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1、橋梁工程輔導(dǎo)材料1第1章 緒論【教學(xué)基本要求】1了解國(guó)內(nèi)外橋梁的發(fā)展概況2熟練掌握橋梁的基本組成及分類3熟練掌握橋梁荷載的意義及荷載組合的方法4掌握橋梁的設(shè)計(jì)方法及程序【學(xué)習(xí)重點(diǎn)】1橋梁的基本組成和分類2橋梁的設(shè)計(jì)荷載及組合【內(nèi)容提要和學(xué)習(xí)指導(dǎo)】一、 橋梁的組成 橋梁分為上部結(jié)構(gòu)(橋跨結(jié)構(gòu))和下部結(jié)構(gòu),下部結(jié)構(gòu)包括橋墩、橋臺(tái)、基礎(chǔ)。1橋跨結(jié)構(gòu)(或稱橋孔結(jié)構(gòu),上部結(jié)構(gòu)),是在線路遇到障礙而中斷時(shí),跨越障礙的主要承結(jié)構(gòu)。2橋墩、橋臺(tái) 、墩臺(tái)基礎(chǔ)(統(tǒng)稱下部結(jié)構(gòu)),是支承橋跨結(jié)構(gòu)并將恒載和車輛等荷載傳至地基的建筑物。橋臺(tái)設(shè)在橋的兩端,橋墩則在兩橋臺(tái)之間。橋臺(tái)除了支承橋跨結(jié)構(gòu)的作用外,還要防止路堤滑坡,

2、并與路堤銜接。為保護(hù)橋頭路堤填土,每個(gè)橋臺(tái)兩側(cè)常做成石砌的錐體護(hù)坡。墩臺(tái)基礎(chǔ),是埋入土層之中,并使橋上全部荷載傳至地基的結(jié)構(gòu)部分。在橋跨結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)之間,還需設(shè)置支座,它不僅要傳遞荷載,而且根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的不同,保證橋跨結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一定的變位。除上述基本結(jié)構(gòu)外,橋梁還常常建造一些附屬結(jié)構(gòu)物,如護(hù)坡、護(hù)岸、擋土墻、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)物、檢查設(shè)備等。 對(duì)于梁式橋,以支座區(qū)分,支座以上為上部結(jié)構(gòu),支座以下為下部結(jié)構(gòu)。對(duì)于拱橋或其它形式的橋梁,應(yīng)根據(jù)其各部位功能作具體分析。此外,凈跨徑、標(biāo)準(zhǔn)跨徑、計(jì)算跨徑的含義不同。對(duì)于設(shè)計(jì)而言,設(shè)計(jì)跨徑以標(biāo)準(zhǔn)跨徑衡量,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),力學(xué)圖形以計(jì)算跨徑為準(zhǔn)。拱橋的凈跨徑則為標(biāo)準(zhǔn)跨

3、徑,且其計(jì)算跨徑大于標(biāo)準(zhǔn)跨徑。二、橋梁的分類1橋梁按結(jié)構(gòu)體系和受力特性的不同,可分為梁式橋、拱式橋、懸索橋、組合體系橋(包括剛架橋、梁拱組合體系橋、斜拉橋等。 2按用途來劃分,有公路橋、鐵路橋、公路鐵路兩用橋、農(nóng)橋、人行橋、渡槽及其他專用橋(如通過管道、電纜等)。3按主要承重結(jié)構(gòu)所用材料劃分,有圬工橋(包括磚、石、混凝土橋)、鋼筋混凝土橋、預(yù)應(yīng)力混凝土橋、鋼橋和木橋等。4按橋梁全長(zhǎng)和跨徑不同,分為特大橋、大橋、中橋和小橋,可參考公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(2003)。5按跨越障礙的性質(zhì),可分為跨河橋、跨線橋(立體交叉)、高架橋和棧橋。6按照平面形狀分為直線橋、斜橋、彎橋等。三、橋梁的設(shè)計(jì)程序橋梁設(shè)計(jì)必須

4、遵照適用、經(jīng)濟(jì)、安全和美觀的原則進(jìn)行。對(duì)常規(guī)橋梁,通常采用兩個(gè)階段(初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)。(一)初步設(shè)計(jì)在橋梁可行性研究報(bào)告經(jīng)主管建設(shè)部門審查批準(zhǔn)下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書后,既可進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)任務(wù)書是進(jìn)行初步設(shè)計(jì)的依據(jù)。在初步設(shè)計(jì)階段,設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書中所確定的橋位、荷載等級(jí)、各項(xiàng)技術(shù)要求(如橋?qū)?、通航凈空、橋面?biāo)高等),按照橋梁設(shè)計(jì)原則,進(jìn)行橋梁的方案設(shè)計(jì),包括擬定結(jié)構(gòu)形式(橋型、體系、孔徑等)主要結(jié)構(gòu)尺寸,提出施工方案,估算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(如工程概算、材料用量)等。提出35個(gè)橋式方案以供比選,并提出推薦方案。初步設(shè)計(jì)應(yīng)包括如下內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)任務(wù)的來源和要求;2. 橋址自然條件和資料;3.

5、 技術(shù)條件的選定;4. 橋梁方案的比選;5. 推薦方案及其理由;6. 推薦方案的指導(dǎo)性施工組織,包括施工方法,進(jìn)度安排等;7. 工程概算。(二) 施工圖設(shè)計(jì)對(duì)于常規(guī)橋梁,通常在初步設(shè)計(jì)批準(zhǔn)之后,直接進(jìn)入施工圖設(shè)計(jì),它是根據(jù)初步設(shè)計(jì)中所核定的修建原則、技術(shù)方案、技術(shù)決定和總投資額等進(jìn)一步加以具體化的文件。在這一設(shè)計(jì)階段中,必須對(duì)橋梁各部分構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算,繪制施工詳圖,編制施工組織設(shè)計(jì)和施工預(yù)算。四、橋梁設(shè)計(jì)內(nèi)容橋梁的縱斷面設(shè)計(jì)主要包括:確定橋梁的總跨徑、橋梁的分孔、橋面標(biāo)高、橋上及橋頭引道縱坡等。橋梁的橫斷面設(shè)計(jì),主要是確定橋面凈空和橋跨結(jié)構(gòu)的橫斷面布量。(一)橋梁縱斷面設(shè)計(jì)1橋梁總跨徑

6、的確定橋梁總跨徑一般根據(jù)水文計(jì)算確定。要求橋梁總跨徑必須保證橋下有足夠的泄洪面積。橋梁的總跨徑應(yīng)根據(jù)具體情況,經(jīng)過全面分析后加以確定。例如,對(duì)于非堅(jiān)硬巖層上修筑的淺基礎(chǔ)橋梁,總跨徑應(yīng)該大一些,以避免路堤壓縮河床,造成較大沖刷;對(duì)于深埋基礎(chǔ),一般允許較大的沖刷,總跨徑就可以減小。山區(qū)河流一般河床流速已經(jīng)很大,則應(yīng)盡可能減少壓縮或不壓縮河床;而對(duì)于平原區(qū)寬灘河流則允許有較大壓縮,但必須注意壅水對(duì)河灘、路堤以及附近農(nóng)田和建筑物帶來的危害。2 橋梁的分孔橋梁的總跨度確定后,還需進(jìn)一步進(jìn)行分孔。對(duì)一座較長(zhǎng)的橋梁,應(yīng)當(dāng)分幾孔,每孔跨徑應(yīng)多大,這不僅影響到使用效果,施工難易等,并且在很大程度上關(guān)系到橋梁的總

7、造價(jià)??鐝皆酱螅讛?shù)越少,上部結(jié)構(gòu)的造價(jià)就越高,墩臺(tái)的造價(jià)就相對(duì)減少;反之則反是。最經(jīng)濟(jì)的分孔方式就是使上、下部結(jié)構(gòu)的總造價(jià)最低。在通航河流,當(dāng)通航凈寬大于按經(jīng)濟(jì)造價(jià)所確定的跨徑時(shí),一般將通航孔的跨徑按通航凈寬來設(shè)置,其余的橋孔按經(jīng)濟(jì)跨徑來分孔,但對(duì)于變遷性河流,依河道可能發(fā)生的變化,則需多設(shè)幾個(gè)通航孔。3 橋面標(biāo)高的確定橋面標(biāo)高或是在路線縱斷面設(shè)計(jì)中已經(jīng)給出,或是根據(jù)設(shè)計(jì)洪水位,橋下通航需要的凈空來確定。對(duì)于跨河橋梁,橋面的標(biāo)高應(yīng)保證橋下排洪和通航的需要;對(duì)于跨線橋梁,則應(yīng)確保橋下安全行車。當(dāng)有漂流物和流水阻塞以及易淤積的河床,橋下凈空應(yīng)適當(dāng)加高。在通航及通行木筏的河流上,橋跨結(jié)構(gòu)之下自設(shè)計(jì)

8、通航水位算起,應(yīng)能滿足通航凈空的要求。(二)橋梁橫斷面的設(shè)計(jì)橋梁橫斷面設(shè)計(jì),主要是決定橋面的寬度和橋跨結(jié)構(gòu)橫斷面布置。橋面寬度決定于行車和行人的交通需要。橋面寬度應(yīng)遵守交通部頒公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第3.0.4條規(guī)定的建筑界限和第3.0.2條規(guī)定的行車道寬度標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)各級(jí)公路橋面行車道凈寬標(biāo)準(zhǔn)見表1-4-3。 表1-4-3 車道寬度 設(shè)計(jì)速度(km/h)1201008060403020車道寬度(m)375375375350350325300(單車道時(shí)為3.50)(三) 橋梁的平面布置橋梁的線型及橋頭引道要保持平順,使車輛能平穩(wěn)地通過。高速公路和一級(jí)公路上的大、中橋,以及各級(jí)公路上的小橋的線型與公路銜

9、接時(shí),應(yīng)符合路線布設(shè)的規(guī)定。二、三、四級(jí)公路上的大、中橋線形,一般為直線,如必須設(shè)成曲線時(shí),其各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)符合路線布置規(guī)定。從橋梁本身的經(jīng)濟(jì)性和施工方便來說,應(yīng)盡可能避免橋梁與河流或橋下路線斜交,但對(duì)于一般中、小橋,為了改善路線線型或城市橋梁受原有街道的制約時(shí),也允許修建斜交橋,斜度通常不宜大于45°,在通航河流上則不宜大于5°。(四) 橋梁的美學(xué)1.在滿足功能要求的前提下,要選擇最佳的結(jié)構(gòu)形式純正,清爽,穩(wěn)定。質(zhì)量統(tǒng)一于美,美從屬于質(zhì)量。2.美,主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)選型和諧與良好的比例,并且有秩序感和韻律感。過多的重復(fù)會(huì)導(dǎo)致單調(diào)。3.重視與環(huán)境協(xié)調(diào)。材料的選擇,表面的質(zhì)感,特別色

10、彩的運(yùn)用起著重要的作用。模型檢試有助于實(shí)感判斷,審視陰影效果。4.橋梁的美應(yīng)以其個(gè)性對(duì)人們產(chǎn)生積極的影響。美的環(huán)境將直接陶冶人們的情操。五、橋梁的設(shè)計(jì)荷載我國(guó)現(xiàn)行的公路橋涵設(shè)計(jì)中,將作用在橋梁上的荷載分為三大類:1.永久荷載(恒載) 在設(shè)計(jì)使用期內(nèi),其值不隨時(shí)間變化,或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)的荷載。它包括結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加應(yīng)力、土的重力及側(cè)壓力、混凝土收縮及徐變影響力,基礎(chǔ)變位影響力和水的浮力。2.可變荷載(活載) 在設(shè)計(jì)使用期內(nèi),其值隨時(shí)間變化,且其變化與平均值相比不可忽略的荷載。按其對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)的影響程度,又分為基本可變荷載和其他可變荷載?;究勺兒奢d包括汽車荷載及其引起的沖擊力、人群荷

11、載、離心力以及所有車輛所引起的土側(cè)壓力。其他可變荷載包括汽車制動(dòng)力,風(fēng)力,流水壓力,冰壓力,溫度影響力和支座摩阻力。3.偶然荷載 在設(shè)計(jì)使用期內(nèi),不一定出現(xiàn),但一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時(shí)間較短的荷載,它包括船只或漂浮物撞擊力,地震作用。(一) 永久荷載結(jié)構(gòu)物的重力及橋面鋪裝、附屬設(shè)備等外加重力均屬結(jié)構(gòu)重力,可按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際體積或設(shè)計(jì)時(shí)所假定的體積與材料密度計(jì)算。作用在墩臺(tái)上的土重力,土側(cè)壓力、預(yù)加應(yīng)力、混凝土收縮、徐變和基礎(chǔ)變位影響力以及水的浮力可參照公路橋涵通用規(guī)范(JTJ021-85)附錄一、二和公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ024-85)附錄二中的有關(guān)規(guī)定計(jì)算。(二)可變荷載1汽車荷載

12、:(1)公路橋涵通用規(guī)范(JTJ021-85)中規(guī)定:汽車荷載以汽車車隊(duì)表示,分為汽車-10級(jí)、 汽車-15級(jí)、汽車-20級(jí)、汽車-超20級(jí)四個(gè)等級(jí)。荷載級(jí)別的數(shù)字表示一輛主車的重量,以噸計(jì)。每級(jí)車隊(duì)中有一輛是重車,其前后都是主車,主車的數(shù)量在計(jì)算跨長(zhǎng)內(nèi)不限。汽車等級(jí)以相應(yīng)的公路等級(jí)確定。(2)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2003)中規(guī)定將汽車荷載分為公路級(jí)和公路級(jí)兩個(gè)等級(jí),其等級(jí)按照表1-5-1確定。 表1-5-1 汽車荷載等級(jí)公路等級(jí)高速公路一級(jí)公路二級(jí)公路三級(jí)公路四級(jí)公路汽車荷載等級(jí)公路級(jí)公路級(jí)公路級(jí)公路級(jí)公路級(jí)汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成。橋

13、梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算采用車道荷載;橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺(tái)和擋土墻土壓力等的計(jì)算采用車輛荷載。車道荷載與車輛荷載的作用不得疊加。(3)城市橋梁汽車荷載城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)(CJJ77-98),荷載采用兩級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn),即城A級(jí)、城B級(jí)。城A級(jí)總軸重700KN,適用于快速路及主干路。城B級(jí)荷載總軸重300KN,適用于次干路及支路。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:在城市橋梁設(shè)計(jì)中,汽車荷載可分為車輛荷載和車道荷載。車輛荷載主要用于橋梁的橫隔梁,行車道板,橋臺(tái)或擋土墻后土壓力的計(jì)算。車道荷載主要用于橋梁的主梁,主拱和主桁架等的計(jì)算。當(dāng)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不得將車輛荷載與車道荷載的作用疊加。說明:對(duì)于公路橋梁,汽車荷載和人群

14、荷載的布置應(yīng)以最新的公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTGB01-2003)為準(zhǔn),目前,其他部分荷載的計(jì)算仍需要按照公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTJ021-85)相應(yīng)規(guī)定辦理。 2人群荷載公路橋梁人群荷載根據(jù)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2003)確定,城市橋梁人群荷載以城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)(CJJ77-98)為依據(jù)。3汽車沖擊力一般根據(jù)在現(xiàn)代橋梁上所做的振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果而近似地以汽車荷載增大系數(shù),即沖擊系數(shù)來計(jì)算荷載的沖擊影響。沖擊系數(shù)是隨跨徑或荷載長(zhǎng)度的增大而減小的。4離心力離心力為車輛荷載(不計(jì)沖擊力)乘以離心力系數(shù)C,離心力系數(shù)由下式計(jì)算: (1-5-3)式中:V計(jì)算行車速度,R曲線半徑(m)。離心力的

15、著力點(diǎn)在橋面以上1.2m(為計(jì)算簡(jiǎn)便也可移至橋面上,不計(jì)由此引起的力矩)。(三)其它可變荷載1汽車制動(dòng)力橋上汽車制動(dòng)力是車輛在剎車時(shí)為克服車輛的慣性力而在路面與車輛之間發(fā)生的滑動(dòng)摩擦力。公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(1985年)中規(guī)定:當(dāng)橋涵為12車道時(shí),制動(dòng)力按布置在荷載長(zhǎng)度內(nèi)一列汽車車隊(duì)總重的10%計(jì)算,但不得小于一輛重車的30%;四車道的制動(dòng)力按上述規(guī)定數(shù)值的兩倍計(jì)算。各種支座傳遞制動(dòng)力可按橋規(guī)中有關(guān)規(guī)定采用。制動(dòng)力的方向就是行車方向,其著力點(diǎn)在橋面以上1.2m處。在設(shè)計(jì)墩臺(tái)時(shí),可移至支座中心(鉸或滾軸中心)或滑動(dòng)支座,橡膠支座,擺動(dòng)支座的底面上;計(jì)算剛架橋、拱橋時(shí),可移至橋面上,但不計(jì)因此而產(chǎn)生的

16、豎向力和力矩。2)支座摩阻力支座上的摩阻力是上部構(gòu)造因溫度變化而產(chǎn)生的,摩阻力可按下式計(jì)算 F=V (1-5-4)注意值的選取與支座類型有關(guān)。其它可變荷載的計(jì)算方法可參照公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(1985年)。(四)偶然荷載1)地震作用 公路橋梁的抗震設(shè)防,一般應(yīng)以地震烈度7度為起點(diǎn),抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算以8度為起點(diǎn),但連續(xù)梁、T型剛構(gòu)等橋型,采用設(shè)計(jì)烈度7度。地震力的計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ004-89)的規(guī)定。2)船只或漂浮物的撞擊力位于通航河流或有漂浮物的河流中的橋梁墩臺(tái),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮船只或漂流物的撞擊力。當(dāng)無實(shí)測(cè)資料時(shí),可參照橋通規(guī)附錄中的規(guī)定計(jì)算。六、橋梁設(shè)計(jì)荷載的組合由于各

17、種荷載出現(xiàn)的機(jī)率不同,進(jìn)行公路橋涵設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)物的特性,以及建橋地區(qū)的情況,按所列荷載的重要性和同時(shí)作用的可能性,進(jìn)行下列組合:主要組合 基本可變荷載的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種相組合;附加組合 基本可變荷載的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種與其他可變荷載的一種或幾種相組合,設(shè)計(jì)彎橋時(shí),當(dāng)離心力與制動(dòng)力組合時(shí),制動(dòng)力僅按70%計(jì)算;偶然組合 基本可變荷載的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種與偶然荷載中的船只漂流物撞擊力相組合;結(jié)構(gòu)重力、預(yù)應(yīng)力、土重力和土側(cè)壓力中的一種或幾種與地震力相組合;施工組合 橋涵在進(jìn)行施工階段的驗(yàn)算時(shí),根據(jù)可能出現(xiàn)的施工荷載(如結(jié)構(gòu)重力、腳手架、材料機(jī)具、人群

18、、風(fēng)力以及拱橋的單向推力等)進(jìn)行組合;構(gòu)件在吊裝時(shí),其重力應(yīng)乘以動(dòng)力系數(shù)1.2或0.85,并可視構(gòu)件具體情況作適當(dāng)增減。此外,有些其他可變荷載相互之間不能組合在一起,因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意選擇。【思 考 題】1橋梁作用是如何分類的?公路橋梁有哪些作用組合?2公路車道荷載分為幾類?車輛荷載和車道荷載有哪些特點(diǎn)?4其他各種作用的意義及它們的設(shè)計(jì)計(jì)算方法?5橋梁的基本組成部分,各組成部分的作用是什么?6橋梁設(shè)計(jì)的重要技術(shù)指標(biāo)有那些?7概述橋梁的主要分類?8總結(jié)梁、拱、索的受力特點(diǎn)?9試論橋梁工程的發(fā)展方向? 10橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)遵守的基本原則和基本要求是什么?11簡(jiǎn)述橋梁設(shè)計(jì)的基本程序?橋梁建設(shè)的可行性論證包

19、括哪兩個(gè)方面?基本內(nèi)容是什么?12橋梁縱、橫斷面設(shè)計(jì)的內(nèi)容及設(shè)計(jì)要點(diǎn)?!窘?題 指 導(dǎo)】思1:我國(guó)現(xiàn)行的公路橋涵設(shè)計(jì)中,將作用在橋梁上的荷載分為三大類:1.永久荷載(恒載) 在設(shè)計(jì)使用期內(nèi),其值不隨時(shí)間變化,或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)的荷載。它包括結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加應(yīng)力、土的重力及側(cè)壓力、混凝土收縮及徐變影響力,基礎(chǔ)變位影響力和水的浮力。2.可變荷載(活載) 在設(shè)計(jì)使用期內(nèi),其值隨時(shí)間變化,且其變化與平均值相比不可忽略的荷載。按其對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)的影響程度,又分為基本可變荷載和其他可變荷載。基本可變荷載包括汽車荷載及其引起的沖擊力、人群荷載、離心力以及所有車輛所引起的土側(cè)壓力。其他可變荷載包括汽車制動(dòng)力,風(fēng)力,流水壓力,冰壓力,溫度影響力和支座摩阻力。3.偶然荷載 在設(shè)計(jì)使用期內(nèi),不一定出現(xiàn),但一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時(shí)間較短的荷載,它包括船只或漂浮物撞擊力,地震作用。荷載的組合:由于各種荷載出現(xiàn)的機(jī)率不同,進(jìn)行公路橋涵設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)物的特性,以及建橋地區(qū)的情況,按所列荷載的重要性和同時(shí)作用的可能性,進(jìn)行下列組合:主要組合 基本可變荷載的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種相組合;附加組合 基本可變荷載的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種與其他可變荷載的一種或幾種相組合,設(shè)計(jì)彎橋時(shí),當(dāng)離心力與制動(dòng)力組合時(shí),制動(dòng)力僅按70%計(jì)算;偶然組合 基本可變荷載的一種

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