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城市建设学院罗1第7章

偏心受力构件承载力计算21.偏心受压构件的受力工作特性;两种不同的受压破坏特征及由此划分成的两类偏心受压构件,两类偏心受压构件的判别。2.结构侧移和构件挠曲引起的附加内力。3.两类偏心受压构件正截面承载力的计算方法。4.偏心受拉构件的受力特性及正截面承载力计算。教学目标:1.了解大、小偏心受压构件破坏特征;2.掌握大、小偏心受压构件的承载力计算公式及其适用条件。本章主要内容:3重难点大小偏心受压构件的承载力计算公式的建立。大小偏心受压构件的承载力计算公式、适用条件及构造要求。

重点难点4

单向偏心受压构件

双向偏心受压构件偏心受压构件的分类轴心受压单向偏心受压双向偏心受压51、偏心受拉构件:

悬臂梁的上弦;工业厂房中双肢柱的柱肢;矩形水池壁。2、偏心受压构件:排架柱屋架上弦框架边柱偏心受力构件的实例abc6受压构件(柱)往往在结构中具有重要作用,一旦产生破坏,往往导致整个结构的损坏,甚至倒塌。受压构件破坏实例17偏心受力构件的截面形式:81、材料强度等级:1)混凝土强度对受压构件的承载力影响较大,为减小柱截面,节省钢材,宜采用等级较高的混凝土,如20、25、30;2)钢筋与混凝土共同受压,如钢筋的强度过高(高于0.002Es),则不能充分发挥其作用,故不宜选用高强度钢筋。一般指用HRB335和HRB400。第一节偏压构件的构造要求:92、截面形式1)多采用矩形、工字形;2)截面尺寸:最小边长不宜小于250mm;为避免构件长细比过大,承载力降低过多,常取l0/b为15左右。为施工支模方便,柱截面尺寸宜用整数。

在800mm以下,取50mm倍数;

在800mm以上,可取100mm的倍数。3)混凝土保护层厚度:在室内c≥30mm,且≥纵筋直径。101)纵筋直径d:≥12mm,且宜选用较粗的钢筋,一般为12~28mm。2)纵筋根数:不得少于4根,且应取双数;布置:按计算要求布置在与离偏压力作用平面相垂直的两边。3)纵筋配筋率:ρ≥0.2%;4)纵筋间距:

净间距≥50mm;

中距≤350mm;3、纵向受力钢筋111)形式:封闭式HPB235,直径≥d纵/4,且≥6㎜。2)间距s:s≤400㎜,且≤截面短边尺寸。在绑扎骨架中,s≤15d;在焊接骨架中,s≤20d;(d为纵筋最小直径)3)直径:当全部纵筋配筋率>3%时,直径不宜小于8㎜,且应焊成封闭式,或在箍筋末端做成≥135°的弯钩,末端平直段长度≥10d箍。间距≤10d

(纵筋最小直径),且≤200㎜。4)当柱截面每边纵筋超过3根时,应设复合箍筋;当柱短边≤400㎜,且纵筋≤4根时,可不设复合箍筋。否则应设复合箍筋。5)纵筋至少每隔一根应放置于箍筋转弯处。4、箍筋12箍筋的直径:不宜小于搭接钢筋直径的0.25倍;箍筋间距:①当搭接钢筋为受拉时,不应大于5d,且不应大于100mm;②当搭接钢筋为受压时,不应大于10d,且不应大于200mm;(d为受力钢筋中的最小直径)③当搭接的受压钢筋直径大于25mm时,应在搭接接头两个端面外50mm范围内各设置两根箍筋。5)在纵筋搭接长度范围内:13对于截面形状复杂的柱,箍筋形式不可采用具有内折角的箍筋;被同一箍筋所箍的纵向钢筋根数,在构件的角边上应不多于3根。若多于3根,则应设置附加箍筋。箍筋形式1分离式箍筋内折角构造钢筋构造钢筋14偏心距e0=0时?当e0→∞时,即N=0,?第二节偏心受压构件的受力性能151、受拉破坏——大偏心受压情况1)N的偏心距e0较大,且As不太多2)破坏特征:As先屈服,然后受压混凝土达到c,max,Asfy,称为受拉破坏;为塑性破坏。受拉破坏构件的承载力取决于受拉钢筋的强度和数量。一、试验研究分析:NN(a)cuNfyAs

fyAs

(b)e016当偏心距较小或很小,或虽然相对偏心距较大,但受拉钢筋配置较多时会发生,分两种情况:第一种情况:当偏心距很小时,构件截面将全部受压:破坏时,靠近纵向压力一侧的钢筋达到屈服,边缘混凝土的压应变达到其极限压应变,混凝土被压碎。而离纵向压力较远一侧的混凝土和受压钢筋均未达到其抗压强度。2、受压破坏——小偏心受压情况17当偏心距较小时,或偏心距虽较大,而受拉钢筋数量很多时会发生。受拉区横向裂缝发展不显著,无明显的主裂缝。破坏总是发生在受压一侧,破坏时边缘砼达到极限压应变,受压区砼被压碎。呈脆性破坏性质。第二种情况:18上述两种情况,其共同特征:压区砼先压碎。近轴向力一侧的受压筋达到屈服;而另一侧钢筋不论受拉还是受压,均达不到屈服强度。且破坏前变形无明显的急剧增长预兆,具有脆性破坏性质,称为受压破坏。其承载力取决于压区砼及受压钢筋的强度。fyAs

NsAs

cmax2cmax1ei情况1NfyAs

sAs

cuei情况2两种情况的共同特征19(a)NN(b)NfyAs

sAs

cuei(c)fyAs

NsAs

cmax2cmax1ei横向裂缝小小偏心受压破坏形态20两类破坏的本质区别:破坏时受拉钢筋能否达到屈服。二、大小偏心受压破坏的界限:当<b–––大偏心受压ab>b–––小偏心受压ae=b–––界限破坏状态

adbcdefghAsAsh0x0xb0s0.0033aaay0.002偏心受压构件的截面应变分布21偏心受压构件初始偏心距理论偏心距附加偏心距

ea≥20mm且≥h/30初始偏心距e0eaeih22提出背景:由于工程实际中存在着荷载作用位置的不定性、混凝土质量的不均匀性、配筋的不对称性及施工的偏差等因素,使构件产生附加偏心距。规范规定:ea=h/30≥20mm则进行偏压正截面承载力计算时,轴向力到中心轴的距离应取ei(初始偏心距

ei=ea+e0e0=M/N由于附加偏心距的存在,柱的弯矩增加量为取M=Nea四、附加偏心距ea23二阶效应:指轴向力在产生了挠曲变形的柱中引起的附加内力,常称P—δ效应。考虑二阶效应的方法:法:五、偏心受压长柱的纵向弯曲影响24短柱:l0/h≤5或l0/i≤28可不考虑二阶弯矩对其承载力的影响。长柱:5<l0/h≤30或28<l0/i≤104必须考虑二阶弯矩对其承载力的影响。细长柱:

l0/h≥30当偏心压力达到最大值时,由于侧向挠度突然剧增,此时钢筋和混凝土的应变均未达到材料破坏时的极限值。(应尽量避免)根据偏压柱的长细比大小不同,柱分为:柱长细比对承载力的影响N0N1N2N0eiN1eiN2eiN1af1N2af2BCADE短柱(材料破坏)中长柱(材料破坏)NM0细长柱(失稳破坏)25式中:ei

=e0+

eal0–––柱的计算长度2

–––考虑构件长细比对截面曲率的影响系数,21.0避免长细比过大,可能发生失稳破坏。当l0/h

15时2=1.0

1

–––考虑偏心距的变化对截面曲率的修正系数,

11也可近似取:

很明显,只有长柱才考虑η的影响,当构件长细比l0

/

i

17.5(l0/h

5为矩形截面柱时),取=1.0根据试验分析,规范取η为:26柱的类别l0排架方向垂直排架方向有柱间支撑无柱间支撑无吊车房屋柱单跨1.5H1.2H1.0H两跨及多跨1.25H1.0H1.2H有吊车房屋柱上柱2.0Hu1.25Hu1.5Hu

下柱1.0Hl0.8Hl1.0Hl露天吊车柱和栈桥柱2.0Hl1.0Hl—刚性屋盖单层房屋排架柱、露天吊车柱和栈桥柱的计算长度l0

注:表中H为从基础顶面算起的柱子全高;Hl为从基础顶面至装配式吊车梁底面或现浇式吊车梁顶面的柱子下部高度;Hu为从装配式吊车梁底面或从现浇式吊车梁顶面算起的柱子上部高度;27框架楼盖类型柱的计算长度l0无侧移框架结构现浇楼盖0.70H装配式楼盖1.0H有侧移框架结构现浇楼盖底层柱1.0H其余各层柱1.25H装配式楼盖底层柱1.25H其余各层柱1.5H框架结构各层柱的计算长度l0

注:

表中H对底层柱为从基础顶面到一层楼盖顶面的高度;对其余各层柱为上,下两层楼盖顶面之间的高度。28上一节课的复习1.简述偏心受压短柱的破坏形态?偏心受压构件如何分类?2.大偏心受压情况的破坏原因,破坏性质及破坏条件是什么?3.试说明小偏心受压构件(受压破坏)三种破坏形态的异同。4.偏心距增大系数的物理意义是什么?它主要与哪些因素有关?5.计算偏心受压构件承载力时,为什么要考虑附加偏心距?如何取值?29①与受弯情况相同,仍采用以平截面假定为基础的计算理论。②正截面承载力的计算,对受压区混凝土同样采用等效矩形应力图。③等效矩形应力图的强度为a1

fc,等效矩形应力图中的砼高度与实际中和轴高度的比值为b1

一、基本假定第三节矩形截面偏心受压构件计算30当时,为大偏心受压破坏的界限情况,在公式中取,界限情况下轴力Nb为:当截面尺寸、配筋面积及材度已知时,Nb为定值。界限情况下轴力Nb31二、偏压构件正截面承载力的计算公式:1、基本计算公式:由静力平衡得:其中:e=ηei+h/2-as为保证构件破坏时,受压钢筋屈服,要求x≥2a’s。Nash0x=ξh0as’

AsAs‘hbx=ξh0σsAsfy’As’ee’α1

fcηei32由平截面假定得为避免采用上式出现x的三次方程,根据试验表明,与成直线关系,且钢筋应力应符合条件:2、远离轴向力一侧钢筋应力σs:33由平衡条件得:2.为了保证受压钢筋能达到抗压强度设计值fy’,须满足:适用范围:1.为了保证受拉钢筋能达到抗拉强度设计值fy,须满足:三、大偏心受压(ξ≤ξb):34根据平衡条件:

fyAs

s'sA'sNhei35基本计算公式:由平衡条件得:适用条件:四、小偏心受压(ξ>ξb):36五、垂直于弯矩作用平面的轴压承载力验算:对小偏压构件,若在垂直于弯矩作用平面的长细比l0/h较大或边长b较小时,有可能在这个平面内发生轴压破坏。《规范》规定,小偏压构件除在弯矩作用平面的受压承载力计算外,还应按轴压验算垂直于弯矩作用平面的受压承载力,此时不考虑弯矩作用,但须考虑稳定系数φ。37六、相对界限偏心距eib/h0(大小偏压的判断)经验表明,大偏压构件相对界限偏心距的最小值近似为:e0b,min/h0=0.3。当ηei<0.3h0

时,按小偏压计算;

当ηei≥0.3h0时,先按大偏压计算。最终求出受压区高度x或ξ后,才能最终判断其破坏形式.

Nash0x=ξh0as’

AsAs‘hbx=ξh0σsAsfy’As’ee’α1

fcηei38七、基本公式的应用:非对称配筋1、截面配筋计算已知:M、N、b、h、l0、砼强度,钢筋等级求:As,A's(1)两种截面的判别当hei>0.3h0时,为大偏心受压情况当hei≤0.3h0,为小偏心受压情况39⑴As和A's均未知时两个基本方程中有三个未知数,As、A's和

x,故无唯一解。为使总配筋面积(As+A's)最小?取x=xbh0得(hei>0.3h0且σs=fy)或ξ≤ξb2.大偏心受压构件的配筋计算40上述计算应满足①A’s≥0.002bh;

若A's<0.002bh?

则取A‘s=0.002bh,然后按A’s为已知情况计算。②As≥rminbh

若As<rminbh?

则应取As=rminbh

当As<0时,说明截面为小偏压,应按小偏压公式计算As、A‘s。41例题:As和A’s均未知时(大)[例7-1]某钢筋混凝土矩形柱b×h=300×400mm,承受轴向压力设计值N=340kN,弯矩设计值M=200kN•m,柱计算长度l0=2.8m。该柱采用热轧钢筋HRB400(fy=f’y=360N/mm2,ξb=0.518),混凝土强度等级为C30(fc=14.3N/mm2),取as=a’s=40mm。若采用非对称配筋,试求纵向钢筋的截面面积。

42当A's已知时,两个基本方程有二个未知数As和

x,有唯一解。求x.若2a’s

<

x≤xbh0,且,则:若x>xbh0?★若As<rminbh?应取As=rminbh。则应按A's为未知情况重新计算确定A's则近似取x=2a’s,按下式确定As若x<2a’s

?⑵A’s已知,As未知43例题:已知As’求As(大)[例7-2]由于构造要求,在上例中的截面上已配置422(As’=1520mm2),试计算所需的受拉钢筋的截面面积As。x<2as’

{[例7-1]

某钢筋混凝土矩形柱b×h=300×400mm,承受轴向压力设计值N=340kN,弯矩设计值M=200kN•m,柱计算长度l0=2.8m。该柱采用热轧钢筋HRB400),混凝土强度等级为C30,取as=as’=40mm。采用非对称配筋}44例题:已知As’求As(大)[例7-3]由于构造要求,在上例中的截面上已配置320(As’=940mm2),试计算所需的受拉钢筋的截面面积As。2as’<x<ξbh0

{[例7-1]

某钢筋混凝土矩形柱b×h=300×400mm,承受轴向压力设计值N=340kN,弯矩设计值M=200kN•m,柱计算长度l0=2.8m。该柱采用热轧钢筋HRB400),混凝土强度等级为C30,取as=as’=40mm。采用非对称配筋}45基本公式:两个基本方程中有三个未知数,As、A's和x,故无唯一解。(hei<0.3h0且σs<fy)或ξ>ξb由于小偏心受压时,远离轴向力一侧钢筋As无论拉压其应力都达不到设计值,故配筋数量多无意义。故可按最小配筋量,这样可使总用钢量最小。As=0.002bh3.小偏心受压构件的配筋计算46确定As=0.002bh

后,就只有x和As’两个未知数,故可得唯一解。代入公式可求得x:求得的x应满足小偏压的范围:

ξb≤ξ≤h/h0若ξ>h/h0

,则取ξ=h/h0

,即全截面受压,然后将ξ代入公式求A‘s。47小偏压例题某钢筋混凝土矩形柱b×h=300×500mm,柱计算长度l0=6.0m,as=a’s=40mm,混凝土强度等级为C30(fc=14.3N/mm2),该柱纵筋采用热轧钢筋HRB400(fy=f’y=360N/mm2,ξb=0.518),承受轴向压力设计值N=1359kN,弯矩设计值M=109.1kN•m。若采用非对称配筋,试求纵向钢筋的截面面积。

48第四节

对称配筋矩形截面偏压构件正截面承载力计算对称配筋:As=A’sfy=f’yas=a’s49一、截面设计1)由于有fyAs=fy’As’,则界限状态下的承载力为:Nb=a1

fcbxbh0当N≤Nb时,为大偏压;当N>Nb时,为小偏压。2)由大偏压公式得:当ξ≤ξb时,为大偏压;当ξ>ξb

时,为小偏压。1.大小偏压的判断502.大偏压对称配筋计算当hei>0.3h0,且N<Nb时,为大偏心受压。基本计算公式:适用条件:51对称配筋大偏压计算公式的应用情况1:As及A’s均未知;可利用基本公式计算,但有三个未知数As、A’s和

ξ,即要补充一个条件才能得到唯一解。通常以As+

A’s的总用量为最小作为补充条件,可取ξ=ξb。情况2:已知A’s求As此时,可直接利用基本公式求得唯一解,其计算过程与双筋矩形截面受弯构件类似,在计算中应注意验算适用条件。521)求x:若x<2as',可近似取x=2as',对受压钢筋合力点取矩可得2)求As=As’当x>ξbh0时,按小偏心受压构件计算;当2as'

<

x≤ξbh0时,则按大偏压构件计算解题步骤:(大偏压对称)53例7-9矩形截面偏心受压柱截面尺寸为bh=300×400mm,柱的计算长度l0=2.8m,as=as’=40mm,砼等级为C30,纵向受力钢筋为HRB400级,承受轴心压力设计值N=340KN,弯矩设计值M=200KN.M,试计算所需的钢筋截面面积As=As’=?对称配筋大偏压例题54二、小偏压对称配筋计算:基本公式为:当hei≤0.3h0,或hei>0.3h0,但N>Nb时,为小偏压。1、基本计算公式:远离纵向力一侧的钢筋不屈服,其值为:

2、适用条件:55由公式解得:这是关于ξ的三次方程,其精确解须进行迭代,设计不便。为简化计算,设上式等号右侧第一项为56当钢材强度给定时,ξb已知的定值,Y与ξ的关系线为:Y-ξ关系的简化HRB335钢筋HPB235钢筋57则代入上式,并整理可得:对常用的钢材等级,可近似取:583、对称配筋小偏压公式的应用情况1:As及A’s均未知由基本公式可看出,未知数总共有四个As、A’s

、σs和

ξ,需要补充一个条件。对小偏压,由于远离纵向力一侧的纵筋不管是受拉还是受压均达不到屈服,因此,一般可取As=0.0002bh情况2:已知As求A’s,或已知A’s求As这种情况的未知数与可用的基本公式一致,可直接求出ξ和As或A’s

592)求As及A’s1)求ξ小偏压对称截面设计计算步骤:607-10矩形截面偏心受压柱截面尺寸为bh=300×500mm,柱的计算长度l0=6.0m,as=as’=40mm,砼等级为C30,纵向受力钢筋为HRB400级,承受轴心压力设计值N=1359KN,弯矩设计值M=109.1KN.M,试计算所需的钢筋截面面积As=As’=?例题2:(对称配筋小偏压)61其步骤为:1)先假定为大偏压,利用大偏压公式求x:2)若ξ≤ξb时,则实为大偏压,按大偏压公式求Nu;若ξ>ξb时,则为小偏压,需重新按小偏压公式求x、Nu。已知

b×h、As和As‘、fc、fy,fy’、以及构件长细比(l0/h),进行截面承载力复核,1)弯矩作用平面内的承载力计算3、对称配筋矩形截面承载力复核62当构件在垂直于弯矩平面内的长轴比较大时,应按轴心受压构件验算垂直于弯矩作用平面的受压承载力。这时应考虑稳定系数φ的影响,按轴心受压计算承载力N。2)垂直于弯矩作用平面内的承载力计算:63矩形截面偏心受压柱截面尺寸为bh=400×600mm,as=as’=40mm,砼等级为C35,纵向受力钢筋为HRB400级,柱的计算长度l0=7.2m,承受轴心压力设计值N=1200KN,弯矩设计值M=396KN.M,试复核该截面是否安全?(手写)例题3(对称配筋截面复核)64偏心受压构件达到承载力极限状态时,截面承受的轴向力N与M并不是独立的,而是相关的。即构件可以在不同的N、M组合下达到极限强度。受压破坏界限破坏受拉破坏A0203010008006004002001040Nu(kN)Mu(kN·m)BM-N相关曲线三.偏心受压构件的N-M相关曲线曲线上任意一点的坐标(N,M)代表一组截面承载力。651、M=0时,N最大;N=0时,M不是最大,界限状态时M最大;2、小偏压时,N随M的增大而减小;大偏压时,N随M的增大而增大。3、对称配筋界限状态时的Nb=α1fcbh0ξb,故Nb只与材料和截面有关,与配筋无关。N—M曲线的特点:66对受压构件,控制内力不易凭直觉挑选,但利用N—M曲线的规律可较容易地找到。如:对称配筋的偏压构件,取N、M的绝对值:寻找Nmax及与之对应的M较大的内力,有可能对小偏压情况起控制作用;寻找Mmax及与之对应的N较小的内力,则有可能对大偏压情况起控制作用;荷载组合:67注:对于对称配筋截面,达到界限破坏时的轴力Nb是一定值。截面尺寸和材料强度保持不变,Nu-Mu相关曲线随配筋率的增加而向外侧增大;Nu-Mu相关曲线随配筋率的变化68第五节工字形截面偏压构件承载力计算工字形截面偏心受压构件的受力和破坏特征以及计算原则与矩形截面受压构件相同,只不过由于截面形状不同,其计算公式的形式有些差别。设计时同样可分为大小偏压两种破坏情况进行计算。69一、大偏压对称配筋工形截面柱:在轴向力N及弯矩M作用下,x≤ξbh0,此时有2种情况,即x≤hf’及x≥hf’。1)当2as’<x≤hf’时,受压区为矩形,其计算公式为:2)当hf’<x≤ξbh0时,受压区为T形,其计算公式为:3)当x≤2as’时,受压区为矩形,其计算公式为:70二、小偏压构件对称配筋构件的计算1)当hf’<x≤h-hf时,受压区为T形,计算公式为:ξbh0

≤x≤h712)受压区高度位于远离轴向压力一侧翼缘内2)受压区高度位于远离轴向压力一侧翼缘内,

即h-hf<x≤h,此时受压区为工字形:72在实际工程中,对称配筋的工字形柱应用较多,对大偏压构件设计时可先假定受压区高度在腹板内,求出x后,再判断大小偏心受压构件。73工字形截面大小偏压构件的承载力复核:可参照矩形截面的步骤。注意:对小偏压工字形截面柱,在验算垂直于弯矩作用平面的轴心受压承载力时,应按l0/i查稳定系数,其中i为截面垂直于弯矩作用平面的回转半径。741、偏心受力构件的斜截面受剪性能轴向压力对构件抗剪起有利作用,主要是由于轴力的存在延缓了斜裂缝的出现和开展,使混凝土剪压区的高度增加,构件的承载力提高。第六节偏心受力构件斜截面的承载力计算75《规范》对矩形截面偏心受压构件的斜截面承载力采用下列公式计算:式中:

N

–––与剪力设计值V相应的轴向压力设计值,当N>0.3fcA时,取N=0.3fcA。2、偏心受力构件斜截面受剪承载力计算公式1≤λ≤3,对框架柱反弯点在其层高范围内时,取Hn——柱净高76为了防止斜压破坏,截面尺寸应满足下列条件:V0.25βcfcbh0则可不进行斜截面抗剪承载力计算,仅按受压构件箍筋的构造规定配置即可。3、截面尺寸要求和构造若满足77本章小结1.根据钢筋混凝土偏心受压构件的偏心距大小和配筋情况不同,可分为大、小偏心受压破坏两种类型,大偏压构件正截面承载力计算和校核与受弯构件适筋梁(双筋梁截面)类似。而小偏心受压构件,由于远离纵向力哪一端的钢筋不论是受压还是受拉,一般都达不到屈服。2.不论大小偏心受压构计算时都应计入附加偏心距ea。3.纵向弯曲的影响将降低长柱承载力,当l0/h>8时,引进偏心距增大系数η以考虑其影响(当l0/h≤8时,取η=1.0)。4.偏心受压构件的斜截面抗剪计算,与受弯构件截面独立梁受集中荷载的抗剪公式类似,轴向压力存在一定范围内对抗剪有利。7879第七章偏心受拉构件的正截面承载力计算本节重点:1、要求学生掌握轴心受拉构件的受力全过程、破坏形态、正截面受拉承载力的计算方法与配筋的主要构造要求;2、掌握偏心受拉构件的受力全过程、两种破坏形态的特征以及对称配筋矩形截面偏心受拉构件正截面受拉承载力的计算方法与配筋的主要构造要求;80第一节概述1)偏心受拉构件的受力特点与偏压构件相似,偏拉构件是介于轴拉(e0=0)和受弯(e0=)之间的一种受力构件。因此其受力和破坏特点与e0有关。e0<h/6全截面受拉h/6<e0<h/2–as一侧受拉一侧受压e>h/2–as一侧受拉一侧受压小偏心大偏心81偏心受拉构件截面应力状态(a)e0<h/6(b)h/6<e0<h/2–as(c)e>h/2–as截面应力状态:82小偏心受拉:N作用在As和A‘s之间:e0<h/2–as大偏心受拉:N作用在As和As之外:e>h/2–as2、破坏特征:小偏心受拉:全截面受拉,开裂,应力全部由钢筋承担,最终钢筋屈服。大偏心受拉:近力一侧受拉,N在As和As之外,由力的平衡则一定存在有受压区,不会裂通,当As适量,其破坏特征与大偏心受压相似。1、大小偏心受拉的分类:83

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