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文档简介

24/26大跨度建筑用轻质钢材开发第一部分大跨度建筑背景及轻质钢材需求 2第二部分轻质钢材的定义与特点分析 4第三部分国内外大跨度建筑用钢材研究现状 7第四部分轻质钢材开发技术路线探讨 8第五部分高性能轻质钢材材料设计策略 11第六部分轻质钢材制造工艺关键技术研究 13第七部分轻质钢材力学性能评估方法 16第八部分大跨度建筑结构应用实例分析 19第九部分轻质钢材经济效益与环保效益评估 22第十部分展望-未来轻质钢材发展趋势 24

第一部分大跨度建筑背景及轻质钢材需求随着现代建筑技术和城市化进程的不断发展,大跨度建筑设计已经成为现代城市建设中的重要组成部分。这些大型建筑物具有卓越的空间利用效率和结构稳定性能,不仅适用于各种商业、娱乐、体育和交通设施,还在工业厂房、展览馆、机场航站楼等公共设施建设中发挥着重要作用。

传统的大跨度建筑多采用混凝土或预应力混凝土作为主要承重结构,但这类材料重量较大、施工周期长且对环境影响较大。因此,近年来,业界越来越重视轻质钢材在大跨度建筑设计中的应用。相较于传统的建筑材料,轻质钢材具有强度高、韧性好、易于加工和安装等优点,并能够实现更加灵活的设计理念。

基于以上背景,本文首先介绍了大跨度建筑的发展趋势和特点,然后探讨了轻质钢材在大跨度建筑设计中的应用优势和发展前景。通过对国内外相关研究的梳理和总结,为轻质钢材在大跨度建筑设计中的应用提供了理论依据和技术支持。

一、大跨度建筑的发展趋势与特点

1.发展趋势:随着科技的进步和社会需求的变化,大跨度建筑的设计理念也在不断更新。从最初的单一功能性要求到如今注重建筑美学、环保节能等方面的要求,大跨度建筑逐渐成为一种融合多种功能和理念的综合性建筑形式。

2.特点分析:

(1)空间利用率高:由于采用了轻质钢材等新材料,大跨度建筑的室内空间不再受到梁柱等结构的限制,从而实现了更大程度的空间自由度。

(2)结构稳定性强:轻质钢材具有高强度和韧性的特点,能够在保证结构安全的同时减轻自重,提高建筑物的整体稳定性。

(3)施工周期短:相比于传统建筑材料,轻质钢材更容易进行工业化生产和现场拼装,大大缩短了整个项目的建设周期。

二、轻质钢材在大跨度建筑设计中的应用优势与发展前景

1.应用优势:

(1)强度高、韧性好:轻质钢材的抗拉强度是普通钢材的数倍,同时具备良好的延性和韧性,能够在不同环境下保持结构稳定。

(2)加工方便:轻质钢材可以方便地进行切割、焊接、弯曲等加工操作,有利于设计师根据实际需要实现个性化设计。

(3)施工快捷:使用轻质钢材可以简化施工工艺,降低施工难度,加快工程进度。

2.发展前景:随着城市化进程的加速和可持续发展理念的深入人心,轻质钢材在未来大跨度建筑设计中将扮演越来越重要的角色。同时,新材料的研发、生产工艺的优化以及设计理念的创新也将进一步推动轻质钢材在大跨度建筑领域的广泛应用。

三、结论

综上所述,随着科技的发展和市场需求的变化,大跨度建筑将成为未来城市发展的主流趋势之一。而轻质钢材作为一种新型建筑材料,在大跨度建筑设计中有着广泛的应用潜力和市场前景。因此,深入研究轻质钢材的特性及其实现高效利用的技术手段,对于促进我国建筑行业的持续健康发展具有重要意义。第二部分轻质钢材的定义与特点分析在建筑领域中,轻质钢材是一种广泛使用的结构材料。这种材料通常用于大跨度建筑的设计和建设,以提高结构的稳定性和安全性。本文将介绍轻质钢材的定义以及其特点分析。

一、轻质钢材的定义

轻质钢材是指具有较低密度和较高强度的钢材。它主要由低碳钢、合金钢等材料制成,并经过特殊的加工处理,以获得较高的抗拉强度和韧性。与传统的重质钢材相比,轻质钢材的质量更轻,但同时又能够提供足够的承载能力,因此在许多工程应用中得到了广泛应用。

二、轻质钢材的特点

1.质量轻:轻质钢材的密度相对较小,一般为7800-8000kg/m3,远低于混凝土和砖石等传统建筑材料。由于其质量较轻,所以在运输和安装过程中更加方便快捷,可以减少人力和机械的需求,降低施工成本。

2.强度高:轻质钢材具有较高的抗拉强度和抗压强度,可以承受较大的载荷,适合于大跨度建筑的设计和建设。同时,轻质钢材还具有良好的塑性和韧性,可以在受到冲击或振动时保持良好的结构稳定性。

3.可塑性好:轻质钢材可以通过冷弯、热弯、剪切等方式进行成型加工,可以根据需要制作出各种形状和尺寸的构件。此外,轻质钢材还可以通过焊接、螺栓连接等方式与其他钢材或其他材料连接在一起,实现灵活多样的设计和施工方法。

4.环保性强:轻质钢材是一种可回收利用的环保型建材。由于其耐腐蚀性能较好,使用过程中不会产生有害物质,对环境影响小。另外,在拆除和废弃过程中,轻质钢材可以回收再利用,减少了废弃物对环境的影响。

5.经济效益高:轻质钢材的应用不仅可以提高建筑物的安全性和稳定性,还可以缩短工期,降低人工和设备投入,从而带来经济效益。而且,由于其重量轻、强度高等特点,使得建筑空间得到更好的利用,提高了建筑物的实用性和舒适性。

综上所述,轻质钢材作为一种优质的结构材料,具有诸多优势。在大跨度建筑设计和建设中,选择轻质钢材不仅有利于提高建筑的整体质量和安全性能,还能带来经济效益和社会效益。随着技术的进步和市场需求的变化,轻质钢材的开发和应用也将不断推陈出新,成为未来建筑行业的重要发展方向之一。第三部分国内外大跨度建筑用钢材研究现状随着建筑行业的不断发展和科技进步,大跨度建筑结构的需求日益增强。为了满足这种需求,轻质钢材的研究和开发变得至关重要。本文将介绍国内外大跨度建筑用钢材研究的现状。

在国际上,许多国家都在积极开展大跨度建筑用轻质钢材的研发工作。例如,在美国,钢铁研究所(AISI)已经推出了一系列高强度、高韧性、耐腐蚀的大跨度建筑用钢材产品,如屈服强度达到60ksi(414MPa)的HSLA钢和屈服强度超过70ksi(483MPa)的双相钢等。这些新型钢材不仅具有优良的力学性能,而且能够有效减轻建筑物的重量,提高建筑的整体稳定性和抗震性。

在日本,研究人员也在积极研发高性能的大跨度建筑用钢材。他们通过改进冶炼工艺和合金设计,成功研制出屈服强度高达980MPa的Q980系列钢材。此外,日本还发展了一种名为\"SPFH590\"的高强韧冷成型钢板,其屈服强度为590MPa,延伸率为20%,适用于大型桥梁和高层建筑等领域。

欧洲方面,一些知名钢铁企业也致力于开发用于大跨度建筑的轻质钢材。例如,德国蒂森克虏伯公司推出了以X-TEND为代表的一系列产品,这些产品的屈服强度可达到690MPa,并且具有良好的延展性和焊接性,适用于各类复杂的大跨度建筑结构。

在国内,我国的大跨度建筑用钢材研发也取得了显著进展。中国宝武钢铁集团有限公司和鞍钢股份有限公司等国内大型钢铁企业在研发高性能轻质钢材方面取得了突破性成果。例如,中国宝武钢铁集团有限公司推出的\"Q460E-Z35\"型钢材,其屈服强度为460MPa,抗拉强度为590MPa,厚度方向Z向冲击功达35J,是目前我国市场上广泛应用的一种大跨度建筑用钢材。

除此之外,鞍钢股份有限公司也研制出了Q390GJC-Z25和Q420GJC-Z25两种高强厚板,这两种钢材的屈服强度分别为390MPa和420MPa,厚度方向Z向冲击功分别达到了25J和25J,广泛应用于大跨度钢结构和重型机械等领域。

总的来说,国内外对大跨度建筑用轻质钢材的研究都取得了很大的进展,尤其是在高强度、高韧性、耐腐蚀等方面表现出优异的性能。未来,随着科技的发展和市场需求的变化,我们有理由相信,轻质钢材将会在大跨度建筑设计中发挥更大的作用。第四部分轻质钢材开发技术路线探讨随着建筑行业的发展,大跨度建筑结构越来越受到关注。为了满足这种发展趋势,开发适用于大跨度建筑的轻质钢材显得尤为重要。本文主要探讨了轻质钢材开发的技术路线。

一、需求分析与目标设定

在进行轻质钢材开发之前,首先需要对市场需求和使用场景进行深入调研。通过对国内外市场的需求分析,以及对大跨度建筑用钢材的技术要求、性能指标等进行研究,可以明确轻质钢材的目标性能指标。

二、材料研发

1.高强度低合金钢:通过增加碳含量、添加合金元素(如Mn、Si、Cr、Ni等)等方式,提高钢材的屈服强度和抗拉强度,同时保证其良好的塑性和韧性。例如,采用热轧技术生产Q345B或Q460C等高强度低合金钢。

2.纤维增强复合材料(FRP):利用纤维材料(如玻璃纤维、碳纤维等)的高比强度和比模量,将它们与基体树脂结合形成复合材料。通过优化设计和制备工艺,可以实现较高的力学性能和耐久性。如GFRP、CFRP等复合材料。

三、制造工艺

1.冷弯薄壁型钢:冷弯薄壁型钢是一种具有较好经济效益和发展前景的轻质钢材。其特点是截面形状复杂、重量轻、节省材料。通过合理的截面设计和先进的冷弯成型技术,可以实现高性能的轻质钢材。

2.钢筋混凝土组合梁:采用轻质钢材作为受力钢筋,并与混凝土协同工作,可以有效减轻结构自重,提高承载能力。通过合理的设计和施工方法,可以充分发挥材料的优点,实现高效能的大跨度建筑。

四、工程应用及评价

1.结构设计:针对不同的大跨度建筑类型和使用条件,采用有限元分析、弹性力学理论等方法,对轻质钢材结构进行详细的计算和分析,以确保结构的安全可靠。

2.性能测试:通过实验室试验和现场检测,对轻质钢材及其构件进行力学性能、耐腐蚀性、防火性能等方面的测试,以验证其实际性能和适用范围。

3.经济效益评估:对轻质钢材在大跨度建筑中的应用进行经济性分析,包括初始投资、运营成本、使用寿命等方面,以便于进行技术选择和决策。

五、结论

轻质钢材是未来大跨度建筑领域的重要发展方向之一。通过高强第五部分高性能轻质钢材材料设计策略大跨度建筑用轻质钢材开发:高性能轻质钢材材料设计策略

随着现代建筑设计理念和工程技术的发展,大跨度建筑已成为当代城市化进程中的重要组成部分。为了满足这种需求,建筑师们越来越倾向于选择具有高承载能力、优异耐久性和良好经济性的轻质结构材料。因此,高性能轻质钢材的研发成为当前建筑行业的重要研究方向。

高性能轻质钢材材料的设计策略主要包括以下几个方面:

1.**微观组织调控**

钢材的性能与其微观组织密切相关。通过控制冶炼过程中的冷却速度、化学成分等因素,可以优化钢材的晶粒尺寸、形状和分布,从而提高其强度、韧性和抗疲劳性。例如,采用细晶强化技术可以显著提高钢材的屈服强度和极限强度。

2.**合金元素添加**

合金元素可以改变钢材的微观组织,进而影响其性能。例如,添加锰、硅等元素可以提高钢材的强度;而添加镍、钼等元素则可以提高其耐腐蚀性。通过对合金元素的选择和配比进行精细调整,可以实现钢材性能的优化。

3.**微结构工程**

通过引入纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等新型材料,可以在钢基体中形成异质界面,增强材料的力学性能和耐蚀性。此外,还可以利用相变诱导塑性(TRIP)效应、应变诱发马氏体转变(SM)等机制,实现钢材在受力过程中的自适应变形,提高其承载能力和韧性。

4.**表面处理与涂层技术**

为提高钢材的耐腐蚀性和耐火性,通常需要对其表面进行适当的处理。如采用热浸锌、电镀等方式进行防腐处理,或使用防火涂料进行防火保护。这些方法不仅可以提高钢材的使用寿命,还能降低维护成本。

5.**复合材料及连接技术**

通过将轻质钢材与其他高性能材料(如混凝土、玻璃纤维复合材料等)进行组合,可以充分发挥各自的优势,实现整体结构的最优性能。同时,先进的连接技术和焊接工艺也对提高轻质钢材结构的整体稳定性起到了关键作用。

6.**数值模拟与实验验证**

利用有限元分析软件进行结构分析和性能预测,可为高性能轻质钢材的设计提供有力支持。在此基础上,通过实验室试验和实际工程应用,不断优化设计方案,确保轻质钢材的实际性能满足预期要求。

综上所述,高性能轻质钢材材料设计策略涉及多个学科领域的交叉融合,是未来大跨度建筑设计与工程实践中不可或缺的技术支撑。通过不断创新和完善上述策略,我们可以期待更高性能、更环保、更具可持续性的轻质钢结构在未来得到广泛应用。第六部分轻质钢材制造工艺关键技术研究大跨度建筑用轻质钢材制造工艺关键技术研究

随着社会经济的发展和科技进步,现代建筑在追求结构稳定性、安全性的同时,也越来越注重节能与环保。在此背景下,大跨度建筑用轻质钢材的开发成为建筑行业的热门课题之一。

本文主要介绍大跨度建筑用轻质钢材制造工艺的关键技术,并分析其在实际应用中的优势和发展趋势。

1.轻质钢材的研发背景

长期以来,传统的建筑用钢材由于重量重、能耗高、施工难度大等问题,在一定程度上限制了建筑行业的可持续发展。近年来,随着新材料技术和生产工艺的进步,轻质钢材以其优异的性能和广泛的应用前景,逐渐受到行业内的广泛关注。轻质钢材不仅具有较高的强度重量比,而且具有良好的可塑性和加工性,可以有效地降低建筑物的自重,提高建筑的整体稳定性和抗震能力。

2.轻质钢材的主要类型及其特点

目前,市场上常见的轻质钢材主要包括冷弯薄壁型钢、铝合金型钢、镁合金型钢等。

(1)冷弯薄壁型钢:这种类型的轻质钢材通常采用优质热轧带钢或冷轧带钢经过连续冷弯成型制成,具有强度高、截面形状多样、生产成本低等特点。在实际应用中,可根据工程需求灵活选择截面形状和尺寸,以满足不同建筑结构的需求。

(2)铝合金型钢:铝合金型钢由纯铝或铝合金材料经挤压、拉伸等方式制成,具有质量轻、抗腐蚀能力强、易于加工成形等特点。在海洋工程、航空航天等领域有广泛应用。

(3)镁合金型钢:镁合金型钢是近年来新兴的一种轻质钢材,其密度仅为钢铁的1/4左右,且具有高强度、抗冲击韧性好、导电导热性能优越等特点。然而,镁合金型钢的生产成本相对较高,市场推广仍需进一步加强。

3.轻质钢材制造工艺关键技术

轻质钢材制造工艺关键技术包括材料选取、板料预处理、成型工艺、表面防护等环节。

(1)材料选取:合理选择轻质钢材的基础原材料至关重要。目前常用的原材料包括低碳钢、铝、镁及其合金等。根据具体应用场景和技术要求,选择合适的原材料能够确保轻质钢材达到预期的性能指标。

(2)板料预处理:对原材料进行预处理是保证轻质钢材产品质量的重要步骤。这包括酸洗除锈、磷化防锈、热浸锌防腐蚀等过程。通过有效的预处理,可以显著提升轻质钢材的耐腐蚀性和使用寿命。

(3)成型工艺:轻质钢材成型工艺主要有冷弯成型、滚压成型、挤压成型等方法。不同的成型工艺适用于不同类型的轻质钢材生产和加工。优化成型工艺参数,能够有效控制产品的质量和产量,降低生产成本。

(4)表面防护:轻质钢材表面防护主要包括喷漆、电泳涂装、阳极氧化等方法。这些防护措施不仅可以增强轻质钢材的美观度,还能延长其使用寿命,防止腐蚀和磨损。

4.结语

总之,轻质钢材作为新型建筑材料,在大跨度建筑设计中展现出巨大的潜力。通过对轻质钢材制造工艺关键技术的研究和优化,可以有效提高轻质钢材的综合性能,推动建筑行业的绿色、可持续发展。未来,随着科研人员对轻质钢材的深入探索和创新,相信轻质钢材将会有更广泛的应用领域第七部分轻质钢材力学性能评估方法在大跨度建筑领域,轻质钢材因其优异的物理和力学性能、加工便捷性以及良好的经济性和环保性,已经得到了广泛应用。而要保证这些轻质钢材能在实际工程中发挥出预期的功能,对其力学性能进行科学准确的评估显得尤为重要。本文将就轻质钢材力学性能评估方法进行详细介绍。

首先,我们需要了解轻质钢材的基本性质。通常情况下,轻质钢材主要包括低密度高强度钢、铝镁合金、碳纤维增强塑料(CFRP)等材料。其中,低密度高强度钢具有较高的屈服强度和抗拉强度,能够有效地降低结构自重,提高承载能力;铝镁合金则以其优异的耐腐蚀性和优良的可塑性得到广泛使用;而CFRP则凭借其极高的比强度和比模量成为轻量化设计的重要选择之一。

为了对这些轻质钢材进行力学性能评估,我们需要从以下几个方面入手:

1.强度测试

通过拉伸试验、压缩试验等方式,测定轻质钢材的屈服强度、抗拉强度等参数。例如,在对低密度高强度钢进行拉伸试验时,可以通过测量试样在达到屈服点之前的应力-应变曲线来确定其屈服强度和抗拉强度。同样地,对于其他类型的轻质钢材,也可以采用相应的试验方法进行强度测试。

2.刚度测试

刚度是指材料抵抗变形的能力。在对轻质钢材进行刚度测试时,我们可以通过弯曲试验或剪切试验等方法,测定其弹性模量和泊松比等参数。例如,在进行弯曲试验时,我们可以利用测得的挠度和弯矩关系,计算出试样的弹性模量。

3.疲劳性能测试

疲劳性能是评价轻质钢材长期工作可靠性的重要指标。通过对轻质钢材进行疲劳寿命试验,可以评估其在反复荷载作用下的抗疲劳性能。例如,在进行疲劳寿命试验时,我们可以选择适当的加载频率和幅值,使试样经历一定次数的循环加载,然后观察试样的损伤情况,从而评估其疲劳寿命。

4.耐久性测试

耐久性是指轻质钢材在特定环境条件下的稳定性。在对轻质钢材进行耐久性测试时,我们可以通过模拟实际应用中的各种环境条件,如温度、湿度、盐雾、化学侵蚀等,观察试样的性能变化。例如,在进行盐雾试验时,我们可以将试样暴露于含有一定浓度氯化钠溶液的环境中,观察其表面锈蚀程度和机械性能的变化。

5.焊接性能测试

焊接性能是评价轻质钢材能否成功进行焊接加工的关键因素。通过对轻质钢材进行焊接性能测试,可以评估其在焊接过程中的变形、裂纹敏感性等方面的表现。例如,在进行焊接性能测试时,我们可以采用熔焊、电阻焊等多种焊接方法,分析焊接部位的微观组织、硬度分布以及焊接残余应力等情况。

综上所述,通过对轻质钢材的强度测试、刚度测试、疲劳性能测试、耐久性测试以及焊接性能测试等方面的全面评估,可以为大跨度建筑设计和施工提供有力的技术支持。同时,还需要根据具体的工程需求和发展趋势,不断探索和完善相关的评估方法和技术,以确保轻质钢材在大跨度建筑领域的应用效果和安全性能。第八部分大跨度建筑结构应用实例分析随着现代建筑技术的不断进步,大跨度建筑结构在各类公共设施中得到了广泛应用。本文将通过对几个具有代表性的实例进行分析,阐述轻质钢材在大跨度建筑结构中的应用特点和优势。

一、国家体育场(鸟巢)——北京

国家体育场,昵称为“鸟巢”,是2008年北京奥运会的主要比赛场地之一。这座地标性建筑物的设计充分体现了现代建筑技术和艺术美感的完美结合。采用轻质钢材作为主要建筑材料,不仅减轻了整体重量,还实现了独特的空间形态。

二、广州白云国际机场T1航站楼——广州

广州白云国际机场是中国南方重要的航空枢纽,其T1航站楼采用了大面积的预应力混凝土与轻型钢结构相结合的设计方案。通过合理利用轻质钢材,使得整个建筑结构具有更高的稳定性和耐久性,同时大大降低了建筑成本。

三、南京南站——南京

南京南站作为中国高铁网络的重要节点,其设计采用了大跨度钢框架结构。车站主体结构由一系列相互连接的钢拱组成,形成一个宽广而通透的空间。这种结构形式使火车站能够容纳大量的旅客流线,提高了运输效率。

四、北京大兴国际机场——北京

北京大兴国际机场被誉为全球最大的单体航站楼,建筑设计采用双层出发和双层到达的创新布局,最大限度地减少了旅客步行距离。大兴机场采用了大量轻质钢材,包括空心球节点网壳结构等先进工程技术,确保了建筑结构的安全稳定。

五、苏州文化艺术中心——苏州

苏州文化艺术中心是一座集剧院、展览馆、电影院等多种功能于一体的大型文化综合体。设计团队巧妙运用了轻质钢材,并结合周边环境特色,打造了一个富有江南水乡韵味的现代建筑。其大跨度的钢结构不仅美观大方,而且保证了内部空间的宽敞舒适。

六、上海世博园区主题馆——上海

上海世博会期间的主题馆采用了大跨度膜结构与轻质钢结构相结合的设计方式。该建筑以其独特的造型和环保理念赢得了广泛赞誉。轻质钢材的应用使得结构更加轻盈,同时也方便了后期维护和拆卸。

七、杭州奥体博览城主体育场——杭州

杭州奥体博览城主体育场是一个拥有8万个座位的大型体育场馆,外形酷似一朵盛开的白莲花。为实现这一设计理念,设计师选用了轻质钢材作为主体结构材料。通过精心的构造和装配,成功塑造了一座极具视觉冲击力的现代体育建筑。

总结:

以上七个案例展示了轻质钢材在大跨度建筑结构中的广泛应用及其所带来的诸多优点。这些实例表明,轻质钢材可以有效满足建筑结构的安全要求,同时具有良好的经济效益和社会效益。随着科技的进步和设计理念的发展,未来轻质钢材在大跨度建筑领域的应用前景将更加广阔。第九部分轻质钢材经济效益与环保效益评估随着科技的发展和人们生活水平的提高,大跨度建筑越来越受到人们的青睐。在大跨度建筑中,轻质钢材是其中一种常用的建筑材料。轻质钢材具有重量轻、强度高、施工方便等优点,受到了广泛的应用。但是,由于其材料特性,在使用过程中会产生一些环境问题。因此,对轻质钢材进行经济效益与环保效益评估是非常必要的。

一、经济效益评估

1.初期投资成本:轻质钢材作为一种新型建筑材料,相对于传统混凝土结构来说,其初期投资成本较高。这是因为轻质钢材需要专门的生产设备和技术支持,而且生产工艺相对复杂,因此其价格相对较高。

2.施工周期短:轻质钢材具有重量轻、强度高的特点,使得其在施工过程中可以大大缩短施工周期,从而节省了大量的时间成本。此外,轻质钢材还可以通过工厂化生产,减少了现场施工的工作量和人工成本。

3.运营维护费用低:轻质钢材具有良好的防腐蚀性能和抗疲劳性能,能够减少建筑物的运营维护费用,提高了建筑物的使用寿命。

二、环保效益评估

1.节能减排:轻质钢材相比于传统混凝土结构,其制造过程中的能耗较低,同时轻质钢材的可回收率非常高,能够实现资源的循环利用,有助于降低环境污染。

2.环境友好:轻质钢材在生产过程中产生的废弃物较少,不会对环境造成太大的污染。同时,轻质钢材在施工过程中也能够避免产生大量的尘土和噪音污染,有利于保护周边环境。

三、案例分析

以某大型体育馆为例,该体育馆采用了轻质钢材作为主要建筑材料。从经济效益方面来看,虽然轻质钢材的初期投资成本较高,但由于其施工周期短、运营维护费用低,总体上经济性较好。从环保效益方面来看,轻质钢材的节能减排效果明显,有助于降低建筑物对环境的影响。

结论:

通过对轻质钢材的经济效益与环保效益评估,可以看出轻

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