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。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
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，工程师所做的工作会在他(她)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围的课程。对准备成为土木工
程师的学生来说，这种专业课程可涉及到如测量、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、维修等工作，甚至可以从事销售或
经营管理。这些领域的每种工作，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
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
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
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——1940 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。1856 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 1824 年发明的。它是石灰石和粘土的混合物，
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
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。酸会腐蚀钢，而混凝土却具有
与酸相反的碱性化学反应。
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，通常用先或后法对混凝土预加应力。预应力混
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
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)作为部分配料的方法，有助于使混凝土的重量
降低到一定的程度。
3、 预应力混凝土
混凝土抗压能力强，但抗拉能力很弱，抗拉强度仅为抗压强度的 8%～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
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，因此普通钢筋混凝土构件在使用荷
载下一旦达到极限状态，其裂缝和变形就不再能恢复。
同预应力钢筋的作用相反，普通钢筋混凝土构件中的钢筋本身并不能对构件施
加任何荷载。 预应力构件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，大约比相应普通钢筋混凝土构件混凝土总量减少 20%～
35%。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
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，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，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，会弥补由于收缩徐变使钢筋
缩短而造成的钢筋的时变应力损失。在 20 年代早期，Hewett 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 1928 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
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、参考译文：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
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
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 20000psi，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，失效概率
很高。他们认为不存在结构的失效或安全的确定性这类事情，而只存在失效概
率和可靠概率。因此，他们认为，荷载效应的变异性和结构抗力的变异性应以
统计方式进行研究，并计算结构的安全概率或适用概率。采用这种方法设计所
有结构也许还不现实，但有人认为采用这种方法制定设计标准还是可行的。人
们希望建筑规明确规定各系数及其相应概率。
5、桥梁
桥梁是人类征服宇宙空间的伟大象征。徐徐落日下太平洋中金门大桥金色
的桁架线条或者加拉比高架桥高耸深谷的弧线总让人心中充满惊叹和对建造者
的建筑艺术的崇敬。它们是人们排除所有障碍，追求更美好、更自由的世界的
永久印证。它们的设计和施工方案构思如梦如幻。但仅有梦想和决心还不够。
所有的自然界的外力和重力必须用数学精确表述，并运用恰当的材料以合适的
方式来承受。这需要艺术家的灵感和工匠的巧妙技术。
关于材料和结构行为的科学知识得到了极大的扩展，计算技术也能够很快
地处理不同领域的复杂理论。在过去的十年中，工程师实际上已在桥梁设计和
施工方法上进行了彻底革新。这种进步适用于大、中、小跨度的桥梁。
对于永久性桥梁，常用的建材是钢材和混凝土。许多不同类型的桥梁均用
这些材料（或单独使用或结合使用）建成，木材可应用于临时性的水上结构，
水面线以下的构件（尤其是木桩）或次要公路上的短跨桥梁结构中。在美国也
建造了一些小跨试验性铝桥。
桥梁的组成可以说主要由上部结构和下部结构组成。这种划分主要是为了
方便。在很多桥梁中，根本不存在明显的分界线。
下部结构主要由桥台（通常在桥梁的端部）和桥墩（在桥台中间）组成。
桥墩和桥台通常支承在独立修建的基础上，例如：混凝土扩大基础或群桩基础。
基础也是下部结构的一部分。偶尔桥梁结构中也采用桩柱（排架）式基础，此
时桩延伸到水面线以上，在顶端做桩帽，上部结构则直接支承在其上。这些桩
排通常采用相同的形式作为又长又低的水上跨接的一部分。
近年来，大、中、小跨桥梁的分界线一定程度上不像先前那样明显了。目
前，许多工程师认为跨度在 20 至 100 英尺（6.1 到 30.5 米）的桥梁是小桥，而
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/92bd8a3377eeaeaad1f34693daef5ef7bb0d1271.html
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