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1、 水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 課 程 名 稱: 水工鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 年級(jí)/專業(yè)/班: 2012級(jí)水利水電工程1班 學(xué) 生 姓 名: 學(xué) 號(hào): 312012080801100 任 課 教 師: 徐良芳老師 開 課 學(xué) 院: 能源與環(huán)境學(xué)院 水利水電工程鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)題目 1.某小型露頂式閘門設(shè)計(jì)2.攔污柵設(shè)計(jì)二、 主要內(nèi)容1、 某露頂式平面鋼閘門設(shè)計(jì) 門型式:露頂式平面鋼閘門 孔口尺寸(寬高): 4.5 m 4 m 啟閉方式:卷?yè)P(yáng)式啟閉 材料 鋼結(jié)構(gòu):Q235-A.F; 焊條:E43型; 行走支承:膠木滑道 止水橡皮:側(cè)止水用P型橡皮,底止水用條形橡皮制造條件 金屬結(jié)構(gòu)制造廠制造,手工電弧焊,
2、滿足級(jí)焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范:水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范SL 1974-20053、攔污柵設(shè)計(jì) 攔污柵型式:固定式平面攔污柵尺寸(寬高): 4.5 m 4 m水頭:2m三、閘門結(jié)構(gòu)的形式及布置1.閘門尺寸的確定閘門高度: 考慮風(fēng)浪產(chǎn)生的水位超高為0.2m,故閘門高度=4+0.2=4.2m閘門的荷載跨度為兩側(cè)止水的間距: L1=4.5m閘門計(jì)算跨度: L=L0+2d=4.5+2*0.2=4.9m圖1 閘門的主要尺寸 (單位:m)2.主梁的形式主梁的形式根據(jù)水頭和跨度的大小決定,本閘門屬于小跨度,為了便于制造和維護(hù)是,采用實(shí)腹式組合梁。3.主梁的布置根據(jù)閘門的高垮比,采用2根主梁。為使兩主梁在設(shè)計(jì)水
3、位時(shí)所受的水壓力相等,兩個(gè)主梁的位置應(yīng)對(duì)稱于水壓力合力作用線y=H/3=1.33m,并要求下懸臂a0.12H, 和a0.4m,上懸臂c0.45H,今取a=0.5m0.12H=0.48m主梁間距 2b=2(y-a)=2*0.83=1.7m則 c=H-2b-a=4-1.7-0.5=1.8m=0.45H(滿足要求)4.梁格的形式和布置梁格采用復(fù)式布置和等高連接,水平次梁穿過(guò)橫隔板上的預(yù)留孔冰被橫隔板所支承。水平次梁為連續(xù)梁,其間距應(yīng)上疏下密,使面板各區(qū)格需要的厚度大致相等,梁格布置具體尺寸如圖2所示圖2 梁格布置尺寸圖 (單位:mm)5. 連接系的布置和形式(1)橫向連接系,根據(jù)主梁的跨度,決定布置
4、 道橫隔板,其間距為1.63m,橫隔板兼作豎直次梁。(2)縱向連接系,設(shè)在兩個(gè)主梁下的翼緣的豎平面內(nèi)。采用斜桿式桁架。(6)邊梁與行走支承。邊梁采用單復(fù)式,行走支承采用膠木滑道。四、面板設(shè)計(jì)根據(jù)水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范 (SL 74-95),關(guān)于面板的計(jì)算,先估算面板的厚度,在主梁截面選擇之后再驗(yàn)算面板的局部彎曲與主梁彎曲的折算應(yīng)力。(1) 估算面板厚度。假定梁格布置尺寸 圖2 所示。面板厚度按式計(jì)算 當(dāng)b/a 3 時(shí),a = 1.5 ,則當(dāng)b/a> 3 時(shí),a = 1.4 ,則現(xiàn)列 表 1 進(jìn)行計(jì)算。表1 面 板 厚 度 的 估 算區(qū)格a(mm)b(mm)b/akP(N/mm)t(m
5、m)I90016231.800.6510.0040.0513.13II88016231.840.4900.0130.0804.79III78016232.080.4970.0210.1025.4IV74016232.190.4970.0300.1216.08V34016234.770.7500.0380.1683.89注 1、面板邊長(zhǎng)a、b都從面板宇梁格的連接焊縫算起,主梁上翼緣寬為140mm (詳見(jiàn)后面)2、區(qū)格I、VI中的系數(shù)k由三邊固定一邊簡(jiǎn)支板查得。根據(jù)上表計(jì)算選用面板厚度t=8mm(2)面板與梁格的連接計(jì)算。面板局部繞曲時(shí)產(chǎn)生的垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向拉力P按式max計(jì)算,已知面板厚
6、度t=8mm,并且近似地取板中最大彎應(yīng)力max =【】=160 N/mm2 則max = 0.07×8×160=89.6(N/mm)面板與主梁連接焊縫方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的剪力 T=VS/2I0 =177000×620×8×118/(2×446700000)=77(N/mm)由式計(jì)算面板與主梁連接的焊縫厚度為hf=(p/1.22)2+T2)(1/2)/(0.7th)=(89.6×89.6+77×77/(0.7×113)=1.5(mm)面板與梁格連接焊縫取其最小厚度hf=6 mm五、水平次梁、頂梁和底梁的設(shè)計(jì)(1
7、)荷載與內(nèi)力計(jì)算。水平次梁和頂、底梁都是支承在橫隔板上的連續(xù)梁,作用在它們上面的水平壓力可按式計(jì)算。 列 表2 計(jì)算后得q=78.27kN/m表2 水 平 次 梁 、 頂 梁 和 底 梁 均 布 荷 載 的 計(jì) 算梁號(hào)梁軸線處水壓強(qiáng)度梁間距(m)(m)(kN/m)備 注1(頂梁)0.95頂梁荷載按下圖計(jì)算0.982 8.1 0.9758.000.973上主梁 17.70.9216.230.874 25.20.8521.420.835下主梁33.30.61520.480.406底梁37.30.30011.19根據(jù) 表2 計(jì)算,水平次梁計(jì)算荷載取21.42kN/m,水平次梁為三跨連續(xù)梁,跨度為2.
8、35m(圖3)。水平次梁彎曲時(shí)的邊跨中彎矩為M次中=0.080ql2=0.080×21.42×1.63×1.63=4.55(kNm)支座B處的彎矩為M次B =0.100ql2=0.100×21.42×1.63×1.63=5.69(kNm)圖3 水平次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖和彎矩圖(2) 截面選擇。 W=M/=5.69×106/160=35563mm3考慮到利用面板作為次梁截面的一部分,初選 10, 由附錄三表4查的:A=1274;Wx=39700;Ix=198300;b=48mm;d=5.3mm。圖4 面板參加水平次梁工作后的組合截面(
9、單位:mm)面板參加次梁工作有效寬度分別按式(1)及式或(其中)計(jì)算,然后取其其中較小值。 式(1) Bb1+60t= 48+60×8=528mm(對(duì)胯間正彎矩段)(對(duì)支座負(fù)彎矩段)按4號(hào)梁計(jì)算,設(shè)梁間距(870+830)/2=850(mm)。確定式中面板的有效寬度系數(shù) 時(shí),需要知道梁彎矩零點(diǎn)之間間距與梁間距b比值。對(duì)于第一跨中正彎矩段取= 0.8l=0.8×1633=1306 。對(duì)于支座負(fù)彎矩段取 =0.4×1633=653。表3 面 板 有 效 寬 度 系 數(shù) 和 0.51.01.52.02.53456810120.200.400.580.700.780.84
10、0.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.780.830.860.92根據(jù)查 表3,得對(duì)于= 1306/850 = 1.54 ,得= 0.59 ,則B =0.59×850=502(mm) ;對(duì)于= 653/850= 0.75 ,得= 0.23 ,則B = 0.23×850=196(mm) ;對(duì)第一跨中選用B=502mm ,則水平次梁組合截面面積 圖3 為A =1274+502×8=5290 mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離為 e=502×8×54/5290=41(mm
11、)跨中組合截面的慣性矩及截面模量為 I次中=198300+1274×412+502×8×132=3020000mm4 Wmin=3020000/91=33200mm2對(duì)支座B = 196 mm ,則組合截面面積為A =1274+196×8=2842 mm2組合截面形心到槽鋼中心線的距離為 e=196×8×54/2842=30(mm)支座處組合截面的慣性矩及截面模量為 I次B=198300+1274×302+196×8×342=3157508mm4 Wmin=3157508/80=39469 mm2(3)水
12、平次梁的強(qiáng)度驗(yàn)算。由支座B(圖3)處彎矩最大,而截面模量最小,故只需驗(yàn)算支座B處的截面的抗彎強(qiáng)度,即 次=M次B/Wmin=5.69×106/39469=144N/mm2<=160N/mm2說(shuō)明水平次梁選用 10 滿足要求。軋成梁的剪應(yīng)力一般很小,可不必驗(yàn)算。(3) 水平次梁的撓度驗(yàn)算。受均布荷載的等跨連續(xù)梁,最大撓度發(fā)生在邊跨,由于水平次梁在B支座處截面的彎矩已經(jīng)求得M次B=5.69kN.m ,則邊跨撓度可近似地計(jì)算為=5/384×ql3/EI次-M次Bl/16EI次=5×21.42×(1.63×103)3/(384×2.06
13、×105×302×104 )-5.69×106×1.63×103/(16×2.06×105×302×104 )=0.001001<W/L=1/250=0.004 故水平次梁選用 10 滿足強(qiáng)度和剛度要求。(5)頂梁和底梁。頂梁所受的荷載較小,但考慮水面漂浮物的撞擊等影響,必須加強(qiáng)頂梁的剛度,所以也采用 10。底梁也采用 10六、主梁的設(shè)計(jì)(1)設(shè)計(jì)資料。1)主梁跨度(圖5);凈跨(孔口寬度)Lo=4.5m,計(jì)算跨度L=4.9,荷載跨度L1=4.5m ;2)主梁荷載:39.3KN/M;3)橫
14、向隔板間距:1.63m ;4)主梁容許撓度w=L/600。(2)主梁設(shè)計(jì)。主梁設(shè)計(jì)包括:截面選擇;梁高改變;翼緣焊縫;腹板局部穩(wěn)定驗(yàn)算;面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力驗(yàn)算。圖5 平面閘門的主梁位置和計(jì)算簡(jiǎn)圖 1)截面選擇。彎矩與剪力。彎矩與剪力計(jì)算如下 Mmax=(39.3×4.5/2)×(4.9/2-4.5/3)=84(kNm) Vmax= qL1/2=0.5×39.3×4.5=89(KN)需要的截面模量。已知 Q235 鋼的容許應(yīng)力 ,考慮鋼閘門自重應(yīng)力引起的附加應(yīng)力作用,取容許應(yīng)力為 ,則需要的截面模量為 W=Mmax/=84×10
15、0/(144×0.1)=584cm2 腹板的高度選擇。按高度要求的最小高梁(變截面梁)為 hmin=0.96×0.23×L/Ew/L=0.96×0.23×144×100×4.9×100/ 2.06×107×(1/600) =45.4cm經(jīng)濟(jì)梁高 hec=3.1W2/5=3.1×5842/5=55.2cm 由于鋼閘門中的橫向隔板重量將隨主梁增高而增加,故主梁高度宜選得比 小,但不小于 ,然而根據(jù)本設(shè)計(jì)的所得的和而言選用腹板高度Ho=50cm。 腹板厚度選擇。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:tw=h/11
16、=5011=0.64 ,選用。 翼緣截面選擇。每個(gè)翼緣截面為 A1=W/h0-twh0/6=584/50-1.0×50/6=4cm2下翼緣選用(符合鋼板規(guī)格) 需要,選用b1=A1/t1 =4/2.0=2cm,選用b1=15cm(在 之間)。 上翼緣的部分截面面積可利用面板,故只需設(shè)置較小的上翼緣板同面板相連,選用t1 =2.0cm,b1=14cm。 面板兼作主梁上翼緣的有效寬度取為 B=b1+60=14+60×0.8=62cm; 上翼緣的面積為 A1=14×2.0+62×0.8=77.6cm2彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。主梁跨中截面(圖6)的幾何特性見(jiàn) 表4 。截
17、面形心矩為圖6 主梁跨中截面(單位:mm) y1=Ay'/A=3075/157.6=19.5cm;截面慣性矩 I=twh03/12+Ay2=1×503/12+66486=76903cm4截面模量: 上翼緣頂邊 Wmin=I/y1=76903/19.5=3943cm4; 下翼緣底邊 Wmin= I/y2=76903/35.3=2179cm2;彎應(yīng)力=Mmax/Wmin=84×50/2179=2.1kN/cm2<0.9×16=14.4kN/cm2,(安全)表4 主 梁 跨 中 截 面 的 幾 何 特 性部位面板部分62×0.849.60.419
18、.8-19.118095上翼緣板14×2.028.01.850.3-17.78772腹板50×1.050.027.813908.34324下翼緣15×2.030.053.8161534.335295合計(jì)157.6307566486整體穩(wěn)定性與撓度驗(yàn)算。因主梁上翼緣直接同鋼面板相連,按設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,可不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。又因梁高大于按剛度要求的最小梁高,故梁的撓度不必驗(yàn)算。(2).截面改變。因?yàn)榱嚎缍容^大,為減小門槽寬度和支承邊梁高度(節(jié)省鋼材),有必要將主梁支承端腹板高度減小為(圖7)梁高開始改變的位置去載鄰近支承端的橫向隔板下翼緣的外側(cè)(圖8),離開支承端的距離
19、為16310 = 153 cm。圖7 主梁支承端截面(單位:mm)圖8 主梁變截面位置圖(單位:mm) 剪切強(qiáng)度驗(yàn)算:考慮到主梁端部的腹板及翼緣都分別同支承邊梁的腹板及翼緣相焊接,故可按工字形截面來(lái)驗(yàn)算剪應(yīng)力的強(qiáng)度。主梁支承端截面的幾何性質(zhì)見(jiàn) 表5 。表5 主 梁 端 部 截 面 的 幾 何 特 性部位面板部分62×0.849.60.419.8-11.66675上翼緣板14×2.028.01.850.3-10.24732腹板30×1.030.017.85345.81009下翼緣15×2.030.033.8101421.814257合計(jì)137.616182
20、6673截面形心距y1=1618/137.6=12cm 截面慣性矩 I0=1×60×60×60/12+26673=44673cm4 截面下半部對(duì)中和軸的面積矩 S=30×21.8+16.8×1.0×16.8/2=796cm3 剪應(yīng)力 =VmaxS/I0t=89×796/44673×1.0=1.6KN/cm2<=9.5KN/cm2,安全。3)翼緣焊縫翼緣焊縫厚度(焊腳尺寸)按受力最大的支承端截面計(jì)算。最大剪應(yīng)力 89kN,截面慣性矩= 44673cm4。部位面板部分62×0.849.60.419.8-
21、11.66675上翼緣板14×2.028.01.850.3-10.24732腹板30×1.030.017.85345.81009下翼緣15×2.030.033.8101421.814257合計(jì)137.6161826673 上翼緣對(duì)中和軸的面積矩 S1=49.6×11.6+28×10.2=870cm3; 下翼緣對(duì)中和軸的面積矩 S2=30×21.7=654cm3<S1; 需要hf=VS1/1.4I0f=89×870/(1.4×44673×11.3)=0.109m 角焊縫最小厚度hf1.5t0.5=1.
22、5×200.5=6.7mm 全梁的上、下翼緣焊縫都采用8mm。七、橫隔板的設(shè)計(jì)1)荷載和內(nèi)力計(jì)算。橫隔板同時(shí)兼作豎直次梁,它主要承受水平次梁、頂梁和底梁傳來(lái)的集中荷載以及面板傳來(lái)的分布荷載,計(jì)算時(shí)可把這些荷載用以三角形分布的水壓力來(lái)代替(圖1),并且把橫隔板作為支撐在主梁上的雙懸臂梁。則每片橫隔板在上懸臂的最大彎矩為 M=1.8×17.7/2×2.35×1.8/3=22.5kN.m(2)橫隔板截面選擇和強(qiáng)度計(jì)算。其腹板選用與主梁腹板同高,采用 500mm ×8mm ,上翼緣利用面板,下翼緣采用200mm ×8mm 的扁鋼。上翼緣可利用
23、面板寬度按確定,其中b= 1633mm ,按 l0/b=2×1800/1633=2.21,從 表3查得有效寬度系數(shù)2=0.54,則B=0.54 ×1633=882mm,取B=850mm 。計(jì)算如 圖9 所示的截面幾何特性。圖9 橫隔板截面 (單位:mm)截面形心到腹板中心線的距離為 e =850×8×254-200×8×504/(1200×8+200×8+900×8)=107mm截面慣矩為 I=8×5003/12+8×500×1072+8×200×3612
24、+8×850×1472=48459×104mm4截面模量為 Wmin=48459×104/365=1327628mm3驗(yàn)算彎應(yīng)力為 ð =M/Wmin=22.5×106/1327628=16.9N/mm2 <ð由于橫隔板截面高度較大,剪切強(qiáng)度更不必驗(yàn)算。橫隔板翼緣焊縫采用最小焊縫厚度6mm。八、縱向連接系(1)荷載和內(nèi)力計(jì)算。縱向連接系承受閘門自重。露頂式平面剛閘門門葉自重G按附錄10中的式計(jì)算 =0.81×1.0×0.156×41.43×4.50.88×9.8=34.
25、8kN下游縱向連接系承受 0.4G=0.4×34.8=14KN縱向連接系視作簡(jiǎn)支的平面桁架,其桁架腹板桿布置如 圖10所示,其結(jié)點(diǎn)荷載為 14/3=4.77(kN)桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如 圖10 所示。圖10 縱向連接系計(jì)算圖 (單位:mm)(2)斜桿截面計(jì)算。斜桿承受做大拉力N =6.65 KN. 同時(shí)考慮閘門偶然扭曲時(shí)可能承受壓力,故長(zhǎng)細(xì)比的限制應(yīng)與壓桿相同,即 =200 選用單角鋼L×100×8, 由表附表6.4查得 截面面積 A=15.6cm2=1560mm2回轉(zhuǎn)半徑 i=1.98cm=19.8mm ; 斜桿計(jì)算長(zhǎng)度 l=0.9×=2.11m 長(zhǎng)細(xì)比
26、 =l0/iy0=2.11×103/19.8=106.6<=200 驗(yàn)算拉桿強(qiáng)度 =6.65×103/1560=4.3N/mm2<0.85=133N/mm2 考慮到單角鋼受力偏心的影響,將容許應(yīng)力降低15%進(jìn)行計(jì)算。(3)斜桿與結(jié)點(diǎn)板的連接計(jì)算(略)。九、邊梁設(shè)計(jì)邊梁的截面形式采用單腹式(圖11),邊梁的截面尺寸按構(gòu)造要求確定,即截面高度與主梁端高度相同,腹板厚度與主梁腹板厚度相同,為了便于安裝壓合膠木滑塊,下翼緣寬度不宜小于300mm。邊梁是閘門的重要受力構(gòu)件,由于受力情況復(fù)雜,故在設(shè)計(jì)時(shí)可將容許應(yīng)力值降低20%作為考慮受扭影響的安全儲(chǔ)備。圖11 邊梁截面 (
27、單位:mm)圖12 邊梁計(jì)算圖 (單位:mm)(1)荷載和內(nèi)力計(jì)算。在閘門每側(cè)邊梁上各設(shè)兩個(gè)膠木滑塊。其布置尺寸見(jiàn) 圖12。 1)水平荷載。主要是主梁傳來(lái)的水平荷載,還有水平次梁和頂、底梁傳來(lái)的水平荷載。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn),可假定這些荷載由主梁傳給邊梁。每個(gè)主梁作用于邊梁的荷載R =333kN。 2)豎向荷載。有閘門自重、滑道摩阻力、止水摩阻力、啟吊力等。 上滑塊所受的壓力 R1=89×1.63/2.2=66kN下滑塊所受的壓力 R2=178-66=112 kN最大彎矩 Mmax=66×0.5=33kN.m 最大剪力 Vmax=R1=66kN 最大軸向力為作用在一個(gè)邊梁上的啟吊力
28、,估計(jì)為 100kN(詳細(xì)計(jì)算見(jiàn)后面)。在最大彎矩作用截面上的軸向力,等于啟吊力減去上滑塊的摩阻力,該軸向力N=100- R1f=100-66×0.12=92.08kN。(2)邊梁的強(qiáng)度驗(yàn)算。 截面面積 A=300×10+2×300×14=11400 mm2 面積矩 Smax=14×300×157+10×150×75= 771900mm3 截面慣性矩 I=10×300×300×300/12+2×300×14×157×157=229551600mm
29、 截面模量 W=229551600/164=1399705 mm3 截面邊緣最大應(yīng)力驗(yàn)算max=N/A+Mmax/W=92.08×1000/11400+33×1000000/1399705=8+24=32N/mm2<0.8=126N/mm2腹板最大應(yīng)力驗(yàn)算 =VmaxSmax/Itw=66×100×771900/(229551600×10)=22.1N/mm2<0.8=76 N/mm2腹板與下翼緣連接處折算應(yīng)力驗(yàn)算 max=N/A+Mmax/W.y'/y=8+24×150/164=30 N/mm2 = VmaxSi
30、/Itw=66×1000×300×14×157/(22.95516×107×10)=19N/mm2 zh=44.6<0.8=128N/mm2 以上驗(yàn)算均滿足強(qiáng)度要求。十、行走支撐設(shè)計(jì)膠木滑道計(jì)算:滑塊的位置如 圖12 所示,下滑塊受力最大,其值為 。設(shè)滑塊長(zhǎng)度為300mm ,則滑塊單位長(zhǎng)度的承壓力為 q =112×100/300=374 N/mm 根據(jù) 表6 查得軌頂狐面半徑R =100mm,軌頭設(shè)計(jì)寬度為b =25mm 。表6 鋼 軌 工 作 表 面 寬 度 與 圓 弧 半 徑支承壓力q(N/mm)<10001
31、00020002000300030004000軌道圓弧半徑R(mm)100150200300軌道設(shè)計(jì)寬度b(mm)25354050注 b值不得與滑塊中間的一條膠木同寬。 膠木滑道與軌頂弧面的接觸應(yīng)力按式進(jìn)行驗(yàn)算 max=104=104=202 N/mm2 <j=500 N/mm2 選定膠木高20mm,寬 80mm ,長(zhǎng) 300mm 。十一、膠木滑塊軌道設(shè)計(jì)b30圖13 膠木滑塊支撐軌道截面 (單位:mm)(1)確定軌道底板寬度。軌道底板寬度按混凝土承壓強(qiáng)度確定。根據(jù)C20混凝土附錄10表2查得混凝土的容許承壓應(yīng)力為,則所需的軌道底板寬度為 Bh= =374/7=54mm (取Bh= 13
32、0mm) 故軌道底面壓應(yīng)力為 h=374/130=2.9N/mm2(2)確定軌道底板厚度。軌道底板厚度按其彎曲強(qiáng)度確定。軌道底板的最大彎應(yīng)力為 式中軌道底板的懸臂長(zhǎng)度c =52.5mm,對(duì)于Q235鋼,查得【】=100 N/mm2 故所需軌道底板厚度為 =15.5mm (取t=30mm)十二、閘門啟閉力和吊座計(jì)算(1)啟門力按式(其中)計(jì)算 T啟=1.1G+1.2(Tzd+Tzs)+Px 其中閘門自重G=34.8kN 滑道摩阻力 =38kN 止水摩阻力 Tzs=2fbHP 因?yàn)橄鹌ぶ顾c鋼板間摩擦系數(shù) f=0.65 橡皮止水受壓寬度取為 b=0.06m 每邊側(cè)止水受水壓長(zhǎng)度 H=4.0m 側(cè)止水平均壓強(qiáng) P=19.6kN/mm2故 2×0.65&
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