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1、課 后 習(xí) 題 答 案?混凝土結(jié)構(gòu)根本原理?授課教師:熊學(xué)玉思考題1-1鋼筋和混凝土共同工作的根底是什么?答:1混凝土和鋼筋之間有良好的粘結(jié)性能,二者能夠可靠地結(jié)合在一起,共同受力, 共同變形。2混凝土和鋼筋兩種材料的溫度線膨脹系數(shù)很接近,防止溫度變化時(shí)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力破壞二者之間的粘結(jié)力3混凝土包裹在鋼筋的外部,可使鋼筋免于過早的腐蝕或高溫軟化1-2與素混凝土梁相比,鋼筋混凝土梁有哪些優(yōu)勢(shì)?答:鋼筋不但提高了梁的承載能力,而且還提高了梁的變形能力,使得梁在破壞前能給人以明顯的預(yù)告。1-3與鋼筋混凝土梁相比,預(yù)應(yīng)力混凝土梁有哪些優(yōu)勢(shì)?答:預(yù)應(yīng)力鋼筋在梁底部產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力會(huì)抵消外部荷載P產(chǎn)生的
2、拉應(yīng)力,使得梁底部不產(chǎn)生拉應(yīng)力或僅產(chǎn)生很小的拉應(yīng)力,提高梁的抗裂行能。1-4與其他結(jié)構(gòu)相比,混凝土結(jié)構(gòu)有哪些特點(diǎn)?答:1.混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):1良好的耐久性2良好的耐火性3良好的整體性4良好的可模性5可就地取材6節(jié)約鋼材2.混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn):混凝土結(jié)構(gòu)的自重大且易開裂,一般混凝土結(jié)構(gòu)使用時(shí)往往帶裂縫工作,對(duì)裂縫有嚴(yán)格要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件需采取特殊措施;現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)需消耗大量的模板;施工季節(jié)性的影響較大;隔熱隔聲性能較差等。思考題2-1鋼筋可以如何分類?答:1.根據(jù)鋼筋中的化學(xué)成分,可將鋼筋分為碳素鋼及普通合金鋼兩大類 2.按加工方法,鋼筋可分成熱軋鋼筋、冷拉鋼筋和熱處理鋼筋三大類;鋼絲可分為碳素鋼絲
3、、刻痕鋼絲、鋼絞線和冷拔低碳鋼絲四大類。2-2軟鋼和硬鋼的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線有何不同?他們的屈服強(qiáng)度是如何取值的?答: 圖2.1 軟鋼左和硬鋼右的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系 軟鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系中,在a點(diǎn)以前,應(yīng)力與應(yīng)變呈線性比例關(guān)系,與a點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力稱為比列極限;過a點(diǎn)后,應(yīng)變較應(yīng)力增長稍快,盡管從圖上看起來并不明顯;到達(dá)b點(diǎn)后,應(yīng)力幾乎不增加,應(yīng)變卻可以增加很多,曲線接近于水平線并一直延伸至f點(diǎn)。cf段稱為流幅或屈服臺(tái)階;過f點(diǎn)后曲線又繼續(xù)上升,直到最高點(diǎn)d點(diǎn),相應(yīng)于d點(diǎn)的應(yīng)力稱為鋼筋的極限強(qiáng)度,fd段稱為鋼筋的強(qiáng)化階段。過了d點(diǎn)之后,變形迅速增加,時(shí)間最薄弱的截面逐漸縮小,出現(xiàn)“頸縮現(xiàn)象,應(yīng)力隨
4、之下降,到達(dá)e點(diǎn)時(shí)試件發(fā)生斷裂。硬鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系中,看不到明顯的屈服點(diǎn)和流幅。其強(qiáng)度取值如下。軟鋼取屈服臺(tái)階屈服下限的強(qiáng)度作為屈服強(qiáng)度,硬鋼一般取剩余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為鋼筋的條件屈服強(qiáng)度。2-3鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線的理論模型有哪幾種?他們適用于何種情況?答:三折線模型、兩折線模型、雙斜線模型。三折線模型適用于有明顯流幅的軟鋼,兩折線模型適用于流幅較長的理想彈塑性模型,雙斜線模型適用于無明顯流幅的高強(qiáng)鋼筋或鋼絲。2-4冷拉和冷拔會(huì)對(duì)鋼筋的力學(xué)性能有怎樣的影響?答:冷拉只能提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度,不提高鋼筋的抗壓強(qiáng)度。冷拔可同時(shí)提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度。2-5對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋
5、性能有哪些要求?答:1.鋼筋的強(qiáng)度。2.鋼筋的塑性。3.鋼筋的可焊性。4.鋼筋的耐火性。5.鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。2-6如何確定混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度?答:國家標(biāo)準(zhǔn)?普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法?GB/T500812002規(guī)定:以邊長為150mm的立方體為標(biāo)準(zhǔn)試件,將其在203的溫度和相對(duì)濕度90%以上的潮濕空氣中養(yǎng)護(hù)28d,按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的抗壓強(qiáng)度作為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度,單位為N/mm2。我國國家標(biāo)準(zhǔn)?普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法?GB/T500812002規(guī)定,以150mm150mm300mm的棱柱體作為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試件。棱柱體試件與立方體試件的
6、制作條件相同,試件上下外表不涂潤滑劑。根據(jù)普通混凝土和高強(qiáng)度混凝土的試驗(yàn)資料,混凝土軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度存在如下的關(guān)系?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?GB50010給出的混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值存在如下的換算關(guān)系2-7混凝土強(qiáng)度等級(jí)是如何確定的??混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?GB50010覆蓋的混凝土強(qiáng)度等級(jí)范圍是什么?答:混凝土強(qiáng)度等級(jí)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值用符號(hào)表示確定,即用按上述標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的具有95%保證率的立方體抗壓強(qiáng)度作為混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。C15-C80共14個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。2-8混凝土軸心受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的主要特點(diǎn)是什么?試舉一常用的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線數(shù)學(xué)模型加以
7、說明。答:圖2.2 混凝土軸心受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系a點(diǎn)前內(nèi)部裂縫沒有開展,應(yīng)力應(yīng)變近似直線。b點(diǎn)稱為臨界應(yīng)力點(diǎn),內(nèi)部裂縫有開展,但處于穩(wěn)定狀態(tài)。c點(diǎn)的應(yīng)變稱為峰值應(yīng)變,e0約為0.002,內(nèi)部裂縫延伸到外表, c點(diǎn)后出現(xiàn)應(yīng)變軟化。d點(diǎn)為極限壓應(yīng)變,對(duì)普通混凝土取0.0033。圖2.3 Hognestad建議的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系公式表達(dá)如下:2-9如何確定混凝土的變形模量和彈性模量?答:變形模量是應(yīng)力與應(yīng)變之比。由于軸心受壓混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是一條曲線,在不同的應(yīng)力階段變形模量是一個(gè)變數(shù)?;炷恋淖冃文A坑腥N表示方法,及原點(diǎn)彈性模量、割線模量、切線模量?;炷恋膹椥阅A客ǔJ侵冈c(diǎn)彈性模量,其
8、值可用Ec表示。我們GB50010標(biāo)準(zhǔn)給出的混凝土彈性模量值是這樣得到的:對(duì)棱柱體試件,加載至,然后卸載至零,這樣重復(fù)加載卸載510次后,卸載曲線接近直線且其斜率趨于穩(wěn)定,將該直線的斜率定為混凝土的彈性模量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可將混凝土的彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系表示為:2-10什么是混凝土的疲勞強(qiáng)度?重復(fù)荷載下混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線有何特點(diǎn)?答:對(duì)混凝土棱柱體試件,當(dāng)加載應(yīng)力小于混凝土疲勞強(qiáng)度時(shí),如圖中的加載應(yīng)力1或更大的加載應(yīng)力2,經(jīng)過屢次重復(fù)加載試驗(yàn)后,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線與圖2-30a的情況類似,只是隨著荷載重復(fù)次數(shù)的增多,加載和卸載過程形成的環(huán)狀曲線趨于閉合,但即使荷載重復(fù)次
9、數(shù)到達(dá)數(shù)百萬次也不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。如果加載應(yīng)力高于混凝土疲勞強(qiáng)度,如圖中的加載應(yīng)力3,起先加載階段混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線是凸向應(yīng)力軸的,在屢次重復(fù)施加荷載后逐漸變成直線,再經(jīng)過屢次重復(fù)加載卸載后演變成為凸向應(yīng)變軸,以致加載和卸載階段的曲線不能形成封閉的環(huán)形,隨著應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線斜率的不斷減小,說明混凝土即將發(fā)生疲勞破壞。2-11什么是混凝土的徐變和收縮?影響混凝土徐變和收縮的因素有哪些?答:徐變:應(yīng)力不變的情況下,應(yīng)變隨荷載持續(xù)時(shí)間的增長而增大。影響因素:應(yīng)力大小,內(nèi)在因素,環(huán)境影響。混凝土的組成成分對(duì)徐變也有很大的影響,混凝土的水灰比越大,徐變?cè)酱螅换炷林械乃嘤昧吭蕉?,徐變也越大,此外?/p>
10、采用堅(jiān)硬的、彈性模量大的骨料,有利于減小徐變,增加混凝土中骨料所占的體積比,也有利于于減小徐變。在溫度和濕度較高的條件下養(yǎng)護(hù)時(shí),能促使水泥充分進(jìn)行水化作用,減小徐變。如果在受載期間所處的環(huán)境溫度較高而濕度較低,那么會(huì)增大徐變?;炷恋凝g期對(duì)徐變也有影響,加載時(shí)混凝土的齡期越短那么徐變?cè)酱?。收縮:混凝土在空氣中凝結(jié)硬化時(shí)體積會(huì)收縮。影響因素:水泥品種、水泥用量、骨料性質(zhì)、外部環(huán)境、施工質(zhì)量、構(gòu)件的體表比。2-12混凝土的徐變和收縮對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的受力狀態(tài)各有何影響?答:徐變導(dǎo)致應(yīng)力重分布,收縮導(dǎo)致開裂。思考題3-1什么是鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用?有哪些類型?答:由于鋼筋與混凝土的變形差沿鋼筋
11、與混凝土接觸面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力稱為粘結(jié)應(yīng)力。鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)作用分為明顯的兩類:錨固粘結(jié)和裂縫間的局部粘結(jié)。3-2鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力有哪幾局部組成?哪一種作用為主要作用?答:膠著力、摩擦力、機(jī)械咬合作用。光圓鋼筋主要為摩擦力、機(jī)械咬合作用起作用,帶肋鋼筋主要為機(jī)械咬合作用起作用。3-3帶肋鋼筋的粘結(jié)破壞有哪些?答:a帶肋鋼筋拔出試驗(yàn)中的機(jī)械咬合作用b徑向分量引起的混凝土中的拉應(yīng)力c徑向分量引起梁底的縱向裂縫d徑向分量引起的梁側(cè)的縱向裂縫e縱向分量引起的混凝土的撕裂f縱向分量引起的混凝土局部擠碎g縱向分量引起的刮出式破壞。3-4影響鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素有哪些?答:主要有混
12、凝土強(qiáng)度、澆注位置、保護(hù)層厚度及鋼筋凈距離、橫向配筋及側(cè)向壓力。3-5確定根本錨固長度的原那么是什么?如何確定鋼筋的根本錨固長度?答:原那么:在鋼筋受力屈服的同時(shí)剛好發(fā)生錨固破壞。拔出實(shí)驗(yàn)是確定鋼筋錨固長度最直接的方法;也可以由公式計(jì)算。3-6對(duì)水平澆筑的鋼筋混凝土梁,其頂部鋼筋與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度和底部鋼筋與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度相比有何區(qū)別?為什么?答:頂部水平鋼筋,鋼筋地面的混凝土由于水分、氣泡的溢出和混凝土泌水下沉,并不與鋼筋緊密接觸,形成輕度較低的疏松空隙層,削弱了鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用。3-7兩根鋼筋在混凝土搭接時(shí)是否允許鋼筋并攏?為什么?答:不允許。增大鋼筋外部混凝土保護(hù)層厚度和保持
13、一定的鋼筋凈距,可以提高外圍混凝土的劈裂能力,保證粘結(jié)強(qiáng)度的充分發(fā)揮。3-8鋼筋傳遞長度ltr和錨固長度la之間的區(qū)別和聯(lián)系是什么?答:傳遞長度鋼筋通過粘結(jié)作用把加于其上的拉力T傳遞給混凝土所需的粘結(jié)長度。錨固長度將鋼筋在混凝土中延伸一段長度來實(shí)現(xiàn)鋼筋與混凝土之間的錨固。聯(lián)系最小的錨固長度實(shí)際上就是鋼筋屈服時(shí)的傳遞長度,或稱鋼筋應(yīng)力到達(dá)屈服強(qiáng)度時(shí)的開展長度。思考題4-1為什么軸心受拉構(gòu)件開裂后,當(dāng)裂縫增至一定數(shù)量時(shí),不再出現(xiàn)新的裂縫?答:隨著荷載的增加,裂縫不斷增加,裂縫處混凝土不斷推出工作,鋼筋不斷通過粘結(jié)力將拉力傳遞給相鄰的混凝土。當(dāng)相鄰裂縫之間的距離缺乏以使混凝土開裂的拉力傳遞給混凝土?xí)r
14、,構(gòu)件中不再出現(xiàn)新的裂縫。4-2如何確定受拉構(gòu)件的開裂荷載和極限荷載?答:當(dāng)t=to時(shí),混凝土開裂,構(gòu)件的開裂荷載為Ntcr=EcAoto=EcA(1+E) to當(dāng)鋼筋應(yīng)力到達(dá)屈服強(qiáng)度,構(gòu)件即進(jìn)入第階段,荷載根本保持不變,但變形急劇增加。這時(shí)構(gòu)件到達(dá)極限承載力Ntu=fyAs4-3在軸心受壓短柱的短期荷載試驗(yàn)中,隨著荷載的增加,鋼筋的應(yīng)力增長速度和混凝土的應(yīng)力增長速度哪個(gè)快?為什么?答:第一階段鋼筋應(yīng)力增長快,第二階段鋼筋應(yīng)力不再增加,混凝土應(yīng)力繼續(xù)增加。由于混凝土的非線性,使得應(yīng)變?cè)鲩L較應(yīng)力增加速率大。4-4如何確定軸心受壓短柱的極限承載能力?為什么在軸壓構(gòu)件中不宜采用高強(qiáng)鋼筋?答:由于=o
15、=s=0.002,相應(yīng)的縱筋應(yīng)力值為:s=Ess2001030.002=400N/mm2。由此可知,軸心受壓短柱中,當(dāng)鋼筋的強(qiáng)度超過400N/mm2時(shí),其強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮。故對(duì)于屈服強(qiáng)度大于400N/mm2的鋼筋,在計(jì)算fy值時(shí)只能取400N/mm2。4-5構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí),為什么要控制軸心受力構(gòu)件的最小配筋率?如何確定軸心受拉和軸心受壓構(gòu)件的最小配筋率?答:為了防止構(gòu)建出現(xiàn)脆性破壞。軸心受力構(gòu)件的最小配筋率是按極限抗拉承載力和開裂荷載相等的原那么來確定的。鋼筋屈服的同時(shí)混凝土被壓碎破壞4-6配有普通箍筋的鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件中,箍筋的作用主要是什么?答:固定縱筋以形成鋼筋骨架,防止縱向鋼筋壓曲
16、,便于施工。4-7鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件在長期荷載作用下,隨著荷載作用時(shí)間的增長,鋼筋的應(yīng)力和混凝土的應(yīng)力各發(fā)生什么變化?混凝土的徐變是否會(huì)影響短柱的承載力?答:軸心受壓構(gòu)件在不變荷載的長期作用下,由于混凝土的徐變影響,其壓縮變形將隨時(shí)間的增加而增大,由于混凝土和鋼筋共同作用,混凝土的徐變還將使鋼筋的變形也隨之增大,鋼筋的應(yīng)力相應(yīng)地增大,從而使鋼筋分擔(dān)外荷載的比例增大。理論上來說,鋼筋分擔(dān)應(yīng)力增大,混凝土相應(yīng)卸載,短柱的承載力相應(yīng)增大。4-8鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算公式中為什么要考慮穩(wěn)定系數(shù),穩(wěn)定系數(shù)與構(gòu)件兩端的約束情況有何關(guān)系?答:在荷載不大時(shí),柱全截面受壓,由于有彎矩影響,長柱截
17、面一側(cè)的壓應(yīng)力大于另一側(cè)。隨著荷載增大,這種應(yīng)力差更大。同時(shí),橫向撓度增加更快,以致壓應(yīng)力打的一側(cè)混凝土首先壓碎,并產(chǎn)生縱向裂縫,鋼筋被壓屈并向外凸出,而另一側(cè)混凝土可能由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?,出現(xiàn)水平裂縫。由于初始偏心距產(chǎn)生附加彎矩,附加彎矩又增大了橫向的撓度,這樣相互影響的結(jié)果,導(dǎo)致長柱最終在彎矩和軸力共同作用下發(fā)生破壞。假設(shè)果長細(xì)比很大時(shí),還有可能發(fā)生“失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。因此需要考慮穩(wěn)定系數(shù)。兩端約束越強(qiáng),計(jì)算長度越短,值越大。4-9為什么長細(xì)比l0/b12的螺旋筋柱,不考慮螺旋筋對(duì)柱承載力的有利作用?答:因?yàn)殚L細(xì)比過長,初彎曲產(chǎn)生的影響就比擬大,螺旋箍約束作用不明顯,構(gòu)件承載力明顯降低,甚至出現(xiàn)
18、“失穩(wěn)破壞。因此不考慮螺旋箍對(duì)柱的有利作用。4-10如箍筋能起到約束混凝土的橫向變形作用,那么軸心受壓短柱的承載力將發(fā)生什么變化?為什么?答:承載力增大;隨著變形的增大核芯局部的混凝土橫向膨脹使螺旋筋所受的環(huán)向拉力增加。反過來,被張緊的螺旋筋又緊緊地箍住核芯混凝土,對(duì)它施加徑向壓力,限制了混凝土橫向膨脹,使核芯混凝土處于三向受壓狀態(tài),因而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力。當(dāng)荷載增加到使螺旋筋屈服時(shí),螺旋筋對(duì)核芯混凝土約束作用不在增加,柱子開始破壞。練習(xí)題4-1某軸心受拉構(gòu)件的截面尺寸bh=300mm400mm,配有820鋼筋,混凝土和鋼筋的材料指標(biāo)為:ft2,Ec104N/mm2,fy=270
19、N/mm2,Es105N/mm2。試問此構(gòu)件開裂時(shí)和破壞時(shí)的軸向拉力分別為多少?解:開裂時(shí):破壞時(shí):故4-2某鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件,截面尺寸為bh=200mm300mm,構(gòu)件的長度l=2000mm,混凝土抗拉強(qiáng)度ft2,彈性模量Ec104N/mm2,縱向鋼筋的截面積As=615mm2,屈服強(qiáng)度fy=270N/mm2,彈性模量Es105N/mm2,求假設(shè)構(gòu)件伸長0.2mm,外荷載是多少?混凝土和鋼筋各承當(dāng)多少外力?假設(shè)構(gòu)件伸長0.5mm,外荷載是多少?混凝土和鋼筋的應(yīng)力是多少?構(gòu)件的開裂荷載是多少?即將開裂時(shí)構(gòu)件的變形是多少?構(gòu)件的極限承載力時(shí)多少?解:1外荷載:混凝土:鋼筋:2判斷根據(jù)第4中
20、的結(jié)果:0.5mm0.23mm,即混凝土已經(jīng)開裂,不再承受拉力,構(gòu)件拉力由鋼筋承當(dāng)。3)4)故取4-3某鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件的截面尺寸為bh=300mm300mm,配有822的縱向受力鋼筋,ft2,Ec104N/mm2,fy=345N/mm2, Es105N/mm2。假設(shè)允許構(gòu)件開裂,求構(gòu)件所能承受的最大軸向拉力假設(shè)不允許構(gòu)件開裂,求構(gòu)件所能承受的最大軸向拉力對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行比擬分析解:123由計(jì)算結(jié)果可知,構(gòu)件的極限抗拉承載力遠(yuǎn)大于開裂荷載,如果不允許開裂就會(huì)造成材料的極大浪費(fèi),因此常見的鋼筋砼構(gòu)件都是帶裂縫工作的。4-4有一鋼筋混凝土下弦桿,承受軸向拉力Nt=150KN,假設(shè)鋼筋的屈服強(qiáng)度fy=270N/mm2,且下弦允許出現(xiàn)裂縫,試求此下弦桿的配筋。解:選配612,實(shí)配,可以。4-5某鋼筋混凝土受壓短柱bh=400mm400mm,柱長2m,配有縱筋425,fc=19N/mm2, Ec104N/mm2,fy=357N/mm2, Es105N/mm2,試問:此柱子的極限承載力為多少?在Nc=1200KN作用下,柱的壓縮變形量為多少?此時(shí)鋼筋和混凝土各承受多少壓力?使用假設(shè)干年后,混凝土在壓力Nc=1200KN作用下的徐變變形為cr=0.001,求此時(shí)柱中鋼筋和混凝土各承受多少壓力?解:12所以:解之得:34-6某軸心受壓短柱,長2m,bh=350mm350mm,
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