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文檔簡介

1、建筑力學問題簡答(五)桿件的強度、剛度和穩(wěn)定 性計算 125125構件的承載能力,指的是什么? 答:構件滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求的能力稱為構件的承載能力。 (1)(1) 足夠的強度。即要求構件應具有足夠的抵抗破壞的能力,在荷載作用下不 致于發(fā)生破壞。 (2)(2) 足夠的剛度。即要求構件應具有足夠的抵抗變形的能力,在荷載作用下不 致于發(fā)生過大的變形而影響使用。 (3)(3) 足夠的穩(wěn)定性。即要求構件應具有保持原有平衡狀態(tài)的能力,在荷載作用 下不致于突然喪失穩(wěn)定。 126126什么是應力、正應力、切應力? 答:內(nèi)力在一點處的集度稱為應力。 垂直于截面的應力分量稱為正應力或法向應力,用 (T表示

2、;相切于截面的應 力分量稱切應力或切向應力,用 T表示。 127127應力的單位如何表示? 答:應力的單位為 PaPa。 1 1 Pa=1 N Pa=1 N m2m2 工程實際中應力數(shù)值較大,常用 MPsMPs 或 GPaGPa 乍單位 1 1 MPa=106PaMPa=106Pa 1 1 GPa=109PaGPa=109Pa 128.128. 應力和內(nèi)力的關系是什么? 答:內(nèi)力在一點處的集度稱為應力。 129.129. 應變和變形有什么不同? 答:單位長度上的變形稱為應變。單位縱向長度上的變形稱縱向線應變,簡 稱線應變,以表示。單位橫向長度上的變形稱橫向線應變,以 / /表示橫向應 變。 1

3、30.130. 什么是線應變? 答:單位長度上的變形稱縱向線應變,簡稱線應變,以 表示。對于軸力為 常量的等截面直桿,其縱向變形在桿內(nèi)分布均勻,故線應變?yōu)?A/A/ & & = = I 拉伸時為正,壓縮時為負。線應變是無量綱(無單位)的量。 131 131 .什么是橫向應變? 答:拉(壓)桿產(chǎn)生縱向變形時,橫向也產(chǎn)生變形。設桿件變形前的橫向尺寸 為 a a,變形后為 a1a1,則橫向變形為 Atf = a 橫向應變 / /為 桿件伸長時,橫向減小, / /為負值;桿件壓縮時,橫向增大, / /為正值。因此, 拉(壓)桿的線應變與橫向應變 / /的符號總是相反的。 132.132

4、. 什么是泊松比? 答:試驗證明,當桿件應力不超過某一限度時,橫向應變 & / /與線應變&的 絕對值之比為一常數(shù)。此比值稱為橫向變形系數(shù)或泊松比,用 卩表示。 卩是無量綱的量,各種材料的 卩值可由試驗測定。 133.133. 胡克定律表明了應力和應變的什么關系?又有什么應用條件? 答:它表明當應力不超過某一限度時,應力與應變成正比。胡克定律的應用 條件:只適用于桿內(nèi)應力未超過某一限度,此限度稱為比例極限。 134.134. 胡克定律是如何表示的?簡述其含義。 答:(1 1)胡克定律內(nèi)力表達的形式 2 EA 表明當桿件應力不超過某一限度時,其縱向變形與桿件的軸力及桿件長度成 正

5、比,與桿件的橫截面面積成反比。 (2 2)胡克定律應力表達的形式 是胡克定律的另一表達形式,它表明當應力不超過某一限度時,應力與應變 成正比。比例系數(shù) E E 稱為材料的彈性模量,從式 (4(4- -6) 6) 知,當其他條件相同時,材料的 彈性模量越大,則變形越小,這說明彈性模量表征了材料抵抗彈性變形的能力。彈 性模量的單位與應力的單位相同。 EAEA 稱為桿件的抗拉( (壓) )剛度,它反映了桿件抵抗拉伸( (壓縮) )變形的能力。EA EA 越大,桿件的變形就越小。 需特別注意的是: (1)(1) 胡克定律只適用于桿內(nèi)應力未超過某一限度,此限度稱為比例極限 ( (在第 三節(jié)將作進一步說明

6、 ) )。 (2)(2) 當用于計算變形時,在桿長 I I 內(nèi),它的軸力 FNFN 材料 E E 及截面面積 A A 都 應是常數(shù)。 135135何謂形心? 答:截面的形心就是截面圖形的幾何中心。 136136如何判斷形心的位置? 答:當截面具有兩個對稱軸時,二者的交點就是該截面的形心。據(jù)此,可以 很方便的確定圓形、圓環(huán)形、正方形的形心; 只有一個對稱軸的截面,其形心一定在其對稱軸上,具體在對稱軸上的哪一 點,則需計算才能確定。 137137具有一個對稱軸的圖形,其形心有什么特征? 答:具有一個對稱軸的圖形,其形心一定在其對稱軸上,具體在對稱軸上的 哪一點,則需計算才能確定 138.138.

7、簡述形心坐標公式 答: :建筑工程中常用構件的截面形狀,一般都可劃分成幾個簡單的平面圖形的 組合,叫做組合圖形。例如 T T 形截面,可視為兩個矩形的組合。若兩個矩形的面積 分別是 A1A1 和 A2,A2,它們的形心到坐標軸 z z 的距離分別為 y1y1 和 y2y2,則 T T 形截面的形 心坐標為 更一般地,當組合圖形可劃分為若干個簡單平面圖形時,則有 式中 yCyC組合截面在 y y 方向的形心坐標; Ai Ai 組合截面中各部分的截面面積; yi yi 組合截面中各部分的截面在 y y 方向的形心坐標。 同理可得 139.139. 何謂靜矩? 答:平面圖形的面積 A A 與其形心到

8、某一坐標軸的距離的乘積稱為平面圖形對 該軸的靜矩。一般用 S S 來表示,即:即平面圖形對 z z 軸(或 y y 軸)的靜矩等于圖形面積 A A 與形心坐標 yCyC(或 zCzC)的乘 積。當坐標軸通過圖形的形心時,其靜矩為零;反之,若圖形對某軸的靜矩為零, 則該軸必通過圖形的形心。 140.140. 組合圖形的靜矩該如何計算? 答:對組合圖形,同理可得靜矩的計算公式為 -Sj=S4-2aJ 式中 AiAi 為各簡單圖形的面積,yCiyCi、zCizCi 為各簡單圖形形心的 y y 坐標和 z z 坐 標。式表明:組合圖形對某軸的靜矩等于各簡單圖形對同一軸靜矩的代數(shù)和。 141 141 .

9、何謂慣性矩? 答:截面圖形內(nèi)每一微面積 dAdA 與其到平面內(nèi)任意座標軸 z z 或 y y 的距離平方乘 積的總和,稱為該截面圖形對 z z 軸或 y y 軸的慣性矩,分別用符號 IzIz 和 IyIy 表示。即 不論座標軸取在截面的任何部位,y2y2 和 z2z2 恒為正值,所以慣性矩恒為正 值。慣性矩常用單位是 m4 m4 (米 4 4)或 mm4mm4 毫米 4 4)。 142.142. 試算出矩形、圓形的慣性矩。 答:(1 1)矩形截面 同理可求得 對于邊長為 a a 的正方形截面,其慣性矩為 (2(2)圓形截面 圖示圓形截面,直徑為 d d,半徑為 R,R,直徑軸 z z 和 y

10、y 為其對稱軸,取微面 積 dA = 2R2 dy 積分得圓形截面的慣性矩為: A = IX 如 2j:b 何刁=v=r 同理可求得 1 =豈 y 64 143.143. 試說出平行移軸公式每個量的計算方法 答:(1 1)平行移軸公式 同理得 公式說明,截面圖形對任一軸的慣性矩,等于其對平行于該軸的形心軸的慣 性矩,再加上截面面積與兩軸間距離平方的乘積,這就是慣性矩的平行移軸公 式。 144.144. 組合圖形慣性矩的計算分哪幾個步驟? 答:組合圖形對某軸的慣性矩,等于組成它的各個簡單圖形對同一軸慣性矩 之和。 (1) 求組合圖形形心位置; (2) 求組合圖與簡單圖形兩軸間距離; (3) 利用

11、平行移軸公式計算組合圖形慣性矩。 145.145. 低碳鋼拉伸時,其過程可分為哪幾個階段?答:根據(jù)曲線的變化情況,可以將低碳鋼的應力 - -應變曲線分為四個階段:彈 性階段,屈服階段,強化階段,頸縮階段。 146.146. 為什么說屈服強度與極限強度是材料強度的重要指標? 答:屈服強度與極限強度是材料強度的重要指標: (1)(1) 當材料的應力達到屈服強度 cs時,桿件雖未斷裂,但產(chǎn)生了顯著的變 形,勢必 影響結(jié)構的正常使用,所以屈服強度 cs是衡量材料強度的一個重 要指標。 材料的應力達到強度極限 cb時,出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象并很快被拉斷,所以強度 極限cb 也是衡量材料強度的一個重要指標。 147

12、.147. 什么是試件拉斷后的延伸率和截面收縮率? 答:(1)1)延伸率:試件拉斷后,彈性變形消失,殘留的變形稱為塑性變形。 試件的標距由原來的 l l 變?yōu)?1111,長度的改變量與原標距 1之比的百分率,稱為材 料的延伸率,用符號 S表示。 1 -7 *5 = -X100% (2)2)截面收縮率: :試件拉斷后,斷口處的截面面積為 A1A1。截面的縮小量與原 截面積 A A 之比的百分率,稱為材料的截面收縮率,用符號 書表示。 A-A FOO% A 148148.試比較塑性材料與脆性材料力學性能有何不同? 答:塑性材料的抗拉和抗壓強度都很高,拉桿在斷裂前變形明顯,有屈服、 頸縮等報警現(xiàn)象,

13、可及時采取措施加以預防 脆性材料其特點是抗壓強度很高,但抗拉強度很低,脆性材料破壞前毫無預 兆,突然斷裂,令人措手不及。 149149.許用應力的涵義是什么? 答:任何一種構件材料都存在著一個能承受應力的固有極限,稱極限應力, 用CT0表示。 為了保證構件能正常地工作,必須使構件工作時產(chǎn)生的實際應力不超過材料 的極限應力。由于在實際設計計算時有許多不利因素無法預計,構件使用時又必須 留有必要的安全度,因此規(guī)定將極限應力 (70縮小 n n 倍作為衡量材料承載能力的依 據(jù),稱為許用應力,以符號7 表示: n n 為大于 I I 的數(shù),稱為安全因數(shù)。 150150.軸向拉伸(壓縮)正應力計算公式是

14、什么?并解釋每個量的物理意義。 答:如用 A A 表示桿件的橫截面面積,軸力為 FNFN 則桿件橫截面上的正應力為 A 正應力的正負號規(guī)定為:拉應力為正,壓應力為負。 151 151 .軸向拉伸(壓縮)桿的最大應力出現(xiàn)在什么截面? 答:當桿件受幾個軸向外力作用時,由截面法可求得最大軸力 FNmaxFNmax 對等 直桿來講,桿件的最大正應力算式為: 最大軸力所在的橫截面稱為危險截面, 由式 4 4- -1818 算得的正應力即危險截面上 的正應力,稱為最大工作應力。 152.152. 簡述軸向拉伸( (壓縮) )的強度計算 答:對于軸向拉、壓桿件,為了保證桿件安全正常地工作,就必須滿足下述 條

15、件 %瑩 bb 上式就是拉、壓桿件的強度條件。對于等截面直桿,還可以將公式改為 A 1 153.153. 軸向拉伸(壓縮)桿的強度條件可以解決哪三類問題? 答:在不同的工程實際情況下,可根據(jù)上述強度條件對拉,壓桿件進行以下 三方面的計算: (1) 強度校核 如已知桿件截面尺寸、承受的荷載及材料的許用應力,就可以檢驗桿件是否 安全,稱為桿件的強度校核。 (2) 選擇截面尺寸 如已知桿件所承受的荷載和所選用的材料,要求按強度條件確定桿件橫截面 的面積或尺寸,則可將公式改為 花帀r (3) 確定允許荷載 如已知桿件所用的材料和桿件橫截面面積,要求按強度條件來確定此桿所能 容許的最大軸力,并根據(jù)內(nèi)力和

16、荷載的關系,計算出桿件所允許承受的荷載。則可 將公式改為 154.154. 平面彎曲的受力特征和變形特征是什么? 答:平面彎曲的受力特征 梁彎曲時,橫截面上一般產(chǎn)生兩種內(nèi)力剪力和彎矩。與剪力對應的應力 為切應力,與彎矩對應的應力為正應力。梁的橫截面由中性軸將其分為上下兩部 分,一部分受拉,另一部分受壓。 平面彎曲的變形特征 梁的側(cè)面畫上與梁軸線平行的水平縱向線和與縱向線垂直的豎直線: (1)(1) 各豎直線段仍為直線,不過相互間轉(zhuǎn)了一個角度; (2)(2) 各縱向水平直線變?yōu)榍€,但仍與豎直線垂直; (3)(3) 向下凸一邊的縱向線伸長,且越靠近梁下邊緣伸長越多;向里凹進的一 邊的縱向線縮短,

17、且越靠近梁的上邊緣的縮短越多。 155.155. 梁發(fā)生純彎曲變形后,可看到哪些現(xiàn)象?根據(jù)上述試驗現(xiàn)象,可作出哪 些分析和假設? 答:梁變形后,可看到下列現(xiàn)象: (1)(1) 各豎直線段仍為直線,不過相互間轉(zhuǎn)了一個角度; (2)(2) 各縱向水平直線變?yōu)榍€,但仍與豎直線垂直; (3)(3) 向下凸一邊的縱向線伸長,且越靠近梁下邊緣伸長越多;向里凹進的一 邊的縱向線縮短,且越靠近梁的上邊緣的縮短越多。 根據(jù)上述試驗現(xiàn)象,可作出如下分析和假設: (1)(1) 平面假設:梁的橫截面在變形后仍為一個平面,且與變形后的梁軸線垂 直,只是轉(zhuǎn)了一個角度; (2)(2) 單向受力假設:由于梁上部各層縱向纖維

18、縮短,下部各層縱向纖維伸 長,中間必有一層縱向纖維既不伸長也不縮短,這層纖維稱為中性層。中性層與橫 截面的交線稱為中性軸。 156.156. 在推導梁的正應力計算公式時,要從幾個方面去考慮? 答:在推導梁的正應力計算公式時,要從幾何變形方面;應力與應變的物理 關系;靜力條件三方面去考慮。 157.157. 簡述梁彎曲時橫截面上任意一點的正應力計算公式,并說明其含義。 答:梁彎曲時橫截面上任意一點的正應力計算公式: M * V ( (7 = - A 此式表明:橫截面上任意一點的正應力 C與該截面上的彎矩 M M 和該點到中性 軸的距離量 y y 成正比, 與橫截面對中性軸的慣性矩 IzIz 成反

19、比。 正應力沿截面高度 成直線變化,離中性軸愈遠正應力愈大,中性軸上的正應力等于零。梁的橫截面由 中性軸將其分為上下兩部分,一部分受拉,另一部分受壓。 158.158. 正應力公式的適用條件如何? 答:正應力公式的適用條件: 1 1) 在公式推導過程中運用了虎克定律,因此只有在材料處于彈性范圍時該式 才適用。 2 2) 在非純彎曲情況下,即橫截面同時存在彎矩和剪力時,由于剪力對正應力 的影響很小,因此,對非純彎曲的情況該式仍可適用。 3 3) 公式雖按矩形截面梁推導出來,但對具有對稱軸的其它截面,如 T T 形、 工 字形、圓形等也都適用。 4 4) 公式是在平面彎曲情況下推導出來的,但非平面

20、彎曲的情況就不適用了。 159.159. 何謂抗彎剛度? 答:ElzElz 表示梁抵抗彎曲變形的能力,稱為梁的抗彎剛度。 160.160. 正應力強度條件可以計算哪三類問題? 答:梁的正應力強度計算公式即 (T =5弘 mm 潭 二嚴 式中C C彎曲時材料的許用正應力,可在有關規(guī)范中查到。 利用公式的強度條件,可進行以下三個方面的計算: (1)(1)強度校核 仝缶 (2)(2) 選擇截面尺寸 尬TT (3)(3) 計算允許荷載 ,憶同 161 161 提高梁抗彎強度的途徑有哪些? 答:提高梁抗彎強度的途徑: (1)(1) 選擇合理的截面形狀 1)1) 根據(jù)抗彎截面模量與截面面積的比值 巴 A

21、選擇截面。工字形、槽形截面比矩形截面合理,矩形截面比圓形截面合理。 2)2) 根據(jù)材料特性選擇截面 對于抗拉和抗壓強度相等的塑性材料,一般采用對稱于中性軸的截面,如矩 形、工字形、圓形等截面,使得上、下邊緣的最大拉應力和最大壓應力相等,同時 達到材料的許用應力值,比較合理。 對于抗拉和抗壓強度不相等的脆性材料,最好選擇不對稱于中性軸的截面, 如 T T 字形、槽形( (平放) )等截面。使得截面受拉、受壓的邊緣到中性軸的距離與材料 的抗拉、抗壓的許用應力成正比。 (2 2)合理安排梁的受力狀態(tài),以降低彎矩最大值 1 1) 合理布置梁的支座 以簡支梁受均布荷載作用為例,若將兩端支座各向中間移動

22、0.210.21 則最大彎矩 將減小為前者的 1/51/5,梁的截面尺寸就可大大地減小。 2 2) 適當增加梁的支座 由于梁的最大彎矩與梁的跨度有關,所以適當增加梁的支座,可以減小梁的 跨度,從而降低最大彎矩值。 在可能的條件下,將集中荷載分散布置,可以降低梁的最大彎矩。 (3 3)采用變截面梁 為了充分利用材料,應當在彎矩較大處采用較大的截面,彎矩較小處采用較 小的截面,使梁的各截面不相同。這種橫截面沿著軸線變化的梁稱為變截面梁。若 使每一橫截面上的最大正應力都恰好等于材料的許用應力 (7 7 ,這樣的梁稱為等強 度梁。等強度梁的 WzWz 和 M M 成正比變化。 162162.簡述梁的切

23、應力強度計算公式。 答:梁的切應力強度條件為 式中 T 許用切應力; S*zmaS*zma 一截面中性軸以上(或以下)的面積對中性軸的靜矩。 163163在梁的強度計算中,如何考慮正應力和切應力兩個強度條件? 答:在梁的強度計算中,必須同時滿足正應力和切應力兩個強度條件。但在 一般情況下,梁的強度計算由正應力強度條件控制。因此通常先按正應力強度條件 選擇梁的截面尺寸,然后根據(jù)需要作切應力強度條件校核。對于細長梁,按正應力 強度條件設計,一般都能滿足切應力強度條件要求,就不必再作切應力強度校核。 但在以下幾種情況下,需作切應力強度校核。 (1(1) ) 梁的跨度較小或在支座附近作用著較大荷載時,

24、梁內(nèi)可能出現(xiàn)彎矩較小 而剪力很大的情況。 (2)(2) 某些組合截面梁,當腹板寬度很小,橫截面上的切應力數(shù)值很大時。 (3)(3) 木梁。在橫力彎曲時,橫截面中性軸上切應力較大,根據(jù)切應力的特 點,梁的中性層上也產(chǎn)生相同值的切應力。由于木梁在順紋方向的抗剪能力較差, 有可能使木梁發(fā)生順紋方向的剪切破壞。 164164組合變形的計算主要利用什么原理? 答:桿件組合變形時的強度計算方法是前面在求內(nèi)力時曾經(jīng)介紹過的疊加 法。即先將荷載分解成只產(chǎn)生基本變形時的荷載,并分別計算各基本變形所產(chǎn)生的 應力,然后根據(jù)疊加原理將所求截面的應力相應地疊加,最后根據(jù)疊加結(jié)果建立強 度條件。 165165壓桿的穩(wěn)定平

25、衡和不穩(wěn)定平衡指的是什么?如何區(qū)別? 答:穩(wěn)定平衡狀態(tài)如某物體由于某種原因使其偏離它原來的平衡位置, 而當這種原因消除后,它能夠回到其原來的位置,也就是說這種平衡狀態(tài)是經(jīng)得起 干擾的,是穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。不穩(wěn)定平衡狀態(tài)一一如某物體由于某種原因使其稍微偏離它原來的平衡位 置,而這種原因消除后,它不但不能回到其原來的位置,而且繼續(xù)增大偏離,顯 然,這種平衡狀態(tài)是經(jīng)不起干擾的,是不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。 166.166. 什么叫柔度?它與哪些因素有關? 答: I 為壓桿的長細比或柔度,為無量綱的量。 長細比柔度入與壓桿兩端的支承情況、桿長、截面形狀和尺寸等因素有關, 它表示壓桿的細長程度。長細比大,壓桿細長

26、,臨界應力小,臨界力也小,桿件容 易喪失穩(wěn)定。反之,長細比小,壓桿粗而短,臨界應力大,臨界力也大,壓桿就不 容易喪失穩(wěn)定。所以,長細比是影響壓桿穩(wěn)定的重要因素。 167.167. 何謂臨界力? 答:壓桿穩(wěn)定或不穩(wěn)定與所受的軸向壓力的大小有關,設壓桿穩(wěn)定與不穩(wěn)定 的臨界狀態(tài)時所承受的軸向壓力為臨界壓力或臨界力,用符號 FPcrFPcr 表示。 168.168. 影響臨界力的因素有哪些? 答:影響壓桿的臨界力的因素很多,主要有桿件的長度、截面形狀及大小、 桿件的材料以及桿件兩端的支承情況等因素。 169.169. 簡述歐拉公式及長度系數(shù)的常見取值。 答:當材料處于彈性階段時,細長壓桿的臨界力可用歐

27、拉推導出的公式計 式中 E E材料的彈性模量; I I截面的最小慣性矩; l l 桿件的長度; 卩一一長度系數(shù),其按壓桿兩端的支承形式而定。兩端鉸支為 1 1;兩端固定 為 0.5 0.5 端固定,一端鉸支為 0.70.7 端固定,一端自由為 2 2。 170.170. 歐拉公式的適用范圈如何? 答:歐拉公式的適用范圈: 歐拉公式是在假定材料處于彈性范圍內(nèi)并服從虎克定律的前提下推導出來 的,因此,壓桿在失穩(wěn)前的應力不得超過材料的比例極限 c P,P,即 A 乏 用入P來表示歐拉公式的適用范圍,當 入入P時歐拉公式適用,當 入v 入P時歐拉公式不適用。這時壓桿的臨界應力采用經(jīng)驗公式來計算。我國根

28、據(jù)試驗 得出經(jīng)驗公式為拋物線公式,即 其中c 0 0、k k 都是和材料有關的參數(shù)。如: Q235Q235 鋼 trfr = 235-0.00668/2 入v入 P=123P=123 16Mn 16Mn 鋼 L 二 343 - 0.014, 入V入 P=109P=109 171 171 壓桿的穩(wěn)定條件如何表示? 答:壓桿的穩(wěn)定條件,就是壓桿的實際壓應力不可超過材料的許可臨界應力 (7 (7 StSt,即 A 式中 FNFN軸向壓力; A A桿件的橫截面面積; 折減系數(shù),其值隨長細比而變化,且是一個小于或等于 1 1 的數(shù)。 上式通常寫成: 冬00 (pA L 172.172. 什么叫折減系數(shù)?

29、 答:在壓桿的穩(wěn)定條件 中,系數(shù)稱為折減系數(shù),其值隨長細比而變化,且是一個小于或等于 1 1 的數(shù)。 常用材料的折減系數(shù)值列表,供計算時查用。 173.173. 穩(wěn)定性和強度有什么不同? 答:穩(wěn)定性是要求構件應具有保持原有平衡狀態(tài)的能力,在荷載作用下不致 于突然喪失穩(wěn)定強度是要求構件應具有足夠的抵抗破壞的能力,在荷載作用下不致于發(fā)生破 壞。 174.174. 穩(wěn)定條件的應用有哪三種情況? 答:穩(wěn)定條件的應用,有如下三種情況 (1(1)穩(wěn)定校核 對已知壓桿的實際應力是否超過壓桿穩(wěn)定的許用應力進行驗算,稱為穩(wěn)定校 核。 (2(2)確定許可荷載 將公式變換成 FNFNK A A (T (T ,以計算壓桿許可承受的壓力 (3)(3) 選擇截面 將公式換成 ,用來選擇壓桿的截面尺寸,但是在截面尺寸尚未確定的情況下,長細比 入無法 確定,無法從表中查出值。因此工程上采用試算法來進行截面選擇工作,其步 驟如下: (1 1)先假定一個折減系數(shù) 1(

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