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文檔簡介
1、建筑結(jié)構(gòu)的耐火特性及建筑防火與抗火設(shè)計第1頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三建筑結(jié)構(gòu)的耐火性能建筑材料的燃燒性能 建筑材料的燃燒性能,是指材料燃燒或遇火時所發(fā)生的一切物理、化學(xué)變化。其中著火的難易程度、火焰?zhèn)鞑タ炻约叭紵龝r的發(fā)熱量,均對火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展具有重要意義。 按照國家標準建筑材料及制品燃燒性能分級GB8624-2006的規(guī)定,建筑材料燃燒性能分為四級如下圖: 第2頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三非燃性建筑材料:在空氣中受到火燒或高溫作用時不起火、不燃燒、不碳化,如花崗巖、大理石、水泥制品、混凝土制品、石膏板、石灰制品、玻璃、陶瓷、鋼材、鋁
2、合金制品等。難燃性建筑材料:在空氣中受到火燒或高溫作用時難起火、難于碳化,當火源移走后,燃燒或微燃性立即停止,如紙面石膏板、水泥刨花板,難燃木材等。易燃性建筑材料:在空氣中受到火或高溫作用時,立即起火,且火焰?zhèn)鞑ニ俣群芸欤缬袡C玻璃、泡沫塑料等。 可燃性建筑材料:在空氣中受到火或高溫作用時,立即起火或微燃,并且離開火源后仍能繼續(xù)燃燒或微燃,如天然木材、木制人造板、竹材、木地板、聚乙烯塑料制品等。第3頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三建筑材料的種類很多,為了便于研究其高溫性能,做如下分類: 第4頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三 有機材料都具有可燃性。
3、由于有機材料在300以前會發(fā)生碳化、燃燒、熔融等變化,因此在熱穩(wěn)定性方面一般比無機材料差。 特點:質(zhì)量輕,隔熱性好,耐熱應(yīng)力作用,不易發(fā)生裂縫和爆裂等。建筑材料中常用的有機材料有木材、塑料、膠合板、纖維板、木屑板等。 無機材料一般都是非燃性材料。在高溫性能方面存在的問題是導(dǎo)熱、變形、爆裂、強度降低、阻止松懈等,這些問題往往是由于高溫時的熱膨脹收縮不一樣造成的。 第5頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三常用材料的燃燒性能1. 無機材料1)鋼材 鋼材屬于不燃性材料。在火災(zāi)條件下沒有防火保護層面的鋼結(jié)構(gòu)往往在十幾分鐘內(nèi)發(fā)生倒塌破壞。因為在300400時,鋼的抗拉強度很快下降,到6
4、00左右失去承載能力,所以沒有防火保護層的鋼結(jié)構(gòu)是不耐火的。 普通低碳鋼:第6頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三 普通低合金鋼:200300內(nèi)強度增加,大于300后逐漸降低。 冷加工鋼筋(冷拉、冷拔、冷軋):此類鋼筋經(jīng)冷加工后強度提高,塑性降低。 高強鋼絲:無明顯屈服極限的硬鋼。第7頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三 可見冷加工鋼筋和高強鋼絲耐火性能更差。另外,鋼材在溫度和應(yīng)力作用下,隨時間推移會發(fā)生緩慢塑性變形蠕變。普通低碳鋼蠕變溫度為300350,合金鋼為400450。 為了提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能,常采用隔熱材料(鋼絲網(wǎng)抹灰、保溫磚、隔熱混凝土、導(dǎo)
5、熱液體)進行包封、散熱,或噴涂防火涂料等,以形成防火保護層。2)混凝土 混凝土的骨料決定它的耐火性能。花崗巖骨料混凝土在550破裂,石灰石骨料混凝土可達700?;炷翢崛萘看?,導(dǎo)熱系數(shù)小,升溫慢,是較好的耐火材料。 第8頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三3)鋼筋混凝土 由于鋼筋和混凝土之間的粘接力使它們共同受力,粘結(jié)力是由混凝土硬化時握固鋼筋產(chǎn)生摩擦力,表面粗糙產(chǎn)生的機械咬合力以及膠合力所組成。 對于一面受火的鋼筋混凝土,溫度升高時由荷載引起的鋼筋蠕變加大,350以上更為明顯。混凝土的水泥石由微裂縫逐漸擴展,到600以后混凝土的抗拉強度為0,鋼筋的粘結(jié)強度也幾乎喪失殆盡。
6、第9頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三2.有機材料 建筑材料中常用的有機材料有木材、塑料等,有機材料具有可燃性。1)木材木材的可燃性表現(xiàn)為燃燒和發(fā)煙兩個特征。 木材的燃燒分為預(yù)熱干燥、熱分解、燃燒三個階段。 預(yù)熱干燥。當溫度不大于150時,木材內(nèi)的自由水和吸附水蒸發(fā)后,呈完全干燥狀態(tài),水分蒸發(fā)吸熱量大,木材升溫慢,材質(zhì)改變少。 熱分解。干燥木材持續(xù)升溫使木材的化學(xué)組分發(fā)生分解,分離出低分子化合物如,可燃氣體,木炭和焦油,焦油在高溫下又分解為可燃氣體和木炭。第10頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三 燃燒。木材的燃燒速度可用火焰表面?zhèn)鞑ニ俣缺硎?,也可用?/p>
7、位時間內(nèi)木材的炭化深度表示,一般木材的燃燒速度為0.40.6mm/min。2)塑料 它是一種高分子的有機化合物,由天然或人工合成樹脂加入增塑劑、潤滑劑和填充材料及顏料制成的。 塑料受高溫后分解,然后燃燒。熱塑性塑料(如聚乙烯等)達軟化溫度后熔化成黏稠狀,滴落下來成為二次火源;熱固性塑料(如酚醛樹脂)不熔融,當溫度達到分解點時會生成烴類化合物可燃氣體、不燃性氣體和碳化物,達到燃點后發(fā)生燃燒。塑料也可以添加阻燃劑以提高耐火性能。第11頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三建筑構(gòu)件的耐火性能建筑構(gòu)件的耐火極限 建筑構(gòu)件的耐火性能,通常是指構(gòu)件的燃燒性能和抵抗火焰燃燒的時間(即耐火極
8、限)。 建筑構(gòu)件的燃燒性能分為三類:第一類:非燃燒構(gòu)件;第二類:難燃燒構(gòu)件;第三類:燃燒構(gòu)件。第12頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三耐火極限判定的條件:1) 非承重構(gòu)件 失去完整性。當試件在試驗中有火焰和氣體從孔洞、空隙中出現(xiàn),并點燃規(guī)定的棉墊時,則表明構(gòu)件失去了完整性。 失去絕熱性。試件背火面的平均溫升超過試件表面初始溫度140或單點最高溫升超過初始溫度180時,則表明構(gòu)件失去絕熱性。2) 承重構(gòu)件。承重構(gòu)件按是否失去承載能力和抗變形能力來判定。第13頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三影響構(gòu)件耐火極限的因素及提高耐火極限的措施 1影響構(gòu)件耐火極限
9、的因素(1) 完整性。根據(jù)試驗結(jié)果,凡易發(fā)生爆裂、局部破壞穿洞,構(gòu)件接縫等都可能影響構(gòu)件的完整性。(2) 絕熱性。影響構(gòu)件絕熱性的因素主要有兩個:材料的導(dǎo)溫系數(shù)和構(gòu)件厚度。材料導(dǎo)溫系數(shù)越大,熱量越易于傳到背火面,所以絕熱性差;反之則好。當構(gòu)件厚度較大時,背火面達到某一溫度的時間則長,故其絕熱性好。(3) 穩(wěn)定性。凡影響構(gòu)件高溫承載力的因素都影響構(gòu)件的穩(wěn)定性。 第14頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三2提高耐火極限的措施 建筑構(gòu)件的耐火極限和燃燒性能,與建筑構(gòu)件所采用的材料性質(zhì)、構(gòu)件尺寸、保護層厚度以及構(gòu)件的構(gòu)造做法、支承情況等有著密切的關(guān)系。 常用的方法有:(1) 適當增
10、加構(gòu)件的界面尺寸。建筑構(gòu)件的界面尺寸越大,其耐火極限越長。此法對提高建筑構(gòu)件的耐火極限十分有效。(2) 對鋼筋混凝土構(gòu)件增加保護層厚度。 (3) 在構(gòu)件表面做耐火保護層。 (4) 鋼梁、鋼屋架下及木結(jié)構(gòu)做耐火吊頂合防火保護層。 第15頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三(5) 在構(gòu)件表面涂覆防火涂料。 (6) 進行合理的耐火構(gòu)造設(shè)計。 建筑的耐火等級 在建筑結(jié)構(gòu)體系中,一般樓板直接承受有效荷載,受火影響比較大,因此建筑耐火等級的評判是以樓板為基準,結(jié)合火災(zāi)的實際情況作出規(guī)定。 現(xiàn)澆鋼筋混凝土整體樓板耐火極限達1.5h,為一級耐火等級,普通鋼筋混凝土空心板耐火極限達1h為二級
11、耐火等級;三級耐火等級的為0.5h。 第16頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三 一般依據(jù)建筑構(gòu)件耐火極限判定建筑的耐火等級。 一級耐火等級建筑采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)。 二級耐火等級建筑其構(gòu)件耐火極限稍低,允許采用未加防火保護的鋼屋架。 三級耐火等級建筑磚墻及鋼筋混凝土承重體系,木屋架屋頂。 四級耐火等級建筑采用木屋頂,燃燒體墻柱承重。建筑材料和構(gòu)件的高溫性能1建筑材料的高溫性能 1) 混凝土的高溫性能 經(jīng)凝結(jié)硬化的混凝土是非均質(zhì)材料,其結(jié)構(gòu)組成為水泥石、骨料、水分,并有空隙和微裂縫。在高溫作用下,混凝土逐漸脫水,水泥石和骨料的變形有差異等原因,導(dǎo)致其物理力學(xué)性能如彈
12、性模量、抗拉和抗壓強度會發(fā)生變化。第17頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三高溫對混凝土彈性模量的影響。 室內(nèi)溫度小于50時,混凝土的彈性模量基本沒有變化,然后隨著溫度的上升,混凝土的彈性模量逐漸降低,當達到800時,混凝土的彈性模量將只有常溫時的5左右。而火災(zāi)溫度常常高于800,這時由于混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量的急劇下降,可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失整體穩(wěn)定性并繼而引起垮塌。 高溫對混凝土強度的影響。 在火作用下,混凝土的抗壓強度在穩(wěn)定達300作用時開始下降,但溫度升至600時,將降為常溫下抗壓強度的45,而到1000。則幾乎完全喪失。第18頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分
13、,星期三2) 鋼材在高溫下的力學(xué)性能鋼材在高溫下的彈性模量和泊松比。 鋼材的彈性模量E和泊松比 是結(jié)構(gòu)性狀變化的敏感參數(shù)。鋼材的彈性模量隨溫度升高而降低,具體表現(xiàn)為:在0600范圍內(nèi),彈性模量隨溫度升高而逐漸降低;當超過600后,其隨溫度升高而顯著下降。鋼結(jié)構(gòu)在高溫作用下的特點。 鋼材遇火雖不燃燒,也不向火源提供燃料,但是鋼材受火作用后會迅速變軟,繼而造成鋼結(jié)構(gòu)垮塌。當溫度超過600后,鋼材強度迅速降低,撓度增加很快,當受火時間超過1520min后,鋼構(gòu)件就像“煮面條”一樣逐漸軟化,并隨著局部構(gòu)件的破壞使結(jié)構(gòu)整體失去穩(wěn)定而破壞,而且鋼結(jié)構(gòu)破壞后難以修復(fù)。 第19頁,共40頁,2022年,5月2
14、0日,8點55分,星期三 以“9.11”事件為例,世界貿(mào)易中心大廈受飛機撞擊后引發(fā)的大火,飛機燃油的燃燒使大樓承重主體的鋼結(jié)構(gòu)溫度迅速上升,火災(zāi)進一步削弱了受撞擊部位承重構(gòu)件的強度,使得上部結(jié)構(gòu)很快塌落,并使下部結(jié)構(gòu)在高溫和沖擊荷載作用下發(fā)生連鎖倒塌??梢?,未作防火保護處理的鋼結(jié)構(gòu)是不耐火的。 例子:第20頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三3)木材的高溫性能 木材的明顯缺點是容易燃燒,在火災(zāi)高溫下的性能主要表現(xiàn)為燃燒性能和發(fā)煙性能。 木材受熱溫度超過100以后,發(fā)生熱分解,分解的產(chǎn)物有可燃性氣體和不燃性氣體。在溫度達到260左右,熱分解進行的很劇烈,如遇明火,便會被引燃。
15、因此,在防火方面,將260作為木材起火的危險溫度。在加熱溫度達到400460時,即使沒有火源,木材也會自行著火。 木材的燃燒可分為有焰燃燒和無焰燃燒兩個階段。有焰燃燒是木材所產(chǎn)生的可燃性氣體著火燃燒,形成可見的火焰,因而是火勢蔓延的主要原因。無焰燃燒是木材熱分解完后形成的木炭的燃燒,它助長火焰燃燒的持久性,會導(dǎo)致火勢持久。 第21頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三2建筑構(gòu)件的高溫性能 國內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),荷載位置及大小、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)受火部位、構(gòu)件表面最高溫度、火災(zāi)持續(xù)時間、混凝土類型、構(gòu)件截面尺寸與配筋率、構(gòu)件保護層厚度等因素是影響高溫下與高溫后鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的
16、主要因素。第22頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三建筑的防火設(shè)計建筑物的平面布局與防火間距1建筑物平面布置基本要求(1)在同一建筑物內(nèi),生產(chǎn)中使用或產(chǎn)生甲、乙類火災(zāi)危險性物質(zhì)的車間,應(yīng)設(shè)在單層產(chǎn)房靠外墻處。(2)生產(chǎn)甲、乙類火災(zāi)危險性物質(zhì)車間內(nèi)不應(yīng)設(shè)辦公室、休息室等。(3)生產(chǎn)甲、乙類火災(zāi)危險性物質(zhì)車間不應(yīng)設(shè)置在建筑物的地下室或半地下室內(nèi)。(4)鍋爐房和油浸變壓器室,不應(yīng)設(shè)置在聚集人多的地方。(5)防火堤內(nèi)貯罐設(shè)置不宜超過兩行。沸溢性與非沸溢性油罐、地下貯罐與地上、半地下貯罐,不應(yīng)布置在同一防火堤范圍內(nèi)。(6)數(shù)個液化石油氣貯罐的總?cè)莘e超過2500立方米時,應(yīng)分組布置。第
17、23頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三2. 建筑物防火間距 建筑物的防火間距是指某棟給定建筑物到周圍其他建筑物或鐵路、公路干線之間的防火安全距離。防火間距反映了建筑物與周圍外部環(huán)境在防火方面的布局要求。其目的為: (1)當某棟建筑物失火后,其熱輻射不會使處于防火間距以外的相鄰建筑物燃燒起火,導(dǎo)致“火燒連營”;(2)通過鐵路、公路的車輛及人員可能攜帶的火源不致引燃處于防火間距以外的倉庫、可燃材料堆場、儲罐等;(3)易燃、易爆物品庫、廠庫發(fā)生爆炸,其沖擊波不致使過往車輛、人員及建筑物受災(zāi);(4)發(fā)生火災(zāi)時,便于消防車低近撲救。確定防火間距、主要考慮建筑物的重要性、火災(zāi)危險性大
18、小、耐火等級以及可能引起的火災(zāi)損失等。第24頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三3.高層建筑物的防火間距第25頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三防火分區(qū)與防火分隔物設(shè)計 當建筑物占地面積或建筑面積過大時,如發(fā)生火災(zāi),火場面積可能蔓延過大。所以,應(yīng)把整個建筑物用防火分隔物進行分區(qū),使之成為面積較小的若干個防火單元。如果某一分區(qū)失火,防火分隔物將阻滯火勢不會蔓延到相鄰分區(qū),控制了火勢發(fā)展,減小了成災(zāi)面積,即可減少損失,又能便于撲救。 用于劃分防火分區(qū)的分隔物,在平面上重要依靠防火墻,也可利用防火水幕帶或防火卷簾加水幕,在豎向則依靠耐火樓板(主要是鋼筋混凝土
19、樓板)。第26頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三 防火分區(qū)的劃分,主要考慮消防隊的滅火實力、火實危險性類別、建筑物耐火等級、層數(shù)及是否裝有消防設(shè)施等因素。 第27頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三避難層或避難通道設(shè)計 高層建筑中避難層的設(shè)置: 避難層:超高層建筑中供發(fā)生火災(zāi)是人員臨時避難使用的樓層。 (1) 設(shè)置避難層的數(shù)量,自高層建筑底層至第一個避難層或兩個避難層之間,不易超過15層。(2) 避難層凈面積應(yīng)能滿足避難人員避難要求,宜按5人/計算。(3) 通風(fēng)通道和其他豎向管井等通過避難層的縫隙,必須嚴密填塞。 (4) 避難層必須設(shè)置消火栓和自動噴水
20、滅火系統(tǒng)。 (5) 應(yīng)設(shè)有專用電話和火災(zāi)應(yīng)急照明,其供電時間不應(yīng)小于1h,并不小于正常照度的50。第28頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三防排煙系統(tǒng)設(shè)計火煙控制區(qū)域的劃分原則: 火煙控制區(qū)域不應(yīng)跨越防火分區(qū)。 每個火災(zāi)控制區(qū)域所占建筑面積,地面建筑一般控制在500以內(nèi)。 通常將每個樓層選作分隔開的火煙控制區(qū)。 有特殊用途場所,應(yīng)單獨劃分為火煙控制區(qū)。 第29頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三火災(zāi)報警系統(tǒng)與消防系統(tǒng)設(shè)計自動報警系統(tǒng)的組成: 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)是觸發(fā)器件、火災(zāi)報警裝置、火災(zāi)警報裝置以及具有其他輔助功能的裝置組成的火災(zāi)報警系統(tǒng) 。三種基本形式
21、:1) 區(qū)域報警系統(tǒng) 區(qū)域報警系統(tǒng)由火災(zāi)探測器、手動報警器、區(qū)域報警控制器或通用報警控制器、火災(zāi)報警裝置等構(gòu)成。 2) 集中報警系統(tǒng) 集中報警系統(tǒng)由火災(zāi)探測器、區(qū)域火災(zāi)報警控制器或用作區(qū)域報警的通用火災(zāi)報警控制器和集中火災(zāi)報警控制器等組成。 第30頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三3) 控制中心報警系統(tǒng) 控制中心報警系統(tǒng)是由設(shè)置在消防控制中心(或消防控制室)的消防聯(lián)動控制裝置、集中火災(zāi)報警控制器、區(qū)域火災(zāi)報警控制器和各種火災(zāi)探測器等組成,或由消防聯(lián)動控制裝置、環(huán)狀布置的多臺通用火災(zāi)報警控制器和各種火災(zāi)探測器及功能模塊等組成。第31頁,共40頁,2022年,5月20日,8點
22、55分,星期三結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計1混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計要求 無論對混凝土構(gòu)件還是整體結(jié)構(gòu)層次的抗火設(shè)計,均應(yīng)滿足下列要求: (1)結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計極限時間內(nèi),結(jié)構(gòu)的承載力應(yīng)不小于各種作用產(chǎn)生的組合效應(yīng)。 (2)規(guī)定的各種荷載組合下,結(jié)構(gòu)的耐火時間應(yīng)不小于規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限。 (3)火災(zāi)下,當結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度均勻時,結(jié)構(gòu)達到承載力極限狀態(tài)時的溫度應(yīng)不小于耐火極限時間內(nèi)結(jié)構(gòu)的最高溫度。 上述三個要求實際上等效的,進行結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計時,滿足其一即可。第32頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三2混凝士結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計計算過程第33頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分
23、,星期三3.混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法 混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能全過程分析,可以通過非線性有限元分析獲得準確解,從理論上是可行的,但計算復(fù)雜,因此有必要建立具有工程準確性,簡單實用的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)高溫承載力的近似計算方法。 因為混凝土高溫抗壓強度隨溫度升高而變化,所以混凝土構(gòu)件截面上溫度的不均勻分布就有相應(yīng)的不等的抗壓強度值,這樣使耐火承載力的計算復(fù)雜化。Eurocode規(guī)范對混凝土抗火等效截面的確定提供了一種簡化的方法,它假設(shè)混凝土低于500時的高溫抗壓強度同常溫抗壓強度,而高于500后的強度取為零,并確定截面500等溫線后,原截面就可以簡化為一個與常溫混凝土強度相等,但面積較小,折算的勻質(zhì)截
24、面,然后按照普通混凝土構(gòu)件設(shè)計方法進行計算。第34頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三結(jié)構(gòu)的耐火構(gòu)造混凝土結(jié)構(gòu)的耐火構(gòu)造 構(gòu)造設(shè)計的目的就是通過采用巧妙的約束去抵抗結(jié)構(gòu)的過大撓曲和斷裂,合理的構(gòu)造設(shè)計可以延長構(gòu)件的耐火極限,提高結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性。(1)支座處的連接。在構(gòu)件支座部位的上部,可以通過上部鋼筋的作用,將兩個構(gòu)件形成一個能傳遞內(nèi)力的連續(xù)整體,這些上部鋼筋在火災(zāi)期間受到火的影響較小,另一方面受火期間可進行內(nèi)力重分布。(2)梁的翼緣處理。翼緣過分細長和腹壁太薄都會影響構(gòu)件的耐火性能。 設(shè)計方法:第35頁,共40頁,2022年,5月20日,8點55分,星期三鋼結(jié)構(gòu)的耐火構(gòu)造(3)牛腿構(gòu)造處理。當需要在構(gòu)件迎火部位設(shè)置半槽邊形的牛腿支座時,在沒有任何附加保護的情況下,應(yīng)用一些主筋去保護混凝土的各個棱角邊。這些部位混凝土的破碎和爆裂能夠?qū)е陆Y(jié)構(gòu)的倒塌,在耐火設(shè)計時,要特別注意其細部的處理。(4)支座處構(gòu)件內(nèi)鋼筋的錨固長
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