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鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計 自學(xué)篇一
鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、雕塑、倉棚、工廠、住宅、山地建筑和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點相一致的。
(二) 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置
結(jié)構(gòu)選型及布置是對結(jié)構(gòu)的定性，由于其涉及廣泛,應(yīng)該在經(jīng)驗豐富的工程師指導(dǎo)下進行。此處僅簡單介紹. 詳請參考相關(guān)專業(yè)書籍.
在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該被強調(diào)的是"概念設(shè)計",它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要. 對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設(shè)計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部構(gòu)造措施。 在早期迅速、有效地進行構(gòu)思、比較與選擇，所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、力學(xué)行為清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。
林同炎教授在《結(jié)構(gòu)概念和體系》一書中介紹了用整體概念來規(guī)劃結(jié)構(gòu)方案的方法，以及結(jié)構(gòu)總體系和個分體系間的相互力學(xué)關(guān)系和簡化近似設(shè)計方法。
鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面桁架、網(wǎng)架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)形式。
其理論與技術(shù)大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實用的設(shè)計方法，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。
結(jié)構(gòu)選型時，應(yīng)考慮不同結(jié)構(gòu)形式的特點。在工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或大范圍移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架?；狙捍蟮牡貐^(qū)，屋面曲線應(yīng)有利于積雪滑落(切線50度外不需考慮雪載 )，如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼，總雪載和坡屋面相比釋放近一半。降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節(jié)點剛接的框架有更好的經(jīng)濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)體系。高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應(yīng)單純?yōu)榱私?jīng)濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型src柱，核心為支撐框架的結(jié)構(gòu)體系。我國半數(shù)以上的此類高層為前者，對抗震不利。 結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征,荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮.一般的說要剛度均勻.力學(xué)模型清晰.盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ). 柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻.其形心要盡量靠近側(cè)向力(風(fēng)、震)的作用線. 否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn). 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線. 比如有支撐框架結(jié)構(gòu),柱子至少應(yīng)能單獨承受1/4的總水平力. 框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置,有時可以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高,頂層邊柱也有時會吃不消，此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子.
(三) 預(yù)估截面
結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。
鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接h型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計算，這種方法很受歡迎。 確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。
柱截面按長細比預(yù)估. 通常50<λ<150, 簡單選擇值在80附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同,可選擇鋼管或h型鋼截面等.
對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，規(guī)范對截面的構(gòu)造要求有很大的不同，如鋼結(jié)構(gòu)所特有的組成構(gòu)件的板件的局部穩(wěn)定問題，在普鋼規(guī)范和輕鋼規(guī)范中的限值有很大的區(qū)別。
除此之外，構(gòu)件截面形式的選擇沒有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟美觀的截面。
(四) 結(jié)構(gòu)分析
目前鋼結(jié)構(gòu)實際設(shè)計中,結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析,條件允許時考慮p-δ,p-δ.
新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能.這為更精確的分析結(jié)構(gòu)提供了條件。并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件:
典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形.
簡單結(jié)構(gòu)通過手算進行分析.
復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運行程序并做詳細的結(jié)構(gòu)分析.
(五) 工程判定
要正確使用結(jié)構(gòu)軟件，還應(yīng)對其輸出結(jié)果的做"工程判定"。比如，評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據(jù)"工程判定"選擇修改模型重新分析,還是修正計算結(jié)果.
不同的軟件會有不同的適用條件.初學(xué)者應(yīng)充分明了.此外,工程設(shè)計中的計算和精確的力學(xué)計算本身常有一定距離, 為了獲得實用的設(shè)計方法,有時會用誤差較大的假定, 但對這種誤差, 會通過"適用條件、概念及構(gòu)造"的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中,"適用條件、概念及構(gòu)造"是比定量計算更重要的內(nèi)容.
工程師們過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件有可能帶來結(jié)構(gòu)災(zāi)難，注重概念設(shè)計、工程判定和構(gòu)造措施有助于避免這種災(zāi)難.
(六) 構(gòu)件設(shè)計
構(gòu)件設(shè)計首先是材料的選擇. 比較常用的是q235和q345. 當(dāng)強度起控制作用時,可選擇q345; 穩(wěn)定控制時,宜使用q235.通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理. 經(jīng)濟考慮,也可以選擇不同強度鋼材的焊接組合截面(翼緣q345，腹板q235). 另外，焊接結(jié)構(gòu)宜選擇q235b或q345b。
當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件,都提供截面驗算的后處理功能。部分軟件可以將不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級自動重新驗算，直至通過，如sap20xx等。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計功能之一，它減少了很多工作量。 但是，我們至少應(yīng)注意兩點：
1.軟件在做構(gòu)件(主要是柱)的截面驗算時,計算長度系數(shù)的取定有時會不符合規(guī)范的規(guī)定.目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以,尤其對于節(jié)點連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件,我們應(yīng)該逐個檢查.
2.當(dāng)上面第(三)條中預(yù)估的截面不滿足時，加大截面應(yīng)該分兩種情況區(qū)別對待。
(1) 強度不滿足,通常加大組成截面的板件厚度，其中,抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度。
(2) 變形超限，通常不應(yīng)加大板件厚度而應(yīng)考慮加大截面的高度，否則會很不經(jīng)濟。 使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設(shè)計功能，很難考慮上述強度與剛度的區(qū)分，實際上，除常用于網(wǎng)架設(shè)計外，其他結(jié)構(gòu)形式常常并不合適。
(七) 節(jié)點設(shè)計
連接節(jié)點的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的內(nèi)容之一.在結(jié)構(gòu)分析前,就應(yīng)該對節(jié)點的形式有充分思考與確定.有時出現(xiàn)的一種情況是,最終設(shè)計的節(jié)點與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，如果你不能確信這種不一致帶來的偏差差在工程許可范圍內(nèi)(5%)，就必須避免。 按傳力特性不同,節(jié)點分剛接,鉸接和半剛接. 初學(xué)者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者.常用的參考書有豐富的推薦的節(jié)點做法及計算公式.
連接的不同對結(jié)構(gòu)影響甚大.比如,有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒有問題,但會產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動, 不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定. 會導(dǎo)致實際工程變形大于計算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果.
連接節(jié)點有等強設(shè)計和實際受力設(shè)計兩種常用的方法, 初學(xué)者可偏安全選用前者.設(shè)計手冊[2]中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)計者查用,比較方便. 也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來自動完成.
具體設(shè)計主要包括以下內(nèi)容:
1.焊接: 對焊接焊縫的尺寸及形式等,規(guī)范有強制規(guī)定,應(yīng)嚴(yán)格遵守. 焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng).e43對應(yīng)q235,e50對應(yīng)q345. q235與q345連接時,應(yīng)該選擇低強度的e43,而不是e50.
焊接設(shè)計中不得任意加大焊縫. 焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近.其他詳細內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定.
2.栓接:
鉚接形式,在建筑工程中，現(xiàn)已很少采用.
普通螺栓抗剪性能差, 可在次要結(jié)構(gòu)部位使用.
高強螺栓,使用日益廣泛.常用8.8s和10.9s兩個強度等級.根據(jù)受力特點分承壓型和摩擦型.兩者計算方法不同. 高強螺栓最小規(guī)格m12. 常用m16~m30. 超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定,應(yīng)慎重使用。
自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接. 在低層墻板式住宅中也常用于主結(jié)構(gòu)的連接. 難以解決的是自攻過程中防腐層的破壞問題。
3.連接板: 需驗算栓孔削弱處的凈截面抗剪等. 連接板厚度可簡單取為梁腹板厚度加4mm，則除短梁或有較大集中荷載的梁外，常不需驗算抗剪。
4.梁腹板: 應(yīng)驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪.承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓.
5.節(jié)點設(shè)計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運到現(xiàn)場無法安裝是初學(xué)者長犯的錯誤。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。
6.節(jié)點設(shè)計還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平. 比如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口可能需要數(shù)控機床等設(shè)備才能完成.
(八) 圖紙編制
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計出圖分設(shè)計圖和施工詳圖兩階段，設(shè)計圖由設(shè)計單位提供，施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)設(shè)計圖編制，有時也會由設(shè)計單位代為編制。由于近年鋼結(jié)構(gòu)項目增多和設(shè)計院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾，有設(shè)計能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參與設(shè)計圖編制的情況也很普遍。
1.設(shè)計圖: 是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù). 深度及內(nèi)容應(yīng)完整但不冗余. 在設(shè)計圖中,對于設(shè)計依據(jù)、荷載資料(包括地震作用)、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設(shè)計要求(包括制造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗的等級、涂裝及運輸?shù)?、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面選用以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點構(gòu)造等均應(yīng)表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現(xiàn)設(shè)計的意圖。主要材料應(yīng)列表表示。
2.施工詳圖:又稱加工圖或放樣圖等.深度須能滿足車間直接制造加工.不完全相同的另構(gòu)件單元須單獨繪制表達，并應(yīng)附有詳盡的材料表.
設(shè)計圖及施工詳圖的內(nèi)容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設(shè)計單位
之間及其與鋼結(jié)構(gòu)公司之間不盡相同。 初學(xué)者可參考他人的優(yōu)秀設(shè)計并參考相關(guān)的工具書，并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。
概念設(shè)計的一個方面：
當(dāng)你在設(shè)計中，能夠把結(jié)構(gòu)看作構(gòu)件，把構(gòu)件看作結(jié)構(gòu)，你就已經(jīng)走近概念設(shè)計了。
把結(jié)構(gòu)當(dāng)作構(gòu)件，比如，一棟大廈的結(jié)構(gòu)就是一根懸臂梁， 一座桁架大鐵橋就是一根連續(xù)梁。
把構(gòu)件看作結(jié)構(gòu)，比如，一個h型鋼構(gòu)件是由3塊板組成的結(jié)構(gòu)，一個鋼管相貫的節(jié)點就是一個空間結(jié)構(gòu)。
對構(gòu)件特性的把握：
比如，鋼管適合做二力(壓)桿，不適合做抗彎構(gòu)件。它做兩端鉸接柱或支撐很出色，但是很少用作梁。 當(dāng)一個受彎構(gòu)件被選成鋼管截面，且程序計算不通過時，你不應(yīng)通過加大截面來滿足，而是應(yīng)該改用有強弱軸的截面。
如此等等，是基本的概念。
概念設(shè)計能力，不單生成于豐富的經(jīng)歷與經(jīng)驗，更是來源于對基本的力學(xué)、材料等概念掌握。同時要求結(jié)構(gòu)師有開闊的視野。
鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計 自學(xué)篇二
1.設(shè)計時鋼材、焊縫質(zhì)量等級的正確選用
在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計文件中，應(yīng)當(dāng)注明所用鋼材的質(zhì)量等級(包括相適應(yīng)的焊接材料型號)，并對焊縫質(zhì)量提出質(zhì)量等級要求。鋼結(jié)構(gòu)房屋所使用的鋼材應(yīng)當(dāng)具有抗拉強度、屈服強度、伸長率、冷彎試驗和硫、磷含量的合格保證;對于焊接鋼結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)具有含碳量的合格保證。在地震區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)所使用的鋼材，除了具有上述合格保證外，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(gb5001l-20xx)還要求它們具有沖擊韌性的合格保證。為保證結(jié)構(gòu)有必要的安全儲備和足夠的塑性變形能力，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(gb5001l-20xx)還對鋼材的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值、伸長率的限值和良好的可焊性等物理力學(xué)指標(biāo)做出了明確的規(guī)定，并要求寫入設(shè)計文件中。通常，鋼結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件宜采用q235b 及以上等級的碳素結(jié)構(gòu)鋼和q345b 及以上等級的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。不建議使用質(zhì)量等級為a 級的鋼材，原因是這種類型的鋼材不保證沖擊韌性和延性性能，q235a級鋼材還不保證焊接要求的含碳量限值。在鋼結(jié)構(gòu)中，焊接連接已成為鋼結(jié)構(gòu)連接的最基本方法，焊縫質(zhì)量的好壞直接影響到結(jié)構(gòu)安全，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性和受力性能及焊縫的受力情況，確定焊縫的質(zhì)量等級。一般來說，板材的對接焊縫，承受動力荷載構(gòu)件(如吊車梁)的較重要的焊縫，需作疲勞驗算的焊縫，以及須與鋼材等強的受拉、受彎對接焊縫(如框架梁、柱及其連接節(jié)點的對接焊縫，工字形截面與其端板的對接焊縫)，其焊縫應(yīng)采用坡口全熔透對接焊縫，其焊縫質(zhì)量等級不得低于二級。其他部位的焊縫，一般均可采用角焊縫。角焊縫由于應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，內(nèi)部探傷亦很困難.其焊縫質(zhì)量等級一般只能是三級，其中某些重要角焊縫可允許要求其外觀缺陷符合二級的要求。
2.門式鋼架房屋的溫度區(qū)段內(nèi)應(yīng)按規(guī)范設(shè)置獨立的空間穩(wěn)定支撐體系
(1)應(yīng)將屋面橫向水平支撐和柱間支撐布置在同一跨間內(nèi)，形成獨立的空間支撐體系，既利于抗震，又給施工安裝帶來方便。
(2)將屋面橫向水平支撐設(shè)在端部第二個開間的同時，應(yīng)在端跨相應(yīng)位置設(shè)置剛性縱向系桿，使山墻的風(fēng)荷載等水平力能可靠傳遞。
(3)屋面支撐的布置應(yīng)與山墻抗風(fēng)柱的位置相協(xié)調(diào)，使抗風(fēng)柱的柱頂反力能直接傳到屋面橫向支撐的節(jié)點上，使山墻處屋面系統(tǒng)受力簡單化，從而保證結(jié)構(gòu)的安全。
(4)屋面橫向水平支撐的直腹桿(包括屋脊處和柱頂處)應(yīng)按剛性系桿考慮。采用檁條兼做時，應(yīng)對檁條的剛度和承載力進行驗算。否則，檁條很難起到剛性系桿作用，因為常用的z 形或c 形冷彎薄擘型鋼檁條側(cè)向剛度很差，直接影響到房屋的縱向受力和傳力性能。當(dāng)檁條無法起到剛性直腹桿的作用時，通常應(yīng)在屋脊處、柱頂處以及屋面設(shè)置橫向水平支撐直腹桿，在剛架斜梁間設(shè)置鋼管、h 型鋼或其它截面形式的剛性桿件，以保證房屋縱向結(jié)構(gòu)安全可靠地工作。在剛架轉(zhuǎn)角處(邊柱柱頂和屋脊，以及多跨房屋相應(yīng)位置的中間柱柱頂)的剛性系桿應(yīng)沿房屋全長設(shè)置。
(5)屋面支撐和柱間支撐當(dāng)采用柔性圓鋼拉條時，宜設(shè)張緊裝置(如花蘭螺栓)，當(dāng)荷載較大時，柔性圓鋼拉條宜改為型鋼。
3.實腹式門式剛架應(yīng)按規(guī)范設(shè)置隅撐
在檁條或墻梁與剛架的連接處，在斜梁下翼緣的受壓區(qū)或剛架柱內(nèi)側(cè)翼緣的受壓區(qū)，至少每隔一根檁條或墻梁應(yīng)設(shè)置按受壓構(gòu)件設(shè)計的隅撐，將檁條或墻梁與翼緣受壓區(qū)直接連接起來。采用雙層屋面板時亦應(yīng)設(shè)置隅撐。值得設(shè)計人員注意的是，隅撐雖小，但作用很大，它是用來保證斜梁下翼緣或剛架柱內(nèi)側(cè)翼緣受壓穩(wěn)定的重要措施。如果工程未按規(guī)范要求設(shè)置隅撐，或者設(shè)置得很少，或者設(shè)置得不當(dāng).這都將影響剛架的整體穩(wěn)定性，危及結(jié)構(gòu)的安全。
4.壓型鋼板輕型屋面拉條的合理設(shè)置
對于有檁體系的壓型鋼板輕型屋面，為了減少檁條在使用階段和施工過程中的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)，通常在檁條間要設(shè)置拉條和撐桿作為檁條的側(cè)向支點，以保證檁條的側(cè)向穩(wěn)定。拉條按拉桿設(shè)計，撐桿按壓桿設(shè)計。拉條和撐桿不大，但作用不小，設(shè)計人員必須十分重視。
5.樓面結(jié)構(gòu)設(shè)計
(1)鋼結(jié)構(gòu)房屋和混凝土結(jié)構(gòu)房屋由于材料性質(zhì)不同。溫度伸縮縫區(qū)段長度差別很大。例如現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋。溫度伸縮縫區(qū)段長度最大為55m，鋼框架結(jié)構(gòu)房屋。溫度伸縮縫區(qū)段長度約為120mm。為了防止或減輕混凝土樓板開裂.鋼框架結(jié)構(gòu)房屋采用現(xiàn)澆混凝土樓板時，原則上仍應(yīng)按混凝土結(jié)構(gòu)的要求留設(shè)溫度伸縮縫。只有當(dāng)采用設(shè)置施工后澆帶和其它減小混凝土溫度變化或收縮的可靠措施時，才可以適當(dāng)增大溫度伸縮縫區(qū)段長度。
(2)壓型鋼板組合混凝土樓板，除了按計算(并滿足構(gòu)造要求)在鋼梁上焊接栓釘外，為了保證混凝土和壓型鋼板共同工作，它們之間應(yīng)有連接措施。其連接措施可以依靠壓型鋼板的縱向波槽或依靠壓型鋼板上的壓痕、開的小洞或沖成的不閉合孔眼，也可以依靠壓型鋼板上焊接的橫向鋼筋。由于產(chǎn)品規(guī)格的限制，目前國內(nèi)帶縱向波槽的壓型鋼板和帶壓痕或開小洞的壓型鋼板不多。所以，當(dāng)無法采用上述這兩種板型時，要實現(xiàn)壓型鋼板和混凝土的連接，可在壓型鋼板上焊接橫向鋼筋。
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