Lesson 1 Careers in Civil Engineering

(土木工程中的各种业务)

土木工程是一个意味着工程师必须要经过专门的大学教育的职业。许多政府管辖部门还有（一套）认证程序，这一程序要求工科毕业生在他们能积极地开始（从事）他们的事业之前，通过（认证）考试, 这种考试类似于律师职业里的律师考试一样。

大学里, 工科课程中着重强调数学、物理, 和化学,尤其在开始的二到三年。在工科所有分支中，数学非常重要, 因此它被着重地强调。今天, 数学包括统计学中的课程主要涉及集合, 分类, 和使用数字数据, 或信息。统计数学的一个重要方面是概率, 它涉及当有改变问题的结果的不同的因素, 或变量时，可能会发生什么。例如，在承担桥梁的建设之前, 运用统计研究来预计未来桥梁期望承受的交通量. 在桥梁的设计中，(各种)变量如作用在基础上的水压, 碰撞, 不同的风力的作用, 以及许多其它因素必须考虑。

由于在解决这些问题涉及大量的计算, 现在几乎所有工科课程中都包括计算机编程。当然,计算机能比人类以更快的速度和准确性解决许多问题。但如果不给计算机清楚和准确指令和信息，换句话说，一个好程序，它也是无用的。

虽然，在工科课程中，对技术科目着重强调，但当前的趋势还是要求学生学习社会科学和语言艺术的课程。工程和社会间的关系变得更加紧密; 因此,再一次充分说明, 工程师负责（承担）的工程在许多 1

不同和重要的方面影响社会,这些方面是他们所知道的。并且，工程师需要一种很肯定（自信）语言表达方式来准备报告，这个报告要清楚明了，且在多数情况下, 是令人信服的。参与研究的工程师要能为科学出版物详细描述他们的发现。

最后两年的工科课程计划包括学生专业领域的学科。为准备使学生成为一名土木工程师, 这些专业课程可能会涉及诸如大地测量、土力学，或水力学。

学生在大学中的最后一年前常常就开始了频繁的工程师招聘。近年来，许多不同的公司和政府机构为争夺工程师而竞争。在今天这个重视科学技术的社会，受过技术训练的人当然是受欢迎的。年轻工程师也许选择进入环境或卫生工程领域工作, 例如, 在环境问题方面创造的许多机会; 或他们也许选择专门的高速公路工程的建筑公司; 或他们也许喜欢与政府机构当中处理水资源的机构之一共事。的确, 选择很多且多样。

当年轻工程师最后开始了真正的实践, 必须要运用到大学中学到的理论知识。最初，他或她可能会被分配到与工程队合作。从而, 他们会得到在职的培训，这个培训将向管理人员证明他们将理论转化为实践的能力。

土木工程师可能在研究、设计、施工管理、养护或者甚至销售或管理单位工作。每一个工作领域都涉及不同的职责，不同的着重点以及运用不同的工程理论和经验。

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研究是科学和工程实践的当中最重要的一个方面。研究员通常作为一个团队的成员与其它科学家和工程师一起合作。他或她经常受雇于政府或企业提供经费的实验室。与土木工程相关的研究领域包括土力学和土壤加固技术, 并且还包括新结构材料的开发和实验。

土木工程项目几乎是唯一（独一）的; 就是说，每个工程有它自己的难题和设计特点。所以, 在设计工作开始以前，要仔细的研究每个项目。研究包括勘测工程位置的地形和地基特点。它还包括考虑可能的比选方案, 譬如一个混凝土重力式坝或填土的土石坝。经济因素与在每个可能的比选方案有关，也必须斟酌。今天, 研究通常包括项目的环境影响的考虑。许多工程师, 通常在一起工作组成一个团队，这个团队包括测量员、土力学方面的专家和设计施工方面的专家，来参与制定这些可行性研究。

许多土木工程师在设计领域工作,他们中的许多人是这个行业的佼佼者。正如我们所见，土木工程师研究许多不同的结构, 因此工程师专门研究一类结构是通常的做法（一般的惯例）。在建筑设计中, 工程师经常作为建筑或结构公司的顾问。水坝、桥梁、给水系统, 和其它大项目通常；聘用几位系统工程师（总工程师） ，他们的工作是协助负责整个项目。在许多情况下, 也需要（涉及）其它学科的工程师。例如,在水坝项目中, 电子和机械工程师负责发电站及其设备的设计。在其它情况下, 土木工程师被分配到其它领域的项目上工作; 例如,在空间项目中, 需要土木工程师设计和施工诸如发射台和火箭存贮设施这样的结构。

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在几乎所有土木工程项目中，施工是复杂的过程。它包括项目的进度安排和设备的使用以及材料，以便使得造价尽可能降低。必须考虑安全因素，因为施工很危险。许多土木工程师因此专门研究施工阶段。

Much of the work of civil engineers is carried on outdoors,often in rugged and difficult terrain or under dangerous conditions.Surveying is an outdoor occupation ,for example,and dams are often built in wild river valleys or gorges.Bridges,tunnels,and skyscrapers under construction can also be dangerous places to work.In addition,the work must also progress under all kinds of weather conditions.The prospective civil engineer should be aware of the physical demands that will be made on him or her.

From:E.J Hall “The Language of Civil Engineering in English”,1984

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Lesson 2 Modern Building and Structural

(现代建筑与建筑材料)

许多古代修建的大型建筑物现仍存在着，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。它们都是些厚石墙的庞大建筑。这种厚石墙能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。它们都是依据经验和观察而建造起来的，往往是反复试验出来的结果。它们能留存下来的原因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，大部分人民都住在公寓中，这种公寓通常是一排排的有十层高的公寓大楼。其中有许多建造得很差，并且有时会倒塌，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，而且有科学数据供他预先做详细计算。一个现代工程师当他设计一座建筑物时，他要考虑这座建筑物所有组成材料的总重量，这就是所谓的静荷载，即建筑物自身的重量。他还必须考虑动荷载，即在建筑物投入使用时它要承受的人，车辆，设备、机器等等的重量。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，即动荷载将借以作用于结构物的那种力。他还必须确定出安全系数，即附加的承 5

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些。

现代工程师还必须了解建筑物所用材料经常承受的各种应力。其中包括压力和拉力这两种相反的力。在压力下，材料被压紧或推拢到一起，在拉力下，材料象一个橡皮筋那样被拉开或拉长。In the Fig.2.1,the top surface is concave,or bent inward,and the material in it is Intension.When a saw cuts easily through a piece of wood,the wood is in tension,but when the saw begins to bind,the wood is in compression because the fibers in it are being pushed tighter.

除了拉力和压力之外，还有一种称为剪力的力在起作用，我们给它下定义为，使材料沿应力线断裂的趋势。剪力可能发生在垂直面上，但它也可能沿着梁的水平轴线——中性面——作用，中性面上既没有拉力也没有压力。

总的说来，有三种力作用于建筑物，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，以及那些使建筑物发生旋转或转动的力。成一个角度作用的力是水平力和垂直力的合力。因为土木工程师设计的建筑物总是力求使它们静止或稳定，因此这些力必须保持平衡。例如，各垂直力必须波此相等。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，那些可能使构筑物发生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——19xx年塔科马海峡大桥的 6

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)，或者别的粘结剂粘结在一起。希腊人和罗马人有时还用铁条或铁夹子去加固建筑物。例如，雅典的帕提依神庙的圆柱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，这是用火山灰制成，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，并且还消除了它所存在的一些问题，如疲劳。疲劳是指在应力连续变化的情况下强度降低的趋势。

现代的水泥叫做波特兰水泥，是1824年发明的。是石灰石和粘 7

土的混合物，将它加热，然后磨成粉末。在建筑现场或靠近现场的地方，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，可以用泵抽送，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埋置进钢筋，就制成钢筋混凝土。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以使它具有所需要的受拉强度。然后，通常采用先张法或后张法对混凝土预加应力。预应力混凝土使特殊形状的建筑物有了发展的可能，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。这种比较新的结构方法的使用正在持续地发展着。

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。

目前正在试图生产强度更高、耐久性更好、而且重量更轻的混凝 8

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。这种方法有助于使混凝土的重量降低到一定的程度。

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Lesson4 Prestressed Concrete

(预应力混凝土)

混凝土的抗压性能强而抗拉性能弱:它的抗拉强度仅仅是它抗压强度的8%-14%不等。鉴于它这么低的抗拉承载力，挠曲裂缝就会出现在在荷载作用的初期。为了减小或阻止这种裂缝的开展，在结构杆件纵向施加一个轴心或偏心的压力。这个力(预应力)通过消除或大大减少在工况荷载下，跨中或支座的控制截面处产生的拉应力，阻止了(该处)裂缝的开展，因此提高了该截面的(抵抗)弯曲，剪切和扭转的承载能力。然后，这个截面(特性)表现为弹性，并且，当所有荷载作用在结构上时，混凝土截面的全部深度(全截面)受压，这样有效的利用了混凝土全部的抗压性能。

这样施加的一个纵向力叫做预应力，也就是说，在横(竖)向重力恒载和活载或短暂的水平活载(风，地震)作用之前，给沿结构杆件跨度方向的截面预加的应力，这样一个压缩力。相关的预应力的形式，包括它的大小，主要取决于被修建结构物的形式，杆件跨度，和想要得到的长细比。因为这个预应力是被应用到纵向或者平行于杆件的轴向，所以这个相关的预应力原理被普遍的称为长线预加应力法。

用于液体容器箱，管道，和压力反应堆容器的环向预应力结构，本质上遵循着和长线型预应力结构相同的基本原理。环向(预应力)箍筋，或者圆柱或球形结构的”环向”应力，抵消由内部包含物质(产生的)压力所引起的曲线表面外部纤维所引起的拉应力。

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Figure 4.1 illustrates,in a basic fashion,theprestressing action in both types of structural systems and the resuling stress response .In a),individual concrete blocks act together as a beam due to the large compressive pretressing force P.Although it minght appear that the blocks will slip and vertically simulate shear slip failure,in fact they will not because of the longitudinal force P.Simiarly,the wooden staves in c) might appear to be capable of separating as a result of the high internal radial pressure exerted on them.But again,because of the compressive prestress imposed by the metal bands as a form of circular prestressing,they will remain in place.

从上述讨论的可知，在预应力(混凝土)结构的杆件中恒久预应力是在全部恒载和活载加载之前产生的，其目的是为了消除或大大减少由这些荷载产生的静拉应力。对于钢筋混凝土结构来说，假定混凝土的抗拉强度是可以忽略的。这是因为由弯矩产生的拉应力被钢筋(和混凝土)产生的黏结力所抵消。因此，在钢筋混凝土结构中，一但杆件在使用荷载下达到它的极限状态时，挠度和裂缝是不可恢复的。

在钢筋混凝土构件中的钢筋没有完全发挥它的全部作用，而预应力钢筋正好相反。在预应力构件中的（要求产生）预应力筋给构件积极的产生一个预加荷载，相应的对其挠度和裂缝有一个很高的控制。一但混凝土的挠曲抗拉强度被超越，预应力混凝土构件就会像一个非预应力混凝土构件一样工作。

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在相同的跨度和荷载条件下，预应力构件（截面）的高度比相应的非预应力构件的高度小。总的来说，预应力混凝土构件（截面）高度常常是相应的非预应力构件（截面）高度的65－80%。因此，预应力混凝土构件需要较少的混凝土，并且大概是20—35%的钢筋（相对于非预应力构件）。不幸的是，在预应力构件中，所需材料重量上的节省是和其所需材料高质量的花费相平衡（抵消）的。同时，还没有考虑（工艺）设备的使用，施加预应力自身导致一个额外的花费：因为预应力构件的几何截面常常由翼缘和薄的腹板组成，所以模板是非常复杂的。

尽管这么多附加的花费，如果制造大量的预制混凝土构件，至少在预应力构件和非预应力构件的最初成本是相差不大的。并且，因为需要更少的维护，鉴于对混凝土更高质量的控制所使得结构所获得的一个更长的生命周期，以及对于上部结构其轻质效果积累所产生的更轻的基础的效应，其间接的长期节省是非常实际的。

一但钢筋混凝土梁的跨度超过70－90英尺（21.3－27.4m），梁（上）的恒定重量变的非常的大，从而导致更大的构件尺寸，并且因此产生更大的长期挠度和裂缝。因此，对于大跨度结构来说，鉴于拱形结构在施工上昂贵的花费和不好完成并且由于它们长期经受的严重的收缩和徐变，预应力结构被强制使用。例如分段拼装式桥和斜拉桥这种大跨度结构只能通过预应力这种技术被建造。

在欧洲，长线预加应力法得到了持续的发展，尤其是在法国，通 12

过Eugene Freyssinet在1926-28年提出的克服预应力损失的天才办法，这种方法是通过使用高强和高韧性钢筋得到的。在19xx年，他发明了现在众所周知的和公认的Freyssinet(预应力)体系 。

英国的P. W. Abeles 在20世纪30年代到60年代之间发明并且发展了部分预应力(结构)的概念。德国的F. Leonhardt ，俄罗斯的V.Mikhailov和美国的 T. Y. Lin 也对预应力混凝土设计的艺术的科技作出了很大贡献。在这点上， Lin的荷载平衡法尤其值得一提,因为它相当大的简化了设计程序，尤其在连续结构上。这些20世纪的发展导致了预应力在全世界，尤其是在美国的广泛应用。

今天，预应力混凝土(结构)被用在建筑，地下地下构造物，电视塔，漂浮存储器和海上结构物，发电站，核反应堆容器和桥梁体系的众多形式上，其中包括分段拼装式桥和斜拉桥。它们展示了预应力概念的通用性和包容性。所有这些结构发展和建设的成功是主要由于材料技术的进步，尤其是预应力钢筋，并且对估计预应力短期和长期损失值的知识的积累。

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Lesson 5 Philosophy of Structural Design

(结构设计原理)

一个结构工程项目可分为三个阶段:规划、设计、施工。

结构设计包括决定结构最合适的比例以及确定组成结构的构件和细部的具体尺寸。这是一个结构工程项目的最高技术和计算阶段，但是，如果没有工程项目的规划和施工阶段充分配合的话，设计将不能-也不会被实施。一个成功的设计者总是会充分意识到在结构初步设计(规划)中的各种考虑，并且，同样的也会充分意识到在结构后续施工中所要面临的各种问题。

专门的，任何结构物的结构设计首先包括荷载以及其他结构所必须承受的设计条件的确立，并且因此，这些条件必须被考虑到设计中。然后需要进行总内力(轴力，剪力，弯矩，和扭矩)，应力强度，应变，挠度，和反作用力的分析(或计算)，它们是由于荷载，温度，干缩，徐变或其它设计条件所引起的。最后是结构构件以及连接件截面尺寸和材料的确定，使得结构能充分抵抗由上述设计条件所引起的作用效应。用于判断(结构设计)是否非常合适的标准将导致一个由积累的知识(原理，学术领域，模型试验，实践经验)，直觉，判断所反映的期望的行为。对于绝大多数土木工程结构来说，例如桥梁和建筑，过去通常的设计方法是基于结构所受荷载或其他设计条件所产生的应力与材料自身的容许应力强度相比较(容许应力法)。这种传统的设计原理叫做弹性设计，因为容许应力强度(值)的选择与材料应力应变的屈 14

服点相一致，而并非超过结构的最高应力点。当然， 当需要考虑由于疲劳，纵向弯曲(平面外失稳)，脆性断裂，以及关于结构允许挠度等因素而产生失效的可能性，容许应力值的选择同样要被修正。

根据结构的形式和相关条件，对于在假定设计条件下，在实际结构的分析计算模型中所计算出的应力强度可能或者不能与在真实情况中实际结构所产生的应力强度值相一致。它们相一致的程度是不重要的，只要这个计算出的应力强度值能根据先前的经验被解释。(结构的)工作条件和容许应力强度的选择为抵抗(结构)实效提供了安全的富余。这种富余程度大小的选择依赖于关于荷载，分析，设计，材料，和施工的不确定的程度，以及失效的结果。例如，如果对于一个具有33 000 psi屈服强的的结构钢材被用于抵抗20 000 psi 的容许应力强度时，防止张拉屈服的安全系数是33000/20000， 或者 1.65。

在容许应力法中，有一个重要的缺陷就是它不能对各种类型的结构以及(结构的)各个部分提供统一的过载能力。结果，今天对于基于结构极限强度和适用性的设计理论有了一个迅速的成长趋势，同时，老的容许应力法作为备用的设计方法来做参考。这个新的设计方法目前在钢筋混凝土规范中叫强度设计(法)，在钢结构规范中叫塑性设计(法)。当我们给予基于强度理论一个合适的比例参数(安全系数)时，如果在适当的荷载因素下预期的工况荷载首先增大(>1)，荷载增大量依赖于荷载的不确定性，在结构生命期中变化的可能性，并且鉴于荷载的组合目的，这个可能性，频率，作用持续时间也是一个特殊组合。在钢筋混凝土结构设计的这种方法中，由于材料强度，制作工艺，截

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面尺寸等一些小的误差引起承载能力折剪系数使得结构构件的理论承载能力降低。根据结构的控制条件，即增长的荷载将(1)引起疲劳，纵向弯曲，或脆性断裂破坏，或者(2)仅仅引起内部一个截面(或者同时几个截面)的屈服，或者(3)引起结构的弹塑性位移，或者(4)引起结构的整体倾覆，所以，结构是要相称的。

后一种设计方法的支持者证明这种设计方法是一种更实用的设计方法，因为它能更精确的提供结构超越在预期工作条件下的强度增量。这个改进的结果是由非弹性和非线性效应能够被解释所产生的，这个效应对结构最终工作状况的接近是很有意义的。

在最近几十年，在许多杰出的工程师中间，不仅仅是安全系数法的不合适与不切实际，更有甚者，在基于这个设计原理下的结构设计导致大量的工程实例是过于保守的并且因此造成浪费，同时有时还会带来一些具有高失效概率的冒险设计，关于这方面问题的讨论在不断增长的。他们讨论，对于结构的安全与失效来说，没有什么事情是可以确定的，它仅仅是一个概率事件因此，他们觉得应该用统计学的方法来研究荷载效应变量和结构抗力变量并且估计结构安全性与适用性的概率。然而，对于每一个单独的结构设计来说，它又是不实用的。但是，在框定设计规则与规范中，他是实用的。对于建筑条例和技术规程来说明确地阐述这个变量以及它所相应产生的概率来说，这是非常有意义的。

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Lesson7.交通运输系统

在发达国家，交通运输系统由一个形成多年的方式的网组成。这个系统由车辆，导轨，站场设施和控制系统组成，这些部分通过以建立的规程和日程表在天空，在陆地，在水中各自正常运转着。这个系统也要求用户，操作员，和环境的相互作用。现在的运输体系可以反映出与投资和使用有关的多方决定，包括运输业主，承运商，政府，每个出行者以及受影响的非使用者等。○1交通运输系统已经被创造出多种相互补充的模式。

当今美国的交通运输系统是一个高度发达，复杂的运输方式和设施构成的网络，他们为运输业主和出行者提供服务，并有很大的选择余地。○2每种方式按照行程时间，出行频率，舒适程度，可靠性，方便性和出行安全都具有一种独特的特点。服务的长期水平被用来描述这些特征的直接价值。旅客或发货人为了权衡和选择运输方式，对比同等花费下的服务水平。此外，发货人或旅客可以决定使用公共的还是私人的运输方式。例如，一个厂商可以通过运输公司或公司自己的卡车运送，一个要搬家的私房屋主可以雇搬家公司或租一个卡车，一个通勤者可以选择坐公共汽车还是开车去上班。每种决定都涉及一系列复杂的因素，要求在花费和服务之间权衡。

主要的城际货运方式有公路，铁路，水路，航空和管道。在过去的70年，交通的每一种方式，表现为货运和客运，已经有了相当大的改变。来自运输统计局网站的最新的关于运输方式的分担率的消息是可利用的。从19xx年到20xx年，货运的变化的说明见图7.1。 17

客运的分布是与货运不同的，在美国，私家车这种方式在所有的家庭城际客运旅行中数量最多。剩下的方式——航空，公共汽车和铁路占总数的四分之一，其中航空相对占优势，城际公共汽车，私人飞机和铁路占总数的百分之一甚至更少。

在费用，旅行时间，方便性和灵活性等方面，每种方式都有自身的优势，从而使得它在特定情形下成为最佳选择。3对很多人来说，○

汽车被认为是一种可靠的，舒适的，灵活的无处不在的运输方式。然而当距离较远或时间很宝贵时，航空运输将成为首选，并可用汽车作为补充。如果花费很重要，时间不是很紧的话，或是车不能使用时，那么可以使用城际巴士或火车。

用相同的选择方法来选择货运的方式卡车的优势在于灵活和提供门到门的服务。他们可以带多种包裹尺寸，而且通常可以按顾客的日程安排来收取货物和交付。船运可以以很低的价钱运输很重的货物，但是速度很慢，而且只能在内河或运河中航行。铁路可以在两个城市间一次运去很多的货物，但是需要卡车将这些货物在转运到货物终点或目的地。每种情况，发货人都要决定货物是应该光用卡车运送还是通过卡车，船运，火车联运。

许多企业已经尝试减少零件和耗材存货，相比将货物囤积在仓库，更喜欢直接从工厂运输。这种做法意味着运输方式从火车向卡车的改变。火车运输的货物通常需要以汽车运输载重量一周运送一到两次，然而，卡车可以按很小的量和基于每日所需运输。在这情况下，更低的铁路货运费用也不能和汽车的灵活相竞争，因为选择卡车的主要原

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因是企业的花销的减少。有一种将各种方式结合起来的联运制正在成为趋势。

国家的运输系统可以通过一些及时给与的根据市场压力，政府管理，运输新工艺调整的要点所考虑。随着时间变化，运输系统也将改变。在最近的几十年里，油价，政府的调控，和新技术的变化已经对运输业造成了很大影响。乘客和发货人考虑每一种方式无论提供的服务水平。每种方式在给定的价格下提供一种独特的服务特点：行程时间，频率，舒适性，方便性，可靠性和安全性。旅客和发货人基于这个属性有多值选择运输方式。

大范围的组织和代理机构提供用来计划，设计，建设，操作，的资源和维持国家交通运输系统。这些组织包括运输业私人公司，监管安全和服务质量的管理机构，提供资金来建筑公路和机场并为交通运输制定全国性法规的联邦，州以及地方公路局，代表一些特殊运输群体利益的行业协会，专业技术组织以及运输使用者群体

Lesson8 公路定线

定线的基本原则是车行道要素如曲率和坡度相互组合，在满足设计规范和安全的标准的要求的同时提供满足设计通行能力并且平稳的交通体系。道路同时也要考虑对历史遗迹和对其他用地活动的最小影响。在一条公路定线被最终通过以前环境影响的研究在大多情况下 19

时被要求的。

公路定线过程包括四个步骤： ?

已有信息研究 ?

勘测设计 ?

初步定线 ?

最终定线

已有信息研究

在任何公路定线研究中，第一步都是对所建道路所在地区所有数据的研究这一步通常先于现场或图像调查在室内开始。所有数据被收集和研究。这些数据可以从已有的工程报告、地图、航拍照片和一个或多个政府的交通、农业、地质、水力和矿业部门所有的报表，所要收集的数据类型和数量要依据所建道路的类型。但是通常情况下所获得的数据要有地区的以下几个特征：

? 工程，包括地形、地质、气候和交通量。 ?

社会和人口，包括土地使用和区域类型。

? 环境，包括野生动物类型，娱乐场所，历史遗迹和考古发现，以及可能面临的空

气，噪音和水污染。

? 经济，包括建筑，农业，商业和工业活动的单位花费趋势

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从这些获得的数据中做出的最初分析会指出有些方面是否因为

上述的一两个特征而不再作进一步的考虑。例如，如果发现有历史遗

迹和重大发现位于路线可能通过的区域时，

则应立即确定通过那片区域的任何路线都不该作进一步的考虑。在完

成这一步的研究后，工程人员就可以选出路线穿越的大概区域。

道路勘测

工程这一步的研究是找出几条可行的路线，每一条在有限的几百

英尺的宽度界限内。一旦考虑农村道路，则在地图或照片上很少或没

有信息可获得。因此航拍照片被广泛的用于获

取需要的信息。用立体镜检查航拍照片确定可行路线要考虑以下因素。 ? 地形和土质情况

? 可供使用的到工业地区和居民区的路线

? 和其他交通设施如河流，铁道及其他公路的交叉状况 ?

直接路线

两终点间的控制点决定每条可行路线，例如，一座无可选择的唯

一的桥就是最基本的控制点。找出这些可行路线然后标绘在详细准确

的基本地图上 。

初步定线

在这一步的研究中，在与建立的控制点尽可能近的位置设置可行

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路线，并且决定每条路线的最初水平和竖直线形。初步线形用于评价可供选择的路线经济和环境的可行性。

每条可选路线的经济评价是开展决定建设公路的必要资源投资将来的影响。

这种评价采用效益费用比的方法。通常考虑的因素包括，道路使用者的花费，建设花费，养护费用，和使用者利益和一些不利包括由于居民 ，商业区混乱等的不利影响。可行路线的经济评价结果可以提供有指导价值的信息。例如，这些结果会提供一个关于如果一个具体的路线选定经济财力是得还是失的一个信息，这些信息同时还会帮助政策制定人在决测是否应该修，如果修，该修什么类型

在任何地方建公路都会对周围带来很大影响，一条公路也是当地环境的组成部分而且应该被这样考虑。环境包括，植物，动物，人类群体同时包括社会的，物理的，自然的和人为的变动，这些变动是与一种维持平衡和维持不同群体间生活方式的方法相互关联的在给定的区域内建造公路可能会导致一个或多个变量的很大改变，这些改变反过来可以打破平衡并导致对环境产生非常不利的影响。这些影响也许会导致动物和人类数量的减少。其实质是环境影响任何所选线的整体评估。

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最终定线

最终定线是详细设计可选路线，在这个阶段决定最终的平面和纵面线形和最终的结构和排水沟的位置。最简便被用的方法就是首先道路直线部分的交点然后在两直线之间设平面曲线。通常这是一个反复试验的过程，直到在工程师看来得到了最好的线形同时考虑了工程和美学因素。样条曲线规和曲线模板可以在这一过程中被使用。样条曲线规是一个易弯曲的可塑的可以弯曲成不同形状并用来画出不同曲线的工具，利用它可以选出最合适的线形。曲线模板是给有圆曲线，三心复曲线和不同曲率和不同标准规模的螺旋线的透明板。样条曲线规首先被用于获得手绘光滑的曲线来满足纵坡，横断面，曲率，和排水。这条手绘曲线然后用标准模板调整成一条跟确定的曲线。

近来，计算机技术极大地提高了定线过程的效率，因为设计的公路可以显示在屏幕上，从而使设计者有了驾驶者的视野，既可以看到平面线形又可以看到纵面线形。设计者因此可以改动平面线和纵面线中两者或其一直到获取最好的线形。

Lesson9线形设计

竖直曲线和水平曲线的布置组成了高速公路的线形，竖曲线包括直的纵坡线和连接纵坡线的抛物线.平曲线包括直线段和连接它们并 23

改变方向的圆曲线段.线形的设计主要依赖于高速公路设计速度的选择，与自然地形相符合的线形造价最小。通常这种情况是不可能的，然而，因为设计师必须遵循一定的设计标准，而这些标准也许并不能适应地形。重要的是既定部分的线形必须遵循一致的标准来避免高速路在竖直和水平定线时产生突变，同样，竖曲线和平曲线在设计是要相互补充协调，，这样才能设计出一条安全的和更有吸引力的高速公路。为了达到这一点，一个应该考虑的因素是适当地保持直线坡度和平曲线曲率的平衡，处理好平曲线和竖曲线间的相互位置。例如，在较大半径的陡坡上设置平曲线是一种较差的设计，同理，如果在一个明显的凸形竖曲线的顶部或附近设置小半径平曲线，或在明显的凹形竖曲线底部或附近设置小半径平曲线，，这将导致这里是一个危险部分。因而在初步设计阶段把竖曲线和平曲线的协调综合考虑是很重要的。

高速公路的竖向线形是有被称之为纵坡或切线的直线部分和与之相连的竖曲线组成，因而竖向线形的设计包括直线部分合适坡度的选择和竖曲线的设计。路线所穿越区域的地形对竖向线形设计有极其重要的影响。

坡度对重交通路线的影响必须被考虑，如果是陡坡或长坡会使重交通车辆的车速降低很快，注意到陡坡不仅影响重车的性能还影响轿车的性能，为了限制坡度对车辆的影响，任何高速路的最大坡度都应

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明智选择。

高速公路的最大坡度取决于设计速度和设计车辆，普遍认为4%--5%的坡度对小客车的影响不大或没有影响，除非是重量与功率比比较高的车，例如那些小型车和微型车。当坡度大于5%时，客车在上坡时速度进一步降低在下坡时进一步增加，坡度对卡车的影响大于对客车的影响，广泛的研究结果表明，卡车在下坡时速度增加5%，而在上坡时减小接近7%，这取决于坡度比例和坡长。最大坡度的确立依据是高速公路上的设计车辆的操作性能，最大坡度的变化范围从设计时速70英里时的5%到设计时速为30英里时的7%-12%,这取决于高速公路的类型。另一方面，当坡长不足500英尺时，且下坡方向为单向路线时，最大纵坡或许可以提高1%-2%，特别是在交通量较低的乡村道路。

最小纵坡取决于排水条件，零坡度的道路被用在有足够横坡足以排尽路表水的路段，当路面有限定时，纵坡应能排尽纵向流动的路表水，在这种情况下习惯上选用最小0.5%的坡度，有时，在有合适路拱和硬地的高等级路面建设中，这个坡度可能会被减小到0.3%。

竖曲线通常用于直线纵坡间的逐渐过渡以利于车辆平顺的通过高速路，这些竖曲线通常是抛物线形的，竖曲线的最小长度的选定取决于所选抛物线的特性，竖曲线分凸形和凹形竖曲线。

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竖曲线的设计应满足的主要标准有：能提供最小的停车视距，要有充足的排水，行车舒适，外观良好。凸形竖曲线仅需满足第一条标准，而凹形竖曲线四条标准都要满足。

水平线形有直线和平曲线组成，平曲线通常是被分割的圆曲线，他有一定的半径可使车辆平顺的通过。

因此，水平线性的设计必须确定最小半径，曲线长度，以及计算从切线到曲线的平面支距，以有助于曲线的定线，在有些情况下，为了避免直线段的曲率半径无限大到圆曲线段曲率半径为一定值之间的突变，通常需要在他们之间插入一段曲率半径逐渐变化的曲线，这种曲线称之为回旋线或缓和曲线。

有四种类型的水平曲线：简单曲线，复曲线，反向曲线，回旋线。

简单曲线是圆弧的一段,然而复曲线由两条或两条以上的转向相同的连续曲线组成，任何两条曲线都有一个相同的切点，，这些曲线可用来获取较理想的水平线形，特别是在立体交叉处，交叉匝道，特殊地形区情况下的高速公路，为了避免线形的突变，任何两条依次相连的简单曲线组成的复曲线半径不宜相差过大，。美国公路学会建议，在交叉路口复曲线半径的最大半径和最小半径之比不能超过2：1，

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在这里司机可以适应曲率和速度的突变,让人满意的立体交叉道的最大比率为15:1.虽然2:1也被使用。

为使大曲率曲线与急弯曲线间平缓过度，并使曲线半径的减小有一个合理的渐变率，每条曲线的长度不能太短。

反向曲线通常是由两条半径相等且具有同一切点转向相反的简单曲线组成，他们经常用于高速路的线形改变。

反向曲线很少被推荐使用是因为突变的线形是司机感到很难在同一车到驾驶，如果有必要设计反向线形，合理的设计是由简单曲线组成，中间插入一段有足够长度的直线以达到全超高。作为一种选择，简单曲线或许被等效长度的回旋线隔开。

缓和曲线设置在直线段与圆曲线段之间或两个不同半径的圆曲线之间，缓和曲线的作用是在车辆进入或离开圆曲线时为车辆提供一个逐渐增加或降低的向心力，设置直线段与圆曲线之间的缓和曲线的曲率由直线段末端的0变化到圆曲线段的接点时与圆曲线同样的曲率，当要设置两个圆曲线时，缓和曲线的曲率从与一个圆曲线相同的曲率变化到与第二个圆曲线相同的曲率。

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Lesson10 立体交叉与互通式立体交叉

路口的平面交叉可以通过立体分离结构消除，使过往交通在不同高度通行而没有相互干扰，这种分离的优点是避免了交叉冲突，节省时间和提高了交通通行的安全性。

立体分离和立交可能被采用在（1）作为高速公路的一部分缓解大交通量（2）消除瓶颈（3）减少事故（4）受地形限制其他设计不可行时（5）车流量很大，采用平面交叉会超过合理尺寸（6）当用路在平面交叉口减少耽搁的利益超过了升级费用。

立交桥是一个立体分离式交叉口，车辆可沿一个方向行驶通过相连的道路改变方向，这些相连的道路被称为匝道。

英国采用许多立交桥和匝道的类型和形式，它们有：T型和Y型立交桥，单象限立交桥，菱形立交桥，单点立交桥部分苜蓿叶立交桥和全苜蓿叶立交桥，定向式立交。

图10.1展示了在三路叉口立交的典型设计，通过提供大转弯半径，立交的几何尺寸可以被改变成特定的形式，去适应选址的地形。已发现喇叭形立交适合正交或倾斜的十字路口。图10.1a）显示了通过提供一个半直接式匝道支持左转。图10.1b)表明了一个十字路口的转弯到哪儿都采用这种方式。

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图10.1描述了一个单象限立交桥的例子，这种结构能方便减少靠近两条主干线交叉处的冲突，然而，低速设计使他不能满足自由道路的条件。这种形式的立交适合没有太多车的小交通量位置，如公园道路立交。

菱形立交可适用城乡使用。主要的交通流立体分离，而进入和驶离次要交通流的转弯运行与次要交通流上的直行交通分流和合流运行。只有小交通流直行有交叉。在农村地区，这通常是可以接受的，由于在小交通流中式轻型车辆。在城市地区，交叉口通常要求信号控制，防止严重干扰匝道交通和交通路口主要干道大街。交叉路应该这样设计：设置的信号不能降低主要街道的通行能力。为了达到这个目的，在交流区域扩大主干道可能是必要的。在设计匝道时，必须仔细考虑保证等候离开匝道的车辆将不会阻塞主要车流的直行车道。

菱形立交的一个缺点是可能存在非法错路转弯，这会导致严重事故。如果交叉口的几何特征导致这些转弯，设计者可以采用渠化交通 ，附加标志和地面标识。

【有种更新型的叫单象限立交桥。所有直行和左转车流都集中到一个单一的信号交叉口，来替代像寻常其他立交上可以找到的两个分离交叉口。这样设计的优点是：所有交叉车流可以被单一信号所服务，

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通过这个交叉口至多需要停一次。单象限立交桥的支持者们宣布：它可以提供改良过的车流更安全的操作，相比其他的立体交叉结构，可以减少对路权的需求。单象限立交桥要求交叉路的司机非常依赖引导指示，路面标线，车道用途标志。为了安全驾驶通过交叉口区域。设计者们将需要特别留意，以确保交叉口设施的完善。】

有时可采用部分苜蓿叶式和全苜蓿叶式立交桥来代替菱形立交桥。车辆可以在交叉口之前或之后离开主要车流方向，这依赖于各个象限的分布。对于菱形立交而言，次要道路平面交叉优先存在，非法转弯的可能性被降低。对任意方向的主要道路提供驶入匝道，次要道路的左转交通就被消除。

更为常见的立交时全苜蓿叶式立交，它可以被用于非正式设计，可以消除所有车辆方向包括主要车流和次要车流的平面交叉。匝道可以是单向车道，双向分离车道，双向无分隔车道。尽量消除所有平面交叉，但是苜蓿叶式立交也有缺点（1）设计布局需要很大的地面空间（2）减速车辆希望使出直行车道必须与进入直行车道的加速车辆相交。使用集合分离车道可以克服这两个缺点。集合分离车道有一定的操作布置优势。当高速行驶时，大量设施时一个紧张的司机可以根据大量的设施采取一个决定。第二个决定，例如，高速的设施继续向南或继续向北。

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定向式立交被用于一条高速公路并入或交叉另一条高速公路。这种立交与众不同的特点是采用高速通过，采用大半径曲线或匝道。定向式立交对土地的需求很大。以防在转弯时运动空间过小。设计速度应减小和支路通过一个圈产生效果达到目的。

现在，定向立交的实践与左手出入口匝道有关的实践操作问题。大多数司机希望高速的出口和入口都在右边。当这些期望受得不到满足时，混乱，不稳定，事故就会发生。

10-1i图的设计是一个定向式立交，这种立交使得希望右转的驾驶者向右转，希望左转的向左转。一个驾驶员当他接近第一个出口时，必须作出决定（1）他打算从这个出口离开高速（2）或者他的目的是向右（东）或者向左（西）。面对这样的立交配置司机可能在右边车道上决定他必须向西才能达到他的目的。他为了从左边出口出去要面对通过几条车道的高速交通。

设计图10.1j是一个在北行的司机在很短时间内作出决定首选地单一出口。司机到右边出口，然后决定是否继续向右还是向左。或者以较低速度减少拥挤在出口匝道

lesson11 路面

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高速公路路面分为两大类：刚性和柔性。一个刚性路面磨损表面通常是波特兰水泥混凝土建造的，其受力与梁类似，承受支撑材料以下的任何变形。对柔性路面磨损表面另一方面，通常是沥青材料建造，使他们在与基本材料保持联系，即使轻微的变形发生。柔性路面通常包括一个颗粒物质层和一个合适的粗，细料沥青混合料面层隐伏。交通负荷是由面层到底层辅助材料移送通过聚合联锁，粒状物料的摩擦作用，以及优良的材料凝聚力。

柔性路面进一步分为三组：高级，中级和低级。高级路面的磨耗层能有效承担预期的车辆荷载，而不出现明显疲劳，并且不容易受到天气影响。中间型路面有穿，从表面处理到那些范围只是表面质量低于高型路面。低型路面，主要用于低成本的道路，并穿着表面未经处理的范围，从松散的天然材料，表面处理地球。

一个柔性路面路基的组件包括路基或准备路基，底基层，基础和面层。对路面性能取决于每个组件，它需要对每一个组件的属性适当的评价分别令人满意的表现。

路基通常是天然物质沿人行道水平对齐位于作为路面结构的基础。路基可能还包括一个选择借用材料层，以及压缩到规定的规格。它可能需要处理路基材料达到一定的强度为正在兴建的路面类型所需的属性。

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位于正上方的路基，底基层组成部分包括一个优质的材料一般是用于路基建设。为底基层材料的要求通常给出的层次，塑料的特性来看，和力量。当路基材料的质量满足了底基层材料的要求，底基层组成部分可以省略。在适当的情况下，底基层材料尚不齐备，现有的材料可与其它材料处理，以实现必要的属性。这种对待土工程特性，以改善他们的过程被称为稳定。

基础道路直接放置路基之上，如果路基道路不使用，它被直接放在路堑上。路面层通常由粒状材料，如碎石，压碎或未粉碎的炉渣或沙砾及沙子。为基层材料的规格通常包括更严格的要求，特别是关于他们的可塑性，层次较底基层材料的，和力量。材料不具备所需的性质，可作为基础材料，如果他们得到适当的波特兰水泥，沥青或石灰稳定。在某些情况下，高品质的基础道路材料也可能被视为与沥青或水泥改善重型路面的刚度特性。

表面层是公路铺砌层上的一层同是它是在基础面层上迅速铺筑的。柔性路面的表面层是有矿物骨料和沥青混合料组成的。它应该能够承受高的轮胎压力，能够抵抗车辆的摩擦力，提供良好的抗滑表面，并且阻止表面水渗入下卧层。路面磨耗层的厚度有3英寸甚至到6英寸的，这有路面交通量所决定。柔性路面的表面层性能的体现是有使用的沥青混凝料配合比设计所决定的。

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刚性高速公路路面通常由波特兰粘结水泥建造。刚性路面有一些允许结构承担一个类似梁的功能通过下层材料微小形变的挠曲力。因此，微小形变可能不被水泥路面所反映。合理设计和建造的刚性路面，有较长的寿命，并且维护费用也比柔性路面便宜。高速公路水泥路面的厚度通常为6~13英寸。刚性路面公路建设通常携带沉重的交通负荷，尽管他们被用于住宅和地方道路。

被用与刚性路面的硅酸盐水泥混泥土通常有硅酸盐水泥，粗骨料，细骨料和水组成。型钢混凝土杆可能会或可能不会使用，有在建路面类型决定。

刚性路面的公路被分为三个基本类型：素混凝土路面，钢筋混凝土路面，和连续配筋的路面。各种类型路面的定义通过钢筋的用量联系起来。

素混泥土路面没有用于荷载传递的温度钢筋或传力杆。然而，钢拉杆常常被用来提供一个在纵向接缝的铰链影响，并防止这些接缝的开裂。普素混泥土路面主要被用在低交通量或当水泥稳定土被用在基层。接缝被布置在比其他类型混泥土路面相对更短的距离（10到20英尺）以减小开裂规模。有时，素混泥土路面的横向接缝做成倾斜4到5英尺（平面上），这样，在某一时刻，只有一个车轮通过接缝。

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这样有助于提供一个平顺的行车。

只有钢筋混泥土路面具有传力杆用于接缝传递交通荷载，用这种接缝接缝间隔可以更长，从30到100英尺。温度钢筋被用在整个路面板，所用多少有板的长度决定。拉杆也常被用于纵向接缝。

连续配筋的路面没有横向接缝，除当一些特殊位置必须布置施工缝或膨胀接头外，如在桥梁上。这些路面有一个相对较高的配筋率，通常有不低于百分之0.6的截面板。它们也包括拉杆穿过纵向接缝。

Lesson12沥青面层

1沥青面层必须能够抵抗轮胎重荷载作用和环境作用的影响，此外他必须在雨天能够提供足够的抗滑力以及提供行车舒适性，他还能够抵抗车辙和开裂能力，我们还希望面层是不透水的，除非是透水性路面。

2热压沥青是一种具有更少粗集料的间断级配材料，事实上，在沥青，细集料，矿粉之间加入粗集料其机械性能由胶结构所决定，这种材料被广泛运用于英国主干道的磨耗层中，但是由于新材料压实的耐久层，粗集料含量一般较低是的层面压实后非常平整，相应的，他的抗滑性不足，因而摊铺时，在表面需要压入一层石屑来弥补这一缺陷。○1

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3在苏格兰，热压沥青磨耗层是主干道路的机动车道的首选，但是自从19xx年薄层表面处治在英格兰和威尔士被认可为首先方案，自从19xx年，北爱尔兰把热压沥青磨耗层和薄层处治都定位首先方案。

4透水性沥青路面是用均匀级配材料，其特点是提供大的空斜率将水在结构层厚度范围内排到边缘，如果磨耗层太透水了，那么下面的基层必须是防水的，并且透水性路面必须保持开发结构特质以及延长结合料使用寿命，需要较厚的吸附沥青膜来抵抗水损害和组织结合料的老化，在使用中，这种材料能最大限度的降低水雾，与密集配结合料相比，他能够提供低噪音路面，并减少路面并减少滚动摩阻力，2通常由于特定的环境因素，但是目前在英国施工中，沥青瑪蹄脂○

碎石和指定的薄面层通常是首选，在早期使用中，在高等级公路中透水性沥青磨耗层在早期使用中会发生破坏，公路局不建议在日载重车超过6000辆的公路上采用透水性沥青面层。

5 沥青混凝土和密级配沥青碎石是连续级配混合料原理上与运用于路基和基层的密级配沥青碎石相似，但是最大粒径要小于他们，除了英国全世界的公路面层都使用较密级配的沥青混凝土，对于英国的抗滑标准密级配沥青碎石路面显然比不上热压沥青混凝土路面沥青玛蹄脂碎石路面或透水性沥青路面，这个问题可以通过一个分离的面层处治但是这样做通常会使密级配碎石沥青路面的造价更高。

6沥青玛蹄脂碎石最先在德国和斯坦第纳维亚使用，现在英国使用也很广泛，这种材料透水性沥青面层一样拥有粗集料骨架，但是其 36

空隙需细集料，填料，沥青砂浆填充，使用石油沥青的混合料中，加用聚合物改性沥青时通常不需要加入纤维，沥青玛蹄脂碎石是间断级配材料具有良好的抗车辙能力和耐久性，这不同于热压沥青因为他的砂浆只是用于填充粗集料间的空隙，而在热压沥青混合料中，粗集料和砂浆混合在一起，并且不能形成连续的沥青玛蹄脂，但是与沥青玛蹄脂碎石类似的高石量的热压沥青，并不在英国长用于磨耗层，而是被运用于路基和基层的修筑。

7近年来，一种薄的或被称为超薄面层被引进，特别是在法国开发出这种材料后，这些材料在细部组成上差异很多，但是通常与沥青玛蹄脂碎石级配相似，一般不与聚合物改性沥青一起使用，他们可以被用于更兼顾的路基和基层上面或者用于重铺显存路面对于小交通量的路面，他的养护原则是最小车道占用理论，这只允许给这些长寿命路面结构更换磨耗层，新一代的薄面层易达到这个要求。

8上述这些不同的一般混合类型可以如图12.1比较它们的机械性能和耐久性。该图表明，原则上，低碎石含量的热压沥青混凝土，沥青玛蹄脂碎石以及透水性沥青混合物是如何改善车辆荷载的能力的。

9当沥青混凝土设计良好时，是一个折中方案，因为密级配可以对引起车辙的剪力提供良好的抗力，并且其足够的粘结程度对于引起开裂的拉力有较强的抵抗性。通常集料发挥主要作用，密级配沥青碎石级配程度没有沥青混凝土高，并且性能没那么好，因此更利于抵抗车辙而不利于抵抗裂缝。

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10热压沥青混凝土借助集料之间的充分的砂浆粘结来提供良好的抵抗裂缝形成的作用，这也提供了好的耐久性，但是粗集料的缺乏，对抵抗车辙不利。

11同一幅图中展示的沥青玛蹄脂和透水性沥青路面强调了粗集料的主导作用，在两种情况下，被沥青裹覆的碎石在透水性沥青路面中，空隙可以用来排水，但是，对沥青玛蹄脂碎石路面而言，孔隙被由细集料，填充料，沥青及纤维素构成的玛蹄脂填充，这两种路面材料中的粗集料的含量提供了好的抗车辙能力，透水性沥青面层的抗拉能力低，而有时沥青玛蹄脂面层的抗拉能力较高，但是几乎没有工程试验数据证明这一特性。

Lesson13道路和机场的排水

适当的排水系统的规定在道路和和机场的位置和几何构思上是一个很重要的因素。排水设施在任何道路、街道、机场都应该有效的使水流从路面排到设计合理的渠道中。不适当的排水最终会导致构造物的要种破坏。总之，交通会由于人行道积水变得缓慢也会导致事故的发生。水滑现象、溅水和喷雾导致的可见度降低都会导致事故的发生。工程资金在排水设施的分配就体现了它的重要性。大概25%的工程资金被分配到涵洞、桥梁、河道、沟渠等的冲刷控制和排水设施上。

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高速公路的排水设施

主要的一方面涉及到高速公路设计者提供的排水设施的尺寸。例如：足够大的过水孔径要能排出预计的水流。不合适的结构尺寸会导致积水，这会使高速公路由于路堤长时间的浸泡致使邻近部分的失败。

排水设施的两大种类分为主要设施和次要设施。主要设施的的净跨径大于20尺，而次要设施的跨径小于等于20尺。主要设施常应用于大桥、多孔涵洞也常用这种设施。次要设施时常应用于小桥和涵洞中。

最主要的是挑选主要设施的跨度和纵向净空值。桥板必须位于高水位线以上，但其在高水位线以上的净空值必须允许河道中最大的船通过而不与桥板发生碰撞。净空高度、尺寸、桥墩见的空隙取决于河流在最大水流是可能出现的冰块拥塞和漂浮圆木灯漂浮物来确定的。 河道两岸的检查可以确定高水位线的位置。因为它和侵蚀和漂浮物堆积有关。由于居住在河流附近的居民他们经历过多年的洪峰期。因为他们可以在确定高水位线的位置方面提供一些信息。通过河流上安装多年的位标也能为高水位线位置的确定提供一些信息。

像短跨径桥和涵洞这一类次要设施经常是用于高速公路的排水设施。尽管这种排水设施对于排出最严重的洪水是不合适的。但它必须满足在正常使用年限内可能出现的水流状况的排泄。必须规定避免 39

由于浮冰以及水流很急的河道中冲下得巨石而引起的堵塞。

涵洞可能由多种材料和不同尺寸建成。涵洞常用材料有混凝土（钢筋混凝土和素混凝土）、波纹钢、波纹铝其他材料常用于涵洞内部。以防止侵蚀和冲刷或减少水的阻力。例如：沥青混凝土常用于波纹金属涵洞常用的尺寸常有圆形、金属（箱型）、管拱、椭圆、拱形。

城市暴风雨排水

在城市和郊区地带，径流水是通过雨水沟渠和其附属部分所组成的排水设施来控制的。这个区域排水问题的增长主要有两个方面：这些区域的自然防渗使得径流速度非常快；没有足够的自然水流空间。所以说，在暴风雨形成自然径流之前我们要把它收集到一个管道系统中然后转移到合理区域是很重要的。这些收集运输的系统也增长了一些问题。所有的水必须被有效的收集，不能有积水，这样排除自然积水。通过加大流速尽快的使径流达到最大流量。同时，短时间的峰值使得系统短时间内很敏感，高强降雨。暴雨排水系统，是根据暴雨的强度重现期来设计的，同时依靠于经济和水库的容量。

机场排水

机场排水设施的建造与高速公路和道路排水设施存在相似的问题。然而，由于机场用地面积大且平坦。多样的土壤、没有天然的河道和边沟。在建筑终点的分流越集中。有些问题就越复杂。考虑到机 40

场周边的排水设施相对较大。所以，一个分散的排水设施是必须的。由于这一系统的巨大。所以，人们更加迫切的采用一个建立在最合理数据基础上得可靠的工程原理，一摆正设计最经济。超过设计要求会使成本增加而且没有什么效果。低于设计要求会导致机场交通的危险。

为了确保机场的路面平坦、结实、稳定、合理自由排水。提供一个能多功能系统是很必要的。它必须能收集和移走机场表面的水；能够截断并排走机场相邻区域的水；收集并排走机场设施下面多余的地下水；在多数情况下降低地下水位；保护边坡区域不受侵蚀.

lesson 19 拱桥

在图1中显示用来描述一个拱桥的各部分的有关术语。

拱桥可以根据以下参数进行分组： 1．建筑材料 2．结构的衔接

3．拱桥的形状

从历史上看，拱桥都是与石头建筑有联系的，但是在十九世纪让位给了砖砌结构。因为他们的比例尽可能的减少了拉伸应力的可能性，这使得他们有成为巨大结构的趋势。

相比之下，使用钢筋混凝土和现代结构钢为拱桥提供了简约、典雅的机会。至于衔接拱结构可固接或铰接。在后一种情况中一个、两 41

个或三个铰链可以被使用到拱肋。虽然固结的拱桥存在三个多余约束，但是一个铰的作用就是减少一个多余约束，而对于三个铰来说的拱桥是静定的，因此，从理论上来讲，无二次应力问题。图2显示了一系列可能的布置情况。拱桥的衔接不仅仅取决于铰的数量，也从根本上受到桥面的位置和从桥面传向拱的荷载性质的影响。

传统的填充拱肩是车辆荷载通过其回填材料传递到拱背，这是第一眼能够看到的最简单的结构状况。但是稍后我们看到的就不是这种状况，这就导致了我们在试图提高对这种结构的认识时，将要对这种砖石拱桥的许多特定案例进行研究。

带有柱子的拱肩会被做成开放式的，铰用来传递桥面板的荷载到拱。在试图尽量减少对桥墩的水平推力时，桥面板就会和系杆拱配合使用。当桥面的建设深度受到限制时或者需要大跨度时（特别是如果地面条件也很困难，将需要大量的桩以抵抗水平推力时），系杆拱就会特别的适用。

为了便于施工放样，简单的建筑物形状现在被分段采用或者采用抛物线形状。虽然在最大宽度的情况下净空必须提供（比如在一个铁路，公路或运河），椭圆形状可能是其最接近的要求或其最相近的等价物是―简单‖的三个铰的拱。

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这是值得在现阶段讨论的理想化的拱结构。传统意义上，拱被认为是二维结构。这当然是不真实的——但它在何种程度上是不正确的应该是设计师和评估员所关心的问题。即使在表面上看是静定的三铰拱的情况下，―插脚‖都能传递剪力，即使他们理论上不能传递。非均匀的荷载横向分布的情况下，铰链会传递一个会在拱内产生扭矩的不断变化的剪力。此外，斜拱或非垂直拱肋的情况下，结构具有很高的冗余，因此将需要更多地注意发布的工程结构方面的详细信息。

从美学的角度来看，拱桥有一个普遍的吸引力。尽管这样，重视规模不大的桥梁的影响是十分有意义的。实体的拱桥总是砖石（或砖石扩大）桥梁。行清洁、诚信的理念和注重细节是成功的桥梁的至关重要的因素。当然，简单的层拱和顶层更适合详细描述一些昂贵的和与许多现代桥梁不相称的细节。使用石头是因为它材质重要的环境敏感性。应采用现代开采技术（激光切割、金刚石锯、火焰变形和喷砂)，保留传统加工保护计划。如果使用不同的砖砌体可以指定纹理或琉璃砖和灰泥。在这里，层拱可以很有效的掩饰层面方向上的变化。

从历史上看，桥墩是由岩石或者是大量的厚重砖石结构组成的，依靠自身的重量抵抗拱桥的推力。依靠结构的稳定性，这是必要的，因为这是一种本能去期待这种支持。

钢筋混凝土桥和钢拱桥有许多轻结构。结构基本上包括拱、桥面 43

板和通常一些拱肋到桥面板的支撑结构——重要的顺序。这些元素应该表现在细节和形式上，并充分考虑其层次性

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重要的是，如果在拱顶处的桥面板，不应该用任何方法去掩饰它。无论是层拱还是铰链的任何支撑结构（在系杆拱桥的情况下）都不应该被允许占据主导地位。最好是他们相对于栏杆和层拱能够隐藏起来。

混凝土拱可以是一个完整的弯曲宽板或者是一系列的肋骨组成，钢拱桥大多是由一系列的肋骨组成。凡是使用肋骨的时候应当考虑（如果是从下面看的话）拱腹的明暗变化。

对跨度上升的比例应控制在10:1到2:1的范围内。拱越平坦水平

推力就越大，这可能影响结构形式的选择等等，不论是系杆是否应该被引进，还是桥面板相对于拱的刚度。

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