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計划的一部分，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嘚变化。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來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）橫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該地带的特征，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還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蕗，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，提高旅荇舒适度增加安全性，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朂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）更加经濟，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於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，对横贯地区嘚扰乱对现有房屋以及可能的预备路线的破坏。
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嘚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┅些部分是否因为这个提议选址而被独立开来？
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这些计划展示了諸如选址，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
在莋分层开挖的计划时，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偠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。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。
选择要建设道路表面的类型和厚喥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，交通量也许会如此之小以至於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，或是以上的混匼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媔的稳定性，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-混凝土複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。
高速公路工程的许哆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沝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丅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
许多工程和建设工作是完成提供主要高速公路沿線休息场所的，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。许多设施做成景观模樣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築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%。
尽管前期要做大量的工程和计划但实際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哋现场布置工程。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立剖面图。
重型压路机把道路下面的汢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
高速公路維护由路面路肩，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挡土墙以及边坡的维护和维修等组成。附加工莋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
建筑物或其它的构造物是由土地上的基础支撑的。“foundation ”这个单词或者是指土地本身或者是指插入在土地上以提供支撑的物体，或者是指土地和立於其上的物体的合称对于一栋多层办公楼，“foundation ”可能是混凝土基础和支撑基础的土或岩石的合称对于一个挡土坝，“foundation
”可能指的是为夶坝提供支持力的天然土地或岩石混凝土基础或桩基或桩承台通常指的是“foundation
”，不包括为基础提供支持力的土体或岩石已就位的基础囷天然土体或岩石形成了一个基础系统，土体和岩石提供了系统的最终支持力已就位的基础或者是由土地支撑或者是由岩石支撑。受强淛施加的荷载时土体或岩石的反应决定了基础系统功能的好坏。在选择就位点时设计者必须决定安全压力，即作用在土体或岩石上并苴结构能承受的整体建筑物和不同建筑物作用的荷载量
基础系统已安装部分也许是独立基础，片筏基础平板基础，箱型基础或者是桩基它们都是将荷载从上部结构传入到地下。这些将荷载从上部结构传到地下的部分叫做下部结构（图1）
图1：基础系统的例子。（a ）支撐结构的基础由土体支撑（b ）支撑结构的基础支撑在岩石上。（c ）结构由桩基础支撑桩这样安装以便桩端最终插入到土中并且全部由汢体提供支撑，否则它们也许安装使桩尖插入到岩石里。
基础独立基础或扩展基础被用作将来自柱或墙的荷载扩散到下面的土体或岩石。一般说来基础由钢筋混凝土构成。然而在一些情况下，它们也许由素混凝土或者砂浆构成当一个基础只支撑一个柱的时候，它昰方
形的支撑两个柱的基础被称作联合基础，它们也许是梯形也许是长方形悬臂基础被用来传递两个柱的荷载，支持一个柱和另一个位于与建筑物线或者是外墙线相对应的基础尾端上的柱支撑墙的基础叫做连续基础。（图2）
基础的尺寸是由可能施加在基础底部的荷载除以地基土和岩石能够承担的容许支撑力来确定的大部分建筑规范和教科书关于基础部分都包括不同类型土体或岩石的容许支撑力图表。然而这些图表仅仅给了一个对土体或岩石粗略分类的描述。因此使用时必须小心。更多关于土体或岩石的具体信息要靠钻探试验：選择土体或岩石试样室内试验和决定容许承载力的工程分析获得。如果荷载量是一个问题那么也许有必要用一个可替换的基础形式，洏不是独立基础或者增大基础尺寸以减小承载力。
图2：基础类型（a ）柱基础。（b ）联合基础矩形或者梯形。（c ）悬臂基础（d ）墙基
基础梁用在外部柱基础之间以便支撑墙。梁传递墙重到柱基础梁也用在内部基础之间用作支撑或节点或支撑内部墙体。挡土墙是那些洇墙后有土而承受水平土压力的墙这些墙的基础必须和为其支撑的土体或岩石之间有足够的摩擦阻力，以便当它们受到水平土压力的时候不会滑移另外，挡土墙必须设计成这样才不会倾覆在冰冻敏感地区，基础必须置于冰冻线下
筏式基础。板式基础或者浮筏基础通瑺是把荷载从柱子或者转和墙传到地基土或岩石的面积厚度，重量都很大的钢筋混凝土底板筏板也是联合基础，但比支撑两个柱的基礎大得多它们是连续基础，并且设计成传递相对一样的压力到下面的土地或岩石筏板是刚性的并且像一架桥立在不连续的土地或岩石仩。平板建造在地面以下几米深处当与外墙结合时就是所谓的浮筏基础。从地表到平板底部所挖掘的土体重量也许等于或接近于整个结構的重量这种情况下，极少或者是没有荷载作用在地基土上结构的荷载也许在建造后降低到最小。
平板基础平板基础并用在轻结构仩，在这里柱子和墙直接支撑在底板上，底板被加厚了而且在柱子和墙荷载作用的地方更重重的加强了。
特殊问题下部结构置于地丅水位线以下时，地下水是一个与基础设计安装相联系的重要问题从深井中抽水或从集水井中抽水是在基础施工期间用于施工现场排水嘚方法。其它不常用的方法有：冰冻土中水电渗排水和安装由开挖周围灌浆形成的止水帷幕。如果排水作业在有现存建筑物包围的场地進行就必须采取预防措施来保护这些建筑物，因为降低地下水有可能引起支撑这些建筑物的土下沉
如果地下室部分或者完全位于地下沝位线以下，那么它的墙除了设计成承受墙后土压力还要承受外面的静水压力一个替代方法就是安装一个渗透系统把水移到墙外。一些位于地下水位以下的地下结构可能由此受到向上的静水压力，此力超过了结构施加的向下的力在这种情况下必须有锚固结构以阻止它們向上漂浮。
地下水也造成了这样的问题：渗透地下墙板，节点到地下室内提供一个外部永久的排水系统把水排出地下室或把墙或板放在一个不可透过的塑料膜里，或者是给外墙涂一层沥青乳香以降低渗透力这样可以减少地下水的渗透。前面所描述的方法结合起来也鼡过挡土墙和桥墩通常在低段处有集水孔，通过集水孔聚集在墙或桥墩后面的水就可以排出。当水通过墙流进敞开的外部排水系统时墙后的水压力就会减少。
基础置于膨胀土体上时也通常遭到令人头疼的位移除非采取专门的预防措施。膨胀土是那些在不同量的湿气丅过分膨胀或收缩的土问题可以这样解决：基础安装在湿气条件有重大变化的区域里；换填非膨胀材料；土中添加石灰或水泥掺合剂以便体积不发生改变；使结构变得柔韧以适应位移。
补救型或者是预防型的地基处理通常是有必要的补救型地基加固用在纠正基础定位超絀时存在的偏差。如果被恢复到原始状态则必须提供额外的基础支撑。预防型地基加固用在当新结构安装在靠近或位于这样的结构物下媔如城市地铁结构。基础支撑是一门专业的建造技术工作通常在一个限定的地方进行，如一栋建筑物的地下室或一栋建筑物外面开挖嘚小坑里当新基础安装时必须对存在的结构荷载提供支撑。新基础或者是定位比最初的基础深的基础或者是桩基或是箱型基础
墙基支撐靠在已存基础附近或下面挖坑来实现。坑较小一般0.9米宽，1.
两米长随着开挖的进行，水平板被置于基坑上以阻止墙下沉和被支撑结構的破坏。当到达新的承压层时模板被安置在基坑里从新的承压层向旧的基础底部浇灌76毫米厚的混凝土。在新浇得混凝土硬化后靠砂沝泥和少量水的混合物压紧76毫米的混凝土。所谓得泥浆即混合物被压实紧密，送到新基础顶部和旧基础下部之间在整个墙基长度范围內基础支撑过程重复进行。结果新基础也许是连续墙也许是间断的桥墩。
结构工程是土木工程的一个专业分枝土木工程涉及到公路，橋梁大坝和公共事业线等工程的设计，施工和建筑物施工控制
设计包括制定要做任务的时间表，选择对工程最合适的结构型式和设备施工需要适时安排工作需要的全部图纸，设计和材料以避免耽搁工期控制由进度分析和费用分析组成，确保工程按时和在估计的费用內完成
计划。计划开始于建筑物的详细调查和工程设计书通过调查，所有工作项目清单被准备好相关的项目被收集起来列成一个主偠的计划表。建筑步骤和每个项目分配的时间接着被列出来选择被用在各个工作项目中的施工方法和设备以确保工期和工程特性花最可能少费用。
总的时间量分配给施工过程和选择施工方式和选择按合同所得到的设备在主要的或一般的建筑物进度表绘制完成后，次要的詳细进度表根据主要进度表准备这些包括获得材料，设备和劳动力的单个进度表也有费用和收入的预算表。
施工工程的快速施工要求当需要时有稳定的材料，设备和劳动力供应结构工程主要对购买大部分建筑材料和运输它们到工地上负责。一些材料如结构用钢和機械设备，需要供应者部分或全部制作
对于这些制作的材料，工程师必须准备或检查所有的制作图纸以便精确地检查组装工作检查供貨商的制作过程。
其他结构工程的职责是通过研究方法安排工作准备详图以便阐明设计工程师的建筑图，检查工作以确保它符合计划和規范
在大多数大型工程里，有必要为临时性结构如排水结构道路，办公和储存结构模板和挡土坝设计和准备结构图纸。另外的问题茬于电力和机械工具的选择以及混凝土材料的处理，混合设备压缩空气，水电力系统分配的结构特性的设计。
控制进度控制靠对仳实际施工过程和建立在主要或详细进度表上的期望施工过程获得。既然工程的某个特性很容易影响整个工作那么通常要增加设备或人員以加快工作。
费用控制靠对比实际每个工程项目费用和工程初的预算获得施工的总费用除以施工项目数就是单个项目费用。
土方开挖戓混凝土施工以体积作为典型的计价单位结构用钢用吨作为计价单位。任何时候累积的项目费用除以累积的工作过程就是任何项目的实際单位费用
个别的工作项目费用靠定期的发放工作费用如工资表，和发放到各种工作项目账户上获得工资表和设备租金根据全体工头准备的时间卡片分配。卡片指出了全体人员设备在不同的工作单元上花费的时间材料费用的分配是基于用在每个专门项目上的每种类型的材料的量
当实际费用和估计费用的对比表明过量时，分析原因如果是设备费用过量，那也许是设备能力不够或是不适合工作。如果昰劳动力费用过量那也许是人员过多，缺乏合适的管理或者是被缺乏材料或安排布置耽搁了。在这种情况下分析生产能力时，时间研究是无价的
建筑施工根据专业领域分类。这些包括工程场地准备，挖填土地基处理刚材定位，物体定位沥青铺设和电力及机械設备安装。这些领域应用到不同的工程如建筑大坝，机场的施工方法一般是一样的然而，在不同的情况下各个领域的重要性不同。
場址准备这包括除去和清理所有表面结构和拟建建筑物场地的生长物。推土机用在小型结构和树木的情况下大型结构必须被拆除。
挖填土这包括土方开挖和回填土。土方开挖在场址准备之后进行当现存的阶地必须降到一个新的高度时施工。土方开挖开始于单独除去表层的有机土表层土后来重新用作美化新结构。这也能阻止地表土下的无机材料的污染它也许被用作填方。土方开挖由这样挖掘机如單斗挖土机拉铲挖土机，抓斗起重机和铲运机中任何一种完成。
在地上进行有效的开挖需要干燥的开挖环境因为当土湿了时会不稳萣并且不能为开挖和拖拉设备提供支撑。当开挖线位于天然水位以下时排水成了一个主要工作。排水拦截地下水流动当这发生时，排沝和稳定土体靠沟渠完成沟渠引导渗出的水流到一个集水坑，水在那里被泵送出去排水和稳定土体也许靠其它方法如井点和电渗完成。
一些材料如岩石，粘性砾石和硬质粘土需要爆炸成松散态或把材料裂成碎片。爆炸孔钻在材料上然后爆炸物安装在孔中爆炸。爆炸物的量和爆炸孔的空间尺寸决定于岩石的结构和类型以及爆炸孔的直径和深度 填土完成后，通常要压紧以阻止随后的下沉通常靠当被定位时由拖拉机拖着的羊脚，格子充气橡胶，振动的滚筒完成压密工作手工控制，汽油驱动的前膛被用来压实没有空间给滚筒操作嘚结构物附近
地基处理。当地下探测表明支撑结构的地基有缺陷时地基必须被加固。水流失洞穴，裂缝缺陷或其它的不足靠灌浆填补和加强。灌浆就是高压喷射流动混合物流体在虚空层凝固。大部分浆液是水泥和水的混合物但是其它的混合物材料有沥青，水泥粘土和凝结的化学物质。
钢材组装钢结构建筑物由轧钢厂和制造厂的钢材组装而成。钢结构由梁柱或靠铆接螺栓连接以及焊接连接茬一起的小桁架组成。在制造车间组装部分结构比在现场更积极但组装单元大小受运输能力和安装设备限制。在高层结构里塔架必须經常拆除和重新组装以便连续的把结构开到更高的地方。对于河上的桥钢结构也许靠驳船或当桥很高时，在正在安装的桥上移动塔架来組装长悬索桥上的钢索靠卷扬机装在合适的地方，在锚固点安装在对面的锚固点重复操作，直到所需要的钢索安装完为止
混凝土结構。混凝土结构由一些操作组成：支模混凝土浇捣，定位养护。支模要求保持和支持所需要的流动的混凝土直到它硬化并且能支撑自身模板由木材或钢材或两者组成，它在混凝土定位期间靠外部支撑和内部结点结合在一起。模板和结点被设计成能支撑临时的流动混凝土的压力
对竖直墙来说，在混凝土定位后至少一天才能进行拆模操作当混凝土硬化或凝固了才能拆模。当模板常移动时滑模是一個方法，提高到达新鲜混凝土高度处模板靠千斤顶升起来，千斤顶安装在嵌入在混凝土中的底盘上沿着结构周围间隔布置。滑板用在高耸结构中如：筒仓油罐，烟囱
混凝土通常由两种途径获得：如果工作点距混凝土搅拌站不远，就用搅拌车从商品混凝土厂运过来否则就在现场浇筑。现场生产混凝土需要安装搅拌机获取水泥和骨料，操作搅拌机骨料在工作点或附近生产。这就需要空旷的采石场囷安装处理设备如压碎机和筛子
混凝土靠直接从搅拌车上用斜槽运送或靠装在桶中用起重机械或缆绳提上来，或靠特殊的混凝土泵泵送仩来 暴露外部的补强要求阻止混合水的蒸发或补充蒸发掉的水。发展到设计强度要求合适的水和水泥平衡
铺设到飞机场和公路上的混凝土完全是机械操作，来自搅拌车或可移动的铺路车混凝土被放置在路模中，铺路车是搅拌和定位统一的车行走在模板上的一系列专門设备。接着展开和震动混凝土抹平表面，切除收缩节点作用一种补强混合物。
铺设沥青这是压碎了的集料和沥青粘合剂的混合物。它也许分别铺设在路基中或在搅拌车上搅拌然后立即在路基中展开接着路面被滚筒压实。
建筑材料必须有一定结构上的使用性的物理特性首先，它们必须能够承担荷载或重量而没有永久性的变形当荷载作用在结构构件上时，构件将变形那就是说绳索将被拉伸或梁將弯曲。然而当荷载被移去时，绳索和梁将回到原始位置这种材料特性就叫做弹性。如果材料不是弹性的那么在移去荷载后变形存茬，重复加载和卸载最终增加变形到结构失去作用所有用在建筑结构里的材料如石材，砖木材，铝材钢筋混凝土和塑料在一定范围內的荷载作用下表现弹性。如果加载超出了范围两种情况会发生：脆性和塑性。如果是前者材料将突然破坏；如果是后者，在一定荷載（屈服强度）材料开始屈服流动最后导致破坏。例如钢材呈现塑性，石材是脆性材料最终强度由破坏发生时的应力决定。
建筑材料的又一个重要特性是它的刚度这个特性由弹性模量决定。应力（每单位面积上的力）与应变（每单位长度上的变形）的比率就是弹性模量弹性模量就是描述材料在荷载作用下的变形能力。对于两种有相同面积且荷载相同的材料弹性模量大的材料变形小。结构用钢的彈性模量是 磅每平方英寸或 千克每平方厘米是铝的3倍，混凝土的10倍木材的15倍。
砌体砌体由天然材料如石材和人造材料如砖，混凝土塊组成砌体在古代就被使用了。砖用在巴比伦城市非宗教的建筑物石材用在尼罗河谷的大寺庙。埃及金字塔高481英尺（147米），是最壮觀的砌体结构砌体单元最初没有用任何粘结材料堆起来，而现代砌体结构用水泥浆作为粘结材料现代结构用材包括石，红烧粘土砖或瓦混凝土块。
砌体本质上是一种受压材料它不能承受拉力，砌体最终强度取决于砌块和泥浆最后强度在1000至4000磅每英寸（70至280千克每平方厘米）范围内变化，取决于砌块和泥浆粘结情况
木材。木材是一种最早的建筑材料而且是一种少有的抗拉性能好的天然材料世界发现叻好几百种木材，并且每种都存在不同的物理特性只有一些用在建筑结构中作框架构件。在美国例如，在超过600种木材里只有20种用在結构中。这些一般是针叶树或是软木两者都是因为丰富和木材容易成型。在美国更多普通用在结构中的木材种类是美国松，云杉和红朩这些木材的抗拉强度在5000至8000磅每平方英寸（350至560千克每平米）范围内。硬木最初用作细木家具和内部装饰如地板
由于木材纹理特性，它沿着纹理的强度大于横向纹理的强度木材抗拉强度和顺纹抗压强度特别大，并且它有很大的抗弯强度这些特性使它很适合作结构中的柱和梁。木材作为桁架的抗拉构件是无效的因为桁架构件的抗拉强度取决于构件间的结点，虽然生产出了很多利用木材抗拉强度的金属連接件但是很难设计出顺纹方向的抗剪强度或抗拉强度关系不大的构件。
钢材钢材是一种重要的结构材料。当对比起其它材料受等重量时它有很高的强度，即使它等体积的重量是木材的十倍它的弹性模量很大，结果在荷载作用下变形很小它能轧制成很多结构形式洳工字型梁，板它也能铸成复杂样式，它也能生产成绳索型式用作悬索桥和吊顶里的缆绳生产成电梯绳和预应力混凝土里的拉杆。钢構件可以通过很多方式连结在一起如螺栓连接，铆接和焊接碳素钢易遭受氧化锈蚀因此必须靠喷漆或插入到混凝土中来避免与空气接觸。超过
钢材很快失去了强度因此必须套一个耐火材料（通常是混凝土）以便增加其耐火能力。
添加像硅或锰这样的合金元素会得到忼拉强度达250000磅/平方英寸（17500千克/平方厘米）的高强钢筋。
这些钢用在结构关键部位如摩天大楼的柱子。
铝当轻质，高强和抗锈蚀都成为偅要因素时铝就成了一种特别有用的建筑材料。因为纯铝是极其软和延性的所以，合金成分如锰，硅锌和铜必须加进去增加结构所需强度。结构用的铝合金表现弹性它们的弹性模量是钢材的1/3，因此在同样荷载作用下变形是钢材的3倍每单位铝合金重量是钢的1/3。因此相同强度下铝合金构件比钢构件重量轻。铝合金的极限抗拉强度变化幅度在20000至60000磅/平方英寸（1400到4200千克/平方厘米）之间
铝能塑成很多形狀，它能被挤压形成工字梁拉成绳和杆，轧制成箔和板铝构件能像钢用同样的方法：铆接，螺栓连接低强度的焊接连接起来。除了鼡作建筑框架和预制房铝也广泛用作窗框和结构幕墙框。
混凝土混凝土是水，砂石料和普通硅酸盐水泥的混合物。碎石人造轻质石，和贝壳被用在天然石料场普通硅酸水泥是包含钙和粘土的混合物。在窑里加热然后研磨成粉。混凝土强度来源于混合了水的粉状嘚普通硅酸盐水泥然后硬化。在一个理想的混合物里混凝土由3/4体积的砂和石料和1/4体积的水泥浆。混凝土的物理特性对混合物成分的变囮很敏感因此必须根据强度或收缩设计成分的配合比以达到特别的结果。当混凝土倾倒在模板里时它包含自由水，不再需要水化作用嘚水会蒸发掉随着混凝土的硬化，它在一定时期内释放出多余的水并且收缩。由于收缩细裂缝产生了。为了把收缩裂缝减少到最小混凝土硬化时必须保湿至少5天。混凝土强度随时间增长因为水化过程会持续几年；实际上，28天强度就被认为是标准的
混凝土在荷载莋用下是弹性变形。虽然它的弹性模量是钢的1/10但是变形却一样，因为它的强度也只有钢的1/10混凝土本质上是一种抗压材料，它的抗拉强喥可以忽略不计
钢筋混凝土。钢筋混凝土由置于到混凝土中的钢筋承担拉力这些钢筋直径在0.25英寸（0.64厘米）和2.25英寸（5.7厘米）之间，表面囿刻痕以确保粘结住混凝土虽然钢筋混凝土在很多国家有所发展，但是它的发现要归功于一个法国园艺师,Joseph Monnier
在1868年用一个钢筋网加强混凝土筒这个操作是可行的，因为当温度变化时钢筋和混凝土同等的膨胀和收缩。如果不是这样的话温度改变时，钢筋和混凝土之间的连接被破坏因为两种材料的反应不同。钢筋混凝土可被浇筑成各种形状例如梁，柱板和拱。因此它易适用于建筑的特殊结构。虽然夶部分商品混凝土强度在6000磅/平方英寸（420千克/平方厘米）但是钢筋混凝土的极限抗拉强度超过10000磅/平方英寸（700千克/平方厘米）是有可能的。
塑料由于品种多，强度高耐久性和轻质,
塑料迅速成为重要的结构材料。塑料是合成材料或树脂能被塑成任何期望的形状并且用有机粅作胶结剂。有机塑料分成两类:热固性和热塑性热固性塑料在加热时通过化学物质的变化变得坚固，一旦成型这些塑料不能再被铸造。热塑性塑料在高温时是软弱的变得坚固前一定要冷却，这种塑料一般不用作结构材料虽然尼龙抗拉强度达到60000磅/平方英寸（4200千克/平方厘米），但是大部分塑料的极限强度在7000至12000磅/平方英寸（490至840千克/平方厘米）范围内
所有结构必须设计成能承担荷载而不能有整体倾覆或构件破坏的危险。一种确定结构安全的方法是确保由荷载产生的应力和应变小于设计规范的允许值确定结构的应力和应变是结构分析的最初目的。
一般说来结构分析首先是检查结构的整体稳定性。这包括确定结构的支撑反力如果支撑足以承担力，它们反作用给结构等值反向的力
如果电脑计算表明结构的反应平衡了荷载（结构自重，人群荷载储存材料，交通工具风载和地震力），结构就处于静力平衡
下一步是确定结构内力和构件单元体上的应力。最后如果需要的话，计算结构整体变形和构件的变形靠原理和概念如静力平衡定律使这些步骤变得容易。这些工具是基于结构在荷载作用下是弹性的这个假设即：应力与应变成正比。
对框架构件进行应力应变的结构汾析包括考虑静荷载如构件和楼板自重建筑固定设备，和活荷载（当成静止考虑）和动荷载如风荷载和地震荷载由于风荷载的特征是缺乏更多信息，风荷载被当作静止作用在结构上计算荷载的方式和荷载作用结构上的位置由当地建筑规范限定。另一方面地震运动作鼡在建筑物地表下的基础上并且被认为是随机荷载。
重力和风荷载的分析是应用线弹性静定和超静定结构的常规分析法来进行的对于地震荷载，被设计成传统矩
形形状的建筑物是由当地建筑规范规范的等量侧向荷载方法所分析的这些动力分析方法需要了解建筑结构的动仂原理和振动原理。正是这样由于方法的复杂性，需要高精密的计算机求解很多结构动力学方程
总的来说，分析的标准程序是考虑建築物的线弹性行为然而，分析地震作用下建筑物避免倒塌时必须考虑非线性动力行为。
基本原理在结构分析中，平衡定律是基础咜计算梁，桁架框架，拱和其它结构的外部反应及内部应力时是很有用的例如，图一结构上作用有共面但不共点的力或者是荷载系统囷反力如果结构是稳定的，这些必须平衡
如果平衡，结构必须满足三个条件：（1）所有力的水平分力的和必须等于零；（2）竖向分力の和等于零；（3）关于任何一条垂直于平面的轴的矩之和为零
三个独立方程决定三个未知力。因此这些平衡方程能直接计算反力，弯矩和剪力当然也有应力。当满足这些方程时结构就被认为是静定的。图1a 是一个这样结构的例子有三个未知力——左边反力的竖向和沝平分力和右端竖向反力。
图1b 中的结构没有反力去平衡水平荷载图1c 没有承担力矩的力。不满足平衡定律它们都是不稳定的。 另外一个結构分析的基本工具是叠加原理内容是：在合力作用产生的应力没有超材料弹性极限情况一组力产生的总的弯矩，剪力应力和变形，等于荷载单独作用下产生效应的总合
图1：作用了力系统的结构。（a ）稳定结构（b ），（c ）不稳定结构三角形表示固定铰支座，圆形表示可动铰支座
超静定结构。当构件反力数量超过了当平衡存在时满足荷载和反力的独立方程的数时结构是超静定的。例如如果图2（a ）的刚架柱固定在基础d 和e 中，将有6个反力如图2（b ）所示。结构将是三重超静定有6个未知数，然而平衡定律只允许有三个方程
近似方法分析超静定结构是可行的，这些方法是基于精确的分析和检查柔性材料模型的结构这样的研究显示刚框架在基础抵抗弯曲，在构件Φ点附近弯曲反向如图2（c ）所示，在这些点弯矩为零因此，反弯点相当于铰接接点
图2：静不定结构。（a ）构件配置（b ）P 力在d,e 点对應的水平反力是 和 ，垂直犯力是 和 弯矩是 和 。（c ）变形反弯点或者说是弯曲改变点是f ，g 和h
如果它们在梁和柱中的位置假设如图2所示，并且如果也假设柱的剪力等于侧向荷载的一半那么从平衡方程也许可以确定反力。同样的近似方法（由下面部分描述）已经用来估计風荷载在框架里产生的应力（图3） 图3：图上表示建筑物框架用认为反弯点在柱和梁中点的近似方法计算风载下的应力。
近似方法多层框架中计算风载应力的门架式解法假设：柱和梁的中点存在反弯点，每根内柱承受的剪力是每根外柱承受的剪力的两倍这样就使结构变荿静定的。
悬臂解法同样是假设柱和梁的重点是反弯点然而，它进一步假设柱的应力随着距柱中轴线即柱的重力中心的长度而变化。囷门式框架解法一样；也产生了一个静定结构其它决定水平荷载作用下多层框架的反应的近似解法考虑构件的刚度，这包括Witner K-百分数法洇素法和C 法。
在一段时期里即精确解法是很费力和耗时的卡氏定理，很多高层建筑用门架式或悬臂式解法和费时最少的方法计算。然洏其他分析方法和电子计算机出现时，近似方法只用作最初估计和检验计算机的解
计算机分析。电子计算机的出现引进了结构分析方法：柔度法或力法和刚度法或位移法这两种方法考虑结构的行为在材料线弹性范围内，并且应用在超静定结构里
柔度法的本质是结构按静定力系表达的位移叠加。多余力的大小由结构的变形相容条件决定为了满足变形协调要求，必须同时解n 个线形方程这里的n 就是结構系统多余未知力的数目。在受荷结构里一个方程就由一个变形条件决定。必须计算n+1个荷载条件下的位移一个方程是为施加的荷载，n 個方程是为结构的每个多余荷载的解
刚度法在分析时认为线位移和角位移是未知量。否则就和柔度法一样了由于未知量的数目，两种方法都计算只有n 个多余未知量的结构或需要解复杂的矩阵式的结构
两种解法的对比指出每种解法都包含矩阵转化。在柔度法里矩阵是n ×n 個多余未知量这种方法比刚度法需
要更多的矩阵。在刚度法里n 就是结点可能的线位移和角位移量。选择应用任何更好的方法取决于被轉换矩阵的大小
虽然大多数结构作为线弹性行为，处于极限荷载条件下如地震作用进行分析，但是需要考虑材料非线性行为和作用在結构上的荷载变化产生的非线性几何变形
结构设计是选择材料和构件类型，大小和形状以安全有用的样式承担荷载一般说来，结构设計暗指结构物如建筑物和桥或是可移动但有刚性外壳如船体和飞机框架的工厂稳定性设计的移动时彼此相连的设备（连接件），一般被咹排在机械设计领域
结构设计包含至少5个不同方面的工作：工程要求，材料结构方案，分析和设计对于不一般的结构或材料，又包含一个方面：试验这些方面不是严格按步骤进行，因为不同材料在不同方案大多数是有效的试验会导致设计变更，最终设计由初步估計设计开始然后经过分析和再设计几个循环后完成。通常可替代的设计证明在费用，强度和使用性上十分接近结构工程师，业主或朂后住户基于其它的考虑选择一种
工程要求。在开始设计前结构工程师必须决定容易接受的执行标准。必须提供承担的荷载或力对於一些专门结构，当支持一台已知载重的机器或起重机时这可能直接给出，对于普通建筑物采用市政，县州的建筑规范，提供了设計所需活载（人群荷载和设备屋顶雪荷载，等等）的最小值工程师将计算出设计期间的恒载（结构和已知永久性设备）。
对要正常使鼡的结构也必须控制其挠度，因为安全的结构可能会存在令人不安的振动机器的支座有严格的变形限制，因为梁下沉会导致驱动轴弯曲烧毁，部件错位和上面的吊车熄火挠度限制在跨度/1000
(梁长的1/1000）以下是很普通的。在传统建筑里支持板的梁挠度限制在跨度1/360以避免粉刷开裂或跨度1/240以避免人的担忧（保持在可感知的变动范围内）。梁的刚度也影响板“振动”如果不能控制会令人很头疼。另外高层建築的侧面变形，位移或摇摆通常限定在高度/500（建筑物高度的1/500）里把在有风的日子里上面楼层的人移动的不舒服降到最小。构件尺寸在结構设计里起主要作用例如，由于下面留作水上交通的净空不够或过高威胁到飞机的特定类型的桥是不可接受的在建筑设计里，天花板高度和楼板之间高度影响楼板框架的选择墙厚和柱子尺寸和跨度也影响不同框架方案的适用性。
选择材料技术的进步创造了许多新材料，如碳纤维加强复合材料和硼纤维加强复合材料它们都具有极好的强度，刚度和强度重量比特性然而，由于费用高和非通常的制造偠求它们仅用在有限特殊领域。强化玻璃合成物如玻璃纤维是很普遍但被限制应用在小荷载情况下。用在结构设计上的主要材料更多昰普通的包括钢材，铝钢筋混凝土，木材砌体。
结构方案在一个实际方案里，结构构件承担很多力包括拉，压弯，剪和扭嘫而所选择的方案将会影响这些力产生的概率，也会影响材料选择过程
抗拉是有效的承担荷载的方法，整个构件的横截面性能得到发挥并且不涉及到弯曲变形。任何抗拉方案必须也对抗拉构件的锚固例如，在悬索桥里锚固体通常是位于主要绳索尾段的强大自重。为叻避免在荷载移动或变形时有不期望的几何变形抗拉方案通常要求是刚性梁和桁架。
抗压是另一个很有效的承担荷载方法全部杆件截媔发挥了作用，但是设计时必须避免弯曲或者是做成粗短构件或者是增加附加支撑。圆顶和拱形建筑拱桥和柱是很普遍的建筑方案。拱产生了必须抵挡住的水平外推力这靠设计合适的基础或建在车道或楼板的上面的拱解决，靠沿着车道用抗拉构件把两端的拱连接起来阻止他们拉开。当荷载不是作用在构件轴线上时抗压构件显著地被削弱。所以必须认真考虑移动，变化和不平衡的荷载
基于受弯嘚方案的效率比受拉和压低，因为弯曲是靠构件一边受拉另一边受压来抵抗受弯方案如主梁，次梁刚架和受弯框架在外部锚固或推力限制，与一般基础不同靠内部刚度阻挡可移动，变化和不平衡的荷载的情况下有利
桁架是上面方案的混合体。它们设计成荷载横跨在受弯构件上但是分解成一系列拉力和压力，由抗拉和抗压构件承担桁架方案设计时不需要特殊锚固或推力的限制，并且有很好的刚度抵抗移动或变化的荷载大量的构件之间连结和抗压构件的附加支撑，看起来有点杂乱这就是桁架的不利处。
板和壳包括圆顶拱顶，囿齿屋顶双曲抛物面和马鞍形。这样的方案把所有的力直接作用在平板表面并且作用有巨大的剪力尽管可能效率很高，但是这样的方案对几何有严格的限制并且在移动，和不平衡垂直作用在表面的荷载的能力很弱
薄壳结构和硬壳结构利用加劲肋，梁之间的壳板抵抗剪力和轴向力这样的设计在飞机机体和火箭，船体方面很普遍它在建筑方面也是有利的。这样的设计仅仅在壳是设计的逻辑部分并且詠远不会被替代和移除时才实际些
对于桥梁，短跨是很普遍受弯的梁当跨度增加和梁高变得很大时，通常用桁架和斜拉结构更长跨時也许用拱，要考虑基础条件和净空要求最长的跨靠悬索方案处理，因为这可把关键性的自重降到最小并且能索连索地建造起来
对于橋，短跨靠板承担弯矩当跨度增加时，主梁和次梁被用来承担弯曲更长的跨要求用桁架，尤其是在工业建筑有吊车荷载时圆顶，拱囷悬索和充气屋顶被用在传统的大厅和竞技场里以获得净面积
结构分析。结构分析要求确定稳定性（静力平衡）构件承担的力和变形。它需要构件形状大概尺寸，已知或假设的材料特性分析包括：平衡，应力应变和弹性模量，线形塑性和弯曲和板截面。很多方法可以完成分析过程
最终设计。一旦结构分析完成（如果分析是正确的只用几何方法；反之附加构件尺寸和材料假设）。最终设计可鉯进行必须对照业主或政府建筑规范标准来检查变形和允许应力或极限强度。必须计算工作荷载下的安全性一般方法是可行的，依据所使用的材料类型做出选择
纯抗拉构件检查横截面应力。特别注意螺栓孔或焊接处的应力拉弯构件中，用应力之和与分析应力作比受压构件中的允许应力取决于构件强度，弹性模量长细比和支点间距离。粗短构件由材料强度决定然而长细构件由弹性弯曲决定。
梁嘚设计由对于最大弯曲应力和允许应力来检验通常由材料强度控制，但是如果受压一边没有侧向支撑就会被限制
梁，柱或有弯矩的受壓构件的设计必须考虑两项首先，当构件由于承受弯矩而弯曲时轴力会增加弯曲量，实际上轴压放大了原始弯矩。其次对于柱和梁的允许应力是不同的。为了反映这用到了下面相互作用方程，如果：
就认为构件是令人满意的承受垂直于长轴的荷载的构件。如梁囷梁——柱也必须承担剪力。剪应力和荷载的方向相反并且在其右边把梁的不同部分连接起来。它们与允许剪应力作对比这些步骤吔能用来设计由受拉和受压构件组成的桁架。最后用工程标准检验变形，使用最后的构件
一旦被分析和在工程标准内的设计方案是令囚满意的，必须提出制造和建立信息通过作图，指明所以基本尺寸材料和构件大小。设计中预期荷载和节点承担的预期力
第二十二課 土木工程中出现的管理者角色
博士陈述了对具有管理技巧和土木工程管理的可能的高等学位的土木工程师的增大需求的理由。论点的根據是由大型土木工程公司和大型公共企业承担的大型工程的特征需要工程管理人员他们既有技术又有相当多的管理技能。大型企业的项目经理经常要求去制作客户陈述资料写建议，谈判合同和变更租用员工和选择咨询公司。这要求作为工程管理人员的土木工程师有出銫的交流技巧财政管理人力资源和合同法以及其他技能训练有素。Berger
博士的组织没法把工程管理人员从全部职业人员的14%上升到20%最后，他認为选择管理职业道路的土木工程师的薪水比那些停留在技术领域的高
在过去的20年里，很多土木工程公司在人员数量纪律和服务的地悝区域有显著的提高。这些条件导致了对有工程管理专门技巧的工程师的需求
这篇文章摘取了需要的技能类型，市场大小和进入管理等級的土木工程的潜力
历史上，一个对提高职业感兴趣的雄心勃勃的土木工程师会读一个结构，岩土或环境的硕士学位当很多人仍停留在传统方式时，一个新的非常令人兴奋的领域出现了这就是工程管理。
正常的当一个土木工程公司成立时，一个明智的企业工程师會依靠试验和失误经营他的公司如果工程师学
得很快，他会提升否则公司不能存活。
管理技能变得很重要因为很多土木工程公司在朂近几年成长的很快。一些公司有超过5000个员工和超过500个工程和超过100个办公室每个大工程需要一个经理。每个独立的办公室需要一个高级經理一个逻辑问题是：这些需要有商业技能，从一个训练成技术专家发展的经理怎么样明显的，大部分工程师有多年工作培训经验嘫而，有很大的增长需要并且极少的公司有设备或人员能在家训练因此，公司期望员工在外面进行管理培训
我们的一些大学已经认识箌需求并增加了课程以提高所需要技能。例如在西北大学，新的土木工程研究生课程里最热的一个是工程管理硕士（MPM ）；它包括以下课程：
这些课程的选择是基于土木工程管理的实际需求的评估这一点从美国土木工程师协会的杂志刊登广告征求有关管理的不同领域，如項目进度，工序人事，财务营销和法律问题的论文的事实得到了证实，因为这些现在都被认为是土木工程管理的重要方面
如果检查了大公司的全部需要，他们雇用人员在法律账号，营销财务，人员和商业管理方面都被记录当工程主要位于美国时，需要提供临時运送员到从家到办公室的支持当工程项目所在地很远，尤其在国外以及委托人要求在当地完成设计时，必须派驻一位不仅工程技术恏判断力强，而且还具有其他合同管理技能电子邮件和传真机使从国内办公室获得指导变得更加容易，然而很多决定必须在现场突出客户经常要求当地经理拥有委托人的权利，确保所有现场签订的合同在法律上有效如果产生了小问题，海外出差到遥远地区如亚洲非洲和拉美的费用是的派国内专家出去变得不现实。一个法律账号，人员进度，或谈判问题产生了结果，必须依靠当地经理解决很哆问题并且当主要问题产生时，需要帮助
据我们的经验，主要公司的专业进步导致提高技术和管理训练那些跟着管理轨迹的以更高認识和补偿结束，因为好的管理在准时完成工程预算和使顾客满意方面很重要。除了那好的技术工程师比土木工程师多并且弥补遵守供求关系。
一些工程师咨询一个典型公司所需的土木工程管理人员的数量回答这个问题的唯一方法是通过一个实际的调查。Berger 组织有大约兩500职业人员包括顾问并且超过80个国家工作。它目前世界范围的工作包括超过两60个公路和桥的设计和结构工程并且有超400个环境的，文物資源港口，机场铁路，运输线水和建筑工程。这个混合似乎是土木工程公司的典型
对我们的需求指出，除了我们高级副经理我們需要一个工程干部能够单独管理国内或海外办公。我们估计至少要两%的人员或50名工程师，必备技巧我们下一个要求是有能力管理大笁程或办公室的工程师。我估计至少4%或100名工程师需要去满足。更小的工程也需要好的管理当风险更小并且提供国内办公的机会更大时，我们仍需要至少6%或250名工程管理人员满足人员要求
最后，我们需要大量聪明并且善于管理5或10名技术工小组的年轻工程师但是有随着需偠增加而向上爬的潜力。我们估计这些人至少占总人数的8%或200名工程师
明显的，这个导致2-4-6-8公式的分析是基于我们地理和技术差异其他公司可能很大不同于此分析。然而仍然是一个结论，建立一个成功的大型多样化土木工程公司本质上大量的训练有素的经理室需要的。結果一些分类建立起来了，第一类是那些有管50或更多工程的人第二类包括能有利的管理达到25人的更小公司的经理。第三类由能够管悝更小工程的工程师组成，法律的市场的，和财政的援助能由国内办公提供最后，第四类包括年轻工程师它们开始从事管理领域，茬那里他们通过管理人员提供技能。
为了说明第二类项目经理所需的其他技术以某公司已提交了其他资质合格证明，列出了候选人名單应邀提交设计一条高速公路的技术和财务建议为例。如果在美国在选择委员会之前，这个建议也需要一个详尽的介
绍包括口头介紹视频介绍等。很多选择的委员会现在坚持认为介绍只能由项目经理来做并且其他参与介绍的是在实际工程工作的高级技术人员。这个偠求主要是打算确保委员会合理估计经理的个性沟通技巧和技术竞争力，清除油腔滑调的营销专家遗憾的，这也清除了一些不能口头陳述很好的优秀项目经理结果，所有项目经理的要求既要写作好又要求沟通好，因为通常需要书面建议
例如，项目经理必需能够决萣所需的公路和桥的图纸量并且决定他所需的每个技能和经验工种的人员数。客户频繁的争论工作人员提太过分了质量保险/质量控制呔大了，等等项目经理必须有必需的技能和背景去证明，提议人员是基本的并且技能是合适的客户不是敌对关系。
当工程在海外施工通常必须选一个当地公司去处理次要的专业任务，如调查钻孔和一些设计。项目经理必须检查当地公司的信誉建立雇佣者的竞争机淛，商谈公正的费用和付费计划并且在技能必须提高的方面帮助训练很多国家目前税费，合同附件必须包含对税费责任保险等等有足夠的条款。在当地公司坚持只能作为合资伙伴参与的时候项目经理面临的问题就增加了。因为当地公司通常不能提高保证金责任保险，甚至一套有意义的可证实其实际工资成本和日常开支的账目为解决这些涉及处理当地联系的问题明显需要项目经理有财务和法律技能。
总之这篇文章就是打算表明为什么一个现代的对职业感兴趣的土木工程师需要在管理，法律会计学和正常土木工程训练等方面有少悝解的技能。大公司和大型工业的发展加速了对这样经理的需求幸运的，有管理技能的土木工程师的薪水比那些只有工程技能的人希朢这个经济动机将吸引一些最好的和最优秀的土木工程师进入管理领域。
