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22優化設計節省材料的有效措施 -2016.6

發布時間:2016-06-27


優化設計節省材料的有效措施

合理的結構設計應是在滿足規范要求和足夠安全的前提下,最大限度地節約材料和造價,實現建筑真正的綠色和環保。

當前主要的問題是當前普遍應用的軟件中對很多問題的處理存在不全面、粗放的狀況,我們首先從幾個方面詳細梳理了現軟件存在的問題,這些問題將直接導致結構鋼筋、混凝土等材料的浪費和造價的增加。

6.1  當前軟件主要問題

1. 計算模型落后甚至不正確的若干方面

1)基礎筏板、樁筏或樁承臺有限元計算常給出配筋異常大的結果;

2樓板按照單房間的導致支座鋼筋偏大;

3基礎沖切計算流程錯誤導致筏板承臺厚度過大;

4承臺獨基與地基梁的重復計算造成重復布置

2. 采用的算法不完全滿足規范要求的若干方面

1剪力墻邊緣構件配筋的單肢分段式配筋方式配筋過大或不夠;

2柱剪跨比按簡化計算方法常導致短柱過多超限過多;

3型鋼混凝土柱的配筋按不同規程才可優化

3. 采用的過于簡化的計算模型的若干方面

1對彈性時程分析結果等需地震放大情況只能作全樓統一的地震作用放大;

2對活荷載的折減系數、重力荷載代表值系數只能設置全樓統一的數值;

3施工模擬計算不能勝任目前多種工程需要;

4轉換梁按照梁桿件計算模型導致易發生抗剪抗彎超限;

5地下室外墻的計算模型不合理導致地下室外墻過大的配筋設計;

6基礎考慮上部樓層剛度的計算不全面;

4. 設計觀念已經落后的若干方面

設計梁時應考慮板的共同作用從而減少梁的配筋。

5. 計算模型粗放忽略了結構有利要素的若干方面

1地下1層以下地下室的不需按抗震設計;

2梁配筋計算沒有考慮支承梁的柱的寬度影響;

3應正確區分框架梁與非框架梁;

6. 涉及優化的關鍵環節缺失的若干方面

1基礎承載力驗算;

2基礎沖切計算;

3柱對筏板的沖跨比計算;

4柱剪跨比;

5防水板和樁的抗浮計算

7. 不開放接口的封閉觀念

綜上所述,針對以上問題逐個解決,就可開發出優化設計、有效地節省材料和造價的結構設計軟件系統,從而進一步實現綠色建筑目標。

下面按照構件類型闡述YJK的優化設計方案

6.2  基礎設計

筏板、樁筏、獨基和樁承臺是最普遍應用的基礎形式,多高層下的基礎厚重、混凝土和鋼筋用量都很大。目前的基礎設計軟件功能常不能滿足設計的要求,表現為計算不穩定、常出現異常大或小的不正常結果、計算模型粗糙、容量有限、計算原理沒有交代、不能提供計算過程的計算書等。目前只有很少工程是根據權威有經驗專家的設計,大多數依賴軟件計算結果設計,突出的問題是不必要的浪費很多。

對基礎配筋量影響較大的是有限元計算的質量,對基礎厚度和混凝土用量影響較大的是基礎的沖切抗剪計算,而恰恰在這兩方面傳統軟件存在較多較大的問題。

1. YJK提供基礎高質量的有限元計算

傳統軟件有限元常出現異常結果,比如相鄰單元之間的彎矩差別很大。這是因為它的計算容量小,題目稍大就計算不過;計算模型粗糙,采用2米計算單元;單元劃分質量差,常出現異常形狀的三角形單元等,畸形單元常是造成配筋突然增大異常的原因。

YJK采用和上部結構統一的先進有限元技術,自動劃分單元質量高,求解快容量不再受限,大量工程實踐沒有出現過異?,F象。另外柱墻作用在基礎筏板上時考慮柱寬、墻寬的荷載作用范圍和擴散面,將集中力分散作用在筏板上,可有效避免應力集中。

這些措施下經過對比,可有效減少筏板、樁筏、承臺等基礎的配筋量。

2. 計算結果便于用戶調整薄弱環節

傳統軟件有限元計算結果輸出很亂,看不出受力大小的分布,找不到彎矩和配筋的分布狀況,只能得到最終的基礎配筋量。

YJK采用數值和等值線相結合的結果表達,受力大小的分布及薄弱環節非常明顯,因此用戶可方便地加強薄弱環節,減少整體材料用量。

3. 提供多種參數調整計算方案

上部結構剛度、基礎剛度等對基礎計算結果影響較大,正確考慮上部結構剛度可使筏板、樁筏等基礎較少相對變形和受力,對配筋結果影響較大。

YJK提供倒樓蓋法、彈性地基梁板法、是否考慮上部結構剛度的計算選項?;A上的剪力墻剛度對基礎影響較大,軟件可按照一定高度的深梁或剛性約束來模擬剪力墻。對于樁土剛度,軟件既可根據地質資料自動計算,又可直接輸入樁土剛度。

用戶根據實際工程狀況可靈活運用這些參數,就可以得到合理的計算結果。

4. 通過減少筏板通長鋼筋比例減少總的配筋量

筏板底部鋼筋由通長鋼筋和局部加強筋組成,合理計算后的配筋等直線圖可看出較大配筋只集中在少數局部,而筏板絕大部分區域計算配筋較少。

軟件設置局部補強菜單,指導用戶對于局部較大的計算配筋處補強,軟件可自動對補強區之外的筏板按照剩余部分最大值重新選配筏板通長鋼筋,因此合理的補強區設置可以大大減少通長筋的數量,從而減少總的鋼筋數量。另外用戶還可把參數:筏板通長鋼筋占最大配筋計算結果的百分比減小,以減少通長鋼筋用量,從而有效節約配筋。

5. 筏板配筋可選用不同直徑搭配的配置方式

筏板鋼筋直徑一般較大,選用同一種直徑鋼筋常會造成實配的鋼筋面積比計算結果的鋼筋面積增大很多。YJK在自動進行筏板鋼筋選配時可進行兩種直徑的隔一布一方式,這種方式更接近于計算結果,避免不必要的浪費。

6. 合理的沖切抗剪計算

傳統軟件對基礎的沖切抗剪計算問題很多,如內筒沖剪計算時筒底反力按照整個基礎的平均值取用,取值過小,常造成筏板厚度大很多。又如柱墻對筏板及承臺的沖切計算時也是對土反力取平均值(偏?。?,特別是不能考慮沖切破壞椎體下樁的反力,也常造成筏板厚度過大。樁沖切計算時不能按樁實際受力值,而是按照樁承載力取值(過大),造成基礎厚度過大。傳統軟件沖切抗剪計算是個黑匣子,從計算結果輸出中找不到完整的過程。

YJK對樁土反力按照有限元計算結果取用,對柱墻沖切角范圍下的樁自動找出并取其反力值,對互相連接的柱墻按照合并的組合截面計算,符合實際受力狀況。特別是通過柱對樁沖跨比的準確計算和表達,提示用戶在樁的布置上不應造成沖跨比小、抗沖切力小的的狀況,從而通過這樣簡單措施就可優化設計。YJK提供詳細的沖切抗剪計算書,注明計算公式和每一個中間變量值。因此使用YJK軟件可比傳統軟件減少基礎厚度很多。

7. 承臺獨基與地基梁的協同計算

承臺樁基或獨立基礎是在柱下、墻下單獨布置的基礎,在工程實踐中用戶常把它們和地基梁布置在一起,這兩類基礎應能共同承擔上部荷載而協同工作。但是現軟件不能將這兩類基礎協同計算,只能分別計算。比如柱下獨立基礎單獨承擔柱傳來的上部荷載,與它相連的地基梁也是單獨承擔柱傳來的上部荷載,這種重復計算造成了獨立基礎和地基梁的截面尺寸都很大,完全是不必要的浪費。

YJK建立全新的基礎計算流程框圖,確保不同類別基礎協同工作,需要做到不同類別基礎按固定次序計算,如拉梁獨基、防水板承臺;不同類別基礎等協調計算,如獨基地基梁、承臺地基梁;不同計算內容順序進行:有限元承載力沖切抗剪配筋沉降。

6.3  地下室設計

1. 合理降低地下室嵌固層以下的抗震等級

《抗規》第6.1.33指出,地下室1層以下不要求計算地震作用,地下一層以下抗震構造措施的抗震等級可逐層降低一級,但不應低于四級。

傳統軟件對地下室1層以下仍按照上部結構相同的抗震等級設計,即仍按照和上部結構相同的抗震要求進行設計,這樣做將造成比較大的浪費,除非設計人員進行了修改。

YJK僅對地下室1層采用和上部結構相同的抗震等級,而對地下室層以下各層的抗震等級都設置為4,對地下一層以下抗震構造措施的抗震等級逐層降低一級,但不低于四級。這樣做滿足了規范的要求,又十分經濟合理。

2. 對地下室外墻的抗剪與施工縫驗算按全長設計,避免計算誤報告不滿足要求

傳統軟件在進行地下室外墻的抗剪與施工縫驗算時是按照逐段的小片墻、即按節點之間的進行正截面、抗剪、施工縫的計算的,常出現同一直線上的不同墻段有的滿足要求、而有的不滿足要求的情況,這樣的結果不太可能發生,因為位于同一直線的長的地下室外墻的抗剪與施工縫是同時發生的。

YJK軟件是這樣處理的:抗剪與施工縫驗算按墻的全長計算,程序自動搜索相連的直墻段,按直墻段總長進行設計,內力取疊加后的總內力;施工縫驗算時,配筋面積取各墻柱配筋面積之和。

這樣的計算是合理的,避免計算錯誤報告不滿足要求,避免加大設計截面造成的不必要的支出。

3. 對地下室外墻的設計采用了精確合理的方案,避免了地下室外墻過大的配筋設計

地下室外墻承受較大的水土壓力,有時還要承擔人防荷載,這些都是墻的面外荷載。由于傳統軟件有限元計算時不能計算剪力墻承受面外荷載的情況,它對地下室外墻承受面外荷載的工況采用了另外的簡化模型計算,即將每層外墻按照豎向1米條帶、兩端支撐在樓板上的單跨模型計算。這種方法由于不能考慮豎向各層連續的因素、將墻的周邊支撐簡化為上下兩端支撐等,常造成地下室外墻配筋過大。

YJK的有限元計算可以計算剪力墻承受面外荷載的情況,對承受面外荷載的墻給出墻的面外彎矩和配筋。由于整體有限元計算是按照各層連續、墻周邊彈性支撐的精確模型完成的,配筋符合實際情況,可避免出現地下室外墻配筋過大的異?,F象。經大量工程對比,這種計算方案可減少地下室外墻計算配筋20%-60%。

6.4 

1. 正確區分框架梁與非框架梁

框架梁需要按照抗震要求設計,對于非框架梁如果也按照抗震要求設計,則是不必要的浪費。軟件對于搭接在框架梁上的次梁,自動設置為抗震等級等于5,即按照非抗震設計。

在框剪結構和剪力墻結構中,存在大量搭接在剪力墻上的梁。傳統軟件將這類梁也按照框架梁設計,但是實踐中大多數設計單位認為這些梁可以按照非框架梁設計。如果用戶認識到這點,則須花費大量人力去人工修改,但更多的單位認識不到或工期緊來不及做這些修改,造成大量不必要的浪費。

YJK設置了參數:與剪力墻相連的梁按照非框架梁設計。勾選此項后軟件自動將這類梁按照非框架梁設計。

如下圖某井字梁在遠端搭在墻上,如果設置框架梁抗震等級為1級,則該井字梁按照現有軟件也判斷為1級,勢必造成較大浪費。在YJK可自動判斷為非抗震梁。

2. 矩形混凝土梁按考慮樓板翼緣的T型梁配筋

梁在建模和計算中一般都是按照矩形梁,但是混凝土樓板和梁是現澆在一起的,混凝土樓板可形成梁的翼緣,使梁可按照T型梁設計,這樣可使梁的下部配筋減少。從框架梁的抗震要求來看,減少梁的配筋更利于結構強柱弱梁的設計要求?;炷烈幏?/span>5.2.4指出:宜考慮樓板作為翼緣對梁剛度和承載力的影響。

傳統軟件只在整體計算時考慮了梁的剛度放大系數,但在梁的截面配筋設計時仍按照矩形梁配筋。

YJK設置了參數:矩形混凝土梁按考慮樓板翼緣的T型梁配筋。一般這樣設計可減少梁下部鋼筋幾個百分點。軟件自動考慮的翼緣寬度是梁每側3倍翼緣厚度。

3. 梁配筋計算可考慮支承梁的柱的寬度影響

梁在結構計算中按照梁的全長考慮,即梁兩端支座的中到中的長度。梁的彎矩圖或彎矩包絡圖從兩端到跨中一般變化梯度較大,特別是支座處的彎矩變化梯度最大。由于支承梁的柱的截面尺寸一般都比較大,柱形心處的彎矩最大,靠近柱邊處的彎矩將會減少很多。顯然梁配筋時采用柱邊處的彎矩是非常經濟合理的,可以有效地、較大幅度地減少梁的配筋。

但傳統軟件在梁配筋計算沒有考慮支承梁的柱的寬度影響,只能按照柱形心位置配筋,造成配筋不必要的過大。

軟件設置了參數:梁端內力取值位置(0—1);0即為柱的中心,1即為柱邊。如果填0.8就相當于采用0.8倍柱寬處的內力來配筋。

4. 樓板較厚時對梁的設計要考慮梁板共同工作

結構計算時對樓板較厚(如大于150mm時)的板應將其設置為彈性板3(厚板單元)或者彈性板6(殼元)計算,這是梁板共同工作的計算模型,可使梁上荷載由板和梁共同承擔,從而減少梁的受力和配筋。既節約了材料,又實現強柱弱梁改善了結構抗震性能。對于地下室頂板、轉換層、加強層或承受人防荷載、消防車荷載等情況更需這樣設置。

如圖所示工程地下1層頂板承受消防車荷載等樓板250mm厚,以前按剛性板計算梁的超筋及抗扭超限很多,現改為按照彈性板6計算,舊、新算法結果對比如下:

傅學怡《實用高層建筑結構設計》14不考慮實際現澆鋼筋混凝土結構中梁、板互相作用的計算模式,其弊端主要有: 1)對于單獨計算的板,由于忽略支座梁剛度的影響,無法正確反映板塊內力的走向,容易留下安全隱患。2)對于梁,由于忽略樓板的翼緣作用,重力荷載下往往高估梁端截面彎矩,其結果不僅僅是造成材料的浪費,更重要的是過高的框架梁支座截面受彎承載力使得水平荷載下梁端形成延性結構的可能性大為減小。

考慮樓板翼緣的作用,可實現強梁弱柱的設計效果,有利于抗震,同時明顯降低造價。

另一方面,對按照彈性板3或彈性板6計算的樓板,應在樓板計算時考慮梁的彈性變形。

5. 考慮彈性板和梁之間的豎向偏心

對于彈性板和梁之間的連接計算,也可以考慮彈性板和梁之間的豎向偏心。YJK設置參數:彈性板與梁協調時考慮梁向下相對偏移,勾選此參數后,在計算簡圖的彈性板單元和梁單元之間也畫出紅色短線示意它們之間的豎向偏心。

上圖為是否考慮梁和彈性板之間的偏心的計算模型對比。

右側的計算模型抗彎承載力顯然比左側的模型大很多,此時樓板對梁的幫助更大,大量工程實例表明,右側計算模型可使梁的支座彎矩和配筋明顯減少。

傅學怡《實用高層建筑結構設計》14介紹了他們作的重力荷載下鋼筋混凝土整澆樓蓋工作性能課題的研究成果,其中特別用實體單元模擬梁、板、柱計算,就是為了表現板和梁實際的位置關系。課題主要結論是:這種計算模型下,梁支座彎矩大幅下降,且存在較大軸壓力,可按偏心受壓配筋,配筋可大幅度下降(折減系數50-70%),這不僅節省鋼筋,還利于梁端塑性鉸的形成。梁跨中受拉,按偏心受拉配筋,配筋量稍?。?/span>80-90%。

當用戶在使用YJK中考慮彈性板和梁之間的豎向偏心時,軟件對梁的設計可自動考慮梁的拉壓軸力狀況,并按拉彎或者壓彎構件計算梁的配筋。這種情況下,用戶設置的梁的剛度放大系數將不再起作用(按1計算)。同時,彈性樓板的配筋不僅考慮彎矩的作用,還考慮板單元受到的拉力或壓力的作用,按拉彎或者壓彎構件計算板的配筋。

6. 0.2V0調整時梁端M、V可不隨柱剪力調整增大

廣東省高規DBJ15-92-20138.1.4條和第9.1.10條:各層框架所承擔的地震總剪力按本條第一款調整后,應按調整前、后總剪力的比值調整每根框架柱的剪力及端部彎矩,框架柱的軸力及與之相連的框架梁端彎矩、剪力可不調整。

傅學怡《實用高層建筑結構設計》第3章:小震作用下的鋼筋混凝土框架-剪力墻結構柱剪力調整十分必要,不必調整相連框架梁梁端彎矩、剪力,以利于框架梁先屈服發揮延性,以利于相對強化框架柱。,在其分析中說明:框架柱配筋一般由抗震構造控制,柱的剪力調整后它的實際配筋一般未能得到調整增大,柱的承載能力未能得到有效提高。而框架梁純彎,梁端彎矩調整將使梁的配筋成比例增大,導致梁的承載能力明顯提高,實際結構向強梁弱柱發展,不利于強柱弱梁的實際抗震。

YJK0.2V0調整段設置參數:與柱相連的框架梁端M、V不調整。

7. 設置地震內力按全樓彈性板6計算選項

在計算參數的控制信息中設置參數:地震內力按全樓彈性板6計算。

用戶對恒活風等荷載工況計算時,對樓板習慣于按照剛性板、彈性膜的模型計算,這種模型不考慮樓板的抗彎承載能力,由梁承擔全部荷載內力,此時的樓板成為一種承載力的安全儲備。但是從抗震設計強柱弱梁的要求考慮,常造成梁的配筋過大的不好的效果。

勾選此參數則軟件僅對地震作用的內力按照全樓彈性板6計算,這樣地震計算時讓樓板和梁共同抵抗地震作用,可以大幅度降低地震作用下梁支座彎矩,從而可明顯降低梁的支座部分的用鋼量。

由于對其他荷載工況仍按照以前習慣的設置,保持恒活風等其他荷載工況的計算結果不變,這樣做既沒有降低結構的安全儲備,又實現強柱弱梁、減少梁的鋼筋用量的效果。

因此,這也是一項有效的設計優化的措施。

勾選此參數后,除了地震作用內力計算外,其他計算內容均按照用戶當前設置的樓板模型計算。對地震內力計算,軟件另外取用全樓所有樓板設置為彈性板6的模型,并考慮了彈性板與梁協調時梁向下相對偏移的影響。

8. 轉換梁按照新的計算模型減少抗剪抗彎超限

傳統軟件用梁單元計算轉換梁,計算中以梁的形心位置和上邊承托的剪力墻協調工作,不能真實反映轉換梁的剛度,造成轉換梁容易抗剪抗彎超限。因此這樣的計算模型亟待改進,以減少抗剪抗彎超限現象的出現。

YJK對轉換梁采用殼元模型計算,自動進行單元劃分,使細分的單元和上部承托的剪力墻單元保持協調,這種計算模型和實際模型接近,可充分發揮轉換梁的剛度作用,從而減少抗剪抗彎超限現象的出現。

下圖為典型轉換梁例,分別按照SATWE梁單元、YJKANSYS的殼單元計算結果對比,可以看出YJKANSYS相同,SATWE的跨中彎矩比YJK大將近一倍,YJK支座彎矩比SATWE大,但可考慮轉換柱支座寬度的影響,實配負筋不大。

 

大量實例對比可以看出,由于YJK的計算模型合理,計算出的轉換梁的彎矩和剪力都比傳統軟件低很多,抗彎抗剪超限的現象大大減少。

9. 通過對梁或樓板加腋的方法避免設計超限

YJK提供方便的菜單對梁端設置加腋,既可在梁端下部設置加腋,又可在梁側設置單側或雙側的水平加腋,設置加腋可成正比的提高梁的抗剪承載力,當梁抗剪超限時通過這種局部的加強避免對梁的全長截面放大。

YJK提供對樓板的加腋功能,通過局部的加厚避免了超限,避免對全跨樓板整個加厚造成的浪費。

6.5 

1. 邊框柱

傳統軟件將邊框柱和其所連的剪力墻分別配筋,并將二者配筋相加作為最終邊緣構件的配筋。這樣的計算方法常使帶邊框柱邊緣構件的配筋量很大。

實際上邊框柱和剪力墻現澆在一起協同工作,將邊框柱和其所連的剪力墻二者配筋相加沒有根據,而應該按照柱和剪力墻合并的組合墻截面進行配筋。

YJK設置參數:墻柱配筋設計考慮端柱。大多數工程表明,這樣的設計可使帶邊框柱的邊緣構件配筋大大減少。

圖示某7.5度、三類場地土設防項目,審圖要求解決剪力墻邊緣構件超限過多問題,用YJK的自動組合墻配筋計算后,邊緣構件配筋對比見圖右,白色數字為傳統軟件邊緣構件計算結果,整個結構剪力墻邊緣構件配筋降低15%,沒有做結構本身的修改就通過了審圖審查。

YJK還改進了力學有限元計算中帶邊框柱剪力墻的算法,結構模型中邊框柱為桿單元,剪力墻為殼單元,柱墻之間設置單元劃分的若干點協調連接。由于傳統使用的殼單元在平面內彎曲剛度偏弱,常造成邊框柱受力過大、突變等奇異現象,造成邊框柱配筋過大。

YJK提供新的膜單元NQ6Star,解決了統殼單元在平面內彎曲剛度偏弱的問題,對邊框柱與剪力墻的協調性好,在二者的協同中可使剪力墻承擔更多的受力,??杀苊膺吙蛑浣钸^大。

如上圖,使用傳統的經典膜元某帶躍層的帶邊框柱剪力墻抗剪超限,改為使用改進膜元NQ6star后不再超限。對比X地震下邊框柱和剪力墻的剪力,可以看出經典膜元邊框柱有剪力突變的異?,F象,導致與它相連的剪力墻的剪力過大。改進膜元邊框柱受剪力上下均勻,相鄰剪力墻剪力正常不再超限。

2. 型鋼混凝土柱

設計型鋼混凝土柱時可采用目前發布的兩種規程:《型鋼混凝土組合結構技術規程》(JGJ 138-2001) 和《鋼骨混凝土結構技術規程》(YB 9082-2006) 。截面配筋設計時,前者只考慮本方向工型鋼,忽略另一方向工字鋼,后者則每個方向都考慮全部工型鋼作用。因此使用后者??梢暂^大幅度的減少型鋼混凝土柱的配筋量。

傳統軟件只能按照前者的規程計算,沒有按照后者規程計算的功能。

YJK對兩種規程都可以計算,提供設置參數,可以由用戶選擇按照哪一本規程計算。

3. 提供柱剪跨比的通用計算方法

柱的剪跨比是柱設計中的重要指標,規范對剪跨比小于2或小于1.5的柱判斷為短柱,對短柱的要求比一般柱嚴格得多。

規范對柱的剪跨比計算規定的通用計算方法是M/Vh0);簡化計算方法為 Hn/2h0),但規定簡化計算方法只能用在框架結構中,且柱的反彎點在柱層高范圍內時。從兩種算法的公式可看出,同樣的柱用簡化算法的剪跨比值總是比通用算法小。

傳統軟件只提供柱剪跨比的簡化算法,首先這種應用超出了框架結構的范圍,再者實際工程中柱反彎點在柱中情況很少,因此大量按照通用算法算的柱的剪跨比并不屬于短柱的結構,按照簡化算法卻屬于短柱。這樣的結果常導致在高層建筑中出現大批超限的柱,其實按照規范的通用算法它們中的大部分并不超限,這種粗略算法的結果只能通過加大柱截面尺寸來解決,造成完全不必要的浪費。

對鋼筋混凝土柱提供剪跨比的通用計算方法M/Vh0,可有效避免簡化算法時大量柱超限的不正?,F象。

YJK除了在柱配筋文件輸出剪跨比外,還設置專門的柱剪跨比計算簡圖。

上圖為某工程按照柱剪跨比的兩種算法的對比。

4. 增加鋼管混凝土疊合柱設計

鋼管混凝土疊合柱就是由截面中部鋼管混凝土和鋼管外鋼筋混凝土疊合而成的柱,并在柱截面定義中輸入鋼管內和鋼管不同的混凝土強度等級,這種柱常用于軸壓比不滿足要求而不能采用更大的截面尺寸時。

2013年發布的上海市《建筑抗震設計規程》2013)提到:當軸壓比不滿足表6.3.6的規定而不能采用更大截面尺寸的柱時,。。??刹捎娩摴芘c混凝土雙重組合柱,其軸壓比按公式α=N-N鋼管混凝土/Acfc計算,N鋼管混凝土按鋼管混凝土規范計算。

建模時對疊合柱可選擇按圓形勁性混凝土柱類型定義,并在構件的材料修改菜單中補充輸入2種混凝土強度等級,在構件材料修改對話框中特別增加了提示對于疊合柱,以/分隔內外混凝土標號,/前為外側混凝土。

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軟件根據《鋼管混凝土疊合柱設計規程》編制,其中,

疊合柱中鋼管混凝土承受的軸壓力設計值:

       Ncc=NEccAcc1+1.8Θ/[EcoAco+EccAcc1+1.8 Θ]

疊合柱中鋼管外混凝土承受的軸壓力設計值:

       Nco=N-Ncc

鋼管外鋼筋混凝土的軸壓比限值:

       n=Nco/fcoAco

 

6.6  剪力墻

1. 自動按照組合墻配筋

剪力墻邊緣構件配筋是剪力墻配筋量的主要組成部分。剪力墻是多個墻肢相連組合工作的,《抗規》6.2.13條和《砼規》9.4.3條都指出:抗震墻應計入腹板和翼墻共同工作、剪力墻承載力計算中可考慮翼緣等。說明規范要求按照墻肢相連的組合截面計算。

但是軟件計算剪力墻的配筋時是按照每個單肢墻的一字墻分別計算,然后把相交各墻肢的配筋結果疊加作為邊緣構件配筋,雖然這種配筋方式編程簡單,但是一方面多數情況下配筋結果偏大,另一方面正如許多權威專家多次指出的:有時配筋不夠不安全。

特別對于帶邊框柱剪力墻,現軟件是將柱配筋和與柱相連的墻肢配筋相加作為邊緣構件配筋,常導致配筋大得排布不下,這完全是計算模型不合理導致的錯誤結果。

自動按照組合截面的配筋計算方法才是正確的計算方法。

YJK設置參數選項:墻柱配筋設計考慮翼緣墻。這種方式下軟件的剪力墻配筋計算的模式是:

每一墻肢計算時自動考慮墻肢兩端的部分翼緣共同工作的組合墻配筋,在每一側取的翼緣伸出部分不大于4倍墻厚且不大于腹板長度的一半。當組合墻的翼緣是墻肢的全截面時,軟件按照雙偏壓方式計算配筋,雙偏壓方式屬于剪力墻準確計算的理論解結果;當組合墻的翼緣是墻肢的部分截面時,軟件按照不對稱配筋方式計算配筋,因為此時如果按照對稱配筋計算結果將偏大。

組合墻的計算內力是將各段內力向組合截面形心換算得到的組合內力,如果端節點布置了邊框柱,則組合內力將包含該柱內力。

大量工程實例計算對比表明,對于一般抗震設防的剪力墻結構,采用YJK新的配筋方式,對于邊緣構件配筋,雖然有的地方增加,但總的配筋量可減少5%-15%。

2. 按照組合截面計算剪力墻的軸壓比

當剪力墻的軸壓比超限時,常需要加大墻的截面尺寸或強度。傳統軟件對于剪力墻軸壓比的計算,也是按照單獨墻肢分別計算的,常有互相連接的墻肢有的軸壓比相差較大,有的超限,有的不超限,這與實際不符。

YJK按照剪力墻的組合截面計算剪力墻的軸壓比,和組合截面配筋相似,計算每一墻肢的軸壓比時,軟件自動考慮其兩端的部分翼緣。這樣的方法有效避免了相鄰墻肢之間軸壓比相差過大的現象。

大量工程實例計算對比表明,采用YJK新的組合截面軸壓比計算方式后,剪力墻軸壓比超限的大大減少。

3. 可使墻水平分布筋參與邊緣構件的配箍

《高規》第7215明確提出約束邊緣構件可以考慮墻水平分布筋:箍筋體積配箍率,可計入箍筋、拉筋以及符合構造要求的水平分布鋼筋,計入的水平分布鋼筋的體積配箍率不應大于總體積配箍率的30%。

YJK在剪力墻施工圖軟件中,可通過參數使約束邊緣構件和構造邊緣構件均可以考慮墻水平分布筋,軟件根據國標圖集11G101-1給出了剪力墻水平分布筋計入約束邊緣構件體積配箍率的做法,要求保證至少每隔一個是采用封閉箍筋,也就是說即使墻身間距和邊緣構件箍筋間距相同,也只是每隔一個用墻水平筋替代部分箍筋。

這種措施一般可減少邊緣構件箍筋用量20% 。

4. 對短墻肢自動單元加密計算

YJK對于水平向只劃分了1個單元的較短墻肢,自動增加到2個單元,以避免短墻肢計算異常。因為有限元計算時對于水平向只劃分了1個單元的較短墻肢計算誤差很大,常使算出的內力過大或過小。

5. 對短肢剪力墻的判斷按考慮墻厚和偏心的全長

YJK對短肢剪力墻的判斷按考慮墻厚和偏心的全長。以前軟件只能按墻所在的軸線長度判斷是否屬于短肢剪力墻,如下圖某200厚墻肢按墻所在軸線長1550判斷,長厚比小于8屬于短肢剪力墻,但是其相交另一墻厚200,按墻肢全長1650判斷長厚比大于8,就不屬于短肢剪力墻。

因此,按照考慮墻厚和偏心的全長進行短肢剪力墻的判斷可避免誤判為短肢墻造成的配筋過大現象。

6將剪力墻分解為墻身和邊緣構件的配筋方式

以前軟件主要問題是:軟件給出的剪力墻邊緣構件(含約束邊緣構件和構造邊緣構件)中的配筋結果和實際施工圖有較大差別,其主要原因是配筋計算中假定的邊緣構件形狀、尺寸等與施工圖不符。

解決辦法是按實際圖紙建立分析模型,做到計算模型與實際結構的尺寸參數一致。

在計算參數的構件設計信息頁下,設置了參數按邊緣構件輪廓配筋,勾選該選項后,軟件按照把剪力墻分解為墻身和邊緣構件的配筋方式計算配筋。

將剪力墻分解為墻身和邊緣構件的配筋方式的描述如下:

在軟件自動生成邊緣構件以后,將剪力墻進一步分解為墻身和邊緣構件兩部分,即將各剪力墻肢的內力(M、V、N)分解到墻身和邊緣構件上。然后根據剪力墻身分配的M、N、V計算墻的橫向和豎向分布鋼筋,根據邊緣構件分配的Mx、My、Vx、Vy、N,按照異形柱的配筋方式計算邊緣構件的鋼筋,對邊緣構件按照異形柱的要求驗算軸壓比。

大量計算實例表明,這種方式的邊緣構件的計算結果和組合墻方式的結果接近,且當組合墻的配筋結果比分段式小時,這種方式可能更小些,當組合墻的配筋結果比分段式大時,這種方式可能更大些。因此這種方式的配筋計算結果更加經濟合理。

6.7  剪力墻連梁

剪力墻連梁設計時,有兩個常見問題:

連梁的建模方式有兩種:墻上開洞方式和普通梁輸入方式,在跨高比較小時,兩種方式計算結果差距較大;且按普通梁方式輸入有時并不合理;

連梁易發生超限。

YJK的改進方面是:

1. 對普通梁方式輸入的跨高比較小的連梁自動按照殼元計算

廣東高規5.1.4:連梁可用桿單元或殼單元模擬,當連梁的跨高比小于2時,宜用殼單元模擬。

軟件普通梁方式輸入的連梁,程序將跨高比較小的梁自動劃分單元并按照殼元計算。這種處理方式保證了兩種輸入方式計算結果的一致性。

C:\DOCUME~1\陳岱林\LOCALS~1\Temp\SNAGHTML1a53fa9.PNG

可在計算參數連梁按墻元計算控制跨高比中,控制普通梁連梁轉為殼元計算的高跨比,軟件隱含值為4。

2. 可對連梁按分縫連梁或者配置交叉斜筋設計

《抗震規范》6.4.7 跨高比較小的高連梁,可設水平縫形成雙連梁、多連梁或采取其它加強受剪承載力的構造。

設置連梁分縫是解決連梁超限的最有效措施。

《混凝土規范》11.7.10 對于一、二級抗震等級的連梁,當跨高比不大于2.5時,除普通箍筋外,宜另配置斜向交叉鋼筋。

這種配筋方式較普通方式大幅提高了連梁的抗剪能力,從而有效的減少超筋現象。

軟件在計算前處理的特殊墻下設置了連梁分縫、交叉配筋、對角暗撐、對角斜筋菜單。

3連梁抗剪超限時可按鋼板連梁設計

軟件設置了鋼板砼連梁的設計功能,支持按桿單元輸入及開洞方式形成的連梁。當連梁抗剪超限時,將其設置成鋼板連梁??杀苊獬?。

需要在前處理定義并輸入鋼板砼連梁的相關參數,主要是鋼板厚度和鋼板高度。按照《高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規程》CECS 230:2008的相關規定,鋼板高度不宜超過連梁高度的0.7倍,軟件在此處不做判斷,需要用戶自行確定所輸入的鋼板高度的合理性。

對于定義成鋼板砼連梁的梁,軟件按《高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規程》CECS 230:20086.5節的相關規定進行設計,并在構件屬性中提示鋼板砼連梁。

例如上圖工程,連梁抗剪超限,可在特殊梁下梁鋼板菜單下,對剪力超限連梁設置成鋼板連梁。

連梁上加鋼板的方式可立竿見影地增加連梁的抗剪承載力,且施工方便。

連梁上加鋼板的措施不像其他提高抗剪能力的措施限制條件多,如設置交叉斜筋的連梁截面寬度需不小于250mm,設置對角斜筋配筋或對角暗撐配筋的連梁截面寬度需不小于400mm等。

6.8  樓板

1、樓板的全層有限元算法

傳統軟件計算樓板時,對每個房間的樓板分別計算,對于相鄰房間的公共支座的彎矩和配筋的取值,是取兩房間分別計算的支座彎矩較大值,因此支座配筋常常偏大。應該按照樓板連續的概念計算,考慮不等跨、不同荷載、不同板厚影響,支座兩邊應是協調工作、彎矩相同的結果。早期采用手工計算樓板配筋時,都還按照連續板模式配筋,近十幾年電算推廣效率高了,但配筋量明顯偏大了。

YJK提供對樓板的全層按照有限元計算的方法,發揮YJK在有限元計算方面的先進性,軟件對全層樓板自動劃分單元并求解計算,速度快,采用分塊技術。這種計算使房間之間的樓板保持協調,支座兩邊彎矩平衡,可以考慮到相鄰房間的跨度、板厚、荷載等的不同影響,計算精確合理。特別是可避免對支座兩邊彎矩人為取大造成的配筋浪費現象。

以往的軟件計算樓板多是假定板的周邊支座沒有豎向位移,如果支撐板的梁的跨度較大、剛度較弱時梁的撓度對板計算有較大影響,考慮梁的剛度和實際情況更加符合。YJK在樓板的有限元計算中設置參數:是否考慮梁的剛度。有時考慮梁的剛度也會得到更經濟合理的樓板配筋結果。

2、可對人防荷載、消防車荷載單獨采用塑性算法

樓板計算時,可以設置成對于一般的恒活荷載仍采用手冊算法或有限元算法,僅對人防荷載、消防車荷載單獨采用塑性算法。

同時,對消防車荷載從活荷載改為自定義工況輸入。

消防車荷載很大,設計時應考慮可能的折減。荷載規范5.1.2條:設計樓面梁時,對單向板樓蓋的次梁和槽型板的縱筋應取0.8,對單向板樓蓋的主梁應取0.6,對雙向板樓蓋的梁應取0.8;設計墻、柱時,對單向板樓蓋應取0.5,對雙向板樓蓋和無梁樓蓋應取0.8;設計基礎時可不考慮消防車荷載。

YJK的解決方案是把消防車荷載按照自定義荷載工況輸入,并在自定義工況的屬性中做好如下設置:

重力荷載代表值填0,減少地震作用;

各分項系數填1,減少設計彎矩;

柱墻構件活荷載折減填0.5;

樓面梁荷載自動按0.80.6折減;

基礎設計中不考慮消防車荷載;

樓板設計中做了這樣設置的的消防車荷載,軟件自動將消防車荷載荷載分項系數取1;對消防車荷載單獨按照塑性算法計算樓板內力此時對恒活工況仍按照手冊算法或者有限元算法),樓板裂縫控制計算中不考慮消防車荷載。這樣的設置比按照活荷載計算大大減少樓板配筋。

如上圖工程,分別對2層樓面的消防車荷載按照不同算法對板的設計彎矩進行對比,1按照普通活荷載輸入,板的設計彎矩為98.8;圖2按照自定義荷載的消防車荷載輸入,由于荷載分項系數為1,板的設計彎矩為83.5;圖3為按照自定義荷載的消防車荷載輸入,同時勾選板計算參數中的對人防荷載、消防車荷載采用塑性算法,板的設計彎矩減小到57.6。

6.9  上部結構整體計算方面的優化改進措施

1. 根據彈性時程分析結果可分層地震作用放大

彈性時程分析的作用是找出和反應譜法的各層差距,給出X、Y兩個方向的各層不同的放大系數。將各層放大系數導入反應譜計算進行設計。但是傳統軟件對于地震作用的放大僅僅設置了一個全樓統一的地震作用放大系數,這個放大系數只能從彈性時程分析的X、Y兩個方向的各層放大系數中選擇最大的數值來輸入,這種處理比規范要求明顯偏大。

YJK的彈性時程分析模塊自動對比CQC算法的層剪力、層間位移角比值,給出各層的和全樓的地震放大系數。

YJK在上部結構計算時可輸入X、Y兩個方向的各層不同的放大系數,實現某層有無放大、放大系數大和小的明顯不同效果,這樣處理才是經濟合理的方案。

2. 模擬施工加載次序的樓層自動連續和指定任意構件施工次序

計算時考慮施工加載次序是規范的要求,但是加載次序設置不當常會造成異常的、過大的內力計算結果。如梁托柱樓層、轉換層樓層,如果按照和它上一相鄰樓層分層加載的施工次序將造成該樓層梁柱構件內力偏大很多的不正?,F象。這樣的結構在施工中一定是與其上相鄰層共同拆模、共同施工的。只有很少有經驗的用戶知道應人工修改施工次序,不修改將造成內力結果過大的異?,F象。

YJK對這樣的樓層可自動設置為連續兩層或連續3層的施工加載次序,避免人工忘記修改造成的結果過大的異?,F象。

還有很多的結構形式也要求必須正確設置施工加載次序,如加強層的伸臂桁架部分,需要指定它的施工次序在上部很多層澆筑完成后才施工,不這樣處理將造成伸臂桁架截面尺寸過大的異?,F象。

軟件設置了構件施工次序菜單,可指定任一構件的特定施工次序,從而可滿足多樣的施工次序要求。

3. 活荷載的折減系數、重力荷載代表值系數可按構件分別設定

傳統軟件對活荷折減僅能考慮考慮樓層的折減系數,對重力荷載代表值時的活荷折減系數(地震活荷組合系數)只能為全樓統一值,當結構中存在不同折減系數的活荷載時就不能準確處理,特別是工業建筑活荷載較大,折減的比例差別很大,按照全樓統一折減,取大的折減系數浪費,取小的折減系數不安全。一般用戶出于安全考慮取較大的活荷折減系數,造成不必要的浪費。

YJK計算前處理增加活荷折減菜單,可按單個構件設定不同的值,可按自然層分別對梁、柱、墻、斜桿的某一桿件設置。這種方式,適應了共存于同一結構的多種類型的活荷載的不同折減或組合,并可避免梁考慮面積和柱墻考慮樓層的重復折減。

在建模的主菜單中設置了自定義工況菜單,用來輸入用戶自定義的荷載工況。對于活荷載使用自定義工況,主要解決活荷載的自定義組合的問題,另一方面,使用自定義活載工況,還可以進行活荷載折減的處理。如把荷載規范5.1.2條第12-7項的活荷載按照自定義荷載工況輸入,并在自定義工況的屬性中人工填入墻柱的折減系數或者梁的折減系數。

4. 構件自重計算扣除重疊部分

  1. YJK可通過參數控制,可在梁墻自重計算時扣除與柱重疊部分;可在樓板自重計算時扣除與梁墻的重疊部分。這樣可明顯減少自重,減少軸壓比的超限現象。除了改善計算性能外,在基礎的抗浮驗算中避免自重計算過大造成不安全的計算結果。
  2. 當無梁樓蓋中的梁按暗梁輸入時,或對于現澆空心板布置在暗梁上時,或者其它比較厚的樓板情況時,應在計算時選擇樓板自重扣除與梁的重疊部分,以避免計算的荷載過大造成浪費,并減少柱墻的軸壓比。

說明: C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\SNAGHTML2544207.PNG

5. 可對受剪承載力薄弱層自動增加柱墻配筋到非薄弱

說明: C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\SNAGHTML251b63.PNG

  1. 勾選此參數后,軟件對層間受剪承載力比值小于0.8的樓層,將自動增加柱墻構件的計算鋼筋直到層間受剪承載力比值大于0.8,使該層不再是薄弱層,從而減少一個超限指標。
  2. 軟件增加的是柱的縱向鋼筋和剪力墻的水平分布鋼筋。
  1. 如果用戶同時還勾選了參數自動對受剪承載力突變形成的薄弱層放大調整,則軟件優先進行增加柱墻鋼筋的調整,如果可以調整到非薄弱層的水平,則不會再把該層判定為受剪承載力薄弱層,也就不會再進行樓層內力放大1.25的調整。


16層柱鋼筋:9308kg


16層柱鋼筋:8539kg


328

16層柱鋼筋:8539kg


16層柱鋼筋:9308kg


6. 改進不共面斜樓板的彈性板計算

上部結構計算時,軟件對于斜的樓板自動按照彈性膜計算,但是不能考慮不共面的斜樓板,軟件不能對不共面的斜板劃分單元,而把這樣的樓板丟掉,這可能對結構計算造成較大的誤差,對于和不共面相連的梁的計算誤差也比較大。

YJK可對不共面程度較輕的斜板仍進行單元劃分,從而在結構計算時考慮到這樣斜板的作用,避免結構計算較大的誤差,并改進了與這種不共面板相連的梁的計算結果。

7. 考慮重力二階效應下的剪重比計算

層地震剪力統計方法有兩種:

1)按外力求和統計;

2)按豎向構件內力投影得到。

當考慮重力二階效應時,按豎向構件內力投影方法可以體現二階效應的效果,地上部分統計得到的層地震剪力通常比外力求和方法大。

YJK設置參數:可按豎向構件內力統計出各層地震剪力。勾選此參數后,比常規軟件計算出的剪重比大3-9%,從而避免剪重比調整放大過多。

剪重比的調整放大是影響構件配筋量的重要因素,減少剪重比的放大系數,對減少整個結構的配筋量具有非常明顯的影響。YJK這方面的計算結果與Etabs一致。

應用本參數時應注意,在有越層構件、坡屋面等情況下按豎向構件投影方法的結果可能不合理。

8. 時程分析計算采用7條波的平均值

《抗規》5.1.2:計算結果的選?。寒斎∪M加速度時程曲線輸入時,計算結果宜取時程法的包絡值和振型分解反應譜法的較大值;當取七組及七組以上的時程曲線時,計算結果可取時程法的平均值和振型分解反應譜法的較大值。

YJK提供的天然地震波庫數量豐富,地震波庫中包含了從1931年起至今的數百條實測天然地震波記錄,每個特征周期下80-200地震波供選擇。

對于人工波,提供自動生成功能,可按照特征周期、持續時間等參數自動生成若干符合要求的人工波

由于有了足夠的波,可在時程分析計算時選擇7條波計算,計算結果取時程法的平均值。這樣的結果比只選三條波計算、取其包絡值更加經濟合理。

9. 結構錯層處梁板的合理計算模型

錯層結構非常普遍,合理的建模方式是對錯層部分用上節點高來整體控制錯層部分的層高,在高低跨銜接處,調整梁一端的高差實現梁的水平放置。

以前的軟件對錯層結構處理的主要缺陷有兩個:

第一、將錯層高低跨梁梁相交處的梁在計算模型中當作了斜梁計算,斜梁的計算模型會使梁產生不應有的很大軸向力,導致不應有的梁配筋過大或者超筋。

第二、錯層處丟失樓板的連接。由于錯層處的房間周邊梁不能共面,常導致這里樓板不能正常生成。在剛性板計算模型下,剛性板的約束在錯層低跨處丟失;在彈性板計算模型下,錯層低跨處房間也不能生成彈性樓板。這種樓板約束的丟失常使錯層處梁柱結構的內力配筋出現異常。

YJK的改進是:

第一、錯層高低跨梁梁相交處的梁在計算模型中仍保持水平梁的狀態,他們之間由剛性連接相連。這種計算模型避免了梁產生不應有的軸力,避免了錯層梁配筋過大的異?,F象。

第二、采取措施使錯層處的樓板不丟失。對建模中錯層處自動生成的樓板智能地放置到合理的高度,用戶可在自動生成樓板后查看,對個別位置不對的樓板通過輸入樓板錯層值調整。

可在計算簡圖上查看,剛性板模型下錯層處的剛性連接應連接到錯層處的所有桿件,彈性板模型下錯層低跨處的房間彈性板不丟失。

這樣的計算模型避免了以前常出現的錯層處構件內力配筋異?,F象。

 

6.10  突出涉及優化關鍵環節

1. 基礎承載力驗算

軟件應將承載力結果放在突出位置顯示,不區分基礎類型,在同樣位置和同樣的操作就可得出。

樁的數量對基礎工期、造價影響很大,軟件應設置承載力布置樁、變剛度調平布置樁等功能菜單,提供經優化設計得出的樁的最佳數量結果。

2. 基礎沖切計算

沖切計算是基礎非常重要的計算項目,是確定筏板或承臺厚度的主要依據,沖切破壞不可修復,因此在基礎設計中必須確??箾_切滿足要求。

設置突出的基礎沖剪計算菜單,不區分基礎類型,在同樣位置和同樣的操作就可得出。提供柱對筏板、承臺的沖跨比計算結果,包括文本結果和圖形結果。

3. 柱剪跨比

柱的剪跨比是柱設計中的關鍵指標之一,但現軟件無論在計算結果簡圖還是計算結果文件中都找不到柱剪跨比的結果。

軟件提供柱剪跨比簡圖,在計算結果文件中突出剪跨比指標。

4. 防水板和樁的抗浮計算

提供全新的基礎和防水板協同工作的計算程序,對防水板自動進行二步計算。第一步計算將獨立基礎、樁承臺、柱底、墻底作為支撐防水板的不動支座,對防水板進行有限元計算和配筋計算。第二步計算非防水板基礎,如獨立基礎、樁承臺等,此時考慮防水板傳遞過來的荷載,防水板承擔的水浮力需要傳遞給支撐防水板的承臺、獨基或筏板,并由承臺或筏板下的樁來承擔這些水浮力,這是樁基礎設計或設置抗拔樁的重要內容

6.11  開放接口并開發多種接口軟件

YJK可提供多種知名軟件的接口模塊,目前有PKPM、Etabs、Midas、Abaqus等,使用戶實現一模多算,充分發揮用戶手中的各種軟件的特點,共同完成設計和設計優化。

6.12  軟件即時統計混凝土和鋼筋工程量

YJK軟件在上部結構建模時提供結構構件的工程量統計功能,可輸出每根構件的工程量、每層匯總量和全樓工程量。在基礎建模時也提供基礎工程量的及時統計。

在各類施工圖設計中提供當前設計的鋼筋用量統計功能,如在梁、柱、樓板、剪力墻和基礎等的施工圖模塊中,都設置了鋼筋統計菜單,統計當前配置下的鋼筋總用量和每平米用量,便于在設計中對于不同設計方案的鋼筋用量進行比較。

這種即時的工程量統計和鋼筋統計,就是為了時時提醒設計人員關注設計結果的經濟合理指標。

6.13  小結

YJK以技術進步帶動設計優化,它從多個方面入手:

1、開發更先進的計算方法

2、全面的貫徹規范

3、糾正目前軟件中大量不合理處理環節,從而發揮結構應有的能力和潛力

4、突出關鍵環節,避免人為的失誤造成浪費

YJK在大多數最容易、最常見的超限環節給出了相應的解決方案,所有優化環節具有充分的理論依據、規范依據,為設計院總工認同,收到普遍歡迎,它的優化措施不僅僅在某個局部,而是給出一個體系完整、措施得力全面方案。

 

 

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