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文檔簡介

1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。V形連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合橋內(nèi)力分析V形連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合橋內(nèi)力分析V形連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合橋內(nèi)力分析 振動與沖擊 第28卷第2期 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK Vol.28No.22009 劉世忠,任萬敏 1 2 (1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州730070;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都610031) 摘要:以一V形連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合橋為研究對象,介紹了V形橋墩連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合橋的設(shè)計構(gòu)思,采用自編 SMAD有限元計算程序,重點分析了墩身尺寸及邊界條件對整個結(jié)構(gòu)的影響。通過優(yōu)化

2、計算巧妙的解決了收縮、徐變次 內(nèi)力和預(yù)應(yīng)力、溫度次內(nèi)力對結(jié)構(gòu)的不利影響;本橋系梁與拱肋的橫向剛度比為1926:1,通過在主梁主要收縮徐變完成 后成拱以及對吊桿進(jìn)行二次調(diào)索的施工方法有效解決了剛性系桿柔性拱的橫向穩(wěn)定問題;三維地震反應(yīng)結(jié)果表明橋梁上部各部位的地震力不是該橋的控制內(nèi)力,說明本橋設(shè)計構(gòu)造具有良好的抗震性能。計施工具有參考價值。 關(guān)鍵詞:V形橋墩;梁拱組合;收縮徐變;拱的穩(wěn)定;地震反應(yīng)中圖分類號:442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 1工程概況 中衛(wèi)V區(qū)中西部,寧、甘、區(qū)主干道上的跨鐵路立交橋。橋梁全長261m,為滿足城市景觀要求,主橋采用(25+56+25)m,V 形連續(xù)剛 4.m機非混合車道

3、+2.0m分隔帶+16.0m機動車道+2.0m分隔帶+4.0m機非混合車道+2.0m人行道,總寬32m;4)計算行車速度:50km/h;5)地震烈 度:地震峰值加速度0.2g,按度設(shè)防 。 圖1中衛(wèi)V形連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合橋總體布置圖(單位:m ) 構(gòu)梁拱組合體系,主梁 采用等高度混凝土單箱五室連續(xù)箱梁,橋墩采用V形剛構(gòu),橫向布置兩片鋼筋混凝土拱肋,居中置于兩側(cè)分隔帶內(nèi),拱肋間不設(shè)橫撐。吊桿間距6.0m。主橋總體布置圖見圖1,橫 圖2主橋橫斷面圖(單位:m) 斷面圖見圖2。成橋效果圖如圖3。 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下: 1)道路等級:級城市主干路;雙向六車道;2)設(shè)計荷載:城市-A級;3)橋梁寬度:2.0

4、m人行道+ 基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(50378076);蘭州交通大學(xué)“青藍(lán)”基 金(QL-04-08A) 收稿日期:2008-03-31修改稿收到日期:2008-05-21第一作者劉世忠男,博士,教授,1962年生 圖3成橋效果圖 2主橋的設(shè)計思想 主梁:主梁采用單箱五室整體截面,箱梁縱向采用 等高度;橫向梁高為1.3m1.62m。頂板厚30cm;底板厚25cm。邊腹板40cm,中腹板30cm,其中拱腳處中腹板厚為200cm。懸臂長為2.0m,懸臂根部厚度50cm,端部厚度20cm。主梁在端部及與V撐、加勁拱、吊桿連接處設(shè)有橫梁,橫梁尺寸隨連接部位的不同而不同。 吊桿:吊桿標(biāo)準(zhǔn)間距6m

5、,采用新型PES(FD)平行高強度預(yù)應(yīng)力鋼絲束,冷鑄錨固體系。該索體采用雙層HPDE防護(hù),可有效解決應(yīng)力開裂問題。錨固處設(shè)有可偏擺的球鉸裝置和減震裝置,以適應(yīng)吊桿變形和減震。并設(shè)有防水裝置,以解決吊桿下端進(jìn)水而引起腐蝕的問題。通過上述措施提高吊桿的安全性和耐久性。 拱肋:鋼筋混凝土矩形截面(寬×高)為1.8m×1.5m,兩側(cè)獨立設(shè)置。拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)m=2.5,跨度L=45m,矢高f=12.5m 。拱肋僅協(xié)助主 第2期 梁承擔(dān)二期恒載和活載。在拱肋側(cè)面、頂面均設(shè)有起裝飾效果的開槽構(gòu)造。 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計為V形支撐墩:主墩采用三個帶圓弧倒角的5m×1.5m鋼筋混

6、凝土矩形截面V形支撐,橋墩高12.8m?;A(chǔ)采用單排6根<2.0m鉆孔灌注樁,樁長35m。鋼筋混凝土承臺厚2.5m,底面以下設(shè)10cm厚的C15混凝土墊層和15cm厚的砂礫墊層。為減少承臺側(cè)土對基礎(chǔ)變形的影響,基坑采用粉細(xì)砂松散回填 。 本橋主橋在充分考慮橋位特點、通行要求、橋型與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)等因素后,確定采用 圖4三維有限元模型 V形墩連續(xù)剛 構(gòu)梁拱組合方案。(1),采用V, 使梁與拱在受力方面的優(yōu)點得以充分發(fā)揮,大大削減了跨中和支點部位的彎矩峰值,降低了梁高,減少了工程造價。 (2)V撐連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合橋具有造型活潑、美觀、富有動感的特點,橋梁景觀效果較好,可與周圍環(huán)境和諧的

7、融為一體,豐富了人們的美覺享受,提升了城市的建筑藝術(shù)內(nèi)涵。 (3)本方案橋面寬度較寬,且在拱腳處設(shè)計剛度較大的中橫梁與拱肋剛性連接,巧妙地解決了主梁橫向剛度和拱肋穩(wěn)定性問題。 方案采用拱、V撐和梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系,屬于多次超靜定結(jié)構(gòu),。同一般薄壁墩,;在結(jié)、活載、混凝土收縮、徐變等,當(dāng),影響更為嚴(yán)重。這樣對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、V撐和拱腳的設(shè)計帶來了較大困難。這也是本文力圖解決的主要問題。 3結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析 36 表1考慮與不考慮彈性地基最大內(nèi)力絕對值 邊部 位 V形墩(底部)V形墩(墩頂)V形墩(墩梁固結(jié)處) 界 及 不考慮彈性地基(墩底固結(jié)) 基 彎矩 (kN?m) 38889.918575.115864

8、.485508.018133.61609.9 考慮彈性地基 單排樁(2.0m) 彎矩(kN?m) 16283.515554.212677.376710.815683.01518.5 雙排樁(1.5m) 軸力(kN) 22322.322308.616542.821532.314603.811838.2 剪力(kN) 5964.55964.53184.913063.82882.7861.8 軸力(kN) 25449.124435.118318.936651.515419.212611.2 剪力(kN) 3762.43762.42583.210559.72571.9815.1 彎矩(kN?m) 23

9、874.414631.914570.892823.713861.11493.4 剪力(kN) 4530.84530.81787.513237.22418.7841.7 軸力(kN) 25766.324752.318683.628115.914352.111558.2 主梁(墩梁固結(jié)處) 拱腳拱頂 計算采用空間桿系有限單元法,主梁、拱肋、V撐和吊桿共離散為867個節(jié)點,1514個單元(圖4)。邊界條件的處理:梁、拱和V形支撐剛接;根據(jù)實際結(jié)構(gòu)形式,考慮橋墩與基礎(chǔ)的相互作用,引入面內(nèi)彈性地基梁單元,該單元共兩個節(jié)點,每個節(jié)點面內(nèi)三個自由度 u、v、,局部坐標(biāo)系下單元面內(nèi)節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關(guān)系為

10、: mm (1)Fe=Kee 式中節(jié)點位移、節(jié)點力列陣和單元剛度矩陣表達(dá)式詳見文獻(xiàn)7。 m 空間計算時 ,只需將Ke擴充成12×12的剛度矩陣,填入相應(yīng)的面外剛度系數(shù)即可。 計算荷載考慮了恒載、活載、溫度梯度、整體升降溫、收縮、徐變、支座沉降、吊桿預(yù)加力以及基礎(chǔ)的剛度等諸多因素的影響。該結(jié)構(gòu)屬于多次超靜定結(jié)構(gòu),其 結(jié)構(gòu)的受力比較復(fù)雜。本文僅給出受力較為不利的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、V撐和拱肋的分析過程及計算結(jié)果。 表2橋梁前6階自振頻率及振型特點 No. 振型描述頻率/Hz 1.1172.6252.6382.9243.7594.065 1V撐的縱向振動伴隨主梁的反對稱豎彎振2拱的1階面外反對稱彎曲

11、振動3拱的1階面外對稱彎曲振動4主梁主跨1階半波豎向彎曲振動5主梁主跨1階對稱扭轉(zhuǎn)振動 6主梁2階兩半波反對稱豎向彎曲振動 經(jīng)過大量的優(yōu)化計算發(fā)現(xiàn),V撐自身剛度以及基礎(chǔ)的剛度是影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的一個重要因素。多工況計算了在不同邊界條件下V撐厚度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的影響,結(jié)果表明在相同邊界條件下,V撐內(nèi)力(特別 58振動與沖擊 2009年第28卷 是彎矩)隨其厚度的增加而顯著增大,但對主梁內(nèi)力分配的影響較小,其原因是V撐剛度相對于主梁而言較小所致,在兼顧墩身內(nèi)力和與整體結(jié)構(gòu)美觀協(xié)調(diào)的原則下,最終選取V撐厚度為1.5m。 表3荷載組合下控制截面內(nèi)力最大值(單位:kN?m)荷載組合 截面主梁拱頂 組合

12、拱腳 V撐 組合內(nèi)力最大值 軸力 11560.3-9164.4-12572.1-18711.3-20818.39682.6-9218.2-12964.8-.-13432.3-8951.2-11890.5-16127.9-21144.421532.3-11838.2-14603.8-16542.8-22322.3 土主拉應(yīng)力為0.54MPa,均在規(guī)范容許范圍內(nèi)。通過 分階段施工減小了收縮、徐變、預(yù)應(yīng)力等次內(nèi)力對結(jié)構(gòu)的不利影響,分階段施工與一次成橋施工相比,使設(shè)計中較為不利的構(gòu)件內(nèi)力減小了20%,是拱肋在體現(xiàn)僅協(xié)助主梁承擔(dān)二期恒載和活載設(shè)計思想條件下,面外穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求的重要保障。 剪力 84

13、30.71048.8-1185.9999.5210629.28965.8825.1-.88954.51086.4-1732.5976.86983.310559.7815.1-2571.92299.83762.4 彎矩 -83256.9-465.112657.112700.528693.5-84754.4-435.926833.3-83922.9-471.511416.311024.920304.5-76710.8-1518.51568312677.316283.5 4地震反應(yīng)分析 411自振特性分析 3,8 橋墩主梁拱頂 組合 拱腳 V撐 橋墩主梁拱頂 組合 拱腳 V撐 橋墩主梁拱頂 組合 拱

14、腳 V撐 橋墩 除混凝土收縮、徐變及預(yù)應(yīng)力引起的次內(nèi)力外,地 基彈性作用也是影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的一個重要因素,本文還分別計算了樁徑為2.0m的單排樁和樁徑為1.5m的雙排樁、樁長均為35m的基礎(chǔ)作用下對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的影響。計算結(jié)果如表1所示。在設(shè)計荷載作用下,單排樁拱腳彎矩為15683.0kN?m,是不考慮彈性地基效應(yīng)的86%,剪力為2571.9kN,軸力為14603.8kN,V形墩墩頂彎矩為15554.2kN?m,是不考慮彈性地基效應(yīng)的83%,剪力為3762.4kN,軸力為22308.6kN,V形墩底彎矩為16283.5kN?m,是不考慮彈性地基效應(yīng)的42%,是雙排樁的68%,充分顯示出結(jié)構(gòu)優(yōu)

15、化設(shè)計與引入彈性地基影響的重要性。V型墩構(gòu)件均按偏壓構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計,最不利荷載工況下應(yīng)力及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。主梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計,在荷載短期效應(yīng)組合下,正截面混凝土拉應(yīng)力為0.58MPa、壓應(yīng)力為9.36MPa,斜截面混凝 計算了考慮彈性地基作用的橋梁前15階自振特 性,限于篇幅表2僅列出前6階自振頻率和振型特點。41中國地震動參 -2001)、建筑抗震設(shè)計規(guī)范 -2001)及鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(GBJ111-87)的有關(guān)規(guī)定,結(jié)合本區(qū)域工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件及工程設(shè)置的實際情況。中衛(wèi)市抗震設(shè)防烈度8度,地震動峰值加速度0.20g。根據(jù)各地層的剪切波速經(jīng)驗值分析,工程所在場地屬

16、類場地。計算中采用1940年記錄到的美國加利福尼亞州的Elcentro地震波南北分量、1976年記錄到的天津地震波和1952年記錄到的Taft地震波。激勵方向為縱向+1/2豎向、橫向+1/2豎向。表3列出了荷載組合下控制截面內(nèi)力最大值(其中組合為ElCentro波+恒載+吊桿預(yù)加力,組合為天津波+恒載+吊桿預(yù)加力,組合為Taft波+恒載+吊桿預(yù)加力,組合為恒載+活載+沉降+溫度+人群+吊桿預(yù)加力)。圖57為控制截面內(nèi)力比較圖(圖中X軸方向的截面15分別對應(yīng)控制截面主梁,拱頂,拱腳,V撐,橋墩)。該橋取組合、組合和組合最不利內(nèi)力值進(jìn)行抗震驗算。地震作用下內(nèi)力設(shè)計值與組合作用下內(nèi)力設(shè)計值相比,主梁

17、、拱頂和拱腳處軸力均有所減小,V撐軸力增加了14.0%,橋墩軸力增加了10.4%;主梁、拱腳和V撐剪力均有所減小,拱頂剪力增加了33.3%,橋墩剪力增加了182.5%;拱頂和拱腳彎矩均有所減小 ,主梁彎矩增加了10.5%,V撐彎矩增加了0.8%,橋墩彎矩增加了76.2%。由以上比較可知,控制截面拱頂、拱腳和V撐地震力不是控制因素,主梁內(nèi)力雖然有所提高,但提高幅度不大。按設(shè)防烈度8度考慮,橋墩截面內(nèi)力有大幅度提高,故橋墩由地震力控制設(shè)計,其余截面均由組合控制設(shè)計。本文還進(jìn)行了反應(yīng)譜分析計算,其內(nèi)力組合均小于組合作用下內(nèi)力值,不再列出。4.3典型截面位移時程曲線 限于篇幅圖8僅給出了主梁跨中和拱腳

18、位移在ElCentro(N2S)波激勵方向為縱向+1/2豎向、橫向+1/2豎向時響應(yīng)的時程曲線圖。 第2期 劉世忠等:V 形連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合橋內(nèi)力分析59 圖5控制截面軸力比較圖圖6控制截面剪力比較圖圖7 控制截面彎矩比較圖 三維地震反應(yīng)分析結(jié)果表明:中衛(wèi)橋的抗震性能良好,各項應(yīng)力、變形指標(biāo)均符合規(guī)范要求;對比橋梁各部位的位移、軸力、剪力和彎矩在地震作用下的最大值,橋墩是該橋在地震荷載作用下的危險構(gòu)件,由地震 力控制設(shè)計;與荷載組合作用下橋梁各部位的內(nèi)力相比, 該 縱向+豎向地震作用下跨中縱向位移 2 橫向豎向地震作用下跨中橫向位移2 縱向+ 豎向地震作用下拱腳縱向位移2 橫向豎向地震作用下拱

19、腳橫向位移2 圖8位移時程曲線圖 橋在地震作用下是安全的。 5結(jié)論 通過對全橋進(jìn)行詳細(xì)的優(yōu)化設(shè)計計算、反應(yīng)譜分 析和地震時程反應(yīng)分析,可以得出以下結(jié)論: 1)在墩身豎直高度不大的情況下,作為跨線橋,選擇V形墩連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合橋型,可以有效地減小主梁跨度,減小梁高、降低建筑高度,節(jié)省投資;但剛構(gòu)主體及拱腳的受力比較復(fù)雜。 2)V撐連續(xù)剛構(gòu)墩底水平力和彎矩較大,通過模擬合理的邊界條件、調(diào)整V撐厚度,特別是采用分階段施工等手段,可以有效消除大部分混凝土收縮、徐變及預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力對結(jié)構(gòu)的不利影響。 3)采取先修筑主梁并釋放一期自重荷載變形,再 成拱、調(diào)整吊桿拉力的施工方法,不僅可以實現(xiàn)拱肋僅協(xié)助主梁承擔(dān)

20、二期恒載及活載的設(shè)計思想,也是實現(xiàn)單拱肋橫向穩(wěn)定性的有利措施。 4)本橋抗震設(shè)計采用反應(yīng)譜和線性時程兩種方法,與荷載組合作用下橋梁各部位的內(nèi)力進(jìn)行相比,反應(yīng)譜分析結(jié)果不是抗震設(shè)計的控制工況;通過線性時程分析,除橋墩外地震內(nèi)力不是該橋的控制內(nèi)力,橋梁在烈度為8度的地震荷載作用下是安全的,說明本橋結(jié)構(gòu)設(shè)計具有良好的抗震性能。 5)彈性地基作用和地震對上部結(jié)構(gòu)的影響較小,對橋墩的影響顯著,正好體現(xiàn)了這種橋型優(yōu)化設(shè)計的重點所在,同類橋梁應(yīng)進(jìn)行三維地震反應(yīng)時程分析抗震驗算。本文結(jié)論可供同類型橋梁的設(shè)計和施工參考。 (下轉(zhuǎn)) 76 2 振動與沖擊 2009年第28 卷 截面積A0=100mm,振動頻率為1

21、Hz,計算附加氣室與主氣室不同容積比n下彈簧的動剛度(圖5) 。 3)彈簧的動剛度與彈簧內(nèi)壓力幾乎保持正比關(guān)系;動剛度隨之振動頻率的增大而增大;節(jié)流孔的增大會降低彈簧的動剛度;增加附加氣室容積會降低彈簧的動剛度,但當(dāng)附加氣室與主氣室容積比大于3時,附加氣室容積的變化對彈簧動剛度的影響便不再明顯。由于線性化模型是在小振幅條件下求得,所以此模型無法反映振幅變化對動剛度的影響。 參考文獻(xiàn) 1KatsuyaToyofuku.StudyonDynamicCharacteristicanalysis ofairspringwithauxiliaryJ.JSAEReview1999,20:349 圖5附加氣

22、室容積與動剛度的關(guān)系曲線 -355. 2QuagliaG,SoliM.ExentalandTheoreticalAnalysisof anAirSpReservoir.Procofthe6thInter2ControlMeasurementandVisu2Jooke,Canada,Aug,2000. G,SoliM.AirSuspensionDimensionAnalysisand DesignProcedureJ.VehicleSystemDynamics,2001,35 (6):443-475. 4原亮明,宮相太,等.鐵道車輛空氣彈簧垂向動態(tài)特性分 由于n=Va0/Vs0,主氣室初始容積是

23、固定的,所以n值的增大相當(dāng)于增加附加氣室容積。由圖可見,附加氣室容積增大會使動剛度減小,但附加氣室容積越大,對動剛度的影響效果越小,比n大于3以后,動剛度變化便很小,剛度模型(24),積比n是以(1+1/n)中出現(xiàn),所以n值越大,(1+1/n)項隨n值的變化會越小。 3結(jié)論 1)依據(jù)熱力學(xué)、流體動力學(xué)理論建立了帶附加氣室空氣彈簧系統(tǒng)各元件的動力學(xué)方程,并在小振幅的條件下,用小偏差線性化方法對各動力學(xué)方程線性化處理,建立了空氣彈簧線性化動剛度模型,由模型可知空氣彈簧的幾何結(jié)構(gòu)、彈簧內(nèi)壓力、振動頻率、節(jié)流孔開度、附加氣室容積是影響彈簧動剛度的主要因素。 2)基于所建立的動剛度模型,以Firesto

24、ne1T15M-2空氣彈簧作為計算對象,在小振幅為25mm條件下,分別求解各因素對線性化動剛度和非線性動剛度的影響關(guān)系,兩類曲線變化規(guī)律和大小基本保持相近,驗證了線性化剛度模型的精度。(上接) 參考文獻(xiàn) 1李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動M.北京:中國鐵道出版 社.2003. 2金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁設(shè)計研究與實踐 M.北京:人民交通出版社.2001.3吳鴻慶,任俠.結(jié)構(gòu)有限元分析M.北京,中國鐵道出 版社.2000.4劉世忠,吳輝.薄壁箱梁內(nèi)力影響面的實用計算方法 J.中國公路學(xué)報,2007,20(4):71-76. 析方法的研究J.中國鐵道科學(xué),2004,25(4):37-41.5原亮

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27、ntdevicesarerelatedwiththestructurecharacteristicsandtheshockloaddirection.Withregardtothemainturbo2setandthemainreducinggeardevice,becauseoftheconnectingrelationbetweentheparts,thedynamicresponseofthebolt,dowelandtheconnectingstructureofthemismoreinfluential. Keywords:timedomainsimulatingmethod;sho

28、ckresistance;shipdevice;DDAM(pp:45-50) Identificationofweaknonlinearitiesindampingand stiffnessbasedonwavelettransform DAIYu,SUNHe2yi,LIHui2peng,TANGWen2yan (DepartmentofAutomaticMeasurementandControl,HarbinInstituteofTechnology,Haerbin150001,China) Abstract:Utilizingthemagnitideandphaseofcontinuous

29、wavelettransformCcoefficientonridge,weaknonlinearitiesindampingandstiffnesswereidentifiedfromthesystem.Anewal2gorithmforridgedetectionwasintroducedtoeliminatetheofextremeofCWT.Inordertominimizeend2effect,theparameterselectionofwaveletbyusinganoptimizationtechniquebasedonthemethodoffittingerrorofleas

30、tsquares.numentalstudieswerecarriedouttodemonstratetheproposedprocedureandverifyitsmisahighaccuracyinstrumentformeasuringmomentofiner2tia.Theresultsshowinidentifyingweaknonlinearitiesindampingandstiffnessofstructures. Keywords:paraon;nonlinearsystem;wavelettransform;ridge;themethodofleastsquares (pp

31、:51-55) Internalforceanalysisofthegirderandarchcombination bridgewithcontinuousrigidframeandV2shapedsupport LIUShi2zhong,RENWan2ming12 (1.LanzhouJiaotongUniversityCivilDepartment,Lanzhou0730070,China; 2.ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.LTD,Chendu610031,China) Abstract:ThedesignofV2shapedpiersoft

32、hebeam2archcombinationsystembridgewithcontinuousrigidframewasintroduced.UsingSMADfiniteelementprocedure,theinfluencesofthesizeofpierbodiesandboundaryconditionsonthewholestructurewereanalysed.Throughoptimiationofcomputation,theadverseeffectsofshrinkage,pre2stressandsecondinternalforcescausedbycreepandtemperature,etc.,onthestructurewereinvestigatedandmanagedtobeelimi2natedaccordingly.Thela

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