-
终于开始实际业务工作时，就必须能应用从大学里
学来的理论
知识。
他
(
她
)
在开始时可能被派
去和一
个工程师小组一道工作。这样，就能获
得实际工
作的训练，使主管人了解他
(
她
)
将理论应用于实践
的能力
。
土木
工程师可从事科研、设计、施工管理、维修
1
、
土木工程中的各种业务
工程
是一种专业，这就是说工程师必
须受过专业大学教
育，许多政府行政区还
有签发执照的程序，要求
工科大学毕业生在积极开始他们的事业之前要通
过一
次考试，就象律师得通过律师资格考试一样。
在大学工科的课程设置中，一直十分重视数学、物
理和化学，特别是在头两、
三年内。数学在各种
工程分科中都非常重要，所以一向特别强调它。现
在，数
学包括统计学课程，这是一门涉及数据或
一
些资料的搜集、分类和运用的科目。
统计学的
一个重要部分是概率论，当存在着可以改变一个问
题结果的各种不同
的因素或变量时，它将论及可
能发生什么情况。
例如，
在建设一座桥梁之前，
要
对预期承受的交通量进行统计研究。在设计这座桥
< br>梁时，必须考虑到各种变
量，如作用于基础上的
水压，
冲力、
各种风力的作用，
以及许多其它因素。
因为解决这些问题需要进行大
量的计算，所以目前
计算机程序编制已列入几乎
所有工科课程中。诚
然，计算机能比人更快，更精确地解决许多计算问
题。但
是，除非赋予它们清楚而精确的指令
和信
息——换句话说，就是编制良好的程
序，否则计
算机就毫无用处。
尽管工
科的课程设置中特别
强调技术科目，当前的倾向还是要求学生学习一些
< br>
社会科学和语言艺术方面的课程。工程与社会之间
的关
系日益密切，因而有充
分理由再次提出，工
< br>程师所做的工作会在他
(
她
)<
/p>
应当意识到的许多不同
而重要
的方面影响到社会。一个工程师还需要足
够的驾驭语言的能力，能写出条
理清
楚并在许多
情况下具有说服力的
报告。从事科研的工程师需要
能够将他或她的
科研成果写成文章提供给科学刊
物。
最后两
年的工科教学计划包括学生所学专
业范围内的课程。对准备成为土木工
< br>
程师的学生
来说，这种专业课程可涉及到如大地测量、
土力学
或水力学等这类
科目。
现行的招聘工程师的
工作往往在大学
最后一年之前就开始进行。近年
来，许多
公司和政府机构竞相争取录用工程师。
在当今这个注重科学的社会中，当然是
需要受过
技术训练的人才。例如，年轻的工
程师们可选择参
加环境工程或卫生
工
程工作，在这个领域中环境
事业提供了许多就业的机会。或者他们可以选择
专门从事公路工程的工程公司，或者他们可能更愿
意到与水资源有关的政府机
构中工作。确实，选
择的机会是广泛的，多样的。
当年轻的工程师
等工作，甚至可以从事销售或
经营管
理。这些领
域内的每种工作，都有不同的职责、不同的重点，
并
且工程
人员的知识和经验也有不同的用途。
科研是科学和工程实践中最重要的
一个方面，科研
工作者通常是科学家和工程
< br>师小组的成员之一。
他
(
她
)
往往在一个由政府或工业企业资助的实验室
里工作。
与土木工程有关的科研领域包括土力学、
土壤稳定技术、以及新型建筑材料的
研制和试验。
土木工程项目几乎都有其独特性，
即各有其特有的
问题及设计特点。所以，甚
至设计还没有开始就
要对每项工程进
行仔细的研究。这种研究包括对拟
建场地
的地形和地下土质特征进行勘测。还包括
考虑各种选择方案，例如，选用混凝
土重力坝还
是填土坝。对每种可能方案的经
济因素也要权衡。
现在，研究工作
通
常还包括考虑工程项目对环境
的影响。这些可行性研究要由许多工程师来完
成。
他们往往是组成一个小组一道工作，其中有测
量
员、土力学专家、以及设
计和施工方面的专家。
许多土木工程师从事设计工作，其
中有些是这个领
域中的杰出人才。正如我们
< br>所看到的，土木工程
师们要承担许多不同种类构筑物的工作，所以一般
情况是
一个工程师只擅长某一种构筑物。在设计
建筑时，工程师往往被聘作建筑公司
或工程公司
的顾问。水坝、桥梁、给水系统和其它大型工程，
一
般都招聘几位
工程师；由一位负责整个工程的
系统工程师来协调他们的工作。
在许多情况下，
还
需要其它专业的工程师。
例如，
在一项水坝工程中，
电力工程师和机械工程
<
/p>
师就要承担发电站及其设
备的设计工作。在另外一些情况下，土木
工程师也
被
派去参与其它领域中的
工程，例如，在航天工程规划中，就需要土木工程
师设
计和建筑发射台、
导弹库这类构筑物。
对
几乎所有的工程项目来说，施工都是一个复杂的过
程。它涉及到安排
进度、
使用设备和材料，以求
尽可能
地降低成本。因为施工有可能非常危险，因
此还
必须考虑安全因素。因此，有许多土木工程
师
专
门
从
事
施
工
阶
段
的
工
作
。
2
、现代建筑与建筑材料
许多<
/p>
古代修建的大型建筑物现仍然存在，而且仍在使
用。其中有罗马的
万神庙
和大圆形竞技场，伊斯
坦布尔
的圣索非亚教堂，法国和英国的哥特式教
堂，和
带有巨大的穹窿顶的文艺复兴式教堂，象
佛罗伦萨的大教堂和罗马的圣彼得大
教堂。这些
庞大建筑利用厚石墙抵抗
建筑物本身巨大重量所
形成的推力。推力
是建筑物各部分作用于其它部
分的压力。
这些大
型建筑物并非数学和物理知
识的结晶，而是依据经验和观察而建造起来的，往
往是反复试验的结果。它们所以能留存下来的理由
之一是因为它们建造
得强度很大——多数情况下
超出所需要的
强度。可是古代的工程师也失败过。
例如在罗马，大部分人都
住在公寓中，这种公寓通
常是一排排的有十层高的出
租大楼。其中有许多
建造得很简陋，
有时会倒塌
，
使许多人丧生。
但
是，现
在的工程师具备许多有利条件，不仅有经验
资料，而且可以利用科学
数据预先进行详细计算。
当一个现代工程师设计一座建筑
物时，他要考虑其
所
有组成材料的总
重量，这就是静载，即建筑物
自身的重量。他还必须考虑活载，
即在建筑物使
用过程中要承受的人，
车
辆，
家具、
机器等的重量。
对于象桥梁
这种需要承担高速汽车交通的构筑
物
，他必须考虑到冲力，即活载将借以作用
于结
构物的那种力。他还必须确定安全系数，即附加的
承载能力，以使建筑物
的承载能力比上述三个因
素结合起来还要强
。
现代工程师还必须了解
建筑物所用材料要承受的各种应力，其中包括压力
和拉
力这两种相反的力。受压时，材料被压紧或
推拢到一起，
受拉力时，材料象一
个橡皮筋那样
被
拉开或拉长。除了拉力和压力之外，还有一种起
作用的力，称
为剪力，定义为：使材料沿应力线
断裂的趋势。剪力可能发生在
垂直面上，但
也可
能沿着梁的水平中
心线，中和面，作用，中和面上
既没有拉力也没有压力。
总的说来，有三种
力能作用于结构，垂直的——那些向上或向下作用
的力，水
平的——那些侧向作用的力
，以及那些
以一种旋转或转动的运动作用的力。成
一个角度
作用的力是水平力和垂直力的合力。因为规定土木
工程师设计的结构
是静止或稳定的，因此这些力
必须保持平衡。
例如，
各垂直力必须彼此相
等。
假
如一个梁支承上面的一个荷载
，梁本身必须有足够
的强度去抗衡这个重量。
水平力也必须彼此相等，
才能不出现过多的向右或向左的推力。并且，那些
可
能推动构筑物转动的力必须由向反方向推动的
力去抵销。
现代最引人注目的工程事故之一—
—
194
0
年塔科马海峡大桥的倒塌，就是由
于没有
非常仔细地考虑这些因素中的最后一个因素。在一
场暴
风雨中，当每小
时高达
65
公里的强劲狂风冲
击这座桥时，狂风引起了沿着桥面方向的波动；同
时还产生了一种使路面塌落的横向运动。幸亏工程
师们从错误中汲取了教训，
所以现在的通常做法
是将按比例缩小的桥梁模型放在风洞中检验它们
的空气动
力学抵抗力。
早期的主要建筑材料
是木材和圬工材料——砖、石、或瓦，以及类似材
料。砖
行或砖层之间，用灰浆或沥青
(
一种象焦油
的物质
)
，或者一些其它粘
结剂粘结
在一起。希腊
人和罗马人有
时还用铁条或铁夹子加固建筑物。例
如，雅典的帕
提依神庙的柱子上就有原来安装铁
棍的钻孔，现在铁棍已经锈蚀竟尽。罗马
人还使用
一种叫白榴火山灰的天然水泥，用火山灰制成，在
水中
能变得和石头一
样坚硬。
近代的
两种最
重要的建筑材料，钢材和水泥，都是十九世纪才采
用的。
直到那
时为止，钢
(
基本上是铁和少量碳的
合金
)
一直是要经过很复杂的工艺过程才能
制成
的，这就使钢只限于用在制剑刃这类特殊的用途
上。
185
6
年发明贝色麦法
以后，人们才能
以低价
大量地使用钢。
钢的极大优点是它的抗拉强度，
即：
在
特定程度拉力
——就象我们已经知道的那种会
把许多种材料拉断的力——的作
用下，它的强度
不会降低。新的合金进一步增强了钢的强度，并
且
消除了它所
存在的一些问题，如疲
劳。疲劳是一
种削弱它的强度的趋向，是连续改变应力
的结果。
现代的水泥叫做波特兰水泥，是
18
24
年发明的。
它是石灰石和粘土的混合物，
< br>
将它加热，然后磨
成粉末。在建筑现场或附近，将它掺
上砂子、骨料
(
小石子、
碎石或砾石
)
和水，就制成混凝土。不同
的配料比例能制成不同强度和重量的混
凝土。
混
凝土的适用性很强，它可以灌注，泵送，甚至可喷
注成各种各
样的形
状。而且，钢有很大的抗拉强
度，
混凝土却有很大的抗压强度。
因而，
这两种
材
料可以互相补充。
它们还
可以在其它方面互相
补充：它们具有几乎相同的收缩率和膨胀率。因而
< br>
它们可以在同时存在着压力与拉力两种因素的情
况下共
同起作用。在受拉的混
凝土梁或结构中把
钢筋埋置进混凝土，就制成钢筋混凝土。混凝土和
钢还形成
一种很强的粘结力——一种将它们连结
起来的力——使钢筋不能在混凝土中滑
动。还有
另一个优点就是钢在混凝土中不锈蚀。酸会腐蚀
的，
因此普通钢筋混凝土构件在使用荷
载下一旦
< br>达到极限状态，其裂缝和变形就不再能恢复。
钢，而混凝土却具有
与酸相反的碱性化学反应。
同预应力钢筋的作用相反，普通钢
筋混凝土构件中
预应力混凝土是钢筋混凝土的一种改进形式。钢筋
被弯成各种形状，使它具有
所需要的受拉强度。
然后，通常用先张或后张法对混凝土预加应力。预
应力混
< br>
凝土使我们有可能修建特殊形状的建筑
物，象某些现代
的体育馆，他们的大空
间没有任
何挡
住视线的支承物。这种新型结构方法的使用不
断涌现。
当前的
趋向是发展轻质材料。例如，
铝的重量比钢轻得多，但是却有许多与之
< br>
相同的
性能。铝梁巳被用于桥梁结构和一些建筑物的框
架。
目前仍在尝试生产强度更高、
耐久性
更好、
而且重量更轻的混凝土。有一种用
聚合物
(
塑料中
用的长链化合物<
/p>
)
作为部分配料的方法，
有助于使混
凝
土
的
重
量
降
低
到
一
定
的
< br>程
度
。
3
、
预应力混凝土
混凝土抗压能力
< br>强，但抗拉能力很弱，抗拉强度仅为抗压强度的
8%<
/p>
～
14%
。
由于
抗拉能力低，
挠曲裂缝在受荷早期
就会产生。为了减小或防止裂
缝的开展，
可以沿
结构构件的纵向施
加一个轴心或偏心荷载，此荷载
可消除或大大减小使
用荷载在跨中和支座临界截
面所产生的拉应力，从而控制了裂缝的开展，
也提
高了截面的抗弯、抗剪和抗扭能力。这样，当所有
荷载都施加于结构上时，截
面仍会处于弹性
状态，
使几乎全截面混凝土的抗压能力都能得到充分利
用。
这种沿纵向施加的力称为预应力，即在结
构受到横向自重恒载、活载或瞬
时水
平活载之前，
沿结构构件跨度方
向在截面上施加的预压力。预应
力的形式和大
小，主要取决于拟建结构体系类型
及需要的跨度和长细比。由于预应力是沿构<
/p>
件的
纵向或平行于构件的轴线施加的，
因此这种施加预
应力的方法通常称为线
预应力法。
环预应力
应用于密闭液体容器、管道和反应堆堆芯压力容
器，其基本原理实质
上和线预应力相同。在柱形
或球形结构上，
由环形箍筋所产生的
“套箍”
应力，
可以平衡由内部密闭压力在曲线形表面纤维上所
产生
的拉应力。
从以上讨论可以看出，在预应
力构件
承受全部恒载和活载之前，为了消除或大
大减小这些荷载引起
的净拉应力，构件内就已经产
生了永久应力。对于普通钢
筋混凝土，混凝土的
抗拉强度通常忽略不计，这是因为由弯矩产生的
拉
力是由
钢筋混凝土浇筑中形成的粘结力来承受
的钢筋本身并不能对构件施
加任何荷载。
预应力
构件中通过使用预应力钢筋主动对构件预加荷载，
使裂缝
和变形有很高的恢复能力。而一旦超过了
混凝土的弯曲抗拉
强度，预应力构件
就开始和普
通
钢
筋
混
凝
土
构
件
具
有
同
样
的
< br>工
作
性
质
了
。
在相同
跨度和荷载条件下，预应力构件较相应普通
钢筋混凝土构件的截面
高度小，通常只为普通钢
筋混凝土构件截面高度的
65%
～
80%
，
因此，
预应
力构
件需要的混凝土量较少，大约比相应普通钢
< br>筋混凝土构件混凝土总量减少
20%
～
3
5%
。
但是，
预应力构件需使用高性能
材料，其昂贵的价格抵消
了由于混凝土量
减少而节省的费用，而且，即使
不考虑构件体系的费用，预应力张拉操作本身
就
会形成一项额外费用：因为预应力
构件截面通常由
翼缘板
和薄
腹板组
成，
因
而使模<
/p>
板更
复杂。
虽然有这些附加费用，但如果预制构件数量足够
大，至少预应力构件
的基
本费用和普通钢筋混凝
土构件体
系之间差别不大。而且间接的长期效益非
常显
著，因为：①需维护量小；②由于混凝土的
质量控制更严格，使用期更长；③<
/p>
由于上部结构
的总重较轻，可以使用轻
型基础。
一旦普通钢筋混凝土梁的跨度超过
70
～
90
英
尺
（
21.3
～
27.4m
）
，
梁的自重
就会很大，
而大重量构
件就必然产生更大的长期挠曲和开裂，另一方面，
由于
拱的施工费用昂贵，而且会产生不利于使用
的严重的长期收缩和徐变，
因此对
大跨度结构而
言，预应力混凝
土结构就称为必选方案。象阶段施
工桥梁和斜拉
桥这样的特大跨桥梁，只能通过预
应力技术施工。
预应力混凝土并不是一个新
概念，<
/p>
回溯至
1872
年，
一名加利福尼亚的工程
师
杰克逊，通过系杆由单独的砌块建造梁或拱而获得
了专利。后来在很
长一段
时间内，由于没有可利
用的高
强钢材来克服预应力损失，使此项研究进展
缓慢。
后来，阿兰克苏认识到了混凝土收缩徐变
（材料的横向塑变）对预应力损失
的
影响，随后
他提出：对无粘结钢筋
进行连续后张，会弥补由于
收缩徐变使钢筋
< br>缩短而造成的钢筋内的时变应力
损失。
在
20
年代早期，
Hewet
t
发展了环预应力
理
论：通过使用松紧螺旋扣，使水平钢筋沿混凝土容
器的侧壁产生紧箍应力，
从而防止容器透水。后
来，在容器和管道
上采用环预应力的方法在美国取
得了
长足进步，在其后的二三十年中
，建造了数
以千计的水、液体和气体储藏罐，
并铺设了远程
的预应力管道。
在欧洲和法国，线预应力法
得以进一
步发展，
尤其由于弗来西奈的独创性，
他
于
192
8
年提出通过采用高强度、高延性钢来克服
预应力损失的方法。
1940
年，
他推出了著名的，
且广为接受的弗式体系。
在二十世纪三十至
六十年代，英格兰
的阿勃莱斯提出并发展了部分预
应力
概念。德国的莱恩哈得、俄罗斯的米克海夫
和美国的林同炎对预应力混凝土设
计的科学和技
术做出了巨大贡献。林同炎的荷载
平衡法特别值得
一提，因为它
大大简
化了设计程序，尤其是连续
结构的设计。二十世纪的这些发展使预应力
< br>
在全
世界，尤其是在美国，得到了广泛应用。今天，预
应力混凝土被应用于建
筑、地下结构
、电视塔、
浮动储藏结构和近海建筑、发电站、原子堆堆芯压
力
容器，以及包括阶段施工桥梁和斜拉桥在内的
各种桥梁体系中。见证了预应力
理论的通用性及
其广泛应用。这些结构的成功发展和建造主要归功
于材料技术，
特别是预应力钢材料的进步，以及
短期和
长期预应力损失计算方法的不断完善。
4
结构设计原理
一个结构工程
项目可分三个阶段完成
：规划、设计和施工。结构
设计包括
确定结构最适宜的比例，并确定其组成
构件和细部尺寸。这是结构工程项目中
技术性最
高、数学严谨性最强的阶段，但若不能
同规划和施
工阶段充分协调，
就不能
也不应该付诸实施。一
个成功的设计者总是会全面考虑结构在初步规划
< br>
中涉及到的各种因素，以及今后施工中可能遇到的
各种
问题。
特别地，在任何结构的设计中，首先涉及到确定
结构所必须承受
的因而设
计中必须考虑的荷载和
其它
设计条件。
接下来是分析在荷载、
温度、
收缩、
徐
变及其它设计条件下结构
所产生的总内力（轴
力、剪力、弯矩、扭矩）
、应力强
度、应变、变形
和反力，最后对各构件及连接
进行尺寸设计及材料
选择，使之
足以
抵抗设计条件所产生的作用效应。
某设计尺寸是否会达到预期的结构性能，
所使用
的判断准则反映了知识积累（理论，现场试
验及模
型试验和实践经验）
，
直觉知识和判断力。对于象
桥梁和房屋这些最常见的土木工程结构来说
，过去
通常的做法是将使用荷载和其它设计条件下产生
的应力与容许应力强度进行比
较，然后据此进行
设计。由于选择容许应力强度的前提概念是：在结
构的最大
受力点处（的应力或应变）不得超过材
料屈服点处的应力
或应变，因此这种传
统的设计
方法称
为弹性设计。当然，考虑到结构也可能会发
生疲劳、压曲、脆
断破坏或考虑到结构的容许变
形量，选择容许应力时也可能会作
一些调整。
根据结
构类型和有关条件，在假定设计条件下按选
用的结构分析模型
所计
算出的应力强度，和实际
条件在实际结构中引起的应力强度，可能也可能不
十
< br>
分吻合。只要计算出的应力强度能根据以往的
经验解释
，吻合程度就不重要。
为防止结构失效，
在选择使用条件和容许应力强度时提供了安全储
备。储备量
值的选择取决于荷载、分析、设计、
施工的不确定性程度和失效
后果。
(
比如，
对于屈
服应力为
33000 psi
的结构钢，其容许应力选择为
200
00psi
，
那么针对
受拉屈服的安全储备
（或安全
系数）为
33000/20000
，或
1.65
。
)
容许应
力法的一个很大的缺点，就在
于它不能对各种结构
类型以及结构各
部分，提供统一的超载能力。因
此，目前日益趋向于基于结构的极限强度和适
用
性进行设计，以往的容许应力法只作为一种备选设
计方法。目前这种新方法
在钢筋混凝土设计文献
中统称强度设计，在钢结构设计文献中统称塑性设
计。
按照强度方法设计构件尺寸时，首
先将
预期使用荷载乘以适当的大于
1
的
荷载系数，该
系数值的大小取决于荷载的不确定性以及结构使
用期间内发生变
化的可能性，对于荷载组合，还
取决于某荷载组合的可能
性、出现频率和持续
时
间。在这种钢
筋混凝土设计方法中，考虑到材料强
度、施工工艺和结构尺寸
的变异性的不利情况，
通过承载能力折减系数将结构构件的理论
承载能
力进行
折减。随后设计结构尺
寸，根据控制条件
的不同，使之满足：荷载增大将会：
①引起疲劳、
压曲或脆断破坏；或②
仅在一处内部截面发生屈服
（或在几个截
面处同时屈服）
；或③结构发生弹塑
性位移；或④使整个结
构即将坍塌。
后一种
方法的倡导者认为这种方法更符合实际，它针对预
期的使用条件
提
供更准确的安全储备。这些进步
是
由于它能够考虑结构临近极限状态时重要的非
弹性和非线性效应。
近几十年，许多杰出
的工程师日益关注的是：不但“安全系数”这个术
语
已不恰当，也不符合实际，而且更糟糕的是，
基于此概念的结构
设计原理，许
多情况下使设计
过于保
守，
因而不经济，
而在一些情况下又不稳妥，
< br>