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1、混凝土房屋结构设计混凝土房屋结构设计第二章第二章 单层厂房单层厂房第二章第二章 单层厂房单层厂房单层厂房返回2.2 排架计算排架计算目的:确定柱和基础的内力。目的:确定柱和基础的内力。内容:确定计算简图、荷载计算、内力分析和内容:确定计算简图、荷载计算、内力分析和内力组合。内力组合。2.2.12.2.1排架的计算简图排架的计算简图1. 计算单元计算单元 按平面结构计算,根据结构布置和受力状按平面结构计算,根据结构布置和受力状况,选取最有代表性的计算单元。况,选取最有代表性的计算单元。单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计 计算单元的选取计算单元的选取单层厂房返回单层厂房返回2 2排架结构的

2、基本假定排架结构的基本假定 (1)通常屋架与柱顶用预埋钢板焊接,可视为铰接,它只能传递竖向力和水平力,不能传递弯矩; (2)排架柱(预制)插入基础杯口有一定深度,柱和基础间用高等级细石混凝土浇筑密实,柱与基础连接处可视为固定端,固定端位于基础顶面; (3)排架横梁(屋架或屋面梁)刚度很大,受力后的轴向变形可忽略不计,简化为一刚性连杆,即排架受力后,横梁两端的柱顶水平位移相等。 单层厂房返回3 3排架结构的计算简图排架结构的计算简图 (1)排架柱的高度由固定端算至柱顶铰结点处。排架柱的轴线为柱的几何中心线。当柱为变截面柱时,排架柱的轴线为一折线。上柱高Hu,下柱高Hl,全柱高H,上柱截面惯性矩为

3、Iu,下柱截面惯性矩为Il,如上图(b)所示。 (2)排架的跨度以厂房的轴线为准。横梁用一条线来代表(EA=),计算简图如上图(c)。由上图(b)改用上图(c),需在柱的变截面处增加一个力偶M,M 等于上柱传下的竖向力乘以上下柱几何中心线的间距e 。 单层厂房返回(a)排架结构(b)变截面排架柱的实际轴线(c)排架结构计算简图 单层厂房 计算简图计算简图单层厂房返回1 1恒载恒载(由材料重度计算,注意作用位置) 2.2.22.2.2排架结构的荷载计算排架结构的荷载计算v 屋盖恒载屋盖恒载G1 v吊车梁和轨道及连接件的重力荷载吊车梁和轨道及连接件的重力荷载G3v悬墙自重重力荷载悬墙自重重力荷载G

4、2v柱自重重力荷载柱自重重力荷载G4单层厂房(1)(1)屋盖恒载屋盖恒载 包括屋面构造层、屋面板、天窗架、屋架、屋盖支撑以及与屋架连接的各种管道的重力荷载。它们都以集中力Gl的形式施加于柱顶,作用点位于屋架上下弦几何中心线汇交处(对标准屋架通常在纵向定位轴线内侧l50mm处)。Gl对上柱截面中心往往有偏心距el,对下柱截面中心又增加另一偏心距e2(e2为上下柱中心线间距),所以Gl对柱顶截面中心有一个外力矩Glel,对变截面处下柱截面中心有一个附加力矩Gle2,如上图(b)所示。 单层厂房返回(a)屋盖荷载与上、下柱的关系 (b) 计算简图 单层厂房返回(2)(2)柱、吊车梁和轨道联结重力荷载

5、柱、吊车梁和轨道联结重力荷载 柱的重力荷载G2、G3分别按上、下柱(下柱包括牛腿)的实际体积计算。上柱自重G2作用于上柱重心,它的作用线与上柱中心线相重合,对下柱截面中心线有偏心距e2,对牛腿顶面处下柱截面中心有一个外力矩G2e2;下柱自重G3作用于下柱的重心,它的作用线与下柱中心线相重合。 吊车梁和轨道联结的重力荷载G4可从相应的标准图集中查得,轨道联结也可按12kN/m沿吊车梁长度方向的均布荷载计算。G4的作用线与吊车梁轨道中心线相重合,距柱纵向定位轴线一般为750mm,并作用在柱牛腿顶面。G4对下柱截面中心的偏心距离为e4,故G4对下柱截面中心有一外力矩G4e4。 单层厂房返回单层厂房返

6、回(3)(3)墙体荷载墙体荷载 当外墙墙体或大型墙板搁置在连系梁(墙梁)上,连系梁又支承在柱的牛腿上时,排架柱将受到墙体、墙体上的窗重以及连系梁自重产生的偏心荷载G5,e5为墙体中心线到排架柱中心线的距离,墙体荷载作用下的计算简图如下图所示 。 单层厂房返回2. 吊车荷载吊车荷载 吊车荷载示意图吊车荷载示意图p,minFp,maxFp,minFp,maxF单层厂房吊车荷载是移动荷载,作用在厂房排架上的桥式吊车荷载一般有三种形式:(1)吊车竖向荷载Dmax、Dmin;(2)吊车横向水平荷载Tmax;(3)吊车纵向水平荷载。第(1)、(2)种作用在厂房横向排架上(如下图所示),第(3)种作用在厂房

7、纵向排架上。 单层厂房返回(1)(1)吊车竖向荷载吊车竖向荷载 最大轮压最大轮压P Pmaxmax和最小轮压和最小轮压P Pminmin 吊车竖向荷载是吊车满载运行时通过轮压传给排架柱的竖向移动荷载。桥式吊车竖向荷载标准值应采用吊车的最大轮压Pmax和吊车的最小轮压Pmin。当吊车满载且卷扬机小车行驶到吊车桥架一侧的极限位置时,小车所在一侧轮压将出现最大轮压Pmax;同时,另一侧吊车轮压出现最小轮压Pmin(见下图)。 单层厂房返回多台吊车的荷载折减系数多台吊车的荷载折减系数 当有多台吊车时,对一层吊车单跨厂房的每个排架,参与组合的吊车台数不宜多于2台;对一层吊车多跨厂房的每个排架,不宜多于4

8、台。对于多层吊车的单跨或多跨厂房,应按实际使用情况考虑。当按两台或两台以上吊车计算排架时,多台吊车的竖向荷载标准值应乘以下表所示的折减系数后采用,这是考虑到多台吊车同时满载,且小车位置也同时处于最不利位置的概率是很小的。 参与组合的吊车台数吊车载荷状态等级轻级和中级中级和特重级20.900.9530.850.9040.800.85注:对于多层吊车的单跨或多跨厂房,计算排架时,参与组合的吊车台数及荷载的折减系数,应按实际情况考虑。单层厂房返回吊车对排架柱产生的最大竖向荷载吊车对排架柱产生的最大竖向荷载D Dmaxmax和最小竖向荷和最小竖向荷载载D Dminmin 一般预制吊车梁为简支梁,利用简

9、支梁的反力影响线可求出吊车对排架柱产生的最大竖向荷载Dmax(另一侧排架柱为最小竖向荷载Dmin)。分析表明,只有当两台吊车挨紧运行,且其中起重量大的一台的轮子行至排架柱的位置时(见上图),作用于计算排架柱的吊车竖向荷载才是最大值Dmax(另一侧排架柱为最小值Dmin)。由反力影响线得(见下图): 单层厂房返回 Dmax=Pimaxyi Dmin=Piminyi 式中Pimax、Pimin分别为第i台吊车最大、最小轮压; yi为各轮压对应的反力影响线的竖值。单层厂房返回桥式吊车基本参数Pmax、Pmin、桥宽B、轮距K等,可按所采用的桥式吊车规格,从产品说明书或有关专业标准中查得。在上图中,B

10、1、K1为吊车1的桥宽和轮距;B2、K2为吊车2的桥宽和轮距;C为两台吊车最大轮压P1max和P2max作用点的间距(见上图),其值为 C=(B1-K1)/2+(B2-K2)/2 单层厂房返回吊车竖向荷载对排架下柱产生的力矩吊车竖向荷载对排架下柱产生的力矩M Mmaxmax、M Mminmin 最大(最小)竖向荷载Dmax(Dmin)对下柱几何中心线产生的力矩为 Mmax=Dmaxe4 Mmin=Dmine4 式中e4为吊车梁中心线和下柱中心线间的距离。求出Dmax、Dmin、Mmax、Mmin后即可得到排架在吊车竖向荷载作用下的计算简图,如下图所示。值得注意的是,Dmax、Mmax也可能施加

11、在B柱上,与此相应的是Dmin、Mmin作用在A柱上。 单层厂房返回单层厂房返回(2)(2)吊车横向水平荷载吊车横向水平荷载 吊车横向水平荷载吊车横向水平荷载T T 桥式吊车的横向水平荷载是由吊车上的小车在启动或制动时引起的惯性力而产生的。 荷载规范建议吊车的横向水平荷载在两边轨道上平均分配,分别由车轮传至轨顶,并经轨道和埋设在吊车梁顶面的连接件传给上柱。因此,吊车横向水平荷载施加于排架的作用点,就在吊车梁顶面标高处,且有向左或向右两种可能性,如下图所示。 单层厂房返回 考虑多台吊车水平荷载时,由于同时制动的机遇很小,荷载规范规定:对单跨或多跨厂房的每个排架,参与组合的吊车台数不应多于2台。计

12、算排架承受的水平荷载标准值时,也应乘以荷载折减系数。因此,对一般4轮桥式吊车,每个轮子上产生的横向水平荷载标准值T,可按下式计算:单层厂房返回T=(Q+Q1)g/4 (kN) 式中Q 吊车的额定起重量(t);Q1横行小车重量(t); g 重力加速度(9.81,可近似取10); 横向水平荷载系数(或称小车制动力系数)。 对于软钩吊车: 当Q10t时,=12;当Q=1550t时,=10; 当Q75t时,=8; 对于硬钩吊车 =20。 单层厂房返回 吊车横向最大水平荷载吊车横向最大水平荷载T Tmaxmax作用下的计算简图作用下的计算简图 吊车横向水平荷载也是移动荷载,也要用影响线才能求出吊车对排架

13、柱产生的最大水平荷载Tmax。吊车的位置与计算吊车竖向荷载Dmax时相同,所用公式类似,即: Tmax=Ti yi 吊车横向水平荷载作用下的计算简图如下图所示。 单层厂房返回 (3)(3)吊车纵向水平荷载吊车纵向水平荷载 桥式吊车的纵向水平荷载是吊车的大车在启动或制动时引起的惯性力产生的,通过大车制动轮与钢轨间的摩擦传给厂房纵向结构。因此,吊车纵向水平荷载的作用点位于刹车轮与轨道的接触点,其方向与轨道方向一致。作用在一边轨道上的吊车纵向水平荷载标准值Te可按下式计算(取吊车的大车制动力系数为0.1): Te=0.1nPmax 式中n吊车每侧制动轮数(一台四轮桥式吊车,n=1); Pmax刹车轮

14、的最大轮压。 单层厂房返回计算吊车纵向水平荷载引起的厂房纵向结构的内力时,对单跨或多跨厂房的每个纵向排架,参与组合的吊车台数均不应多于2台。吊车纵向水平荷载将由同一伸缩缝区段内各柱共同承受,按各柱沿厂房纵向的抗侧刚度大小比例分配。当有柱间支撑时,全部纵向水平荷载可考虑由柱间支撑承受。 单层厂房返回 3 3风荷载风荷载 作用于单层厂房排架结构上的风荷载可分为两部分:(1)柱顶以下的风荷载,可近似地按竖向均布荷载q计,风压高度系数偏安全地按柱顶标高计算。(2)柱顶(屋架下弦)以上的风荷载,通过屋架以集中力FW的形式作用于排架柱顶。这时的风压高度变化系数均可按天窗檐口处标高计算,也可按各部分平均高出

15、室外地面的高度计算。风荷载作用下的计算简图如下图所示。 单层厂房第3章混凝土结构设计混凝土结构设计 风荷载的计算风荷载的计算单层厂房返回 作用于单层厂房表面上的风荷载与受风表面的形状、所处的地理位置、周围环境、离地面高度有关。荷载规范规定,垂直于建筑物表面上的风荷载标准值Wk(kN/m2),按下式计算: Wk=Z S ZWO 式中ZZ高度处的风振系数,仅在高度大于30m且高宽比大干1.5的房屋结构,以及基本自振周期T1大于0.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构中才予考虑,单厂结构中Z=1; 单层厂房返回S风荷载体型系数,是指风作用在建筑物表面所引起的实际压力(或吸力)与理论风压的比值。主要与建

16、筑物的体型和尺度有关。荷载规范中列出多种基本体型的风荷载体型系数,供设计时采用;Z风压高度变化系数,根据离地面高度及地面粗糙度类别,查表确定;WO基本风压(kN/m2),是以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的、50年一遇10分钟平均最大风速VO(m/s)为标准,按WO=VO2/1600确定的风压值。单层厂房单层厂房单层厂房单层厂房返回 4. 4. 雪荷载、屋面积灰荷载和屋面均布活荷载雪荷载、屋面积灰荷载和屋面均布活荷载 这三种荷载都是作用在屋面上的可变荷载,都以相同的途径传至柱顶,其计算简图同屋盖恒载。在进行单层厂房结构设计时,考虑到屋面均布活荷载与雪荷载相遇的可能性很小,荷载规范规

17、定,屋面均布活荷载,不应与雪荷载同时考虑,屋面均布活荷载,不应与雪荷载同时考虑,而应取两者中的较大值而应取两者中的较大值。当有屋面积灰荷载时,它应与屋面均布活荷载或屋面雪荷载中之较大值同时取用。(1)屋面积灰荷载屋面积灰荷载当设计生产中有大量排灰的厂房(如冶金、铸造、水泥等行业的建筑)及其邻近建筑时,需考虑厂房屋面积灰荷载,其取值应按荷载规定确定。单层厂房单层厂房返回(2)雪荷载雪荷载作用于屋面水平投影面上的雪荷载标准值Sk(kN/m2),按下式计算: Sk=rSO 式中r屋面积雪分布系数, 与屋面形式、朝向及风力等有关。荷载规范规定了多种典型屋面的屋面积雪分布系数,供设计时采用; SO基本雪

18、压(kN/m2)是以当地一般空旷平坦地面上统计所得30年一遇最大积雪的自重确定的,荷载规范中给出了全国基本雪压分布图。单层厂房单层厂房单层厂房返回 (3)屋面均布活荷载屋面均布活荷载不上人屋面的均布活荷载指施工阶段及使用阶段进行屋面维修时的荷载。对钢筋混凝土屋面(包括挑檐、雨篷)上的屋面均布活荷载,按0.5 kN/m2计算。其他屋面构造的屋面均布活荷载取值,详见荷载规范。 单层厂房单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计2.2.3 用剪力分配法计算高用剪力分配法计算高排架排架 排架的内力分析方法与排架的形式及荷载的作用方式有关,可采用力法和位移法进行分析。 等高排架与不等高排架 单位水平力作

19、用在单阶悬臂柱顶时,柱顶位移的计算。 柱的“抗剪刚度”或“侧移刚度”:当使柱顶产生单位水平位移时,所需施加的力的大小单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计1. 柱顶水平集中力作用下等高排架的内力分析柱顶水平集中力作用下等高排架的内力分析 单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计v 柱顶作用的水平力与各柱顶的水平剪力平衡柱顶作用的水平力与各柱顶的水平剪力平衡 1n1niiFVVV v 横梁轴向刚度无穷大,各柱顶的位移相等横梁轴向刚度无穷大,各柱顶的位移相等 12n v 各柱的柱顶剪力和柱顶位置的关系各柱的柱顶剪力和柱顶位置的关系iiiV1 利用解超静定结构的三个条件:平衡条件、变形条件和物

20、理条件求解柱顶剪力。单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计11/1/iiiniiVFF v 解联立方程求得各柱柱顶剪力解联立方程求得各柱柱顶剪力niiii1/1/1式中式中 为第为第i根柱的剪力分配系数:根柱的剪力分配系数:i 在柱顶集中力作用下,可直接用剪力分配法求解。单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计2. 任意荷载作用下等高排架的内力分析任意荷载作用下等高排架的内力分析 任意荷载作用下等高排架的内力分析任意荷载作用下等高排架的内力分析单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计 不能直接应用剪力法,但通过柱顶加铰支连杆可以通过转换用剪力分配法求解。分四步走:v 在排架柱顶附加一个

21、不动铰支座,限制其水平侧移;在排架柱顶附加一个不动铰支座,限制其水平侧移;v 叠加上述计算结果,可得到排架在任意荷载作用下的叠加上述计算结果,可得到排架在任意荷载作用下的 柱顶剪力,至此,排架各柱的内力即可求解。柱顶剪力,至此,排架各柱的内力即可求解。v 此时排架变为多根一次超静定柱,利用柱顶反力系数此时排架变为多根一次超静定柱,利用柱顶反力系数 可求得各柱顶反力可求得各柱顶反力Ri及相应的柱端剪力,则柱顶假想及相应的柱端剪力,则柱顶假想 的不动铰支座反力为的不动铰支座反力为 ; iRRv 撤除不动铰支座,将撤除不动铰支座,将R反向加于排架柱顶,用剪反向加于排架柱顶,用剪 力分配法将其分配给各

22、柱,求得柱顶分为力分配法将其分配给各柱,求得柱顶分为 ;Ri单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计2.2.4 内力组合内力组合1. 柱的控制截面柱的控制截面 内力组合就是确定柱的控制截面和相应的最不利内力,并进行荷载组合。 柱的控制截面柱的控制截面v -上柱柱底截面上柱柱底截面 v -牛腿顶面牛腿顶面 v -下柱柱底截面下柱柱底截面 单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计2. 荷载组合荷载组合 通过组合求出可能出现的最不利内力v荷载规范荷载规范规定荷载效应组合的设计值规定荷载效应组合的设计值S,应,应 从下列组合值中取最不利值:从下列组合值中取最不利值:2-19GkQcQ k11.35

23、niiiiSSS GkQQ k11.20.9niiiSSS 2-18 请注意:当(2-18)式中n=1时,组合系数0.9应改为1.0。单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计3. 内力组合项目内力组合项目 v偏心受压柱的破坏形态有两种:大偏心受压和小偏心受压柱的破坏形态有两种:大偏心受压和小 偏心受压,故对控制截面考虑四种最不利内力组偏心受压,故对控制截面考虑四种最不利内力组 合:合: Mmax及相应的及相应的N、V Mmin及相应的及相应的N、VNmax及相应的及相应的M、VNmin及相应的及相应的M、V 弯矩、轴力和配筋关系图弯矩、轴力和配筋关系图单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设

24、计4. 内力组合注意事项内力组合注意事项 v无论什么情况,恒载必须参加组合;无论什么情况,恒载必须参加组合;v 目的在于得到最大内力,其他为最大内力的对应值;目的在于得到最大内力,其他为最大内力的对应值;v Dmax作用在作用在A柱,柱, 和和Dmax作用在作用在B柱不可能同时出柱不可能同时出现,所以不可能在同一组组合中出现;现,所以不可能在同一组组合中出现;v Tmax参加组合时,必有垂直荷载项参加组合时,必有垂直荷载项D(Dmax或或Dmin),而,而垂直荷载参加组合时,不一定有垂直荷载参加组合时,不一定有Tmax项项(未必刹车未必刹车);v 风荷载,左风、右风不同时存在,故不同时参加组合

25、;风荷载,左风、右风不同时存在,故不同时参加组合;v 求求Nmin时,时,N = 0的风荷载应参加组合。的风荷载应参加组合。单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计2.2.5 排架考虑整体空间作用的计算排架考虑整体空间作用的计算1. 厂房整体空间作用的基本概念厂房整体空间作用的基本概念 厂房空间作用分析厂房空间作用分析单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计2. 吊车荷载作用下考虑吊车荷载作用下考虑厂房整体空间作用的排架厂房整体空间作用的排架内力分析内力分析 排架与排架、排架与山墙之间的相互制约作用,称为厂房的整体空间作用。 吊车荷载为局部荷载,可按考虑厂房空间作用的方法计算吊车荷载作用下

26、的排架内力。v 实用中采用空间作用分配系数实用中采用空间作用分配系数来考虑厂房的来考虑厂房的 荷载,该系数实质上是考虑空间作用排架的侧荷载,该系数实质上是考虑空间作用排架的侧 移移与按平面排架计算时的柱顶侧移与按平面排架计算时的柱顶侧移 0的比的比 值。值。单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计3. 考虑厂房整体空间作用时排架内力计算步骤考虑厂房整体空间作用时排架内力计算步骤 考虑厂房空间作用时排架的内力计算考虑厂房空间作用时排架的内力计算iiiVRR RRViii 比较:单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计2.3单层厂房柱单层厂房柱2.3.1 柱的型式柱的型式 柱的设计包括柱的形式

27、的选择、确定截面尺寸、配筋计算、吊装验算、牛腿设计等。矩形、工字形、双肢柱。矩形、工字形、双肢柱。柱的形式柱的形式单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计2.3.2 矩形、工字形柱的设计矩形、工字形柱的设计1. 截面尺寸和外形构造尺寸截面尺寸和外形构造尺寸 设计柱子的截面尺寸时不仅考虑承载力,还需设计柱子的截面尺寸时不仅考虑承载力,还需考虑厂房柱的刚度要求。考虑厂房柱的刚度要求。单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计2. 截面配筋计算截面配筋计算 柱按偏心受压构件计算配筋:柱按偏心受压构件计算配筋:斜截面正截面大偏心小偏心对称配筋非对称配筋单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计对于大

28、偏心受压,对于大偏心受压, M接近,接近,N小不利;小不利;对于小偏心受压,对于小偏心受压, M接近,接近,N大不利;大不利;无论什么情况,无论什么情况,N接近,接近, M大不利。大不利。对称配筋时,取对称配筋时,取|Mmax|及相应的及相应的N;Nmax及相应的及相应的M;Nmin及相应的及相应的M。v内力组合的取舍:内力组合的取舍:v受压构件按规范确定计算长度受压构件按规范确定计算长度l0。单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计3. 吊装运输阶段的承载力和裂缝宽度计算吊装运输阶段的承载力和裂缝宽度计算 柱的吊装方式及简图柱的吊装方式及简图 单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计v吊

29、装采用一点吊时,吊点设在牛腿的根部,吊车吊装采用一点吊时,吊点设在牛腿的根部,吊车 验算的控制截面有上柱柱底、牛腿根部和下柱跨验算的控制截面有上柱柱底、牛腿根部和下柱跨 中三个控制截面。中三个控制截面。v吊装方法有平吊和翻身吊两种;吊装方法有平吊和翻身吊两种;v吊装时,柱自重的分项系数取吊装时,柱自重的分项系数取1.2;应考虑动力系;应考虑动力系 数数1.5;结构的重要性系数取;结构的重要性系数取0.9。v应注意不同的起吊方法,柱的受力状态不同,截应注意不同的起吊方法,柱的受力状态不同,截 面尺寸和可利用钢筋的数量不同。面尺寸和可利用钢筋的数量不同。 ksks0s0.87Mh A 2-22v吊装时通过限制钢筋应力来限制裂缝宽度。吊装时通过限制钢筋应力来限制裂缝宽度。单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计4. 构造要求构造要求 v受力纵筋:直径受力纵筋:直径 d12mm, 当当h600mm时时 d1016mm,全部纵向配筋率不宜超过,全部纵向配筋率不宜超过 5%。v混凝土强度等级:混凝土强度等级:C20v箍筋:直径箍筋:直径 d6 mm, 间距间距400 mm,且且 柱宽柱宽b;当当h600 mm、d1016 mm时,箍时,箍 筋应为封闭式。筋应为封闭式。单层厂房第2章混凝土结构设计混凝土结构设计2.3.3 牛腿设计牛腿设计 牛腿设置在柱上,用来支承屋架、托架、吊车梁

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