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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。
此处的环境包括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，<
/p>
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
17
82
年，英国人
John
Smeat
on
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，土木工程学被用于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
。
因为包含范围太广，
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
试
验以确定土壤能否承受工程荷载。
环境工程专家研究工程对当地的影响，
包括对空气
和地下水的可能污染，
对当地动植物生活的
影响，
以及如何让工程设计满足政府针对环
境保护的需要。
交通工程专家确定必需的不同种类设施以减轻由整个工程造成的对当地
公路和其他交通网络的负担。
同时，
结构工程专家利用初步数
据对工程作详细规划，
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，
< br>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
外的监督工作以确保工程能按时按
质完成。
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，
因为它使得工程师能有效地掌控所需的大量数据从而确定建
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，包括桥
< br>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
应用计算机确定一个结构必
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。
1
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他们也需确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主要处理水的物理控制方面的种种问
题。
他们的项目用于帮助预防洪水灾害，
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确定结构的位置对航
< br>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可能引起的沉降，
并
采取措施使之减少到最小。
他们也需
计算并确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，
同时预
防和控制地表和地下水资源供给的污染。
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
水处理厂，
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预防其对周围环境造成污染。
交通工程学
。从事这一专业领域的土木工程师建造可以确保人和货物
安全高效
运行的设施。
他们专门研究各种类型运输设施的设计和
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，
因为交通运输系统的质量
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——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。
< br>
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，包括建筑工艺，规划，组织，财务，和操作
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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可能规划和发展一个城市中的社
区，
或整个城市。
此规划中所包括的远远不仅仅为工程因素，
< br>土地的开发使用和自然资
源环境的，
社会的和经济的因素
也是主要的成分。
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，
包括街道，
公路，
公共运输系统，
机场，
港口，
给排水和污水处理系统，
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
< br>。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
方面包括高工艺学方
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，
通过激光和音波柱扫描被转换为
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，定位可能影响建筑
项目的地下岩
石构成，以及许多其他建筑用途提供更精准的测量。
其他的
专门项目
。
还有两个并不完全在土木工程范围里面但对训练相当
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。
< br>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。
这些工程师可能工作在政府——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。
他们也可
能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教授研究
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，和主要项目的代理。<
/p>
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，
包括承重框架，
外壳，
楼
< br>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。
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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
188
5
年贝色麦转炉的引入。
Gustave
Eiffel
（
1832-1932
）将钢结
构引入法国。
1889
年巴
黎展览会的塔和他为
Galerie des
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
Elisha Otis
安装于纽约的一幢百货
公司。在
1889
年，
Eiffel<
/p>
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
< br>小时内运送
2350
个旅客到达顶点。
< br>
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
Monadnock
大厦，
较下层的楼板下的墙厚达
5
< br>英尺
（
1.5
米）
。
在
1883
年，
William Le Baron Jenney (1
832-1907)
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，建筑物的高度持续快速地增加。
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
0
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
Eer
o
Saarinen
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。这个环形墙实际上有效地组成了一
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<
/p>
。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
< br>正在被使用，
窗传统上还是使用玻璃，
特别是在学校，<
/p>
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
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玻璃，
塑料，
钢和铝。
木主要被用于房屋建筑，
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<
/p>
。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
< br>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
< br>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，
这是因为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
。一个现代建筑不仅包括它所需要的空间（办公室，
教室，公
寓）
，
还包括帮助提供舒适环
境的机械与电力系统的辅助空间。
在摩天办公大楼中，
这
些辅助空间可能构成总建筑面积的
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%
被分配给它们。
因为使用带有不能开窗的密封
性建
筑屋的增加，
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，
也被安置在天花板空间内，
或被埋置在楼板
结构
中的管道内。
已经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
< br>板结构以一种有组织和优雅的形式暴露在外，
用吊顶进行分配。
< br>这种方法使得减少建筑
物的花费成为可能，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。
< br>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
依次增加。
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
10
0
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）
< br>显示出弹性性质——在荷载作用下
受压变形，
当荷载解除
后可以回弹。
土壤的弹性常常依赖于时间，
也就是说，
土的变形
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可能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，
如果建筑物作用
在土体上的负载高于土的天然压实重量，
它可能产生沉降。
相反地，
如果建筑物作用在
土体上的负载小于土体的天然压实重量，
它可能隆起。
土也可能在建筑物自重作用下产
生流动，就是说，它很容易被压挤出。<
/p>
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——建筑物可能倾斜，
外
墙和隔墙可能产生裂缝，
窗户和门可能
够变得不起作用，
并且极端的情况是建筑物可能倒塌。
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
100
年以来，
那里地下水水位
的变化已经使一些建筑物沉降超过
10
英尺（
< br>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，
最简单的解决方法
是把柱放置在一个小的混凝土板上
（扩展基底）。
土较软的地方
，
有
必要将柱荷载传递到一个较大的面积上，
< br>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
Karl Terzaghi
的先锋研究
，利用土力学和探测及测试程序技术，
使精确预报基础的行为成为可能。
过去基础的破坏，
像经典的例子——比萨斜塔，
已经<
/p>
变得几乎不存在。然而，基础仍然是许多建筑物一个隐而昂贵
第七课
桥梁
桥梁是跨越如河流、
山谷这样障碍的
一种建筑，
从而提供交通便利，
到目前为止，
< br>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，
它主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。
早期人类的工具和建筑技术
如同原始人类一样都是最初级的。他们只
要经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，
那时侯的桥极可能是由一根或并排的几根圆木<
/p>
建成，可能在其上覆一些木枝或草垫以方便行走。
处于热带地区的印度、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，
< br>其它的则排列在膏腴
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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，不过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。
为了增加稳定性，
每个木桩
在两岸都用一堆大而重的
石头锚固；
接近河中央，
在河中间的两个木桩的两端则用简支<
/p>
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到很宽的跨度。
早在公元前４０００年的Ｍ
esopota
mia
和在公元千３０００年的埃及，
用石头或日
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，<
/p>
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
< br>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
< br>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。
刚架桥最简单也可能是最早使用的
-
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
加跨度。
刚架桥的材料必须能够承担压力和拉力。
尽管它的名字叫曲梁，
但实际上这种
具有双重要求的杆能用于刚架桥上。
结果，<
/p>
梁弯曲较高的部分的压力比直的部分低一半
以上，如果他的受压承
载力太弱，它将会成扣环，如果受拉承载力太弱，他将会破坏。
悬臂桥在利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，
可能很难建桥墩
使它有足够深度达到基岩层。
在这种情况下，
刚架桥结构用两根
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。
这种简单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，
或许这种最简单而熟悉的悬
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，
为道路提供了连续的桥面。
< br>但是假如把这种桥梁在其闭
合点断开，
那么每一根悬臂梁
都不需要另外设置支撑而可保持稳定。
通常悬臂梁中间间
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臂桥跨越更大的距离。
悬索桥的支撑体系是靠
连续可弯曲的缆绳的两端的锚固，
悬索桥最简单的例子是杂技场高空走钢丝杂技演员
用
的钢丝。
原始的悬索桥常常是一把很小的几根这样的钢丝系在
一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缆绳悬吊在车行道两边的
下面。
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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。
由于这些原因，
悬索桥的缆
绳必须尽可能的防
止延伸，饿拱桥材料则尽可能地抵抗压缩。因为拱结构不一定要求材料
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
却毫无用处。
在拱桥中，荷载由公路上垂直传递下来，直到拱
形遭到破坏。当拱遭到纯压而达到
临界荷载时，
便会改变力的传
递路径。
有压缩力的推力通过节点或墩传到地面。
拱这种
简单而优美的结构成为桥梁中的一种基本结构。
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
广泛地研究确定桥梁的必要性。比如：如果是高
速公路桥，
在美
国则是由州桥管理局研究规划并确定，
在程序上会同当地的政府或联邦
< br>政府一起，
对主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，
对当
地经济的影响和桥的造价。
这就决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。
如果研究认为其可行信，<
/p>
那么桥选址和占地问题将着手处理。
在
这
一点上，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
的其他的特征都要仔细研究，
在陆地和水下的泥土和岩石的钻孔取样都尽可能地在
基础处进行。
桥梁设计的选择
< br>决定把桥建成梁，
悬臂，
桁架，
拱，
悬索或其他类型结构的主要
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
刚架桥
拱桥
桁架桥
悬臂桥
悬索桥
最佳跨度
英尺
20
到
1000
80
到
300
200
到
1000
200
到
1400
500
到
1800
1000
到
5000
米
6.1
到
304.8
24.4
到
91.4
61.0
到
304.8
61.0
到
426.7
152.4
到
548.6
304.8
到
1524.0
上表表明了许多类型的适用性有相当多的重叠。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好的选择。
材料的选择
桥梁设计者能选用大量的
现代高强材料，
包括混泥土，
钢筋，
和
多种耐
腐蚀的合金。
8
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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（<
/p>
3115kg/c
㎡）
,
而且不需要油漆保护，因为有一种
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（
17577
kg/c
㎡）
抗压强
度高达
8000
英镑每平方英尺
（
562.5kg/c
㎡）
的混泥土现在被生
产用作
桥梁工程，
而且它在增加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
泥土被用作预应力砼，而且其加强
了钢丝绳的抗拉强度，其强度达到
250000
英镑每平
方英寸（
17577
kg/c
㎡）
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（
2818
kg/c
< br>㎡）。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到了
3000
英镑每英寸（
210.9
kg/c
㎡）。
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。另外，
结构还需要一定的安全储备一保不足。
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
的是为了确定作用在
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——
即桥结构本身不变的重量——它往往也是最大的荷载。
动荷载或静荷载有很多，
包括桥
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当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，
因为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。如果出现空气弹性振动，在这种情况下的
Tac
oma Narrows
大桥的风作用被大大地
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。
还有其
它的力作用在桥上，如：地震产生的压力也必须注意。<
/p>
对桥墩的设计通要给予特殊的关注，因为桥墩承担水流，浮冰
和漂浮物而产生
的重荷，桥墩通常还有被船撞击的可能。
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
模型试验，
尤其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。
风洞试验也可以确保不再发生<
/p>
Tacoma
Narrows
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。
9
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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
常会遇到很大的困难，
< br>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
< br>墩。罗马人常用这种方法。
在深水中建基础一般用沉箱
法。沉箱是一个底部开口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。
当达到合适的
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。
如在水下
把它们做成桩帽，
可把一根预制空心桩浮运到做成承台桩的那一点，
< br>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，主要用
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。
尤其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。
浮运法主要用来建很
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，起重机和吊
车可以完成着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。
直升法主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，
一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，
而且是由俩端向中央发展。
移动吊
车在已完成的桥面上
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
全跨上运输材料。
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，
因为
完全不同的支撑和荷载条件，未竣工桥梁内的应力可能会超过已竣工桥梁内的应力。
当公路的铺装，标志，灯光，护栏和附属设施完成后，桥梁就准备投入使用了。
第
11
课
高速公路工程
高速公路工程包括高速
公路计划
.
选址
.
设计和高速公路保养。
当一项高速公路工程
设计建设或是改
造之前，必须大致地计划考虑一下费用问题。作为概要计划的一部分，
该地区在可预见的
时段内（如
20
年）的交通流量，以及何种建设才能满足这种需
求将
10
word-
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是决定因素。
为了评估交通需求量，
高速公路
工程师通过采集分析现有设备提供的物理
数据信息——包括车流量，
分布，
现有交通工具的特征以及蕴涵在这些因素中的可以预
知的变化。高速公路工程师必须决定新路线建筑最适合的位置
.
布局以及容量。通常情
况下，
一条初步的线路或选址和若干备选
路线都会被拿来研究。
细节方面设计通常在一
个更佳的选址确定
下来之后才开始。
为了选择最佳路线，需要仔细考虑的问题包
括：交通需求，（路线）横贯的地带，
可通行道路的土地价值以及各种方案的结构开销的
预算。
在一些大型项目中，
利用了航
拍
技术的摄影测量法被广泛用于显示该地带的特征，
这也是一种最经济的方法。
在那些
小型工程中，地面绘图法已经很完美了。
资金方面的考虑决定了一项工程是一次性实施还是是否必须分阶段建设，
每阶段建
设等资金到位后才开始。
在决定最经济的实施
方案时，
工程师通过分析它的盈利性来定
夺的。高速公路，街道
（考虑）盈利性的三个优先顺序（依次）为：使用者，所有权上
（最）邻近的所有者，大
众。
使用者通过降低运输费用，提高旅行舒适度，增加安全性
，节约时间来提高高速公
路利润。
他们也获得娱乐的和教育上的
好处。
所有权毗邻的所有者可以通过更好的路线，
提升所有权价
值，
更加高效的警察机关和消防保护，
改善停车环境，
为步行者提供更安
全的交通环境，当地可通行道路（沿线）的公共设施，
（诸如）水管和下水道的使用情
况。
对通过高速公路建设获得的各种利益的评估通常是困难的，
但对
一个高速公路工程
来讲也是一个最重要的阶段。
有一些利益可以
被精确计算出，
另有一些就具有相当的投
机性。因此要使用许多
种办法来使（工程）建设（变的）更加经济，并且许多工程上的
工作都会牵涉到最佳程序
的选择上。
环境价值
环境因素在高速公路建设中正被越来越重视，也突现出越来越高的重要性。
由
于环
境问题导致工程被搁置甚至取消的事例，
不胜枚举。
环境方面的研究或调查涉及许多因
素，
包括噪
声的产生，
空气污染，
对横贯地区的扰乱，
对现有房屋以及可能的预备路线
的破坏。
可通行道路的获得
高速公路工程师也
必须协助得到用于新高速公路设备的可通行道路。
通向市区商业
中心的高速公路建设的土地的获得已被证明是非常困难的。
公众需要交通工程师和城市<
/p>
规划者，
建筑师，
社会学家，
以及所有对美化城市环境，
提升城市功能感兴趣的团体紧
< br>密合作以确保在协调好所有主要问题
（方面）的利益后再
（开始）
建贯通首要区域的高
速公路。主要问题包括以下几点：
（
1
）高速
公路自身的美化问题是否给予了充分的注意？（
2
）是否为保护
城市的自
然风光而改变选址？（
3
）在
某些区段需要高架高速公路的有没有一个逻辑上可以替换
11
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的降低设计被提出？
（
4
）
概略设计对降低由大流量的交通造成的噪音是否有帮助？
（
5
）
城市的一些部分是否因为这个提
议选址而被独立开来？
细节设计
<
/p>
高速公路工程的细节设计部分包括用于建设的图纸或者蓝图的准备工作。
< br>这些计划
展示了诸如选址，
道路宽度等此类要素的尺寸，
道路的最终剖面图，
排水设备的位置和
种类，涉及的工程量，包括地下地表的工作。
土质研究
在做分层开挖的计划时，
设计工程师要考虑在开挖过程中遇到的土的种类或者削
平工程沿线的高地后如何处理余土才能把它们最佳地填到需要填土的地方，
或是用于该
工程穿越的其他地势较低地段的筑堤工程。
为此，
工程师必须分析土质的等级和物理特
性，
决定如何才能把路堤尽可能的压实，
并且计算要完成的土方工程量。
< br>电算程序如今
常常被用于最后一个阶段的计算。
电子设备
也加快了许多其他高速公路工程的计算。
大
功率，（具有）高度
灵活性的土方机械已被研发出来用于快速
.
经济的（工程）操作
的
实现。
路面
选择要建设道路表面的类型和厚
度是设计中的重要部分。
类型的选择取决于该类道
路要承受的最
大荷载，
频率以及其他因素。
对一些路来讲，
< br>交通量也许会如此之小以至
于没有哪类路面被证明是经济的，天然土壤就被用作道
路。随着交通量的增加，沙土，
碎炉渣，碎石，钠硝石，碎牡蛎壳，或是以上的混合物可
以被用来做路面。如果使用砂
砾，
通常应包含足够的黏土和优质
材料来协助提高路面稳定性。
氯化钙的使用可以进一
步加强砂砾
路面的稳定性，
同时也有利于控制灰尘量。
另一种路面由硅酸盐
水泥加水混
入路基的上面几英寸并由压路机压实。这一程序构成了土
-
混凝土复合路基并由沥青质
材料做路面。
用于大交通量的重型交通工具的道路必须仔细设计并要
（设计具有）
相当
大的厚度。
排水结构
高速公路工程的许多部分是
计划和建设用于高速公路或街道排水设备的，
以及使得
小溪穿过
高速公路的可通行段。
将道路或是街道表面的水移走就是表面
排水。它是通过建成一条路，中间有顶以及
使路肩及其附属区域倾斜，
< br>从而将水导向已有的天然沟渠，
像敞开的壕沟，
或是导向
集
水箱和地下管道的暴雨排水系统，
（来实现表面排水）。如果
使用了暴雨排水系统，由
于它要和
（城市）
街道衔接，
设计工程师必须考虑街道总的排水面积，
期望的
最大排水
率，暴雨持续时间设计值，每一个集水箱的允许倾注量，以及计划的集水箱沿街
间距。
通过这些信息，每一个集水箱的期望容量以及地下管网的尺寸才被计算出来。
设计公路下的排水设施时，工程师必须确定需要排水的范围
.
排水区域最大可能的
降雨量
.
最大可能的流速，然后利用这些资料，推算所需排水结构的负荷量。概略设计
12
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中要考虑充分，
不仅要适合该地区已有记录的最大流量，
而且要考虑在给定年限内在最
不利条件下可能发生的最大流量。
开放式管道在计算预期流量是要考虑的因素包括尺寸
.
长度
.
开口形状，
管壁粗糙程
度，入口和下游沟渠末端的形状，入口处允许的最大水位高度以及出
口处水位。
休息设施
许多工程和建设工作是完成提供主要高速公路沿线休息场所的，特别是（属于）国
家系统的州际高速公路。
这些设施必须仔细布置以便能方便安全的出入高速公路。<
/p>
许多
设施做成景观模样坐落于森林覆盖区以便（行人）可以在地上
野餐或是在森林中散步。
这种休息区特别受到那些跑长途而又很少停车休息的司机的欢迎
。
噪声屏障
控制
.
减少繁忙道路，特别是高速公路，沿线噪声已经变成高
速公路工程中非常重
要的一部分。在一些社区，人们沿高速公路两侧筑起了高墙。建造这
些高墙会很花钱，
但是提供了许多便利。隔音栅栏能减少全部噪声量的超过
50%
。
建设工作
尽管前期要做大量的工程和
计划，
但实际工程通常是建造高速公路以及街道改造中
耗资最大
的部分。
立杆定线
根据一份基于细节计划准备和规范的授权建设合同，工程师来到工地现场布置工
程。作为立杆定线的一部分，
（工程师）要指出土方工程量，排水沟结构的位置，并建<
/p>
立剖面图。
压实（路基）
重型压路机把道路下面
的土壤和路基压实为了消除以后的沉降。
气胎压路机和羊脚
压路
机
（配有许多小轮齿和轮脚的钢柱轮）
常常被租来完成此类工作
。
近年来，
振荡压
路机已被开发出用于
某些工程。
有一种振荡频率高达
3400/
分的振荡压路机可以压实到
一个令人满意的深度范围内的地下材料。
维护和操作
高速公路维护
由路面路肩，桥梁排水设备，标志，交通控制设备，防护围栏，行人
通道上的斑马线，<
/p>
挡土墙以及边坡的维护和维修等组成。
附加工作包括控制结冰和移
走
积雪。
因为搞清楚为什么有些高速公路的设计比另一些高速公
路有更佳的功效和更少的
用于维护的开销是很值得的，
所以负责
监理维护的工程师能提供很有价值的引导给设计
工程师。总而言之，维护和施工都是高速
公路工程的重要组成部分。
第
14
课
如何开挖隧道
13
word-
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在一条隧道的大致方向定下来之后，
下一步就是调查隧道沿途地层的钻
孔资料并获
取具体的地层信息。
隧道长度和横断面通常由其用途
决定，
但是其形状必须设计成对内
外荷载产生最佳抗力的形式。
通常会选择圆形或近似的圆形。
在非常坚硬的岩石中，通常采
用钻机和爆破开挖。在软弱到中硬岩石，采用隧道挖
掘机是典型的开挖方式。在软弱土层
，通常采用盾构和挤压软弱土质的方式向前推进。
在所有岩石或土层的开挖方式中，淤泥
土要被收集起来运出隧道。在开挖水下隧道时，
要采用盾构向前推进。
< br>另一种开挖水下隧道的方法是将深管放入河底或水中其他位置的
已开挖的深沟中。
硬岩隧道
穿过硬岩石短隧道仅从入口开挖，
但是较长的隧道通常是从一个或几个地方同时开
挖。
有些长隧道是在平行于主隧道开挖的小型导洞辅助下建造的。
导洞与主隧道之间每
隔一段距离由横巷连通。导洞不仅是通道的附属
设施也是运土，通风，排水的通路。
另一种方法是采用正台阶
开掘系统，
以前被用于大型隧道因为它仅要求更少的火药
并且允
许同时钻孔和运土
（转移开挖材料）
上部隧道导向下部——这就
叫做阶地，
一部
分独立的施工人员就可以在上部钻孔的同时在下
部运土。
随着隧道开挖方法的改善和机械化，
以前仅用于小型隧道的全面施工方法，
也开始
普遍用于
修建大型隧道。
这种改变部分原因是隧道钻车——一种装有大量岩石钻头的可
移动平台的引进。
利用这种设备，
一大片隧洞面可
同时钻探。
全面施工法已变成最普遍
最迅速的开挖隧道方法。<
/p>
软土层隧道
有一些隧道是全部或绝大部分穿越软土层。在很软的土层中很少甚至不需要爆破，
因为土
质非常容易开挖。
一开始，
超前伸梁
掘进法是在软弱土层中建造隧道的唯一方法。
超前掘进伸梁是一
块大约
5
英尺
（
1.5m
）
长并且前端被锐化成一点的重重的厚板。
他们被插入隧道表面的
支撑柱的顶层水平条内。
然后超前伸梁向外倾斜钻入土层表面，
在所有顶层杆被插入一
半
深度后，
一根木料被交叉放置在它们的外露端来抵抗所有的外部应变。
< br>伸梁就这样提
供了一种可以伸缩的坑道支撑，
表面在其下
伸出来。
当杆的末端伸到后，
再添加新的木
材，伸梁被插入土中供隧道下一节使用。
压缩空气的使用
简化了软土中的施工。
首先建成一个空气锁，
人和设备通过它进
出，
在开挖过程中，足够的空气压力来维持坑道表面的坚固直至木材或其他支撑设施树起
来。
另一种发展是以铸铁或钢铁圆盘
嵌固隧道四周其后以水压力盾构支撑。
这种铁盘在
施工过程中为
隧道提供了足够的支撑力，同样为施工人员提供了足够的施工空间。
水下隧道
14