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1、第一单元土木工程前言或许，工程师对于人类文明形成所做出的贡献多于其他专业人才群体。在各个社会中，工程师的作用就是发展技术应用以满足实际需要。例如，应用电力系统向城市供电，应用水轮驱动水碾，应用人造心脏延长生命，等。向我们提供水、燃料、电力的系统，交通网络系统，通讯系统，以及带来其他方便的系统是工程技术应用的产物。尽管真正的工程师们在以上进步和人类幸福中所起的作用，但对他们所起作用的理解仍是不完全的。工程是将知识转化为实际有效应用的技术，工程师则是在这样的转化中起关键作用的人。工程是服务人类的职业，人类环境是需要考虑的重要事项。通常，区分工程师和科学家一直存在困难，决定科学家的工作在哪里终止，工
2、程师的工作从哪里开始也存在困难。 科学与工程中有联系的工作的基本区别在于它们的目的不同。科学家以发明为目的，而工程师坚持有效使用发明来满足人类的需要。例如，德国物理学家亨利奇赫兹发现了无线电波，而古里耶尔莫马克尼则利用无线电波发展了无线电信技术，这是一项工程奇迹。在相关科学家建立了核裂变的科学原理后，制造原子武器、建造核电厂的艰难工作则由电力、化学和机械工程师来完成。 土木工程是以向人类提供安全、舒适住所为目的的工程分支。住所是人类的基本需要之一，它由土木工程师负责提供。供水和灌溉系统的有效规划能增加一个国家的粮食产量。住所除了简单的掩蔽功能外，土木工程师还能将其建造来为居住者提供安宁、舒适的
3、生活。世界上的工程奇迹从塔形结构到今天的薄壳结构都是土木工程发展的结果。道路、铁路、桥梁等交通网线是土木工程师的劳动果实，没有这样的交通网线，社会将不可能得到发展。任何工程学科都是由各种专业分支构成的巨大领域，土木工程的主要专业分支如下：1. 结构工程结构工程是土木工程的最重要专业分支，结构的建造需要有效的规划、设计和施工方法，以实现完整的建造目的。一般地，结构工程建造包含五个步骤：l 定位，并合理排列结构构件，形成确定的形式，以实现最佳的使用功能。l 决定作用于结构上不同力的大小、方向和性质。l 结构分析，弄清受上述作用力的结构构件的行为特征。l 结构设计，以保证不同载荷作用下的结构稳定性。
4、l 结构施工，采用精心选择的材料，由熟练工人完成。2. 岩土工程为了实现建筑于地面结构的有效功能，必须知道土的特征。岩土工程给出土的基本知识体系，这一分支涉及以下方面：l 土“土力学”下的材料的性质和行为特征。l 结构、机器等基础的不同类型及其稳定性。岩土工程也涉及基础的分析、设计和施工。3. 流体力学、水力学和水力机械流体力学讲述静止或运动流体的性质和特征，流体力学原理可以用到日常生活中，如：飞机的飞行，水中鱼的游动，以及血管中的血液循环等。水力结构，如大坝和配水结构的设计需要知道水的作用力和压力水的特征。利用水能的机械称为水力机械，如：涡能机利用水的势能发电，水泵是利用机械能提升水的装置。
5、这些机械的工作有效性取决于该学科中涉及到的流体特征。4. 交通工程一个国家的发展主要取决于可用的交通设施，一个国家的财富用可用的道路和航空设施来衡量。有三种交通模式，即：陆路、水路和空中运输，本专业涉及交通路线的设计、施工和运营。交通工程包含以下分支：公路工程、铁路工程、港口工程、机场工程，分别涉及道路的规划和设计和铁道、港口和机场。供水、净化水和环境工程没有食品人可以生存几天，但没有水人则活不了多久。向公众供给饮用水和废水的安全处理是土木工程师的责任。水来自于降水和地下水。供水工程涉及水的定位和收集、水处理方法、标准极限试验和水的有效供给。废水、固体废料、有毒废料等不能直接排放，因为这样会影
6、响环境。因此，必须对这些废料进行处理和标准极限试验，然后再排放。卫生工程涉及废水的收集，处理方法和有效排放，保证世界安全。自然和人为产生并排入大气中的废料破坏自然平衡。人为或人类活动引起的污染物已经超过了大气系统的承受能力。环境工程师的作用是通过将各种技术应用到废料净化工作中，架设起生物学和技术之间的桥梁。环境工程涉及保护环境免受人类活动有害影响的方法，从而使得人类富裕生活的环境质量得到改善。5. 灌溉工程灌溉可定义为通过人工方法，向耕种土地供水的过程，灌溉工程包括与江河水的控制有关的工程，以及水涝区排水的研究和设计。因此，灌溉工程涉及不同水源的控制和利用，这一工作通过修建大坝、水库、沟渠、增
7、压站、通往耕种土地的配水渠来实现。6. 测量、水准测量和遥感在重要的土木工程，如：铁路、公路、大坝和房屋建设开工前，需要有详细的测量图表明工程区域的精确边界。测量定义为收集数据，以便将地表面上各种点的相对位置绘制在水平面图上的技术，水准测量则是在垂直平面上确定地面各点相对高程的过程。测量工作的主要目的是准备出测量物体的平面图。测量和收集必要资料，画出平面图需要使用各种仪器。遥感是利用空中摄影，获取某地区周围数据的技术，智能解释将给出地形的清晰图像。第2单元土木工程师土木工程师的任务是：规划与设计道路、桥梁、管线、区域排水渠、机场、污水处理系统、以及其它的多种设施，并指导这些设施的施工和维护。土
8、木工程师可能工作在某个特定领域，如：施工、土地开发、结构或水力设计、土力学、污水处理、或固体废料管理，他们也可能与不同专家就更广泛的问题进行合作，如：土地污染或地下水污染、或能源开发与保护。土木工程师可能设计工程项目的主要特征，然后指导绘图工作，写出设计说明，并为最后的成本估算做准备，他们也可能准备契约，财产记述，公共道路图等。在现场，他们常常完成测量、现场勘查、或施工检查或监管，他们也可能取土样并进行土体试验，或进行建筑材料的试验室或现场试验。在很多情况下，土木工程师的作用是保证工程项目安全、及时完成，并有效利用资源，这些工程包括：公路建设、废料管理、海岸开发和岩土工程。为对工程项目进行规划
9、、管理、设计和施工监管，咨询土木工程师与客户保持联络，他们工作在不同项目现场，他们富有经验，可以作为项目经理运作项目。土木工程提供多种机会，并满足有助于改进和提高多个场地的大众生活质量，在土木工程范围内，咨询工程师是设计者，合同工程师将他们的设计转变为现实。土木咨询工程师向用户提供各种各样的服务，在他们事业的开始阶段，他们的工作是对小的工程项目负责，但项目的规模可能随他们获得经验的增加而增加。结构工程中，工程师可能完成详细的计算，保证设计性能满足结构要求，这些工程师也可能去现场，确保进行中的工作符合设计图和说明书，他们还可能检查需要修理或替换的现有结构。交通工程中，工程师设计街道、公路及进行设
10、计变更，以改善交通流动，他们完成勘测工作，做出初步设计，并对施工中将使用的材料进行检查和试验，他们也可能准备环境影响报告。这些工程师还可能进一步擅长于特定部分的工作，如：改善交通标志，规划设计防撞装置，或研究行人交通。除此之外的工程师研究人口增长和工业发展趋势，以决定未来的交通需要。土木工程师工作在许多不同的场所，从安静的现代办公室到遥远地区的工作现场，他们可能频繁旅行，或在进行远距离项目时的临时移居。他们还可能与其他的专业技术人员组成临时项目工作队，一道工作。有很多的土木工程师工作在城市、乡村、州或联邦政府，其他的则工作在咨询公司，或担当独立顾问，有的工程师为建筑公司工作，有少数在大学全职或
11、兼职从事教学。 这一行业的就业情况受到建筑活动及政府聘用波动的严重影响。现阶段，该行业各个方面的就业增长略受限制，尽管无工作经验大学毕业生数量一般能满足入门级岗位数量的需求，但有特殊技能和经验的高素质工程师短缺，最大短缺将最可能在施工、交通、能源产生和分配、环境保护和抗震工程等领域。由于该行业对现场计算机技术的巨大依赖性，具有计算机科学培训或经验的土木工程师将有特别好的机会。抗震工程师、能源生产与分配工程师、及环保工程师特别短缺。加利福利亚土木工程师的中等小时工资为29.71美元，附加福利通常包括带薪度假、病假和健康保险，一些雇主还提供退休养老计划和利润分享。通常，土木工程师每周工作40小时，
12、但当工程期限有要求时工作延时，例如施工项目的工程师常常在繁忙期超时工作。土木工程师必需将数学和力学的喜好与对社区事务和环境问题的兴趣结合起来，他们必须能够组织、分析、评估技术资料，以解决详细的工程问题，并作为队员之一工作。打算成为土木工程师的高中学生应该学习大学的预备课程，如：化学、物理和英语，以及业务和绘图课程。这些人应该尽可能多地学习数学课程，包括：代数、几何、三角和微积分。土木工程的理工科学士是大多数入门级岗位的最低要求，研究和大学教学要求硕士或博士，某些学校开设了工程技术认定委员会（ABET）认定的土木工程必修课。雇主建议学生通过暑假工作或大学的工作学习计划获得实践经验，雇主也给学生推
13、荐计算机课程，因为这一职业对计算机技术有依赖性。所有的咨询土木工程师都要求获得州职业工程师注册委员会的登记，负责批准计划、技术说明书和报告的土木工程师也要求获得这样的登记注册，很多雇主要求特定水平的进一步注册（大多数公共机构中的副土木工程师）。注册要求通过两门考试和一到六年的土木工程工作经验，成功的候选者将收到土木工程师注册证书。在政府工作的土木工程师常常从实习工程师开始他们的事业生涯。当他们获得经验后，他们可能晋升到助理工程师、副工程师和高级工程师岗位。为了获得更高的薪水，有资历的文职工程师可以转移到管理和行政岗位。在私人企业工作的土木工程师可以晋升在责任更大的工作岗位，如：职员工程师、项目
14、工程师、或主任工程师。获得资质后，这些人可以担当私人公司的顾问，或进入他们有可能晋升到高级管理层次的行政岗位。为了推动土木工程的进步，理工科硕士学位正变得愈加重要。在招聘入门级岗位时，某些雇主举行校园面试，其他的雇主则需要来自大学就业中心或工程教研组的推荐。高级岗位的招聘可能在报纸和专业杂志上刊登广告，雇主和应聘者也可以利用专业协会、私人就业服务机构、或加州就业局的招聘服务，政府机构一般会发布行政事务公告，告知所有通过行政事务招聘程序获得的当前岗位。第3单元多层建筑设计结构框架。多层建筑的钢框架是梁、次梁或桁架和柱的系统，设计来承受结构的全部重力载荷，并抵抗风力和地震力。屋面和楼板系统由跨于两
15、垂直立柱之间的水平梁、格栅梁直接支撑，典型的层或楼面通常可以在水平方向延伸到更大的范围和在垂直方向重复到摩天高度，除非遇到高风力或地震载荷，要求对框架设计进行修改。在结构框架的设计中，一开始应该注意到对特殊设施的规定，如电梯井和楼梯间，这些构件穿过几个楼层，要求固定某些立柱的位置。其余立柱可以排列成基于建筑学布置和屋面、楼面、墙体和隔墙采用的典型施工考虑的规则形式。根据连接的型式和特点，美国钢结构学会的规范允许三种钢框架结构类型。类型1，通常命名为 “刚框架”（连续框架），假定梁柱的连接具有足够刚度，以实质上保持相接两构件的原有夹角不变。类型2，通常命名为 “简支”框架，（无约束，自由端），假
16、定就重力载荷而言，梁端、次梁端之间的连接只为抗剪，重力载荷下，可自由旋转。类型3，通常命名为 “半刚性”框架（部分约束），假定梁和格梁的连接具有相关的、已知的抗弯矩能力，程度介于类型1的在完全刚性和类型2的完全柔性之间。这一部分，应特别关注类型2的结构中（“简支”框架）中的抗风支撑的其他要求。为了给建筑物提供侧向刚度，特别是具有类型2的框架连接，可以设计一个支撑系统来抵抗有风和地震载荷作用于外墙上的侧向力。作用于外墙的风载荷由楼面系统传递给刚框架系统中的支撑排架或剪力墙。如果楼面刚度不够以传递载荷，必须在排架之间提供水平支撑系统。支撑排架可以布置在外墙中、永久性内墙中、电梯和楼梯井周围、及这些支撑不碍事的其他服务区。如果可能，支撑排架应该在建筑物内对称布置，以避免建筑物绕垂直轴的扭曲。风载荷在支撑排架上的分配应
