
二、土木工程的发展
对土木工程的发展起关键作用的,首先是作为工程物质基础的土木建筑材料,其次是随之发展起来的设计理论和施工技术。
每当出现新的优良的建筑材料时,土木工程就会有飞跃式的发展。
土木工程历史上有三次飞跃:
人们在早期只能依靠泥土、木料及其它天然材料从事营造活动,后来出现了砖和瓦这种人工建筑材料,使人类第一次冲破了天然建筑材料的束缚。
中国在公元前十一世纪的西周初期制造出瓦。
最早的砖出现在公元前五世纪至公元前三世纪战国时的墓室中。
砖和瓦具有比土更优越的力学性能,可以就地取材,而又易于加工制作。
砖和瓦的出现使人们开始广泛地、大量地修建房屋和城防工程等。
由此土木工程技术得到了飞速的发展。
直至18~19世纪,在长达两千多年时间里,砖和瓦一直是土木工程的重要建筑材料,甚至在目前还被广泛采用。
钢材的大量应用是土木工程的第二次飞跃。
十七世纪70年代开始使用生铁、十九世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋,这是钢结构出现的前奏(铁的区别:
铁分为生铁和熟铁。
熟铁和生铁都是铁碳合金,以碳的含量多少来区别。
一般含碳量小于0.2%的叫熟铁或纯铁含量在1.7%以上的叫生铁。
熟铁软,塑性好,容易变形,强度和硬度均较低,用途不广;生铁含碳很多,硬而脆,几乎没有塑性.)。
从十九世纪中叶开始,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,随后又生产出高强度钢丝、钢索。
于是适应发展需要的钢结构得到蓬勃发展。
除应用原有的粱、拱结构外,新兴的桁架、框架、网架结构、悬索结构逐渐推广,出现了结构形式百花争艳的局面。
建筑物跨径从砖结构、石结构、木结构的几米、几十米发展到钢结构的百米、几百米。
那么,为适应钢结构工程发展的需要,在牛顿力学的基础上,材料力学、结构力学、工程结构设计理论等就应运而生,土木工程也从经验上升成为科学,在工程实践和基础理论方面都面貌一新,从而促成了土木工程更迅速的发展。
十九世纪20年代,波特兰水泥制成后,混凝土问世了。
混凝土骨料可以就地取材,混凝土构件易于成型,但混凝土的抗拉强度很小,用途受到限制。
十九世纪中叶以后,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。
二十世纪初以来,钢筋混凝土广泛应用于土木工程的各个领域。
从三十年代开始,出现了预应力混凝土。
预应力混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力,大大高于钢筋混凝土结构,因而用途更为广阔。
土木工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝土占统治地位的历史时期。
混凝土的出现给建筑物带来了新的经济、美观的工程结构形式,使土木工程产生了新的施工技术和工程结构设计理论。
这是土木工程的又一次飞跃发展。
三、土木工程的发展趋势
现代土木工程的特点是:
适应各类工程建设高速发展的要求,人们需要建造大规模、大
跨度、高耸、轻型、大型、精密、设备现代化的建筑物。
既要求高质量和快速施工,又要求
高经济效益。
这就向土木工程提出新的课题,并推动土木工程这门学科前进。
第二节土木建筑工程项目的建设与管理
一、工程项目的建设程序
工程项目的建设程序是指一项工程从设想、计划建设到项目确定,从勘测设计到施工完成、竣工验收、投产使用等全过程应遵守的规定步骤和程序。
根据我国现行的建设程序,大中型项目和额度以上投资项目按照以下程序进行:
(一)提出项目建议书
由业主单位提出拟建项目相关内容的设想报告,报项目主管部门审批。
(二)进行可行性研究
项目建议书批准后,对拟建项目在技术上、市场上以及对环境、生态等影响作出分析论
证,推荐最佳方案,提出可行性研究报告。
(三)选择建设地址
提出选址报告,报主管部门批准。
(四)编制设计任务书
由项目主管单位组织计划部门、设计单位编制设计任务书。
(五)编制项目设计文件
由主管部门或委托设计单位,编制设计文件。
设计文件是安排建设项目和组织工程施工的主要依据。
(六)进行项目设计
一般项目分初步设计和施工图设计两阶段进行。
(七)编制建设计划和建设年度计划
按照批准的总概算和建设工期,合理地编制项目建设计划和年度建设计划。
(八)建设前期的准备工作
建设前期的准备工作包括征地、拆迁、工地现场的“三通一平”(水、电、路,平整场地),准备施工图纸,选定施工单位等。
(九)建设实施阶段
项目得以实现的关键阶段。
(十)竣工验收
对一般项目可进行一次性验收,对大中型项目应先进行初验,再进行终验。
竣工验收以建设单位为主,组织使用单位、施工单位、设计单位和监理、质检单位进行。
二、工程项目的管理
工程项目的管理是以实现项目建设为目标的,按项目规定的程序对项目建设的全过程进行全面的管理工作。
包括对建设全过程进行计划、组织、协调、控制及指挥等系统的循环管理工作。
因当前工程项目的建设都采用承包方式,所以,项目管理还包括合同管理一项。
三、建设法规
建设法规是值工程项目的建设和管理活动中,必须遵循的国家的各种法律法规。
我国建设法规地制定,不得在违背国家法律、建设行政法规、国务院部、委规章、并遵守地方性建设法规与地方建设规章。
有了建设法规可以规范指导建设活动的行为、保护合法的建设行为和处罚违法的建设行为。
第三节给水排水工程及其与土木工程的关系
给水排水工程是一门应用很广泛的学科,它是以城市水的输送、净化及水资源保护与利用有关的理论与技术为主要研究内容,与城市、城镇建设事业、工业生产、环保和人民生活密切相关的重要学科。
按其服务范围可分为:
城镇给水排水工程、工业企业给排水工程、建筑给排水工程三类。
一、城镇给水排水工程
由城市给水系统、城市排水系统组成。
(一)城市给水系统
由取水构筑物、输水管道、净水厂和输配水管网组成。
取水构筑物取地面水或地下水,将这些水通过处理工艺除去水中杂质达到符合引用水,再将这些引用水通过管网和泵房输送到用户。
(二)城市排水系统
城市排水指生活污水、工业废水和雨水的排放。
城市排水系统一般由收集(排水灌渠)、
处理(污水厂)、和处置三部分的设施组成。
二、建筑给排水工程
建筑给排水工程是运行在建筑物和居住小区内的给水排水系统,主要是研究建筑内部的给水以及排水问题,保证建筑的功能以及安全的一门学科。
主要分为:
建筑给水系统,建筑排水系统(含雨水以及污水,废水),消火栓给水系统,自动喷淋灭火系统,景观系统,热水系统等。
三、给水排水工程和土木工程的关系
在学科上,水是给排水专业的研究对象,工程设施是土木工程专业的研究对象,所以,二者关系上给排水专业是有别于土建工程的一只独立学科,但它的存在与发展又离不开土建工程的支承,离开土建工程将无法实施给排水工程的工作目标,可以说给排水学科对土建工程而言既独立又依赖,这种依赖关系决定了从事给排水专业的技术人员,既要精通水的专业知识,又要掌握有关土木建筑工方面的专业基础知识,能够判断给排水构筑物是否满足给排水的工艺要求。
介绍一下本书的课程内容设置:
第一章工程材料叙述了土建工程和给排水工程中常遇的一些主要材料的基本性能、使用条件和使用范围,第二章房屋与构筑物的构造,叙述房屋的类型、房屋的结构组成与构造,第三章结构与构件设计,在具备了材料和结构构造知识后,就可以对结构中作为骨架的承重构件进行受力强度的计算,确定截面尺寸;第四章地基基础,本章阐述了建筑物、构筑物最下部承重结构基础的受力与构造以及地基土的性能。
通过这四部分内容的学习,就可以初步完整地了解一个典型土建工程设施——建筑物的组成,各部分的构造、功能和结构设计。
土建工程基础
(第二课)
一、工程材料的分类与基本性质
㈠定义与分类
工程材料是指土建工程中所使用的各种材料与制品的总称。
1按化学成分分类:
由碳、氢、氧、氮等元素组成的材料统称为有机材料。
比如木材、塑料、橡胶、油漆等等,简单的说,有机材料都能够在常温常压下燃烧。
而无机材料则不能,比如钢筋、水泥、黏土砖等等。
无机材料:
金属材料和非金属材料。
有机材料:
天然合成材料和人工合成材料。
无机与有机合成的材料。
比如纤维混凝土、聚合物混凝土。
2按使用功能分类
①承重材料:
承受外力或荷载的结构构件的材料。
比如混凝土、粘土砖。
②非承重材料:
起维护、分割作用的材料。
比如空心砖、加气混凝土。
③功能材料:
具有某种特有性能的材料。
比如防水、防腐、以及装饰的材料。
㈡材料的物理性质
这里介绍材料的几个主要物理性质:
1材料的密度
①密度
材料在绝对密实状态下单位体积的质量:
单位:
绝对密实的建筑的材料是很少见的,除了钢材和玻璃外,一般的材料都存在孔隙。
测量绝对密度,通常是将材料磨成细粉后测定其体积。
②表观密度(平时称的容重)
在土建工程计算与设计当中,常用的是表观密度。
其定义:
材料在自然状态下的单位体积的质量:
单位:
因为自然状态材料往往含有水分,所以测定表观密度时须注明含水量。
③堆积密度
粒状材料或粉状材料在自然堆积状态下单位体积的质量:
单位:
体积包括颗粒之间的空隙。
②空隙率
粒状材料在堆积状态下,颗粒间空隙体积占堆积体积的百分率,它反映了粒状材料内部的疏密程度。
3材料的水性质
①亲水性和憎水性
材料与水接触后能被水湿润并吸入内部的性质称亲水性,比如粘土砖、混凝土等。
材料与水接触后能将水排斥在外的性质称憎水性,比如沥青、塑料等。
②吸湿性和吸水性
材料在潮湿空气中吸收水分的性质称吸湿性,其大小用含水率
表示:
分别为含水和干燥时材料质量。
当空气湿度大并且温度降低时,材料的含水率就大,反之就小。
材料在水中吸收水分的性质称吸水性,它的大小用吸水率表示。
它有质量吸水率和体积吸水率两种表示方式,见书P14。
㈢材料的力学性质
1材料的强度与比强度
材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度,以单位面积上所受的力来表示。
由于材料受外力种类和方式不同,具体又分为抗压、抗拉、抗弯、抗剪等四种基本强度值。
比强度是单位质量计算的材料强度。
2弹性与塑性
弹性:
材料在外力作用下产生的变形能够随外力的消失而完全消除的现象称为弹性。
塑性:
材料在外力作用下产生的变形不能随外力的消除而消失的现象称为塑性。
相应的变成称为弹性和塑性变形。
3脆性与韧性
脆性:
材料在外力作用下,没有明显的变形特征而突然破坏的性质称为脆性。
韧性:
材料在动力荷载作用下,能承受很大的变形而不破坏的性质称为韧性。
二、水泥
水泥是一种粉末状水硬性胶凝建筑材料。
加水拌合成塑性浆状物后能胶结砂、砖、石料等建材。
不仅能在空气中硬化,增长强度,而且能在水中硬化,增长强度。
它的生产过程一般为“两磨一烧”。
把几种原料及燃料按一定比例配合后在磨机中磨成被称作生料的原料,然后入窑煅烧,烧成的料被称作熟料。
再把熟料配以适量石膏和混合材在磨机中磨成水泥。
按生料制造方法分为湿法和干法(半干法),湿法是把原料加水后在磨机中磨成生料浆;干法是将原料烘干后进入磨机磨成生料粉。
按煅烧窑的形式可分为立窑和逥转窑。
水泥的分类和命名是这样的:
按其用途和性能分:
(1)通用水泥:
用于一般建筑工程的水泥叫通用水泥。
它是以所含主要水硬性矿物名称加上混合材名称命名。
使用广,产量最大。
如:
普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,混合硅酸盐水泥等。
(2)专用水泥:
专用水泥以它的专门用途命名。
在特定范围内使用,充分发挥其特性,取得良好的使用效果。
如:
专门用于油井的油井水泥,专门用于修筑道路的道路水泥等。
(3)特性水泥:
以水泥的主要水硬性矿物名加上水泥的主要特性命名。
它不是专用的,在适用的特性范围内需要时均可使用。
其矿物成分多种多样,有硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐、无熟料等,当然其性能也就各异了。
如:
快凝硅酸盐水泥,低热矿渣硅酸盐水泥,膨胀硫铝酸盐水泥,火山灰水泥等等。
1.硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料掺入0-5%混合料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为硅酸盐水泥。
水泥的硬化:
水泥加水拌和成塑性的流动浆体后同时产生水化反映形成水化物并放出热量逐步“初凝”、“终凝”而变成一定强度的坚硬水泥石头,这一过程就称为硬化过程。
硬化后的水泥石由胶凝晶体、毛细孔和未水化的水泥颗粒组成。
⑴水泥的主要技术性质
①凝结时间
凝结分初凝和终凝。
初凝为水泥加水拌和时起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间,终凝指水泥加水拌和时起至水泥浆固结产生强度所需的时间。
水泥初凝不宜过早,以保证施工时有足够的时间完成拌和、运输、浇注等工作,也不宜过迟,以便施工完成后尽快硬化产生强度。
国家规定,硅酸盐水泥初凝时间不早于45分钟,终凝时间不得迟于6.5小时。
②强度等级
强度等级:
水泥强度等级也按规定龄期的抗压强度和抗折强度划分,唯强度以MPa计。
各类水泥的强度龄期统一为3d、28d。
强度的检验方法按《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T176711999)(简称ISO法,此标准于1999年5月1日实施)执行。
常用各类水泥的强度共设32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R八个等级。
不带R是普通型,带R是早强型。
⑵硅酸盐水泥的性能
下面看一下硅酸盐水泥的性能:
P19。
优点,缺点。
2.掺有混合物的硅酸盐水泥
为了改善水泥的某些性能、节约水泥熟料、增加产量、降低成本,往往在硅酸盐水泥中加入一定量的混合料。
掺混合物料的硅酸盐水泥有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。
①普通水泥:
由硅酸盐水泥熟料和6—15%混合料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称普通硅酸盐水泥。
②矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥
ⅰ由硅酸盐水泥熟料和20-70%粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬化胶凝材料称矿渣硅酸盐水泥(P.S)
ⅱ由硅酸盐水泥熟料和20-50%火山灰混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称火山灰质硅酸盐水泥(P.P)
ⅲ由硅酸盐水泥熟料和20-40%粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥(P.F)
其他两种水泥:
特性硅酸盐水泥和专用硅酸盐水泥,是指分别满足特殊工程要求和某些特殊工程要求的水泥,这里不作介绍,课下看看了解一下。
(第三课)
混凝土与建筑砂浆
混凝土是指由胶凝材料水泥和一定比例的粗细骨料与水拌和而成的具有一定的强度的人工石材。
一、分类
(1)按表观密度分类混凝土按表观密度大小不同可分为三类:
①重混凝土它是指干表观密度大于2600kg/m的混凝土,通常是采用高密度集料(如重晶石、铁矿石、钢屑等)或同时采用重水泥(如钡水泥、锶水泥等)制成的混凝土。
因为它主要用作核能工程的辐射屏蔽结构材料,又称为防辐射混凝土。
②普通混凝土它是指干表观密度为2000~2600kg/m的混凝土,通常是以常用水泥为胶凝材料,且以天然砂、石为集料配制而成的混凝土。
它是目前土木工程中最常用的水泥混凝土。
③轻混凝土它是指干表观密度小于1950ks的混凝土,通常是采用陶粒等轻质多孔的集料,或者不用集料而掺人加气剂或泡沫剂等而形成多孔结构的混凝土。
根据其性能与用途的不同又可分为结构用轻混凝土、保温用轻混凝土和结构保温轻混凝土等。
(2)按用途分类
按混凝土在工程中的用途不同可分为结构混凝土、水工混凝土、海洋混凝土、道路混凝上、防水混凝土、补偿收缩混凝土、装饰混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、防辐射混凝土等。
(3)按强度等级分类按混凝土的抗压强度可分为低强混凝土、中强混凝土、高强混凝土及超高强混凝土等。
二、普通混凝土
(一)组成与材料要求
混凝土的基本组成是水泥、水、砂子、石子四种材料。
1.细骨料(砂)
一般指0.6—5mm的岩石颗粒,分天然砂和人工砂两类。
天然砂有河砂、海砂、山砂;人工砂由岩石破碎筛选而成,起成本较高。
工程中一般采用河砂配料拌制混凝土。
2.粗骨料
粗骨料有天然形成的乱石和人工碎石二种,粒径应不小于5mm。
3.水
拌制混凝土的所用的拌和水和养护水一般可使用生活饮用水,不允许使用污水、海水、酸性水等。
4.外加剂
在拌制混凝土过程中掺入用以改善混凝土性能的物质。
掺量一般不大于水泥质量的5%。
按主要功能分为四类:
(1)减水剂:
指能显著减少混凝土拌合水量的外加剂,在保持混凝土流动性和水泥用量的条件下,能提高混凝土15%的强度,同时能改善混凝土的耐久性。
(2)早强剂:
指加快混凝土早期强度发展的外加剂,能调节混凝土凝结时间、硬化性能;
(3)缓凝剂:
延缓混凝土的凝结时间又不显著影响混凝土后期强度的外加剂,主要用于夏季施工和大体积混凝土。
另外还有引气剂、防冻剂、速凝剂、膨胀剂等。
(二)混凝土的主要技术性质
1和易性的概念
和易性是指新拌水泥混凝土易于各工序施工操作(搅拌、运输、浇灌、捣实等)并能获得质量均匀、成型密实的性能。
和易性是一项综合的技术性质,它与施工工艺密切相关,通常,包括有流动性、保水性和粘聚性三方面的含义。
流动性是指新拌混凝土在自重或机械振捣的作用下,能产生流动,并均匀密实地填满模板的性能。
粘聚性是指新拌混凝土的组成材料之间有一定的粘聚力,在施工过程中,不致发生分层和离析现象的性能。
保水性是指在新拌混凝土具有一定的保水能力,在施工过程中,不致产生严重泌水现象的性能。
新拌混凝土的和易性是流动性、粘聚性和保水性的综合体现,新拌混凝土的流动性、粘聚性和保水性之间既互相联系,又常存在矛盾。
因此,在一定施工工艺的条件下,新拌混凝土的和易性是以上三方面性质的矛盾统一。
2和易性的测定及指标
目前,还没有能够全面反映混凝土拌和物和易性的简单测定方法。
通常,通过实验测定流动性,以目测和经验评定粘聚度和保水度。
混凝土的流动性用稠度表示,其测定方法有坍落度与坍落扩展法和维勃稠度法两种。
3影响和易性的主要因素
a水泥浆的数量与稠度
b砂率
c组成材料的性质
d单位体积用水量是影响混凝土和易性的最主要因素。
4混凝土强度及耐久性
混凝土强度是混凝土最重要的技术性质、有抗压、抗拉、抗弯、抗剪、等多种强度指标,其中以抗压强度最大,抗拉强度最小,抗拉强度约为抗压强度的1/10—1/20。
混凝土强度等级:
按混凝土立方体试块抗压强度标准值确定,即按标准方法制作养护边长为150mm的立方体试件在28龄期,用规定的试验方法,测得的具有95%保证率的抗压强度Mpa(N/mm2)
按照《混凝土结构设计规范》规定,混凝土强度分为14个等级,即:
C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80。
一般混凝土垫层可采用C10;
梁、板、柱与一般框架结构采用C15-C30;
预应力混凝土和大跨、高层结构采用C30以上。
耐久性是指混凝土长期在使用环境下经久耐用的性能。
通常包含抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性、抗碳化等。
(三)混凝土配合比设计
混凝土配合比设计是具体确定1m3混凝土内各组成材料用量之间的比例关系。
配合比设计步骤:
P35例6
讲解
土建工程基础
(第4课)
一、建筑砂浆
1.定义:
建筑砂浆是由胶凝材料、细骨料和水按一定比例配制而成,在组成上与混凝土不同的是不含粗骨料。
2.分类:
按用途分主要有砌筑砂浆和抹面砂浆,砌筑砂浆用于砌筑砖石块体,起到传递力的作用;抹面砂浆主要用于建筑物面层的抹涂,起到保护基层、装饰美观的作用。
按胶凝材料材料分,常用有水泥砂浆、水泥混合砂浆、石灰砂浆。
3.组成:
与混凝土相近,砂浆也包含水、水泥、砂、外加剂,此外多了一项石灰。
4.砂浆的技术性质
①砂浆的和易性
是指砂浆施工时能否在粗糙的砖石面上方便地铺设成均匀的薄层,并且与底层良好粘结,保证足够的强度。
通常用流动性和保水性来衡量和易性的好坏。
流动性和保水性分别为流动的性能和保存水分的能力。
②砂浆的强度
砂浆强度等级共分为M2.5、M5、M7.5、M10、M15五个等级。
抗压强度是用边长70.7mm的立方体试块在标准条件下养护至28天龄期测定的抗压强度平均值Mpa。
5.抹面砂浆
材料组成基本同砌筑砂浆,防止砂浆层开裂,常掺加一些纤维材料。
在性能上,抹面砂浆比砌筑砂浆更好,同时为了增强与基层的粘结力,其胶凝材料用量多余砌筑砂浆。
二、烧结砖
凡以粘土、页岩、煤矸石或粉煤灰为原料,经成型和高温焙烧而制得的用于砌
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