1、1 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
2、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 2 变得更加紧密; 因此,再一次充
3、分说明, 工程师负责（承担）的工程 在许多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
4、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 3 点以及运用不同的工程理论和经验。 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
5、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
6、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 4 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
7、程师设计和施工诸如发射 台和火箭存贮设施这样的结构。 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
8、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
9、be made on him or her. From:E.J Hall “The Language of Civil Engineering in English”,1984 5 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
10、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
11、，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， 6 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
12、 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
13、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。 7 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
14、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
15、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 8 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 土的混合物，将它加热，然后磨成粉末
16、。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
17、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。 9 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
18、。 这种方法有助于使混凝土的重量降低到一定的程度。 10 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
19、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”
20、应力，抵消由内部包含物质(产 11 生的)压力所引起的曲线表面外部纤维所引起的拉应力。 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 ming
21、ht 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
22、 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。
23、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 12 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。 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 6580%。因此， 预应力混凝土构件需要较少的混凝土，并且大概是 2035%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
24、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 7090 英尺（ 21.327.4m） ，梁 （上）的恒定重量变的非常的大，从而导致更大
25、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 13 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 1940 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
26、 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
27、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。 14 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
28、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
29、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 15 应力应变的屈服点相一致，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。 (
30、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
31、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 16 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
32、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
33、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。 17 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。 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
34、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。 交通运输系统已经 1 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。 每种方式按照行程时间，出行频率，舒适程度，可靠性， 2 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
35、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。 18 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 1960 年到 2005 年，货运的变化的说明见图 7.1。 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，
36、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。 对很多人来说， 3 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，
37、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。 19 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。
38、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
39、，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 20 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
40、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 21 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 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
41、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 22 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 。
42、 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 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。 23 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
43、 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。 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 24 道路直线部分的交点然后在两
44、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
45、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 25 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
46、 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
47、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 26 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
48、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%。 27 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，
49、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。 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。 28 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 ，在这里司机
