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文档简介

会计学1接触网计算基础温度:最高温度、最低温度、覆冰温度、最大风时的温度风速:基本运行风速,基本结构风速:覆冰风速覆冰:覆冰厚度、覆冰密度污染:最大风速高温时的地震:地震级别,地震烈度隧道里的温度雷电:雷电日,雷电时隧道内气象条件气象资料的主要内容第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第1页/共59页气象参数名称影响接触网参数最高温度最低温度

承力索弛度、接触线的正负弛度、平均温度、吊弦处于正常位的温度、起始条件、支柱高度、支柱容量、接触网载量、磨耗最大风速最大风速时的温度

计算跨距,支柱容量、导线张力覆冰厚度

覆冰时的温度覆冰时的风速

最大附加负载、起始条件、支柱容量、导线张力、绝缘问题接触线无弛度时的大气温度安装曲线吊弦、定位器处于正常位置时之温度锚段长度、最短吊弦长度雷电日、时数用以确定防雷措施

气象参数所影响的接触网参数第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第2页/共59页1选准设计气象条件的重要性

(1)气象与技术参数的关系。(2)气象与投资的关系。(3)气象与接触网寿命的关系。2设计气象条件的确定方法

(1)参考电力系统的典型气象分区。

(2)沿线调研,收集第一手数据。

(3)参考该地区既有线路设计条件。

(4)对收集数据进行计算处理。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第3页/共59页I区:南方沿海易受台风侵袭的浙江、福建东部、广东、广西等沿海地区;II区:安徽、山东、江苏等大部分华东地区;

III区:西南部非重冰地区以及福建、广东等受台风影响较弱地区IV区:西北大部分地区、华北及京、津、唐等地区;V区:华东、中南和西南三个地区的广大山区;VI区:泛指湖北、湖南、河南以及华北平原的大部分地区;VII区:适用于寒潮风较强烈的地带,如东北大部分地区,河北的承德、张家口一带;VIII区:适用于覆冰严重的地区,如山东、河南的大部分地区,湘中、粤北重冰地带;IX区:云贵高原重冰地区。典型气象分区应用气象分区表注意事项!第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第4页/共59页确定设计气象条件根据线路通过地区气象部门所记录的不少于25年的气象资料,提取出每年出现的实际最高(最低)温度,求其算术平均值,以此作为计算最高(最低)温度值。

最高计算温度一般取为大气最高气温的1.5倍。对于高速铁路或重载铁路接触网,由于牵引电流的大幅度增加,电流产生的焦耳热更加突出,按国外设计经验,接触网系统可按最高工作温度80℃设计,铜合金线可按80℃~100℃校验设计。

最低计算温度涉及到接触网线索(特别是附加导线)在最低温度时的张力安全,应根据当地气象条件,以25年一遇选择最低温度。

第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定温度的变化会使线索的张力和弛度发生变化。

温度过低线索被拉紧,甚至出现负弛度不利于受电弓正常取流。第5页/共59页最大风速的确定方法第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定最大风速出现时的温度

平均法变通法数理统计法(概率法)地区季节月份温度地区季节月份温度东北内蒙冬、春3-5浙江福建秋冬11+15河北冬、春1-5

-10广东广西秋冬11+20山东山西冬、春15四川冬、春3+10河南江苏湖北胡南冬、春3+10云南冬、春1+10

+15安徽冬、春10贵州4、5、8月3+10江西冬、春1+5西北西藏春夏3+5

O(青)P-风速出现概率;

m-将统计年份内出现的全部风速值按从大到小顺序排列的序号;

n-统计风速的总计数(拥有资料的年份数)。第6页/共59页风荷载对接触网线索的作用

增加接触网的附加负载,主要对象为线索和支柱,严重时会吹断线和支柱,破坏接触网系统的正常工作。

要准确选定设计风速是一件非常困难的事情,因为它因地而生、因地而变。接触网中以10米高空自记录10min的平均风速作为基本设计风速。最大瞬时风速和最大平均风速间有1.5倍(平均而言)的关系。插播风录相!第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第7页/共59页地形与风速风随着它在地表面的高度、地形等种种因素而变化。在地表面附近,由于地表面地形地物不规则产生的摩擦作用,高度增加风速也增加,反之,减小。它们之间有如下关系:第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定

在低气层中,风速会随地面高度的增加而增加,当高度达到一定值时,增长逐渐减慢。地表对风的作用称之为约束,这种约束有垂直和水平两个方向,无论是垂直约束还是水平约束,风速都将增大。根据伯努利定理,风速最大可增大50%左右。注意事项

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运行设计风速运行设计风速用于接触网风偏和跨距的确定。

根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)的附录D2.2规定:选取最大风速时,一般应有25年以上的资料。

日本新干线和最新的欧洲标准中,基本运行风速均取35m/S。结构设计风速结构设计风速用于接触网设备和构件结构强度确定。日本新干线和最新的欧洲标准中,结构设计风速也规定一律取50m/s。

隧道结构设计风速根据国外高速铁路试验和运营数据,行车速度等于或大于140km/h的隧道中,机车通过时产生的气动力影响不可忽略。因此,高客专隧道内必须按最大结构设计风速对隧道内接触网结构进行气动力的影响计算。高速接触网气象条件的选择第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第9页/共59页

视电气化线路所在地区的实际情况而定,根据研究,中国的覆冰重点地区在西南的云贵川和湖南湖北等省份。一般选取-5℃为线索覆冰温度。线索覆冰厚度不得小于该地区实际观测到每五年一遇的最大冰厚。覆冰考虑为圆筒形沿导线表面等厚度分布,不考虑导线截面的不规则形状,设计资料中只给出承力索覆冰厚度。接触网计算时一般不考虑吊弦及其线夹的覆冰载荷,考虑到受电弓滑板运行中的刮冰作用,计算接触线冰厚时应折算为承力索覆冰厚度的一半。线索覆冰的密度因地区和结冰情况不同而异,为统一起见,一般取为0.9g/cm3。冰对接触网的影响:增加线索的机械负荷;影响正常供电。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定覆冰条件的选择测水重法

测总重法

第10页/共59页覆冰的种类(1)雨淞:透明玻璃体、质地坚硬、不易破碎,密度在0.6~0.9之间,又称冰凌或明冰,与导线表面的附着力强大,不易脱落。(2)粒状雾淞:乳白色不透明体,其间含有气泡空隙,质地疏松较脆,表面起伏,无定形状,密度为0.1~0.3。(3)晶状雾淞:白色结晶,冰体内含空气泡较多,质地疏松而软,与导线表面的附着力较弱,容易脱落,密度在0.01~0.08之间。(4)湿雪:呈乳白色或灰白色,一般质地较软,是处于熔化状的雪花和水体粘附到导线表面而成的,密度一般在0.1~0.7之间,粘结在导线上的湿雪当气温进一步降低时将变成坚硬的冰冻体。(5)混合淞:呈乳白色、体大、气隙较多,是雨淞和雾淞在导线上交替冻结而成的,密度在0.2~0.6之间。插看接触网覆冰图片第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第11页/共59页覆冰的形成机理(1)降水覆冰空气中的冻雨(过冷却水滴)或雪花降落到温度接近0℃或负几度的导线表面形成的覆冰或覆雪。冻雨覆冰形成的雨淞因其密度大、附着力强,对架空线路危害最大。美国、加拿大、俄罗斯、中国等常出现冻雨,而日本及阿尔卑斯山地区覆雪较普遍。(2)云中覆冰空气中过冷却的云或者雾与导线相接触冻结成的冰。特点:地面无降水量或降雪量,覆冰主要取决于湿度、风速等气象参数;只要有过冷却水滴存在,就总能产生云中覆冰,;云中覆冰多产生雾淞。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第12页/共59页覆冰的形成机理(3)升华覆冰大气中的水蒸气直接冻结在物体表面所产生的一种霜,也称为晶状雾淞,因是经过升华而产生的晶状雾淞,所以叫升华覆冰。晶状雾淞不会发展很大,其附着力较小,易脱落,故对架空线路基本上不产生多大危害。松花江畔十里长堤上的雾淞还是人们观赏的奇景!

一般对导线覆冰的研究都侧重于降水覆冰和云中覆冰两类。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第13页/共59页覆冰在导线表面的增长过程

(1)干增长过程:第二个过冷却水滴到达表面时,第一个过冷却水滴已释放出潜热,全部冻结完毕。此时形成的覆冰一般空隙率较大,多为雾淞等。(2)湿增长过程:第二个过冷却水滴到达表面时,第一个过冷却水滴潜热尚未完全释放完毕,仍有部分水滴未被冻结,可能形成连续液膜,此时形成的冰为雨淞,质地较密,与导线表面的附着力很强。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第14页/共59页(1)圆形或椭圆形覆冰:风与导线走向平行时,或由于导线的扭转,形成导线周围比较均匀的覆冰,此时导线完全被冰包覆。(2)翼型覆冰:风与导线走向垂直时,冰在导线的迎风面上逐渐堆积,形成翼型断面形状,迎风面与背风面的冰厚相差很大。(3)新月型:在无风或小风的情况下,冰雪在导线的上表面堆积而成新月型,或雪堆积成三角棱形。架空导线的覆冰形状第15页/共59页(1)过荷载导致接触网机械和电气事故(a)垂直荷载覆冰条件下,冰的重量会增加支持结构和线索的垂直负载,线索弛度加大,低压线与高压线间因风吹摆动而引起短路事故;覆冰增加的导线张力将传到支柱上,增加所有支柱及其基础的扭矩,造成支柱变形、基础下沉。(b)水平荷载导线因覆冰使迎风面增大,因此,风吹覆冰导线所产生的水平荷载也随之增加。覆冰期间的最大水平荷载将在"风速与冰量"的某种关系下发生。覆冰对架空导线的破坏作用第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第16页/共59页(c)纵向荷载因为接触网跨距不一,悬挂高度不同,或相邻各跨之间安装质量不同,,使导线在覆冰时引起纵向静力不平衡,产生纵向荷载。当覆冰不均匀、自行脱落或被击落时,导线的悬挂点处会产生很大的冲击荷载,造成导线脱落,线夹断裂;(d)振动荷载冰和雪花在导线表面的不同积聚形状会引起导线对风所引起的振动的敏感性,产生振动荷载。当导线上凝聚霜淞时,其载面增大,形状仍保持为均匀圆形,而霜层几乎不改变导线阻尼,因此,一定的风力所引起的导线振动,其频率低于裸线时的频率,而振幅比裸线时小,并且,频率下降可能低到防振装置的有效运行范围以下。覆冰对架空导线的破坏作用第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第17页/共59页(2)不同期脱冰或不均匀覆冰事故相邻跨距的导线覆冰不均或脱冰不同步,会产生张力差,使导线在线夹内滑动。不均匀覆冰产生的张力差是静负荷,故线索断口有缩颈现象;不同期脱冰产生的张力差是动负荷,线股断口无缩颈现象。脱冰会使导线跳跃,。(3)绝缘子串冰闪事故绝缘子覆冰或被冰凌桥结后,绝缘强度下降,泄漏距离缩短,融冰时,绝缘子的局部表面电阻增加,形成闪络事故,闪络发展过程中持续电孤烧伤绝缘子,引起绝缘子绝缘强度降低。(4)导线覆冰舞动事故因导线不均匀覆冰,在风的作用下产生舞动,覆冰导线的低频高幅舞动会造成金具损坏,导线断股,相间短路及杆塔倾斜或倒塌等严重事故。覆冰对架空导线的破坏作用第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第18页/共59页架空线路产生覆冰的基本条件:(1)具有足够可以冻结水滴的气温及导线表面温度0℃以下,一般为-20~-2℃,能使液滴在冻结时即时释放出潜热;(2)具有较高的湿度,因为空中过冷却的液水含量是各种覆冰的水来源,空气相对湿度一般要在85%以上;(3)具有可使空气中的过冷却水滴或过冷却云粒产生运动的相应风速,以便水滴与导线发生碰撞,被导线捕获,一般风速为1~10m/s。观察和研究表明,当空气相对湿度很小或无风和风速很低时,即使温度很低,导线也基本上不发生覆冰现象。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第19页/共59页气象因素影响导线覆冰的气象因素主要包括气温、空气湿度、风速、风向、云中过冷却水滴的直径及凝结高度等参数。(1)空气温度气温对覆冰的影响极为重大。一般最易覆冰的温度为0~-6℃,若气温太低,则过冷却水滴都变成了雪花,形成不了导线覆冰,正因为如此,严寒的北方地区冰害事故反而比南方的云、贵、湘、鄂为轻。(2)空气湿度空气湿度的大小对导线覆冰影响甚大。湿度在85%以上,不仅较易引起导线覆冰,而且还易形成雨淞。湖南省每逢严冬和初春季节,因阴雨连绵,空气湿度很高(90%以上),故导线极易覆冰,且多为雨淞。

影响架空导线产生覆冰的主要因素第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第20页/共59页(3)风速风向由于风起着对云和水滴的输送作用,故对导线覆冰有重要影响。无风和微风时,有利于晶状雾淞的形成;风速较大时则有利于粒状雾淞的形成。几乎所有计算导线覆冰的模型都包含有“风速”这一因素,一般而言,风速越大(0~6m/s范围内),导线覆冰越快。而风向主要会对覆冰形状产生影响,当风向与导线垂直时,结冰会在迎风面上首先生成,产生偏心覆冰,而当风向与导线平行时,则容易产生均匀覆冰。(4)过冷却水滴大小过冷却水滴的直径大小与气温有关,它主要影响导线覆冰的种类。雨淞覆冰时,过冷却水滴直径大,约在10~40μm之间,中值体积水滴直径为25μm左右,是毛毛细雨;雾淤覆冰时,水滴直径在1~20μm之间,中值体积水滴直径为10μm左右;而对于混合淞,其水滴直径在5~35μm之间,中值体积直径为15~18μm。气象因素第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定

影响架空导线产生覆冰的主要因素第21页/共59页(1)导线直径导线直径影响着过冷却水滴能够达到导线表面的有效空气层的厚度。当风速小于8m/s时,对直径不太大的导线(40mm直径以下),实验数据表明,较粗的导线覆冰量重于较细的导线。当导线直径超过40mn时,随着导线直径的增加,覆冰量反而减小。当风速大于8m/s时,导线越粗则覆冰量越大。德国某些学者认为,导线覆冰量与其直径无明显的关系,只有当空气中的过冷却水滴特别大(直径超过25μm)、或风速很高时,覆冰重量才随导线直径的增长而显著增大,挪威等国的学者也基本上赞同这种观点。(2)导线刚度

导线的刚度大小决定其抗扭转的性能。导线刚度愈小,在扭矩作用下,导线的扭转愈大,覆冰进一步增加。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定

影响架空导线产生覆冰的主要因素导线本身条件第22页/共59页导线本身条件(3)负荷电流与电场电场的存在会对移向导线的水滴粒子产生两极和吸引力。电场对雾滴和毛毛细雨的吸引力会导致更多的水滴移向导线表面,因而能增加导线上的覆冰量。即带电线路的覆冰厚度较大,而不带电线路的覆冰厚度较小。负荷电流对导线覆冰的影响有两个方面:当电流不够大,焦尔热不能使导线表面维持0℃以上温度时,负荷电流反而会使导线覆冰增加,因为出现了电场的影响;当电流足够大,能使电线发热并维持其表面温度在0℃以上时,这时即使有过冷却水滴碰撞导线,导线表面也不会覆冰,从而达到自然防冰的效果。这种维持导线表面温度为0℃的电流称为临界负荷电流,其大小由气温、风速及导线表面的辐射特性等因素决定。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定

影响架空导线产生覆冰的主要因素第23页/共59页隧道内气象条件整个锚段均在隧道内时,隧道内最高温度比外部低10℃;部分锚段在隧道外时,按全部在隧道外的条件计算;不计冰、风负载时,隧道内最低温度比外部高5℃。接触线无弛度时的温度低于平均温度,其目的是减少接触线的负弛度。简单链形悬挂:弹性链形悬挂:吊弦及定位器处于正常位时的温度该温度取全年保持时间最长的温度,设计时取最高温度和最低温度的平均值。为什么?第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定其它气象条件的确定第24页/共59页课间休息!第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第25页/共59页

单位计算负载是指每米接触悬挂的自重以及覆冰、风在其上形成的附加负载。2单位负载的分类垂直负载,水平负载,合成负载。(从计算角度分)垂直负载包括:承力索和接触线的单位自重、覆冰重量、吊弦均布重量;水平负载包括:覆冰时的风负载、最大风时的风负载;合成负载包括:悬挂在无冰无风时的单位合成负载、在覆冰时的单位合成负载、在最大风时的单位合成负载。从负载的变化情况可分为:永久载荷和可变载荷,前者包括:接触网线索、腕臂、绝缘子及其附件、结构构件等,线索张力引起的载荷,土压力等。后者为冰、风等载荷。1单位计算负载的定义与分类单位计算负载的计算是整个接触网设计计算的基础!接触悬挂的单位负载及其计算第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第26页/共59页3各类计算负载的计算公式关于单位自重!

在高速接触网中,应足够重视单位负载计算的准确性,因为该数据是整个设计计算的最基本数据,它直接涉及接触网工程参数的误差控制。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定接触悬挂的单位负载及其计算第27页/共59页3各类计算负载的计算公式关于0.615的来历;关于风速不均匀系数的取值;关于结构体型系数。关于承力索和接触线风负载的计算直径第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定接触悬挂的单位负载及其计算第28页/共59页4关于风压计算的说明:风负载是由风的动能形成的,在计算接触网线索风压时作了以下几点假设:(1)假设风速恒定;(2)假设风向垂直于接触网的纵向布置,且不发生改变;(3)在标准大气压下,单位体积的风吹在单位面积上所形成的风压为风压计算系数;因此、当实际条件不满足以上假设时,需进行修正;用于修正的系数有:

(1)风速不均匀系数[与风速、风向、地形地貌、跨距大小有关];

(2)风压高度变化系数[与地面高度或海拔高度有关];

(3)风荷载体型系数[与受风体的几何形状和受风面面积有关]。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定接触悬挂的单位负载及其计算第29页/共59页5关于“基本风压”的说明:基本风压:单位体积内的空气作用于单位面积上形成的空气压力,其理论计算公式在标准大气压、温度+15℃、空气密度为1.23kg/m3时,单位空气动力(称为理论风压系数)注意:严格讲来,各地的“理论风压”是不相同的,它主要取决于空气实际密度。不同的海拔高度,其值不同,为此、05版《牵引供电设计规范》规定基本风压取为1/1600,而在计算风压公式中加入风压高度变化系数进行修正。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定接触悬挂的单位负载及其计算第30页/共59页

98版《铁路电力牵引供电设计规范》规定暂不考虑风速不均匀系数,其原文如下:在线索风载计算时,对于应否考虑风速不均匀系数的问题进行了探导,认为在计算接触网线索的风负载时,假定风载是沿线索均匀分布的,而风速的风头一般宽为20米,因此,其不均匀程度与跨距有关,跨距越大,沿跨距的风压分布就越不均匀。参考原苏联有关资料介绍,在架空电力线路计算跨距长度为100米以上的风负载时,才应采用风速不均匀系数。另据原苏联电气化设计规范有关导线的风负载的计算条款中未规定需考虑风速不均匀系数。鉴于我国接触网的最大跨距不超过65米,按架空电力线路风速不均匀系数取值显然是不太合理的,从提高接触网的安全可靠性考虑,风速不均匀系数设为“1”。6关于“风速不均匀系数”的说明:第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定接触悬挂的单位负载及其计算第31页/共59页7关于风压高度变化系数说明:

05版《设计规范》前,我国均没有考虑风速随高度的变化情况,将风压高度变化系数取为1,这对大部分线路是可以的,但当线路位于高架桥、高路堤时,这样考虑就偏于不安全。借鉴《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)并将其纳入接触网的设计中。其取值如下:离地面或海平面高度地面粗糙度ABCD51.171.000.740.62101.381.000.740.62151.521.140.740.62201.631.250.840.62301.801.421.000.62401.921.561.130.73A:海岛、海岸、湖岸、近海和沙漠地区;B:乡村、田野、丛林、丘陵以及房屋比较稀的乡镇或城市郊区;C:有密集建筑的城市市区;D:有密集建筑群且建筑较高的城市市区。另对接触网还应考虑具体地形的修正,如与风向一致的谷口、山口,修正系数应取1.2~1.5。第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定接触悬挂的单位负载及其计算第32页/共59页8关于体型系数的说明:线索风负载、支柱风负载序号类别体型体型修正系数1混凝土支柱环形截面0.602矩形或工字形截面1.303实腹式钢柱环形截面0.904H形截面1.305格构式钢柱由角钢组成的矩形断面钢柱0.806由钢管组成的矩形断面钢柱0.647格构式横梁由角钢组成的矩形断面横梁0.808由角钢组成的矩形断面横梁0.589线索简单悬挂(附加导线)1.2010链形悬挂1.25第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定接触悬挂的单位负载及其计算第33页/共59页9合成负载第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定接触悬挂的单位负载及其计算第34页/共59页作业1覆冰对接触网有哪些危害?

2请计算处于典型第II气象区的“JT-95+CTA120”接触悬挂的各类单位负载。

铜承力索单位重量0.837kg/m;计算直径:12.5mm接触线单位重量1.070kg/m;计算A、B值为13mm;

3风负载有何特点,计算风负载时应注意哪些问题?第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第35页/共59页课间休息!第4讲接触网设计气象条件及单位负载的确定第36页/共59页第5讲悬挂线索的弛度和张力主讲人董昭德西南交通大学电气工程学院2009.10.成都0503第37页/共59页(1)弛度处于两端固定,且不会发生移动的状态下的柔软线索,其最低点至两悬挂点间的垂直距离,称为该线索的弛度。(2)张力柔软线索在外力作用下其内部产生的内应力。1几个重要的基本概念(3)等高悬挂对于同一参考水平面两悬挂点高度相等的悬挂。(4)不等高悬挂对于同一参考水平面两悬挂点高度不相等的悬挂。第5讲悬挂线索的弛度和张力简单悬挂的张力和弛度计算第38页/共59页假设条件:(1)、线索两端固定、只受重力作用;(2)、线索十分柔软、刚度不计;(3)、线索的直径与其长度相比较忽略不计;(4)、线索的自重沿跨距均匀分布。2等高悬挂的弛度计算第5讲悬挂线索的弛度和张力简单悬挂的张力和弛度计算第39页/共59页3等高悬挂的张力变化第5讲悬挂线索的弛度和张力简单悬挂的张力和弛度计算第40页/共59页4等高悬挂的线索长度计算线索实长与跨距的长度差距很小,大致在0.05%~0.1%之间第5讲悬挂线索的弛度和张力简单悬挂的张力和弛度计算第41页/共59页5等高悬挂的张力、弛度计算式及导曲线方程第5讲悬挂线索的弛度和张力简单悬挂的张力和弛度计算第42页/共59页6不等高悬挂的弛度计算计算方法:分解法;斜弛度法分解法计算用图(1)分解法第5讲悬挂线索的弛度和张力简单悬挂的张力和弛度计算第43页/共59页斜弛度法计算用图6不等高悬挂的弛度计算(2)斜弛度法第5讲悬挂线索的弛度和张力简单悬挂的张力和弛度计算第44页/共5

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