混凝土结构学复习思考题答案

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1、混凝土结构学复习思考题1. 在混凝土结构领域有哪些主要进展?(含材料、结构、计算理论等方面)在材料方面: 混凝土的发展方向是:高强、轻质、耐以、抗震、抗爆、抗冲击。高性能混凝土;轻集料混凝土;自密实混凝土;纤维增强混凝土;高强水泥基 材料;碾压混凝 土。 配筋材料:纤维增强塑料FRP代替钢筋。 智能材料的研究:材料具有自修复功能,如损伤自诊断机敏混凝土。 钢筋材料的改进:采用焊成梯格形的双钢筋、冷轧带肋钢筋、冷轧变形钢筋等。在结构方面:钢-混凝土组合结构;预应力混凝土结构包括无粘结部分预应力混凝土、体外预应力混凝土结构、“缓粘结”预应力混凝土、横向张拉PC等在计算理论 方面:钢筋混凝土结构的有

2、限元分析方法;钢筋混凝土结构的极限分析;混凝土断裂 力学;混凝土的收缩与徐变;工程结构可靠度;钢筋混凝土基本构件计算理 论;结构功能设计。在耐久性方面:待建结构耐久性设计;已建结构耐久性的评估鉴定。在已建结构的鉴定与加固方 面:其鉴定内容包括以往荷载情况、结构几何尺寸、材 料强度、裂缝变形、缺陷、腐蚀等,以及以往的 设计和施工记录等。在试验技术方面:采用先进的实验仪器和方法。2. 熟悉钢筋混凝土构件截面分析所采用的4项基本假定,并说明各假定与实 际情况的相符程度;1. 平截面假定:平截面假定是指截面受力后从加载直至破坏仍保持为平面。平截面假定应理解为在一定的量测区段内截面的平均应变分布是线性的

3、,符合平截面假定。当量 测曲段过小时,此假定不成立。2. 钢筋的应力-应变曲线是已知的对有明显屈服点的钢筋,其应力应变曲线是双折线;对无明显屈服点的钢筋,其应 力应变曲线为曲 线,此假定与实际情况产生误差不大。一般情况不考虑钢筋强化所引起的强度增加。因为伴随着钢筋的强化构件会产生过大的变形。3. 混凝土的应力-应变曲线是已知的对于各种不同的应力应变曲线模型,产生误差不大4. 混凝土的抗拉强度可以略去不计因为在靠近中和轴下面的混凝土的拉应力是很小的,而且内力臂也非常小。因此此项产生误差很小。3. 容许应力法和极限强度(承载能力极限状态)设计法的区别是什么(应力图式、基本假定有何区别)?容许应力法

4、采用了平截面假定,截面应力呈线性变化,可用于任意形状的截面中。将结构当做理想弹性体,又称弹性分析方法。规定在使用荷载下,截面最大应力不超过材料容许应力极限强度设计法是指使用概率统匿力法的什幕假定计方法,用失效概率或可靠度指标来表示,按极限荷载计算结构强度。结构进入塑性阶段并丧失承载能力,又称塑性分析方法。F岂旦K4. 掌握矩形截面构件按等效矩形应力块的抗弯极限强度分析方法?a =fyWd(5.10)(5.13)P,e =0.85f ab(d -d 0.5a) Af (d d d ) Af dIIcss ss ys o巳=0.85fCab+Asfy AJs c - d f y毡=0.003 c

5、E sf = 0.003AA Es 二 0.003E scs(5.7)(5.15)(5.14)5. 从抗弯强度分析的角度出发,混凝土的极限压应变可取为多少?对于混凝土极限压应变的取值,大部分国家规范取cu =0.003 0.0035,而未考虑混凝土强度的影响,仅CEB-FIP1990模式规范取(fck为混凝土的特征强度 以MPa计),考虑了混凝土强度对极限压应变的影响。6. 结合截面应变分布图,说明拉坏、平衡破坏、压坏发生的条件平衡破坏也可称为大、小偏心受压破坏的分界,发生在受拉钢筋达到屈服强度时,受压边缘混凝土 的应变恰好达到混凝土极限压应变cu。在适筋梁中可能发生。受拉破坏:当荷载偏心较大

6、时,构件会产生受拉破坏。受拉破坏是指受拉钢筋先屈 服,经过一个过 程后,混凝土达到极限压应变。多发生在少筋梁中。受压破坏:当荷载偏心距较小时,构件会产生受压破坏。受压破坏是指受压较大一侧的混凝土先达到极限压应变cu,而离纵向力较远一侧的钢筋则可能受拉或受压但都7. 掌握平衡破坏发生的条件及相应公式的推导。平衡破坏也可称为大、小偏心受压破坏的分界,发生在受拉钢筋达到屈服强度时,受压边缘混凝土的应变恰好达到混凝土极限压应变cu。cu/xOb=(fy/Es)/(hO-xOb)等效矩形应力图形的受压区高度xb与实际中和轴高度xOb之间的关系为:仁xb/xOb,故xb = 1xOb,代入上式,并令 b=

7、xb/hO, ; cu=0.003,得:b=xb/hO= -1(O.OO3Es)/(fy+O.OO3Es)或 xb= 1(O.OO3Es)/(fy+O.OO3Es)?hO8. 在单筋构件设计中,为了保证构件发生延性破坏,如何控制其最大配筋 率?它与平衡配筋率的关系如何?主要影响因素有哪些?为保证构件发生延性破坏,保证最大配筋率6axlb二麴,一般取max二O.75bh9. 如何进行T形和I形截面的分析与设计?对于T形截面,则中和轴可能落在翼缘内或梁肋中。当T形截面的中和轴落在翼缘内时则可按矩形截面处理;当中和轴落在梁肋中则计算较为复杂。对于I形截面,由于偏心距的大小和钢筋配置数量的不同,中和轴

8、可能位于腹板上,也可能位于受压应力较大或受压应力较小一侧的翼缘上。对于中和轴位于受压应力较大一侧翼缘上的情况,属于受拉破坏,可按矩形计算。中和轴在翼缘中(x h-hf),基本公式为:由宽度为翼缘宽度的矩形减去翼缘宽度与腹板宽度差的矩形。中和轴在翼缘的形截面柱,当(h- hf)/h0时,是由受压破坏控制。中和轴位于腹板上(xh-hf)1 Nezd1 - - -N Lfcbx fc(bfb)hfAsfy-AAsd, x ,hfi.fbx(ho-j f (bf b)h (hf - J A f (h。a )c o 7 cff os 。sy当采用无量纲表达式时bh0fcY(1 )0.5) + P 二 b

9、hf2h,对于I形截面仍可用-M,N相关图进行配筋计算矩。只是在计算N和M时需减去受压翼缘 所承担的力和力1)分别求出N和M(计入翼缘的影响);2)根据N和M由图5-17查出值,根据其数值判断中和轴所处的位置,分别按具体情况进行配筋;3)按公式计算中和轴在腹板内时的配筋。M (b -b)h蚪,bhfcbh0dY-f2h0心-小5一心)f (g -a)10为何要考虑T形截面受弯构件受压区翼缘的有效工作宽度?因为整个翼缘的变形是不同,存在剪力滞,所以如果不折算按有效宽度算,则结果偏大。11.什么是短柱、柔柱?短柱和柔柱有何区别?钢筋混凝土柱按其长细比的大小可分为长柱和短柱。我国的短柱的定义为10/

10、h 8(或 10/r 28)o细长柱(柔柱):由于长细比很大,在较小的纵向压力作用下,柱已经产生较大的侧移。区别:短柱为强度破坏,钢筋和混凝土均发挥了强度;而柔柱为失稳破坏,截面内的钢 筋应力未达屈 服,混凝土也未达到其抗压强度。短柱由于长细比较小,纵向弯曲的影响很小,二阶矩影响可以略去不计;长柱的二阶矩对承载力的影响很大,在设计中必须加以考虑。当考虑了偏心矩增大或弯矩增大 之后长柱的设计 方法就变得和短柱一样,短柱的承载力计算基本公式也同样适用于长 柱;而柔柱以失稳破坏”控制,在 设计中应尽量避免,这种柱子的承载力低,且破坏突 然,材料的强度得不到充分发挥。12如何分析单向偏心受压短柱?单向

11、偏心受压柱可能发生受拉破坏也可能发生受压破坏,分析时要确定其破坏形式和破坏的分界点(平衡破坏),先假定受压钢筋屈服,再计算。13. 什么是塑性中心?截面塑性重心是截面混凝土受压达到最大承载力(0.85fc)和所有钢筋受压达到屈服(fy)时截面抗力的重心。换句话说,截面塑性重心是轴向外荷载产生截面破坏时外荷载作用的位置。0典欠b*d 一曲)+盘:加-才)=PX = CU笙仙+ (A+足)饵(59)14. 结合偏心受压钢筋混凝土柱截面的相互作用图,说明几个主要控制点,以及不同区域对应的破坏模式Irf 1 - 项?卜H W、 M七仔凡是AB线上的Nu和Mu的组合都将引起受压破坏,亦称小偏心受压破坏,

12、凡是BC线上的Nu和Mu的组合都将引起受拉破坏,亦称大偏心受压破坏;合Nb与Mb=Nbeol将产生平衡破坏即受压与受拉破坏的分界。B点所对应的荷载组15. 如何进行钢筋混凝土偏心受压柱的设计?对受压破坏区的相互作用曲 线如何简化处理?在进行柱的配筋设计时,对于受拉破坏和界限破坏情况只要引入适当的附加条件,国1 LLR心营FR博做稣时的直建折值族便可用基本公式进行配筋设计。可以假定Nu与Mu (Mu=Nue (之间为线性关系,即是假定图中的AB线是直线。对于破坏线AB上的任何一点都有N eN比二队弋beeNu1(N/Nb-1)e) /eob其中:NO为轴心受压构件承载力。N0= 0.85fc -

13、A g)十 Asfy16. 结合相互作用图,描述在长短柱中可能发生的几种破坏方式。0B:短柱,强度破坏刃54?衣司K绑比咔吐丸:就隼域棘虫;N心争0C长柱,强度破坏OE:细长柱,失稳破坏相互作用图表明:短柱或长柱当P-M组合落在曲线以内时不会发生破坏;洛在曲线以外时会发生破坏;落在曲线上,此时处于极限状态可能破坏。17.如何对柔柱(细长柱)进行近似设计?采用偏心矩增大法和弯矩增大法来考虑其二阶弯矩产生的作用。当考虑了偏心矩增 大或弯矩增大之 后长柱的设计方法就变得和短柱一样,短柱的承载力计算基本公式也同样适用于长柱。采用M- -N关 系的微分方程的近似解法。18. 斜裂缝的出现和钢筋的粘结滑移

14、对构件变形有何影响?都会产生附加变形。19. 了解在循环荷载作用下构件的变形特征。若斜截面未开裂或混凝土的名义剪应力(v=V/bhO)较小,则重复荷载并没有引起混 凝土抗剪机 构的退化。若混凝土名义剪应力大,导致斜截面开裂,则斜裂缝较宽。此时,在交变荷载作用下,混凝土 的抗剪机构退化较快,斜裂缝两侧的骨料咬合作用逐渐减弱,而箍筋的应力逐渐增加,随着循环荷载次 数的增加,疲劳破坏的形式最终可能表现为与斜裂缝相交的箍筋断裂,其斜截面承载力明显低于静载的 情况。20. 在无腹筋梁中,剪切抗力主要有哪些部分的内力提供?压区混凝土承担的剪力约占总剪力的20%-40%销栓力约占总剪力的15%-25%骨料咬

15、合力约占总剪力的35%-50%21. 拱作用和梁作用的机理分别是什么?形成这些机理需要有何条件?当由于某种原因使钢筋与混凝土之间的粘结沿剪跨全长遭到破坏时,拉力T就不能产生变化,dT/dx=0。夕卜剪力只能由内部的斜压力来承担,这一极端情况被称之为“拱完全的“拱 作用”。作用”方程为V=T兰虫坐dx dx内压力C代替拉力T,是表示平衡外剪力的就是一个倾角不变的压力的垂直分力。条件:1、拱作用是在纵筋与混凝土出现滑移的情况下(即丧失粘结强度)产生的。2、剪跨比较小时,压力线的倾角a较大,拱作用明显。剪跨比越小拱作用越大,承载力越高。3、 梁的纵筋做为拱的拉杆,承受很大的拉力T,因此纵筋能否可靠锚

16、固,决定了拱作用 是否能充分发挥。4、荷载作用在梁的受压区,无腹筋梁会出现拱作用。5、深梁(直接加载情况下)的拱作用是起支配作用的抗剪形式。作为一种特殊情况,如果内力臂Z保持不变,是个常数,则dZ/dx=O,则可得出理想的“梁作 dT用”方程为:V二Z 二qZdx只有当钢筋和混凝土之间有可靠的粘结时,“梁作用”才能成立。条件:悬臂固端反力能与 T、T al、T a2、Vd1、Vd2构成平衡体系。22. 什么叫剪跨比?它与梁的破坏形态有何联系?剪跨比指集中荷载全支座的距离a与梁的有效高度ho之比,即h。1斜拉破坏:2.5入6,当临界斜裂缝一旦出现后,很快延伸到梁顶,把梁拉裂成 两部分。2剪压破坏

17、:15入3时,可能发生剪压破坏。这种破坏的特点是压区混凝土有明 显的压坏现 象。其原因是混凝土在压、剪复合作用下达到其复合受力强度所致。3斜压破坏:入 1.5时,破坏发生在集中荷载作用点与支座之间,混凝土好象一斜 向受压的短 柱,破坏时产生多条大体平行的斜裂缝。其原因是主应力过大。4、正截面弯曲破坏:23. 平面桁架机理用于模拟什么?试推导有关计算公式模拟有腹筋梁的抗剪强度,一部分是由前面所述的“梁作用”和“拱作用”所提供 的抗剪强度Vc,另一部分是由桁架机构所提供的抗剪强度Vs。Vs=CdSin.斗访(6-23)式中:Ts为所有穿过斜裂缝的箍筋内力之和。腹筋在单位梁长内承受的力Ts/s,其中

18、s为箍筋间距:s=Z(ctg a +ctg B )单位长度上箍筋的内力为tsvs Asv- svs Z sin : (ctg 篇出 ctg 1) s式中:Asv为沿梁长按间距为s布置的箍筋的截面面积;(T sv为箍筋应力(6-25)Vu=Vc+Vs T u= T c+ T s 式中:T s=Vs/bwhO假定箍筋的应力达到屈服即c sv=fyv则A =也(6-29)沁 sin : (ctgA 1 ctg : ) fyv假定斜压力Cd在桁架杆中产生均匀应力。压杆的有效高度为S =Ssin a =Zsin a (cot a +cot B )。于是在桁架机构中混凝土斜压杆中的应力为口 二鱼=Vscd

19、bwsbwZsin2: (ctg ctg :)=5(6-30)sin2 : (ctg 二ctg :)HhB卡戟勒咚悦职时ttr奉观冉24. 斜裂缝的形成对纵向钢筋的受力及其切断有何影响?根据斜裂缝出现后隔离体的平衡,可以发现:尽管简支梁在支座处的弯矩为零,但如果支座附近产 生斜裂缝,则钢筋的拉力不取决于支座的弯矩,而取决于斜裂缝末端的弯矩,这样纵筋的拉力就可能较 大。25. 了解弯矩和轴力对抗剪强度的影响。轴向压力(在一定范围内)会提高抗剪强度,轴向拉力会降低抗剪强度。弯矩会降低构件的抗剪强度,主要因受力性能和破坏形态的变化,不能形成拱作用,产生斜拉破 坏。26. 混凝土结构产生裂缝的原因有哪

20、些?大块体混凝土水化热;塑性收缩;混凝土塑性塌落;混凝土干缩;碱一骨料反应;外界温度变化;结构基础不均匀沉陷;早期冻胀;钢筋腐蚀;荷载作用等。27. 钢筋的腐蚀机理是什么?影响钢筋腐蚀的主要因素有哪些?钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。呈活化态的钢筋表面所进行的腐蚀反应的电化学机理是,当钢筋表面有水分存在时,就发生铁电离的阳极反应和溶解态氧还原的阴极反应,相互以等速度进行。腐蚀过程的 全反应是阳极反 应和阴极反应的组合,在钢筋表面析出氢氧化亚铁,所形成的化合物被 溶解氧化后生成氢氧化铁,并进 一步生成红锈,一部分氧化不完全的变成黑锈,在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的4 倍,黑锈的

21、体积可大到原来的2倍。铁锈体积膨胀,对周围混凝土产生压力,使混凝土沿钢筋方向(顺 筋)开裂,进而使保护层成 片脱落,而裂缝及保护层的脱落又进一步导致钢筋更剧烈的腐蚀。因素:1碱度和氯化物浓度;2氧;3透水性;4碳化5电池效应: (1)异种金属接触作用;(2)浓差电池作用。6、漏泄电流引起的电腐蚀:(1)锈坑腐蚀;(2)应力腐蚀;(3)氢脆腐蚀28. 正截面抗裂度计算的应力图式如何?图7-15正截面应力分布图形29. 影响钢筋混凝土结构正截面裂缝宽度的主要因素有哪些?影响裂缝宽度的主要因素有,钢筋应力c s、钢筋直径d、配筋率P s、保护层厚度c、钢筋外形、 荷载作用性质(短期、长期、重复作用)

22、、构件受力性质(受弯、受拉、偏心拉压)等。30. 掌握裂缝计算理论的两种模式。Wm)1ct,m crct ,m)lcr书=sm/ s,即裂缝间距范围内受拉钢筋平均应变& sm与裂缝所在截面受拉钢筋应变s之比式中:& ct,m为裂缝间距lcr范围内混凝土平均拉应变(钢筋水平处)如果略去受拉混凝土的变形,则上式可简化为近似公式lcrlcrWm =;sxdX -ct,xdX丁 *钢筋/图9-3 构件单元的嵬力便形简图(a)(b)圈9-17简牝的弯矩曲率关系式中:& sx为距裂缝截面X的受拉钢筋应变Ct,X为距裂缝截面为X的混凝土受拉应变(在钢筋水平处)。*,lcr如果略去受拉混凝土变形,则可简化为近

23、似公式w=-dx031. 何谓延性?延性是指材料、构件和结构在荷载作用或其它间接作用下,进入非线性状态后在承载能力没有显著降低情况下的变形能力。32.混凝土受弯构件截面的曲率如何计算?. _cm =s= s -cmKhoh (1-K)ho式中:h。为截面有效高度;K为受压区高度系数;s为钢筋应变;cm为受压区混凝土边缘应变。33. 理论弯矩一曲率曲线有几种简化形式?各自的图形表达如何?简化计算方法的核心是把曲线型变刚度问题简化成分段线性等刚度问题,可采用所示的任何一种M-关系。34. 屈服曲率和极限曲率分别如何计算?计算极限曲率时混凝土极限压应变取多大值?极限曲率与屈服曲率的比表达了构件截面的

24、什么性质?它的影 响因素有哪些?屈服曲率:y = ; /(1 Mh 极限曲率:=电 / (x/ Pj = Pi f”c气一E + N / (bhofy) fyh0(a)(b)图9 7矩形献面曲率延性系教简化计算模(a)献面* (b)屈服状态,(。)槌限状忠极限压应变取0.0033极限曲率与屈服曲率的比值表达了截面曲率延性:(1K);卒影响因素:N/(bhfy) fy2纵向受力钢筋;轴压力;箍筋;截面形状及混凝土强度;荷载状况;预应力总之,决定屈服曲率是受拉钢筋的屈服应变和受拉钢筋屈服时混凝土相对受压区高度,决定极限曲率的是混凝土极限压应变和混凝土受压破坏时的相对受压区高度。因此,凡与上述四种参

25、量有关的因素都会影响截面的曲率延性。35. 掌握曲率延性系数简化计算方法的假定与推导。36. 在偏心受压柱中,影响截面延性u/ y的一个重要因素是什么?轴压比偏心受压时,曲率延性系数比纯弯小得多,即轴压力对曲率的影响很大。柱截面的曲率延性随轴力增大而减小。轴压比系指轴压力与柱承载力的比值,记作nO5nO=N/( p fcA),大于平衡破坏的轴压比时,截面发生小偏压破坏,延性很差。37. 进行弯矩一曲率关系计算的基本步骤是什么(数值计算)?(1)每次选定一个& cm,由零开始,每次增加一个适当的增量值。 对于每个给定的& cm假定一个中性轴高度Kho,根据变形协调方程和应力应变关系确定截面各 处

26、的应力,作力的数值积分,检查是否满足平衡方程,经逐次试算找到满足平衡方程(即平衡误差小于预定值)的KhO值(3)根据力矩平衡方程求M(4)根据变形协调方程求。(5)逐渐增加c cm值,计算相应的M值,如 cm达到规定的cu,则截面达到极限状态。在不考虑箍筋的约束作用时,cu常取为0.0030.004。38. 箍筋对结构延性有何影响?箍筋不仅提供构件和节点的抗剪能力,确保“抗剪弱弯”和“强节点”设计目标,同时更对梁、塑性铰区混凝土和受压钢筋提供约束作用,延长塑性铰的破坏过程,从而 改善结构的延性和耗能能力。箍筋对梁柱截面曲率延性的影响除提高混凝土梁柱抗剪能力防止剪切脆性破坏外,主要来自于箍 筋对

27、受压混凝土的约束作用。对于适筋梁箍筋的约束作用对延性的提高不明显,对于平衡配筋梁和超筋梁,延性受箍筋的影响 较大,柱的延性受箍筋的影响也较大。箍筋与纵筋形成网状配筋对梁或柱的混凝土形成约束体系,矩形箍在拐角点附近的约束作用较大。增加配箍率、减小箍筋间距和增大箍筋直径都能提高箍筋的约束作用。当箍筋间距超过1.5倍截面短边尺寸时,其约束作用几乎就没有了。39. 限制性(约束)混凝土构件与非限制性混凝土构件相比,其延性有何区别?横向钢筋增强延性的作用机理是什么?哪种横向钢筋的效率最高?限制性混凝土构件即对混凝土施加横向钢筋或横向约束限制其变形的混凝土构件。与非限制性构件相比,其延性有很大的提高,因为

28、横向约束对混凝土的约束,产生“套箍”作用,提高了混凝土 的极限压应变,从而提高了延性。螺旋箍筋效率最高。40. 如何根据已知的曲率分布求出构件的转角和挠度?BBB而= (x)dx: AB = xd x(x)dx可见只需根据曲率的函数关系式x在AB两点做数值积分。例 9-2: P285nk=141. 钢筋混凝土抗震设计的基本原则是什么?XXiEIk dX小震不坏,中震可修,大震不倒42. 桥梁结构的主要抗震设防应针对结构的上部还是下部?下部43. 内力重分布程度与塑性铰转动能力之间的关系如何?在连续梁和框架等超静定结构的加载过程中,某个临界截面达到极限承载力而产生 塑性铰,于是结 构产生弯矩重分

29、布。随着荷载增加逐渐有新的塑性铰产生,当塑性铰达到足够数目后,结构就形成一个 破坏机构。在弯矩重分布的过程中,先形成的一些塑性铰的转角不断增加,当某一塑性铰转角达到了它 的最大转角能力,就会在这一截面首先产生破坏,弯矩重分布的过程终止。可见弯矩重分布的程度取决 于塑性铰转角能力,也就是取决于构件的延性。44. 深梁的判别标准是什么?深受弯构件是指跨高比较小的受弯构件。一般情况,对于10/h 2或2.5 (连续梁)的梁称为深 梁,10为支座中到中和1.15倍净跨的较小者。45. 与普通梁相比,深梁的应力分布有何不同?深梁和一般梁的区别在于斜裂缝出现以后剪力主要是以拱作用的方式来传递。一般 梁由于

30、跨高比较大,在许多情况下梁的承载力是由正截面强度控制,而深梁由于跨高比 很小,所以,在许多情况下是由抗剪控制。由于深梁主要是以拱作用的方式传递剪力,所以深梁的承载 方式及支承方式就很重要,例如间接加载的情况,荷载不是作用在深梁 的顶面而是作用在深梁的侧面或 底面;或者深梁不是被支承在梁底面的情况,这些条件都破坏或者减弱了深梁的拱作用,这种情况下, 梁的工作特性更接近于一般梁。46. 目前桥梁结构设计中内力分析与截面设计的方法是否协调?为什么?协调47. 高强混凝土与普通混凝土相比,其力学性能有何差别?高强混凝土除了具有抗压强度高、密实度高、耐以等优点外,也有一些缺点,即其 韧性较低、破坏 应变小,抗拉或抗剪强度的增加不与抗压强度的增加成比例,而是比抗 压强度的增加慢得多。加入适量的钢纤维:可提高抗拉、抗弯、抗剪强度,提高延性、抗疲劳、抗冲击等 性能。

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