第一課人造建材建筑材料是用于建筑目的任何材料,許多自然形成的物質,如黏土、砂子、木材、巖石,甚至巖石和樹葉都用來建造房屋.除了天然材料之外,人們還使用許多人造材料,它們或多或少地都是人工合成的.建材生產已經是許多國家的固有產業,這些人工材料通常都按特定工種分類,如木工、管道工、屋面和保溫工程,此處涉及到的是用于居住和結構的建筑材料.磚和砌塊磚是一種窖中燒制的塊材,通常由黏土或者頁巖,甚至低級泥土等制成.在軟泥制作法中,粘土磚是用模具成型；而在商業化硬泥加工法中,更多的是將粘土擠壓過一個硬模,然后用鋼絲將其切成合適的尺寸.在17、18和19世紀,磚曾被廣泛用作為建筑材料,這大概是因為其在不斷擁擠的城市中比木材更耐火,而且較廉價的事實.在20世紀晚期,另一種塊材取代了粘土磚,這就是所謂的煤渣砌塊,它們大都由混凝土制成.在發展中國家有一種重要的廉價建材稱為砂磚,與燒制粘土磚相比,其強度較低但卻更加廉價.混凝土混凝土是一種復合材料,由骨料和粘結物（如水泥）制成.最常見的混凝土是波特蘭水泥,它是由礦物骨料、波特蘭水泥和水混合而成的.混合之后,水泥發生硬化反應,最終硬結成為一種像石頭一樣的材料.當在一般意義上的使用時,將這種材料稱為混凝土.對任意尺寸的混凝土結構,由于其抗拉強度很低,通常用鋼筋對其進行加強.為了盡可能的減少使混凝土結構性能降低的氣泡,當將具有流動性的混凝土拌合料澆入鋼模時,用振搗器將其排出.混凝土已經是現代社會的主要建筑材料.混凝土造價低廉并且能夠長期支撐結構物.金屬金屬用作為大型建筑物（如摩天大樓）的結構框架,或者作為內裝修材料.用于建材的金屬有很多種,鋼材是一種金屬合金,其主要成分為鐵,常用作為金屬結構的建筑材料.鋼材強度高,柔性好,例如精制而成或者經過處理,其耐久性亦好.若使用年限較長,銹蝕則是金屬的主要缺陷.鋁合金和錫合金的低密度和更好的耐銹蝕性有事抵消了其高成本,黃銅在過去更為常見,但是現在僅限于一些特殊場合.金屬廣泛應用于預制結構中,如匡西特活動板房,在大多數大都市中其應用比比皆是.生產金屬需要大量人力,特別是建筑業需要大量金屬時更是如此.其他用途的金屬有鈦、鉻、金和銀.鈦可以用于結構物,但是其價格比鋼材高出許多.鉻、金和銀用于裝飾,這是因為它們價格高而且結構性能差,比如其抗拉強度和硬度都較低.玻璃自從有了覆蓋建筑物的小洞口的玻璃以來人們一直在使用明亮的窗戶.玻璃能使光線射入房間同時還能隔絕外界惡劣氣候.它通常是由硅和硅酸鹽混合制成,因而極易破碎.現代玻璃幕墻可以用來覆蓋整個建筑物表面,在空間框架中也可以玻璃來覆蓋大跨度屋面結構.陶瓷陶瓷制品有瓷磚和固定設備等,陶瓷最常用作為固定設備或建筑物表面裝飾.陶瓷曾經是一種特殊的窯中燒制的粘土陶瓷,但是它已經發展為一種技術含量更高的材料.塑料塑料這一術語包括一系列人造或者半人造有機縮合或聚合物,只要它們能模制或擠壓成為物體、膜或者纖維即可.其名來自于在半液態時的延展性.塑料的耐熱性、硬度和彈性千差萬別,結合此適應性,塑料成分的一致性和其較輕的自重使其幾乎可以用于各行各業.纖維織物帳篷曾經是游牧民族住所首選,這其中包括兩種著名的形式,即圓錐形帳篷和蒙古包.隨著抗拉結構的出現,帳篷已經發展成為以后總主要的結構技術.現代建筑物可由柔性材料制成,并由一種鋼纜體系或者內部氣壓支撐.第二課抗拉強度抗拉強度是使材料發生斷裂或者產生永久變形的應力.材料的抗拉強度是一種延展特性,因此它并不取決于時間的尺寸.但是它取決于試件的制備、測試環境的溫度和材料溫度.抗拉強度以及彈性模量和抗銹蝕性都是用于各種結構和機械裝置的工程材料的重要參數,對于各種材料,如合金、復合材料、陶瓷、塑料盒木材等都規定了其抗拉強度.有三種抗拉強度屈服強度,是材料從彈性變形到塑性變形轉化時的應力極限強度,是材料承受拉伸、壓縮或者剪切時可以承受的最大應力,是應力應變曲線上的最大應力斷裂強度,與應以應變曲線上的斷裂點相對應的應力各種抗拉強度如下面的低碳鋼的應力應變圖（Fig.T1.1a)所示：金屬材料在達到屈服點之前具有線性應力應變的關系.如圖Fig.T1.1a所示.由于應力作用區的碳原子相互作用和錯位,有一些鋼材在屈服強度后出現應力下降現象.冷加工鋼材和合金鋼并無這種效果.大多數金屬的屈服點不是那么明確.應力低于屈服強度是,在卸載之后變形可以完全恢復,材料將返回到期初始形狀.如果應力超過屈服點,則變形就是不可恢復的,材料不會恢復到其最初始的形狀.這種不可恢復的變形稱為塑性變形.對于許多應用來講,塑性變形是不能接受的,因而將屈服強度作為設計極限強度.過了屈服點之后,鋼材和許多其他延性金屬將經歷一段應變硬化的過程,即在達到其極限強度之前隨著應變的增長,應力再次出現增長.如果材料是在這一點上卸荷,應力應變曲線將與起點和屈服點之間的曲線相平行.若是重新加載,它將會按照卸載曲線重新達到極限強度,并成為新的屈服強度.當將金屬材料加載到其屈服強度之后,它將發生頸縮,即截面面積由于塑性流動而開始減小.當頸縮很大時,可能導致工程應力應變曲線關系逆轉變化,即因為幾何效應而使應力減少應變增加.這是因為工程應力應變是在假設發生頸縮前原橫截面積的基礎上算得的.如果此曲線是以真正的應力和應變描出,即真正的應力是按減小后的截面修改后得到的,它將總是上升的而沒有下降段.在材料受壓加載中沒有觀察到頸縮現象.工程應力應變曲線的峰值應力稱為極限強度.頸縮過后,材料將被拉斷,所儲蓄的彈性能量將以聲和熱的形式釋放出來.材料斷裂時的應力稱為材料的抗拉強度.延性金屬沒有明確定義的屈服點,通常將屈服強度定義為“0.2%殘余應變”相對應的應力值.0.2%殘余應變對應的屈服強度可以通過殘余應變為0.2%的橫坐標,以初始斜率畫平行直線與應力應變曲線的交點來確定.一條典型的鋁的0.2%殘余變形的應力應變曲線如圖T1.1b所示.脆性材料比如混凝土和碳纖維是沒有屈服點的,沒有應變硬化,這意味著最終的強度和斷裂強度是相同的.某一特殊的應力應變曲線如圖T1.1c所示.典型的脆性材料不顯示任何的塑性變形,而且在彈性變形階段破壞.脆性破壞的特征之一是,這兩個部分可以被重新組合而形成與原始構件相同的形狀.典型的脆性材料的應力應變曲線是線性的.測試幾個相同的試件會有不同的破壞應力.下面描述的是一典型的在高于玻璃轉化溫度以及低應變率下所測試的脆性聚合物應力應變曲線.一些工程陶瓷在應力低于破壞應力是表現出較差的延性,但是曲線的初始部分是線性的.抗拉強度是用材料單位面積可以承受的力的大小來衡量的.在SI單位制中,單位是牛頓每平方米或者帕斯卡,可以加上適當的前綴.非十進制單位是磅每平方英寸.北美工程師通常使用該協會的單位是兆帕.一兆帕是每平方英寸145.037738英鎊的力.對于例如巖石、砼、鑄鐵或土壤的脆性材料,抗拉強度與抗壓強度相比可以忽略不計,許多工程應用中假設為0.玻璃纖維比鋼具有更強的抗拉強度,但是大部分玻璃通常沒有,這是由于材料應力強度因子缺陷.由于樣本尺寸較大,該缺陷大小也增加.一般說來,一個繩索抗拉強度總是比其單個纖維抗拉強度低.第三課梁梁是一種能夠通過抵抗彎曲變形來承受荷載的構件.由于外部荷載、自重和外部反應使梁產生彎曲的力都稱為彎矩.梁一般可以承受豎直方向的重力荷載,也能承受橫向荷載（例如由地震或風引起的荷載）.由梁所承受的荷載被傳至柱、墻或大梁,大梁再將力傳至其附近的受壓結構構件.在輕型框架結構中次梁安置在主梁上.梁的性能由它們的橫截面形狀長度和材料所決定.在現代建筑中,梁一般是由鋼材、鋼筋混凝土或木材制成.最常見的一種鋼梁是工字梁或者寬翼緣梁（也被稱為通用鋼梁）它們通常用在鋼結構建筑或者橋梁結構當中.其他常見的梁的形狀還有槽型、箱型梁（空心結構截面梁）、管型截面和L型彎矩的影響因素在本質上講,由于施加在梁上的荷載,梁通常要承受壓力、拉力和剪力.一般而言,在重力荷載作用下,原梁上緣長度會略有減少而形成一較短的弧線,從而受壓；而同樣長度的原下緣則略有伸長而形成一較長的弧線,從而受拉.介于梁上緣和下緣中間部位的梁軸線的原廠與彎曲弧線長度相等,它既不受壓也不受拉,從而確定了中性軸的位置.在支撐處,梁承受剪力.有些鋼筋混凝土梁是完全受壓的.這些梁就是預應力鋼筋混凝土梁,在制作時就希望它們在荷載作用下能夠產生壓力而不是拉力.先張拉高強度鋼筋,再將砼澆筑于其上,然后,當混凝土開始養護時,放松梁中的鋼筋,梁便受到偏心壓力的作用.這種偏心壓力時梁產生內部彎矩,從而提高了梁的抗彎承載力.它們通常用在高速公路的橋梁中.梁的結構分析的主要工具是歐拉伯努利梁方程.其他的確定梁的撓度的數學方法由虛功法和轉角位移法.工程師對確定梁的最大撓度最感興趣,因為梁有可能與玻璃之類的易碎材料接觸.出于美觀方面的考慮,梁的撓度要減小到最小.一個可見的下垂梁,即使在結構上是安全的,也不能忽視,要避免產生較大的撓度.剛度較大的梁（更高的彈性模量）在荷載作用下產生的撓度更小.確定梁的應力的數學方法有力矩分配法,柔度法和剛度法.一般形狀在鋼筋混凝土建筑物中,大多數梁的截面形狀是矩形,但是最有效的截面形式是通用梁.將大多數材料放置于距中性軸（對于通用梁來說就是其對稱軸）較遠的位置增大了梁截面的二次矩,這反過來也增大了梁的剛度.在一個方向受彎時,通用梁是最有效的截面形式：上下看起來都如工字型.如果柱子是在任何方向都受彎時,最有效的截面形式是圓筒狀或者管狀.但對于單向受彎來說,通用梁就是首選.有效意味著對于相同的截面面積,當承受相同的荷載時,梁的撓度最小.梁的其他截面形式,例如L型梁、槽型梁或者管狀梁,當工程中由特殊要求時也會使用.第六課結構分析的基本原理結構分析的主要目的是確定由外荷載引起的結構內力和變形,結構設計包括以適當的方法選定結構形式、確定荷載和構件尺寸以便使所組成的結構能在設計極限狀態內支承各種荷載.結構模型是對真實結構的理想化.它盡可能準確反映材料、結構細部構造、荷載及邊界條件的真實性能.結構通常以三維形式出現,對于不知規整的僅受對稱荷載作用的矩形結構,可以將其理想化為布置在正交軸上的二維框架.如果一個結構的構件處于同一平面,就稱為二維結構或者平面結構,結構的特點就是兩個或者更多構件相連接的點.梁是僅受到與其縱軸相交且只引起彎矩的荷載的構件.拉桿就是僅受拉力作用的構件,而柱式僅受軸向壓力作用的構件.桁架是由設計成只受軸力作用的構件所組成的結構體系.如果結構體系的節點能夠傳遞彎矩,則稱為框架,并假定其構件既能承受彎矩,也能承受軸力和剪力.邊界條件鉸接點不傳遞力矩.假定它是無摩擦的,從而能使構件相互轉動.滾軸支座能使與剛性表面所連接的構件相對于此表面自由轉動,而且能沿著平行于此表面的任何一方向自由平動,但是不能沿著其他方向平動.固定支座不允許在任何方向上發生轉動或者平動.轉動彈簧能提供一些轉動約束,但是不能提供任何平動約束.位移彈簧能在其變形方向上提供部分約束作用.荷載及反力量值和作用位置都不發生變化的荷載稱為永久荷載,也稱為恒載.它們可以包括結構自重和其他一些荷載,如墻壁、樓面、屋面和永久荷載固定于結構上的管道和設備.作用方向或者量值發生變化的荷載稱為可變荷載,常將它們稱為活荷載或者外加荷載,可包括由施工、風、雨、地震、雪、爆炸和溫度變化等引起的荷載以及那些可以移動的荷載,如家具和儲藏的材料.積水荷載由積累速度大于流離速度的雨水或者積雪在屋頂上產生的.風荷載是作用于迎風面的壓力或者作用于背風面的壓力或者吸力.沖擊荷載是由突然施加的荷載或者由移動荷載的變化引起的,通常取作為活荷載的一個分量.當受外力作用時,如果一個原來靜止的結構受外力作用后仍保持靜止,則稱其處于靜力平衡狀態,外力與支撐反力的合力為0.如果一個結構在一個力系的作用下處于平衡,那么它必須滿足一下六個方程（T6.1）.以上方程的求和是關于x、y和z軸方向上所有的分力和彎矩進行的.如果一個結構僅受處于一個平面上的力的作用,以上方程簡化為（T6.2）.在固定支、鉸支座和滾軸支座上分別由三個、兩個和一個未知反力.對于一個特定結構,如果其總反力分量個數等于其可以列出的方程數,則這些位置力便可以由平衡方程求出,并稱此結構為靜定結構；如果未知數的個數大于所能得到的方程數,結構便為超靜定結構；否則,為不穩定結構.結構能支撐外界荷載的能力不但取決于反力分量的個數而且還取決于它們的排列.一個結構可能有與可列出平衡方程相等或者更多的反力分量而并不穩定,此時結構稱為幾何不穩定.疊加原理此原理認為：如果一個結構的性能為線彈性,則其上的作用力可以被分開或者分成任意方便的形式,并按照此形式對結構進行分析,且最終結果可由將這些單個結構相加而得.此原理是用于計算像彎矩、剪力和撓度等的一些結構反應.然而,以下兩種形式不適用疊加原理：1、當加載后結構的幾何形狀發生很大的變化,2、結構材料的應力與應變不成線性關系.第七課建筑框架分類對于建筑框架的設計,定義各種框架體系有助于簡化分析模型.例如,對于框架及其支撐能用單一模型分析,因而沒有必要將它們分開.另一方面,對于設計不同的結構體系之間相互作用的較復雜的三維結構,簡化模型是有助于初步設計和計算結果的檢查.這些模型應該能夠體現單個子結構的性能以及他們對整個結構的影響.剛架剛架的橫向剛度主要是通過由剛性節點相互連接的結構構件的抗彎剛度.這些節點的設計必須使其具有足夠的強度和剛度,以及忽略不計的變形.變形必須足夠小,以便其對結構內力和彎矩或者結構整體變形的分布無顯著影響.無支撐剛架應在不依賴于額外橫向支撐系統來維持穩定性前提下就可以抵抗側向荷載.這種框架本身必須能夠抵抗包括重力以及側向力在內的一切設計荷載.同時,在受到橫向風或者地震荷載時,它應該由足夠的抗側移剛度抵抗側移.簡支框架（鉸接框架）鉸接框架是指結構體系中的梁和柱通過鉸接來連接,體系不能抵抗任何側向荷載.整個結構的整體性必須通過與其相連接的某種支撐體系來提供.橫向荷載由支撐體系來承擔,而重力荷載由鉸接框架和支撐體系共同承擔.在大多數情況下,支撐系統的橫向荷載影響非常小,框架設計中可以忽略二階效應.因此連接于支撐體系的簡單框架可以被歸類為無側移剛架.多層框架設計中可以采用鉸接的原因有以下幾條：1、鉸接框架更容易制作.對于鋼結構,只連接構件腹板而不連接其翼緣更為方便.2、螺栓連接優于焊接,主要是因為焊接通常要求焊縫檢測、天氣保障以及表面處理.3、將結構分為抗豎向荷載和抗水平方向荷載體系后,更容易對其進行設計和分析.例如,如果所有的柱子之間的大梁都采用簡支,簡支梁和柱子尺寸的確定將是一種直截了當的工作.4、為了有效減小水平位移,采用有支撐體系的簡支框架比采用剛性連接的無支撐框架體系更為經濟.實際結構連接并不總是屬于鉸接或者剛性連接的范疇.事實上,實踐中所有的連接都是半剛性的.因此鉸接和剛接只是一種理想化的處理.現代設計規范允許使用的目前風荷載彎矩設計概念中的半剛性框架設計.在風荷載彎矩設計中,假定該連接可以傳遞部分彎矩.支撐系統支撐系統是指可以為整個結構體系提供橫向穩定的結構,其形式可能是三角形桁架、剪力墻/核心筒或者是剛接框架.在鋼結構中,常用三角形桁架來表示支撐體系,這是因為與節點自然連接的混凝土結構不同,鋼構件間最直接的連接方式就是將它們相互鉸接.因此,普通鋼結構建筑設計有支撐系統,以提供抗側移力.因此,除了如剪力墻或核心筒等剛性結構外,一般僅采用三角形桁架做支撐.建筑物抵抗側向力的效能取決于其所采用的支撐體系的位置和類型、是否存在剪力墻、電梯井或樓梯井周圍的核心筒.支撐結構與無支撐結構的比較支撐系統的主要功能是抵抗側向力.建筑框架體系可以分為抵抗豎向荷載體系和抵抗水平荷載體系兩部分.在某些情況下,豎向承載體系也有一定的抵抗水平荷載的能力.因此,有必要確定兩種抗力的來源并比較其抵抗水平作用的能力.但是由于支撐體系是整體結構的一部分,這種區別并不是那么明顯.為了比較二者,需要做出一些假設來定義這兩種結構.高層建筑高層建筑被唯一的定義為這樣一種建筑,其結構導致在設計、施工和使用中出現與一般建筑不同的情況.從結構工程師的角度看,合適的高層建筑結構系統的選擇必須滿足兩個重要條件：強度和剛度.高層建筑結構必須能足以抵抗導致其水平方向剪切變形和傾覆變形的側向荷載和重力荷載.另一個重要的方面試在結構規劃和布置時,必須考慮到關于建筑細節、建筑物服務設施、垂直運輸、防火安全以及其他方面的要求.結構體系的效率是通過其抵抗更高的隨著框架高度而增加的側向荷載的能力來衡量.當在一棟建筑物的設計中反映出側向荷載效應時,就認為它是高層建筑.高層建筑的橫向位移必須加以限制,以防止結構構件和非結構構件的是損壞.在常遇的風暴期間,樓頂的加速度應維持在可以接受的限度內,以減少居住者的不舒適感.第八課建筑施工 在建筑和土木工程等領域，建設是一個過程，包括基礎設施建設或組裝。遠不是一個單一的活動，大規模的建設是多任務的壯舉。一般情況下，工作是由項目經理管理，由施工經理，設計工程師，建造師或項目建筑師監督。 對于成功執行一個項目的，有效的規劃是必不可少的。那些涉及有關基礎設施的設計和執行必須考慮工作對環境的影響，成功調度，預算，工地安全，材料供應，物流不便而造成的施工延誤市民，準備招標文件等。筑施工是將結構，以不動產的過程中。建筑施工項目的絕大多數是小革新，比如增加了一個房間，或翻新的浴室。通常情況下，該物業的業主作為勞動者，軍需官和設計團隊為整個項目。然而，所有的建筑項目包括一些共同的元素 - 設計，財務，法律等方面的考慮。大小不等的許多項目達到不良的最終結果，如建筑物倒塌，成本超支，和/或訴訟。出于這個原因，那些在該領域的經驗做了詳細的計劃和維護項目中要小心，監督，以確保取得積極的成果。 建筑施工采購私下或公開使用不同的交付方法，包括成本估算，硬投標，議價，傳統，管理承包，施工管理，高風險，設計及建造和設計 - 建造橋梁。 住宅建筑做法，技術和資源必須符合當地的建筑實踐權威的法規和規范。在該地區現有的材料一般規定使用（如磚與石材，木材與），建筑材料。建設對一個每平方米（或每平方尺）基礎的房子成本可根據現場情況，地方性法規，規模經濟（定制設計的家園，往往更昂貴的建立）和熟練技工的情況相差很大。由于住宅建筑（以及所有其他類型的建筑）可產生大量的浪費，精打細算又需要在這里。住宅建筑在美國最流行的方法是木框架結構。由于效率的代碼已生效近幾年，新的建筑技術和方法已經出現。大學建設管理部門對建設旨在提高效率，性能和減少建筑廢料的最新方法的最前沿。在現代工業化世界，建設通常需要翻譯的設計變成現實。正式的設計團隊可以組裝計劃的物理程序，并將這些程序整合的其他部分。該設計通常包括圖紙和規格，通常通過一個設計團隊，包括測量師，土木工程師，造價工程師（或工料測量師），機械工程師，電氣工程師，結構工程師，消防工程師，規劃顧問，建筑顧問，以及考古顧問。設計團隊是最常見的（即合同）業主使用。在這個制度下，一旦設計是由設計團隊完成，一些施工企業或施工管理公司可能再被要求做一個申辦工作，無論是直接的設計為基礎，或圖紙和的基礎上，法案由工料測量師提供的數量。以下評標，店主通常會授予的合同，最具成本效益的投標人。 在設計現代的趨勢是整合原本分開的特色，尤其是大公司。在過去，建筑師，室內設計師，工程師，開發人員，施工管理人員，以及總承包商更可能是完全獨立的公司，即使在規模較大的公司。目前，一個公司，名義上是一個“架構”或“施工管理”公司可能存在的所有相關領域專家的員工，或者有關聯的公司，提供每個必要的技能。因此，每一個這樣的公司可能會提供自己作為“一站式購物”的建設項目，從開始到結束。這被指定為在承包給出一個性能指標，而且必須承擔該項目從設計到施工，同時秉承性能規格“設計建造”的合同。 幾個項目的結構可以幫助車主在這種整合，包括設計，建造，合作和施工管理。一般情況下，每個項目結構允許所有者在整個設計和施工的建筑師，室內設計師，工程師和施工人員的服務整合。對此，很多公司都在不斷增長超越了傳統的單獨設計或施工服務產品，并更加重視通過設計建造過程中建立與其他必要參與者的關系。 在加大建設項目的復雜性創造了必要培訓，在項目生命周期的所有階段和發展建設作為需要許多子系統及其各個組成部分，包括可持續發展的緊密結合的先進技術體系的欣賞設計的專業人士。建設工程是一門新興學科，它試圖滿足這一新的挑戰。第九課鋼筋混凝土鋼筋混凝土是在其中配置了鋼筋或者纖維來提高其強度的混凝土,否則它將是脆性材料.在工業化國家中幾乎所有的建筑用的混凝土都是鋼筋混凝土.歷史1864年,鋼筋混凝土作為建筑材料的首次應用于威廉在英國所建造的一棟房子.1885年,一家德國公司W&F成立.W與1887年出版了一本關于鋼筋混凝土的書.他們在歐洲的主要競爭對手是成立1892年的FH公司.1878年,TH在美國取得了鋼筋混凝土的專利.美國的第一個鋼筋混凝土建筑是PCBC公司的煉油廠,它于1893年在加州阿拉梅達建成.結構用途對混凝土配筋使其具有進一步的抗拉強度,如果沒有鋼筋,許多建筑是不可能建成的.鋼筋混凝土包括多種類型的結構和構件,如板、墻、梁、柱、基礎、框架等等.鋼筋混凝土可分為預制混凝土和現澆混凝土.人們的注意力大都集中在對混凝土樓面系統的配筋上.設計和實施最有效的樓面系統是建造最佳建筑結構的關鍵.材料混凝土是水泥和骨料的混合物.當混入少量水后,水泥就產生水化反應,形成一種微觀的不透明晶體結構,從而將骨料包裹并鎖定在其剛硬的結構之中.典型的配合比的混凝土具有較高的抗壓強度.然而,任何較大的拉力將使剛硬的微觀晶格破裂.基于這個原因,一般無筋混凝土必須有充分的支撐以防拉力產生.如果將抗拉強度高的材料放置在混凝土內,那么復合材料鋼筋混凝土就不僅可以抵抗壓力,還可以抵抗彎矩和其他的張拉作用.工業中,幾乎可將混凝土抗壓而鋼筋抗拉的鋼筋混凝土澆筑成任何形狀和大小.主要特點鋼筋混凝土的三個物理特性決定了它的特殊性能.首先,混凝土的熱膨脹系數與鋼材的相近,可以消除因為熱膨脹或者收縮而產生的內部應力.其次,混凝土的水泥漿硬化時,它與鋼筋外形相吻合,可以使兩種不同的材料之間傳遞有效的應力.通常將鋼筋表面制成粗糙面或制成波紋,這可進一步增強混凝土和鋼筋的粘結力.第三,由碳酸鈣所產生的堿性化學環境使鋼筋表面形成一種鈍化膜,從而使鋼筋比其在中性環境中的抗銹蝕性高得多.對一般鋼筋混凝土結構,所需的相對鋼筋橫截面積通常都相當小,其變化范圍從大部分梁板的1%到一些柱的6%.鋼筋通常采用不同直徑的橫截面積.鋼筋混凝土結構有時具有一些構造措施,如用于同風的中空以及控制其水分和濕度防銹措施在潮濕和寒冷天氣下,受防凍劑作用的鋼筋混凝土道路和橋梁以及停車結構以及其他結構可得益于環氧涂層鋼筋、熱鍍鋼筋或不銹鋼鋼筋的使用.但在許多場合,良好的設計和精選的水泥拌合料就能對鋼筋起到足夠的保護作用.環氧樹脂密封鋼筋可容易地通過其淺綠色的環氧層加以識別.熱鍍鋼筋可能是光亮的或者灰暗的,不銹鋼鋼筋通常有典型的白色金屬光澤,從而能容易地將它與碳素鋼筋加以區分.熱鍍鋼筋、環氧樹脂密封鋼筋和不銹鋼鋼筋或光圓鋼筋可以參照美國的ASTM標準的A767規范,A775規范和A955規范.滲透性密封劑通常必須在養護一段時間后才能使用.密封劑包括油浸、塑料泡沫、薄膜和鋁箔、毛氈或者焦油密封過的布料.有時要用膨潤土密封路基.第十課混凝土的抗壓強度 混凝土硬化后的抗壓強度通常由在潮濕環境下養護28天后的標準試件來確定.這是歷史遺留的做法,因為許多研究人員都認為選擇此特定的試驗齡期其實并沒有成熟的技術依據.例如,ASTNC39規定了試驗試件的取樣制作養護以及試驗的標準方法,從而使失效應力的確定具有更好的重復性和再現性.歐洲實用規范規定將圓柱體或立方體作為標準試件.標準圓柱體的長徑比為2,而立方體的高寬比為1.圓柱體兩端帶有柱帽以確保其表面光滑和相互平行.立方體則通過在其有模板的兩側加載滿足同樣的要求.盡管外荷載是單軸壓力,但是試驗機承載板與試件見得摩擦力是試件的兩端處于雙軸應力狀態.實際上,試件端部處于三軸應力狀態.這一端部效應的影響隨著接觸面距離高的增大而減小.N建議距離取值為0.86d,其中d為試件的橫向尺寸.因此,立方體的影響區域會發生重疊,而標準圓柱體試件則不會,其中部區域不受端部效應的影響.因此,與標準立方體相比,如果僅要根據荷載與面積的比值來計算,標準圓柱體在較低的外荷載作用下就會發生破壞,從而有報告認為其應力較低.盡管圓柱體強度更接近無約束單軸受壓狀態測得的強度,而立方體試驗卻并不需要制備端部.圓柱體柱帽材料的強度必須高于圓柱體.對于高強混凝土,此點尤為重要：常常通過打磨用他個數夾具固定的時間端部來滿足中端部制備要求.因此,在這種情況下,立方體試驗更方便,因為測試標準試件的主要目的是檢驗混凝土制品的強度,選用圓柱體或者立方體均可獲得滿意的結果.一些研究者基于試驗結果給出了標準圓柱體和標準立方體強度之間的關系.歐洲實用規范（EN206）提供了圓柱體強度從8-100MPa之間的圓柱體與立方體強度的對應關系表格一般情況下的趨勢是立方體與圓柱體強度比隨著混凝土強度等級的提高而減小. 混凝土的抗壓強度通常是在養護28天后測定的.這一強度也是結構設計規范所采用的混凝土強度.然而,為了控制混凝土的質量,這不再能滿足目前的施工速度.大體積混凝土有可能已經澆筑在剛測定過28天強度的混凝土之上.如果試驗結果與規定值不符合,則相關責任是不可接受的.正如現代制造業中那樣,應盡快地評定產品質量以便提供調節所必須的反饋.作為設計者,即便確保令人滿意的混凝土質量是前提,土木工程師仍更關心已經竣工的結構.然而,目前現場的實際情況是并不評估結構的混凝土質量,而是對在標準條件下生產、取樣和養護的混凝土進行試驗.標準試件與現場混凝土可能存在差異,因為后者未經充分振搗密實,而且養護時間也短.有足夠的研究和實踐證據表明,一般情況下,現澆混凝土的強度低于相應大的標準試件的強度.現場混凝土強度的評估可以根據從結構構件上鉆取芯樣并進行試驗來確定.ACI委員會建議如果三個芯樣的強度的平均值至少為規定值的85%,并且沒有單個芯樣強度低于規定值的75%時,結構混凝土強度就可以接受.BS6089建議基于混凝土芯樣的分項安全系數不應低于1.2.設計者負責確定每種情況下的適用值,并要考慮所估計強度的可靠性以及相關失效的嚴重性.因為英國實用規范規定標準試件為立方體,所以有必要將由圓柱芯樣確定的強度轉換為等效的立方體強度.式中的公式是基于轉換過程中對于不同安全系數所使用的假定值.為了評估已有結構的混凝土強度,使用鉆芯法常常僅限于少量取芯.除了有切斷鋼筋的危險之外,從關鍵部位取出混凝土也不盡如人意.因此,隨之出現了混凝土強度的間接評估方法.大多數方法均會導致混凝土近表面區域出現一定程度的損傷.許多試驗方法已經成為標準試驗方法,其具體細節也可以在各種試驗標準中找到.第十一課鋼結構設計標準目前,美國的鋼結構設計是按照以下三種標準之一來進行的：許用應力設計（ASD）,用在鋼結構建筑或者橋梁的設計中已經有數十年了.結構工程師們在鋼結構建筑設計中一直使用它.將使用狀態下的構建荷載作用下的應力與所謂的容許應力相比較,許用應力通常被表示為屈服應力或者抗拉強度除以安全系數.由于過載的影響,材料強度不足和結構分析中近似計算的需要,引入了安全系數.許用應力通常有下面的形式：Rn:單位應力下構件名義上的抵抗力Qni：正常使用狀態下,根據荷載類型計算出來的應力F.S.:安全系數m：設計中考慮到得荷載的個數塑性設計（PD）,利用鋼鐵在首次屈服之后的額外強度.受彎時,整個斷面的屈服是逐漸發生的,即屈服始于距離中性軸最遠的纖維,結束于距離其最近的纖維.逐步屈服的現象稱為塑性變形,表示截面在首次屈服之后并不發生破壞.截面可以承載的額外彎矩超過與之相應的首次屈服彎矩,取決于截面的形狀.為了量化此額外承載力,采用了一個所謂的形狀系數（定義為塑性彎矩與屈服彎矩之比,即引起整個截面屈服后形成塑性鉸時的彎矩與僅使距離中性軸最遠的的纖維屈服時的彎矩的比值）.對于熱軋工字形截面,當繞著強軸發生彎曲時,形狀系數的值為1.15；當繞著弱軸發生彎曲時,形狀系數的值為1.5.對于一個超靜定結構,在形成塑性鉸之后結構并不會失效破壞.在一個截面完全屈服之后,在結構那些尚未屈服但承受不斷增加的額外荷載的部分會發生內力重分配.當有足夠數量的截面發生屈服,結構就會變成不穩定的,導致整個結構形成塑性破壞機制,結構就會失效.在塑性設計中,安全系數被用到應用荷載中來獲得分解荷載.如果用因數化荷載計算出來的荷載效應不超過結構構件的標準塑性強度,那么設計師滿足強度標準的.塑形設計的表達式如式（T11.2）所示.其中Rn表示結構的標準塑性強度值.Qni表示第i種荷載的標準荷載效應,i表示荷載種類,m表示荷載種類數.對于鋼結構建筑設計,如果Qn僅由重力荷載和活荷載組成,由AISC規程給定的荷載系數為1.7,如果除這兩種荷載之外還有風荷載或地震荷載,則荷載系數為1.3.荷載和抗力系數設計師基于概率的極限狀態設計法.將極限狀態定義為一種狀態,在此狀態下,結構或其結構變得不安全或變得不適合其要求的功能.在極限狀態設計時,結構根據其使用性的極限設計,此極限可能與強度或使用性有關.在制定LRFD方法時,將荷載效應和抗力都視為隨機變量.其可變性和不定性由頻率分布曲線表示.如果抗力超出荷載效應較大的量值,則根據強度準則認為設計是符合要求的.安全度概念如圖T11.1所示.理論上講,除非荷載效應Q超過抗力R,結構便會失效.此陰影面積越小,結構失效的可能性越小.在實際設計中,對結構構件的標準抗力采用抗力系數以考慮確定其強度時,任何可能的不確定性和難度.對不同類型荷載采用系數以反應其量值確定時的不同程度的不定性.一般來說,對比較容易確定的荷載采用較低的系數值,而較難確定的則采用較高的系數.LEFD方法的數學表達式（T11.3）所示.式中,Rn表示設計強度,Qni表示給定的荷載組合所需要的強度或荷載效應.第十二課測量測量或大地測量是一種科學和技術用來精確測定點在陸地或者三位空間的位置及其他們之間的距離和角度.這些點通常在地球表面,并經常被土地所有者或者政府用來繪制地圖和界線,為了實現他們的目標,測量員用幾何、工程、三角學、數學、物理和法律等原理.美國測繪協會對測量的另一定義：測量時一種科學和藝術,用來進行所有主要測度以確定地球表面以上或以下點的相對應位置以及地形或地物詳圖,并以方便的形式對其加以描述或建立這些點的位置或詳圖.再者,如上所及,一種稱為大地測量的特殊測量就是進行詳細的研究和觀測,如通過觀測、現場測量、問卷或對法定儀器的研究和對地界的規劃、設計和確定的支持文件的數據分析來搜集信息.它涉及到以記錄和歷史證據文件為基礎而重新建立的地籍調查和土地界線,以及由法規或地方條例所規定的詳細地圖的繪制,已經登記的土地測量、司法測量以及空間劃定.土地測量可以包括相關的服務,如測繪和積累相關的數據、建筑布局測量、精確的長度測量、角度、高度、面積和體積以及水平和垂直控制測量,分析和利用土地測量數據.有史以來,測量就是人文環境發展的一個重要元素,而且幾乎是所有結構的規劃和施工的必要條件.其最熟悉的現代應用領域包括運輸、建筑、通信、測繪以及土地所有權的法律界限的定義.測量技術從歷史上看,可以使用不同的方法測量距離,如使用一定長度鏈環組成的鏈條,如甘特測鏈或用不銹鋼制成的卷尺.為了測量水平距離,要根據溫度降這些測鏈或卷尺拉緊以減小其下垂.此外,必須盡量保持測量儀器水平.在測量一個斜坡時,測量人員可能要分段測量,也就是向上抬高測尺尾部,使其與上一個測段末端處的垂線垂直.歷史上,水平角使用羅盤測量的,羅盤具有磁方位,從中可以測量偏角.這種儀器后來得到改善,如安裝上帶有精細的刻度的刻度盤以提供更好的角度分辨率,也可通過在刻度盤上方安裝帶有十字線的更精確照準的望遠鏡.此外,還增設了水準儀和能測量垂向角度的校準圓盤,以及測量精度達到零點一度的游標卡尺,如標志著世紀性轉折的經緯儀.測量高度的最簡單的方法就是采用高度計,其本質就是氣壓計,它以氣壓作為高度指示,但是測量需要更高的精度.人們發明了各種測量手段,如采用高精度水準儀進行精密測量.校準水準儀以獲得一個精確的水平面,通過這個平面可測量所考慮點與儀器之間的高差,一般通過垂直測量尺來實現.采用三角測量法時,首先要知道物體的水平距離.如果此距離未知或者不能直接測量,其確定方法有三角測量文獻中有說明.然后,一個物體的高度可以通過測量已知距離的某點與物體頂部連成的直線與水平面之間的夾角來獲得.為了確定一個山頭的高度,測量者應該從海平面開始測量,但是這里的距離可以過大,山也可能看不見.因此,應該分段測量,即首先確定一個點的位置,然后移動到這一點,并作相應的測量,并以此類推,直至到達山頂.測量設備直到上個世紀90年代,平面測量的基本工具包括確定短距離的卷尺、測定高度或高差的水準儀以及支撐在三腳架上的經緯儀.借助于這些儀器,人們便可以結合三角測量法測量角.從一個已知位置和高程開始,測量未知點的距離和角度.一種更現代化的儀器室全站儀,它是裝有電子測量設備經緯儀,當設置為水平面時也可以用為水準儀.自從有了全站儀,他已經使測量完成了從光學儀器到帶有電腦和軟件的完全電子化設備的科技變遷.現代一流的全站儀不再需要反射鏡或棱鏡來返回測距,它們是完全的自動遙控系統,甚至可以用電子郵件的形式將測點數據發到辦公室的電腦,并能連接到衛星定位系統,如全球定位系統.雖然實時動態GPS系統已增加了測量的速度,但是只能在水平方向精確到約20mm,垂直方向精確到大約30-40mm.然而,GPS系統不能在樹木覆蓋或者建筑密集的地方很好的工作.全站儀以及其他類型的測量儀器仍在廣泛的使用.單人式自動遙控全站儀能使測量人員取得精確的測量結果而無需額外的人員來觀看和擰動望遠鏡或記錄數據.一個更快的測量大面積的方法是用裝備有激光掃描儀的一架直升飛機,并結合GPS來確定位置和高程.為了提高精度,可以在地面上設立信標,此方法精度達到5-40cm.第十三課土的基本性質和有效應力土力學是一門專門利用工程力學（如運動學、動力學、流體力學和材料力學）原理來預測土力學性能的學科.在土木工程、地球物理工程和工程地質領域,土力學與巖體力學一起形成了解決工程問題的基礎.土力學的一些基本理論涉及土的分類和描述、有效應力、剪切強度、固結、側向土壓力、土的承載力、斜坡穩定和滲透性.基礎、堤岸、擋土墻、土木結構和地下硐室都在某些方面用土力學進行設計.圖的基本性質土通常由固相、液相和氣相三相構成.土的力學性質直接依賴于這三相的彼此作用和所加勢能的大小.土壤固相包括粘土晶體、非粘土礦物質、非粘土晶體、有機質和析出鹽.這些礦物質由以各種晶體形式組織在一起的燕子構成,其中包括氧原子、硅原子、氫原子和鋁原子.這些元素與鈣、鈉、鉀、鎂、碳一起占據了99%的土固體質量.盡管非粘土含量要大于粘土和有機物含量,但是后者對土的特性影響更大.按粒徑大小,顆?？梢苑譃檎惩?、粉土、礫石、卵石和漂石.土中的水通常由不同類型和數量的溶解電解質組成.存在于土中的可溶和不可溶有機物來自于化學品泄漏、廢棄物泄漏和受到污染的地下水.部分飽和土的氣相通常為空氣,但是在生物活動較高的地區或化學污染的土中有可能是有機氣體.土礦物學研究土顆粒的大小、形狀和物理化學以及圖的承載力和壓縮性.土的結構是由顆粒組織結構（顆粒聯系、顆粒的幾何排列、顆粒組和土中寶貴的空隙大小）、成分和顆粒之間的相互作用共同形成的.土結構也用來解釋天然土和從塑土的差異.土結構全面反映了土的成分、形成歷史、目前狀況和環境變化.在高孔隙率和新壓縮土中初始條件控制新近沉積物的結構,從而低孔隙率的老土更多的反映了沉積后的變化.與其他工程材料一樣,土體在荷載作用下會發生變形.這種變形分為剪切和壓縮變形兩類.通常,土不能抵抗拉力.在某些情況下,土顆粒會粘結在一起,在短期內能抵抗較小的拉力.沙土和多數礫石土的顆粒主要由硅石構成.它們可能呈圓形或棱角銳利,也可能介于兩者之間.粘土由巖石晶體的風華形成,因此一般由硅鋁酸鹽礦物構成.粘土粒通常呈片狀,與其質量相比,表面積較大.因為質量非常小,粘土粒特性受作用在其表面的靜電引力和斥力控制.這些力能將水吸附到粘土粒表面,表面吸水的厚度受到水中溶解鹽的影響.有效應力的概念是KT對土力學所做出的最重要的貢獻之一.有效應力衡量了作用在土骨架上的應力大小,因而決定了圖抵抗剪應力的能力.它自身并不能測定,而必須根據能測定的或能以適當的精度估算出來的其他兩個參數的差來計算.作用在一個土體平面上的有效應力等于總應力與孔隙水壓力之差.總應力總應力由土平面以上的土自重和所有作用在土表面的力構成.總應力隨著深度增大而增加,與上覆土的密度成正比.孔隙水壓力孔隙水壓力是作用在上述土平面上的水壓力,通常記為靜水壓力.對于在流動水條件下的穩定計算,u必須由流網來估算.如果潛水面水平,孔隙水壓力隨水深而線性增加.第十四課基礎基礎是用來支撐墻體柱子并且把它們的荷載以如下方式加以分散并傳遞到土中的結構：（a）使荷載不超過土的承載力,（b）避免過度沉降、不均勻沉降和轉動（c）保證在抗傾覆和抗滑動方面有足夠的安全性.當基礎將荷載傳遞到土中時,基礎便受壓.基礎的沉降取決于許多因素,如土的類別,荷載大小、基礎埋深和基礎類別.如果相同結構物的不同基礎由不同的沉降量,那么在結構物中會形成新的應力.過度的不均勻沉降會可能造成建筑物中非結構構件的破壞,甚至使所受影響部位失效.豎向荷載通常作用在基礎的形心.如果作用荷載的合力不在承載面的形心處,就會產生彎矩.在這種情況下,基礎一邊的壓力會大于另一邊的壓力,造成一邊更大的沉降量,并且甚至造成基礎轉動.如果在不同的基礎下土的承載能力不同,例如,如果一個建筑物的基礎一部分在土上,一部分在巖石上,便會發生不均勻沉降.通常在這種情況下,在這部分之間設置一條縫使之分開,從而允許它們有各自獨立的沉降量.基礎種類不同種類的基礎都可以用來支撐建筑物的墻和柱,最常用的見圖T14.1（a-g）.對于墻,擴展基礎就是一個比墻寬并且沿著墻的方向延伸的平板.方板或者矩形板接觸用在獨立柱的下方.當兩柱相聚太近以致它們的基礎重合或將要接觸時,應該在兩者下面建一個聯合基礎.當柱的基礎不能再其某一個方向伸出時,可用其附近周圍空間更大的另一個基礎來解決這一問題；即可在它們下方采用聯合基礎或者連梁基礎.當結構荷載相對土的承載力較大時,采用片筏基礎時比較經濟的.一種簡單的形式就是在整個建筑物下采用一塊雙向配筋的混凝土板.事實上,它能使結構浮于土上,并且由于它具有很大的剛度,所以其不均勻沉降可以忽略不計.甚至可硬通過將筏板基礎建成倒置的主次梁樓蓋來獲得更大的剛度,即由主梁支撐柱.有時候,倒置的無梁樓蓋也可用作筏板基礎.基礎形狀受軸心荷載作用的基礎所需面積公式由以下公式獲得T14.1,其中q是指允許承載力,D和L是指未乘系數的恒載和活荷載.允許承載力是根據基于荷載試驗和其他試驗方法的土力學原理來確定.使用荷載作用下的允許壓應力通常是基于2.5到3.0之間的安全系數乘以極限承載力以避免,并使沉降保持在容許范圍內.風荷載和地震作用下所需基礎面積由T14.2獲得.應當注意到基礎尺寸是按未因數化得荷載和土壓力確定的,這不同于混凝土構件的強度設計,后者是用因數化荷載和因數化標準強度所確定的.以下情況下基礎是偏心受壓的,如果它支撐的柱不在基礎面積的中心或由柱子在其與基礎結合處所傳來的不僅有豎向荷載還有彎矩.無論在哪一種情況下,基礎底部的荷載作用都能夠用豎向荷載P和彎矩M表示.仍假設所產生的壓應力為線性分布.只要最終偏心距e=M/P不超過基礎面積的核心距K,則常用的彎曲計算公式可確定基礎最外緣的壓應力.基礎的面積由反復試算確定的.如果偏心距超出核心區之外,Eq會使基礎的一側的q為負值.因為在土與基礎接觸面上無法傳遞拉應力,Eq不在適用.一旦確定了基礎所需的面積,那就必須將其設計成有足夠剛度以抵抗所有由外荷載作用引起的彎矩、剪力和其他內部作用.為此,ACI規范上的荷載系數如同適用于其他結構一樣,也適用于基礎.十六課地震工程 地震工程是建筑物和構筑物受地震荷載的行為的研究。它既是結構和土木工程的一個子集。地震工程的主要目標是：1，理解建筑或民用基礎設施和地面之間的相互作用。2.Foresee強烈地震對市區和民用基礎設施的潛在后果。3，設計，建設和維護結構在地震暴露與建筑法規執行到期望和遵守。 經過適當設計的結構不一定要非常強或昂貴。地震工程最強大和預算工具振動控制技術，特別是，基礎隔震。地震荷載 地震荷載是指應用地震產生的攪動的結構。它發生在結構要么與地面，或與鄰近結構，或與海嘯重力波的接觸面。地震荷載依賴，主要是關于：1.在現場預計地震的參數2.該網站的巖土工程參數 3.結構的參數4.從海嘯（如適用）預期重力波的特性。 有時，地震載荷超過一個結構抵抗它不被打破，部分或完全的能力。由于它們的相互作用，地震荷載和結構的抗震性能是密切相關的。 抗震性能 地震或抗震性能，以維持其應有的功能，比如它的安全性和適用性，在過了特定的地震曝光建筑物的或結構的能力的執行。一個結構，通常認為是安全的，如果它不被部分或完全坍塌危及那些或周圍的生活和福祉。的結構可考慮維修的，如果它能夠履行其設計操作功能。 地震工程的基本概念，在各大建筑法規實施的，假設一個建筑應該生存大一個（最強大的預期地震）雖然有部分破壞。繪畫與人體的比喻，這將有關節脫臼，肋骨骨折，創傷和脊柱打落牙齒，但要按照規定的建筑規范活著，因此，可以接受的。這種情況是一個主要障礙實施地震工程技術的采用振動控制任何結構的創新，特別是最有效的品牌基礎隔震。 然而，另一種抗震性能化設計方法已經存在。其中有些人，對于評估或預期的抗震性能的比較，用故事表現評級r作為一個主要標準，而抗震性能比（ SPR）是用于建筑物的抗震性能達到一個相當準確的預測該點的“嚴重損害”的狀態。抗震性能評估 建筑結構在地震的風險績效評估是地震工程最熱門的話題之一。工程師需要知道的直接傷害到個別建筑物須到指定的地面震動相關的實際或預期的抗震性能的量化水平。要做到這一點，最好的方法是把結構上的振動臺，模擬大地顫抖，看會發生什么情況下一個（如果你沒有時間站在現場，