低屈服点钢材及结构构件研究进展
钢结构稳定性设计研究

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工程科 技
钢结构稳定性设计研究
王 丽 丽
( 黑 龙 江 省 林 业设 计 研 究 院 , 黑龙 江 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 )
摘 要: 钢结构 因其 自重轻 、 强度 高、 工业化程度 高等优点 , 被广泛应用在在建筑工程 中。但是必须注意的是 , 钢结构常常 由于其失稳 破坏致使人 员伤亡、 财产损 失 , 而通常情况下, 主要是 因为结构设计存在缺陷而导致 失稳破坏 。鉴于此 , 结合- 1 2 程设计的具体 实践 , 在论述 钢 结构 稳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ定 性 的 内涵 、 钢 结 构 失稳 的 类 别 , 以及 分 析 方 法 、 设计原则的基础上 , 总结几点钢结构稳定性设计 的经验 , 以 期 能 为 业 界 提 供 一
定 的借 鉴 。
关键词 : 钢结构稳定性设计 ; 稳定性 内涵; 失稳 类别; 分析 方法 ; 设计原则 ; 设计经验 在钢结构工程设计中, 必须要重点考虑其稳定性 的问题。 在现实生 2 . 3动力法。 动力法的基本原理是, 当结构体系处于平衡状态 , 如果 活中, 很多工程事故案例都是因为钢结构失稳造成的。 例如 : 1 9 7 8 年, 美 对其进行微小的干扰使之发生振动,此时在结构上 已经产生作用 的荷 国哈特福特城的体育馆因为压杆屈曲失稳而突然坠落地面 ; 2 0 1 0 年, 昆 载将关系着结构的变形和振动加速度 。当稳定的极限荷载值大于荷载 明新机场钢结构桥跨因为桥下钢结构支撑体系突然失稳而突然垮塌 , 时, 变形和加速度是处于相反的方向 , 因此撤去干扰后运动趋于静止 , 等等。 而之所以频频出现钢结构失稳破坏, 通常主要是因为存在不合理 结构处于稳定 的平衡状态 ; 稳定的极限荷载值小于荷载时 , 变形和加速 的结构设计。所以 , 要想杜绝上述事故的发生 , 注重对钢结构的稳定性 度处在相同的方 向, 此时即使干扰撤去 , 运动仍是发散的 , l 此结构处 进行合理设计是根本和关键。 于不稳定的平衡状态 。 临界状态的荷载也就是结构 的屈 曲荷载 , 可以通 1钢结构稳定性的内涵和失稳的分类 过结构的振动频率为零的条件解得。 1 . 1钢结构稳定性的内涵讨论。钢结构稳定性的内涵 , 必须要了解 3进行钢结构稳定性设计应坚持的原则 . 强度与稳定的区别。所谓 的强度属于应力的问题, 即: 在稳定平衡的状 3 . 1必须按照整个体系以及组成部分的稳定性要求布置钢结构。 目 态下 , 由荷载所引起的结构或者单个构件的最大应力或内力 , 是否超过 前 , 如桁架和框架等大多是按照平面体系设计钢结构数。 对于这些平面 建筑材料的极 限强度。因为材料的特 『 生 不同, 所以极限强度的取值也不 结构而言, 要保证它们避免平面外失稳 , 需要通过如增加必要的支撑构 相同, 对钢材而言, 则取它 的屈服点 ; 所谓的稳定属于变形的问题 , 即: 件等方式 , 进行结构整体布置予以解决 。同时 , 要求结构布置要同平面 发现结构 内部抵抗力和外部荷载之间不稳定的平衡状态, 也就是说 , 变 结构构件的平面稳定计算保持一致 。 形开始急剧增长而需设法避免进入的状态 。举例说明 :当轴压柱失稳 3 . 2“ 两个简图” 要保持一致 。 所谓的“ 两个简图” 是指结构计算简图 时, 柱 的侧 向挠度使柱中的附加弯矩增加很大 , 致使柱子轴压强度大大 和实用计算方法所依据的简图 , 在进行钢结构稳定性设计时, 要求这两 高于它的破坏荷载 , 这时柱子破坏的主要原因便是失稳。 个简图要一致 。当进行单层或多层框架结构设计时 , 一般只进行框架柱 1 . 2钢结构失稳的原因类别。钢结构失稳的原因主要包括以下几 的稳定计算 ,而不对框架的稳定性进行分析。在进行框架柱稳定计算 类: 一是分支点失稳, 即平衡分岔的稳定问题。这一类问题主要表现在 时, 应该通过框架整体稳定分析 , 得出采用这种方法需要用到的柱计算 完善直杆轴心和平板中面受压时的屈曲; 二是极值点失稳 , 即无平衡分 长度系数 , 从而使柱稳定和框架稳定计算实现等效 。 对于单层或多层框 岔的稳定问题 。 这一类问题主要表现为 , 偏心受压构件由建筑钢材做 架给出的柱计算长度系数 , 《 钢结构设计规范》 中采用了五条基本假定 , 成, 其在塑性发展到一定程度时稳定能力丧失 ; 三是跳跃失稳 , 它与上 其中的一条假定是“ 框架中的 所有柱子是同时丧失稳定的, 即各柱同时 述两种稳定问题 的类型不 同, 其主要是指在稳定平衡丧失以后 , 跳跃到 达到其临界荷载” , 据此 , 设 汁者可 以依据一定的简化假设 , 或者典型情 另—个稳定平衡状态。 况得出框架各柱的稳定参数 、 杆件稳定计算的常用方法 , 而且要对所设 2分析钢结构稳定性的若干方法 计的结构完全与这些假设相符进行确认后才能正确应用。 般隋况下 , 要根据结构在外荷载作用下存在变形的条件下 , 分析 3 . 3钢结构的细部构造设计要与构件的稳定计算保持一致 。 在进行 钢结构稳定的问题。这一变形应该对应于研究的结构或构件失稳时出 钢结构设计的过程 中,要高度注意钢结构的细部构造设计与构件 的稳 现的变形。 结构变形与荷载两者之间的关系是非线性的 , 因此作为非线 定计算保持一致。 对要求传递和不传递弯矩的节点连接 , 对它们应该分 性的几何问题 , 稳定计算应该采用二阶分析方法。 在进行稳定计算的过 别赋予足够 的柔度和刚度, 并应尽量减少桁架节点的杆件偏心 , 然而如 程中确定的屈 曲荷载或者极限荷载 ,都可 以被看作是所计算 的结构或 果关系到稳定性能时 , 要在构造上提出不同于强度的要求 , 或者给予特 构件的稳定承载力。 殊 的考虑。 2 . 1静力法 即静 力平衡法。所谓的静力法是指, 在微小变形发生后 4在钢结构稳定性设计实践中的若干经验 结构的受力条件下 , 通过平衡微分方程的建立解出临界荷载。同时 , 应 一是 目 前在钢结构设计 中,进行结构受力计算多借助钢结构计算 根据以下基本的假定建立平衡微分方程。 一是基于等截面直杆构件 ; 二 机软件来完成 , 在这一过程 中, 可 以通过程序 自动计算结构和构件的平 是压力始终沿构件原来轴线作用;三是材料符合应力与应变成线性关 面内强度及整体稳定性 , 而对于平面外强度和稳定性 , 设计者需要另外 系, 即符合胡克定律 ; 四是构件与平截面假定相符 , 也就是说 , 构件的平 进行分析 、 设计和计算。这个时候 , 可 以按照标高把整个结构分解成多 截面在变形前后都是平截面 ; 五是构件的弯曲变形不大 , 可 以近似地用 个不 同布置形式的结构体系, 基于水平荷载作用的不同, 计算结构体 系 挠度函数的二阶导数表示曲率 。 在上述基本假定条件的基础上 , 通过平 的强度和稳定性。 衡微分方程 的建立 , 将相应的边界条件代入 , 就可以解得两端铰支的轴 二是受弯钢构件的板件局部稳定存在以下两种方式 : 第一 , 以屈曲
第二章 钢结构的材料

五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体 应力作用下,钢材的屈服并 不只取决于某一方向的应力, 而是由反映各方向应力综合 影响的 屈服条件来确定。
eq ( x y y z z x ) 3( )
第二节
钢材的主要机械性能
• 钢材的机械性能(力学性能)通常是指钢厂生 产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击 等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由 相应实验得到,试验采用的试件的制作和试验 方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温(100C~350C) 、以满足静 力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 ζ ~ ε 应变曲线显示的钢材机械性能如下::
二、疲劳计算
• 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。 Δ ζ =ζ max-ζ min称为应力幅,表示应力变化的幅 度。 • 试验表明,焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最 大应力ζ max作用的结果,而是焊缝部位足够大小 的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳 寿命不仅与应力幅有关,还与 其他因素有关。 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅,以反映其实际工作情况。 • 疲劳计算的公式是以试验为依据的,分为常幅和 变幅疲劳两种情况进行计算。
(2)槽钢
有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽 钢规格用槽钢符号 [ 或Q[表示。 例如,普通槽钢[10、[20a,轻型槽钢Q[20a。 (3)工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。 例如,普通工字钢I18、I50a,轻型工字钢QI50。 (4)H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等 厚度,截面抵抗矩较大且质量较小,便于与其它 构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢, 它们的代号分别为HW、HM和HN。例如HW260a、 HM360、HN300b。
钢结构原理-第4章轴心受力构件

存在,且都是变量,再 加上材料的弹塑性,轴 压构件属于极值点失稳, 其极限承载力Nu很难用 解析法计算,只能借助 计算机采用数值法求解。
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
缺陷通常只考虑影响最大的残余应力和初弯曲(l/1000)。 采用数值法可以计算出轴压构件在某个方向(绕 x 或 y 轴)的 柱子曲线,如下图,纵坐标为截面平均应力与屈服强度的比值, 横坐标为正则化长细比。
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.1 概述
4.1.1 定义:构件只承受轴心力的作用。 承受轴心压力时称为轴心受压构件。 承受轴心拉力时称为轴心受拉构件。
N
N
N
N
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.1.2 轴心受力构件的应用 平面及空间桁架(钢屋架、管桁架、塔桅、网架等); 工业及民用建筑结构中的一些柱; 支撑系统;等等。
(a) N
(b) N
Hale Waihona Puke (c) NNN
N
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.4.3 理想轴心受压构件的弯曲屈曲 4.4.3.1 弹性弯曲屈曲
取隔离体,建立平衡微分方程
EyIN y0
用数学方法解得:N 的最 小值即分岔屈曲荷载 Ncr,又称 为欧拉荷载 NE 。
Ncr2EI/l2
对应的临界应力为:
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.4 轴心受压构件的整体稳定
概念:在压力作用下,构件的外力必须和内力相平衡。 平衡有稳定、不稳定之分。当为不稳定平衡时,轻微的扰 动就会使构件产生很大的变形而最后丧失承载能力,这种 现象称为丧失稳定性,简称失稳,也称屈曲。 特点:与强度破坏不同,构件整体失稳时会导致完全 丧失承载能力,甚至整体结构倒塌。失稳属于承载能力极 限状态。与混凝土构件相比,钢构件截面尺寸小、构件细 长,稳定问题非常突出。只有受压才有稳定问题。
耗能减震结构

9.3 耗能减震结构设计9.3.l 结构耗能减震原理与耗能减震结构特点结构耗能减震技术是在结构物某些部位(如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等)设置耗能(阻尼)装置(或元件),通过耗能(阻尼)装置产生摩擦,弯曲(或剪切、扭转)弹塑(或粘弹)性滞回变形耗能来耗散或吸收地震输人结构中的能量,以减小主体结构地震反应,从而避免结构产生破坏或倒塌,达到减震控震的目的。
装有耗能(阻尼)装置的结构称为耗能减震结构。
耗能减震的原理可以从能量的角度来描述,如图9.11结构在地震中任意时刻的能量方程为:传统抗震结构E in=E v+E c+E k+E h耗能减震结构E in=E v+E c+E k+E h+E d式中E in——地震过程中输入结构体系的能量;Ev ——结构体系的动能;Ec——结构体系的粘滞阻尼耗能;E k——结构体系的弹性应变能;E h——结构体系的滞回耗能;Ed——耗能(阻尼)装置或耗能元件耗散或吸收的能量。
图 9.11 结构能量转换途径对比a )地震输人b )传统抗震结构c )消能减震结构在上述能量方程中,由于Ev 和Ek 仅仅是能量转换,不能耗能,Ec 只占总能量的很小部分(约5%左右),可以忽略不计。
在传统的抗震结构中,主要依靠Eh 消耗输入结构的地震能量,但因结构构件在利用其自身弹塑性变形消耗地震能量的同时,构件本身将遭到损伤甚至破坏,某一结构构件耗能越多,则其破坏越严重。
在耗能减震结构体系中,耗能(阻尼)装置或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态,充分发挥耗能作用,耗散大量输入结构体系的地震能量,则结构本身需消耗的能量很少,这意味着结构反应将大大减小,从而有效地保护了主体结构,使其不再受到损伤或破坏。
一般来说,结构的损伤程度与结构的最大变形Δmax 和滞回耗能Eh (或累积塑性变形)成正比,可以表达为:),(max h E f D ∆=在耗能减震结构中,由于最大变形和构件的滞回耗能较之传统抗震结构的最大变形和滞回耗能大大减少,因此结构的损伤大大减少。
第二章 结构钢材及其性能

冷弯性能是判别钢材塑性变形
能力和冶金质量的综合指标。
§2.3 钢材的其它性能
2.Z向收缩率
• 当钢材较厚时,或承受沿厚度方向的拉力时,要求钢材具有板厚方向的 收缩率要求,以防厚度方向的分层、撕裂。
3.冲击韧性 4.可焊性
好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝,焊接接头 和焊缝的力学性能不低于母材力学性能。
试件有两种标距:l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用δ5
实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。
§2.2 钢材的主要性能
b) 断面收缩率
是指试件拉断后,颈缩区的断面面积缩
小值与原断面面积比值的百分比。
A0 - A1 100% A1
式中:
A1 A0
A0 ——试件原来的断面面积
可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。
2 2 2 2 s eq s x2 s y s z2 - s xs y s ys z s zs x 3 xy yz zx (2.4)
s s 用主应力 s 1 、 2 、 3表示时,有:
或 s eq
此时的[Δζ]即为容许应力幅:
C [s ] N
1
(2 - 9)
式中:系数β、C—为不同构件和连接类别的试验 参数,称疲劳特征参数。
3.变幅疲劳
——当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。
(a)检算公式
s e s
(2.12)
se—等效常幅疲劳应力幅。
[s]—常幅疲劳的容许应力幅。
疲劳破坏中一些值得注意的问题
(1)疲劳验算采用的是容许应力设计法,而不是以概率论为基础的 设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂, 目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。 采用荷载标准值计算。 (2)对于只有压应力的应力循环作用,由于钢材内部缺陷不易开展, 则不会发生疲劳破坏,不必进行疲劳计算。
工程结构钢

2024/2/8
强度 MPa 600 400
200
双相钢 普通钢
10 20 30 40 应变 / % 双相钢和普通钢应力应变曲线的比较
2024/2/8
冲压型双相钢主要是板材,广泛用于各种
容器和汽车冲压件。
应
非冲压双相钢有棒材、线材、钢筋薄壁无
用
缝钢管等产品。钢材经热轧后控制冷却,得
到F加M双相钢组织,然后经冷拨、冷墩等工
2024/2/8
先进钢铁材料技术的进展
钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心 董瀚
摘要:钢铁材料是不断发展的先进材料,它依然是 本世纪的主要结构材料。先进钢铁材料具有环境友 好、性能优良、资源节约、成本低廉的特征。本文 从钢铁材料理论进展出发,评述微合金化钢、超细 晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢、钢材组 织性能预报和材料信息化技术等重要的先进钢铁材 料技术进展。
2.6 低碳贝氏体和马氏体钢
低碳马氏体
≤0.16%C,加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr与之 配合→ 淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。
BHS-1钢的成分为0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。 锻轧后空冷或直接淬火并自回火。达到合金调质钢调质 后的性能水平。
制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和 拉杆等,也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。
C
纹↑。提高淬透性的Me种类及其数量也应适
当控制,如Cr、Mn、Mo、Ni等。
↑耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量:
0.025~0.25% Cu ,0.05~0.15% P 。 ↑P,冷脆
Cu 和时效倾向增加。→用Al脱氧→ 细晶粒钢。
P
复合加入适量元素,则↑钢耐蚀性效果更佳。
钢结构检测技术要求

钢结构检测6.1一般规定6.1.1本章适用于钢结构与钢构件质量或性能的检测。
6.1.2 钢结构的检测可分为钢结构材料性能、连接、构件的尺寸与偏差、变形与损伤、构造以及涂装等项工作,必要时,可进行结构或构件性能的实荷检验或结构的动力测试。
6.2 材料6.2.1对结构构件钢材的力学性能检验可分为屈服点、抗拉强度、伸长率、冷弯和冲击功等项目。
6.2.2当工程尚有与结构同批的钢材时,可以将其加工成试件,进行钢材力学性能检验;当工程没有与结构同批的钢材时,可在构件上截取试样,但应确保结构构件的安全。
钢材力学性能检验试件的取样数量、取样方法、试验方法和评定标准应符合表6.2.2的规定。
6.2.3当被检验钢材的屈服点或抗拉强度不满足要求时,应补充取样进行拉伸试验。
补充试验应将同类构件同一规格的钢材划为一批,每批抽样3个。
6.2.4钢材化学成分的分析,可根据需要进行全成分分析或主要成分分析。
钢材化学成分的分析每批钢材可取一个试样,取样和试验应分别按《钢的化学分析用试样取样法及成品化学成分允许偏差》GB 222和《钢铁及合金化学分析方法》GB 223执行,并应按相应产品标准进行评定。
6.2.5既有钢结构钢材的抗拉强度,可采用表面硬度的方法检测,检测操作可按本标准附录G 的规定进行。
应用表面硬度法检测钢结构钢材抗拉强度时,应有取样检验钢材抗拉强度的验证。
6.2.6 锈蚀钢材或受到火灾等影响钢材的力学性能,可采用取样的方法检测;对试样的测试操作和评定,可按相应钢材产品标准的规定进行,在检测报告中应明确说明检测结果的适用范围。
6.3 连接6.3.1 钢结构的连接质量与性能的检测可分为焊接连接、焊钉(栓钉)连接、螺栓连接、高强螺栓连接等项目。
6.3.2对设计上要求全焊透的一、二级焊缝和设计上没有要求的钢材等强对焊拼接焊缝的质量,可采用超声波探伤的方法检测,检测应符合下列规定:1对钢结构工程质量,应按《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205的规定进行检测;2 对既有钢结构性能,可采取抽样超声波探伤检测;抽样数量不应少于本标准表3.3.13的样本最小容量;3 焊缝缺陷分级,应按《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》GB 11345确定;6.3.3对钢结构工程的所有焊缝都应进行外观检查;对既有钢结构检测时,可采取抽样检测焊缝外观质量的方法,也可采取按委托方指定范围抽查的方法。
低合金结构钢

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合金元素的作用
合金元素的作用
压力容器中广泛使用的普通低合金钢大多是铁素体一珠光体组织,经热轧或正火得到最后的性能,其组织接 受于钢的平衡组织。钢中的主要合金元素是碳,提高碳含量可以增加珠光体数量,使屈服极限和强度极限提高。 但是提高碳含量是有一定限度的,因为碳含量的提高会影响钢的焊接性能和其他性能(如冲压性能等),使脆性转 变温度提高、冷脆性变坏。因此,压力容器用低合金结构钢的含碳量一般限制在0.20%以下。在碳含量受限制的 情况下,这类钢强度的提高主要依赖于加入少量而多种的合金元素来达到(总加入量不超过5%,一般在3%以下, 多为1%~2%)。对于具有铁素体一珠光体组织的低合金结构钢,加入合金元素后对其强度的影响主要有以下几种: ①铁素体的同溶强化;②增加珠光体的相对量;③控制晶粒大小;④影响珠光体的分散度;⑤沉淀硬化。
低合金结构钢
合金成分总量在5%以下的钢
目录
01 牌号及其表示方法
03 合金元素的作用
02 性能要求 04 应用
基本信息
低合金结构钢是指合金成分总量在5%以下的合金结构钢。这种钢的含碳量与低碳钢相似,主要靠少量合金元 素进行强化、改善韧性和可焊性。其强度要比同等碳敬的碳素钢高得多。广泛用于压力容器、化工设备、锅炉、 桥梁、车辆、船舶及大型钢结构。合金元素锰、硅、钼吋以引起固溶强化作用。钒和铌可细化晶粒、改善韧性。 钼可以起到提高淬透性、促使获得贝氏体组织的作用,还可提高热强性。
牌号及其表示方法
牌号及其表示方法
低合金结构钢的牌号及其表示方法:根据国家标准(GB1591-1994)规定,我国低合金结构钢共有5个牌号,所 加元素主要有锰、硅、钒、钛、铝、铬、镍及稀土元素。其牌号的表示由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级(A、 B、C、 D、E五级)三部分组成。划分成五个牌号,其表示方法如下:屈服点等级-质量等级。屈服点等级:Q295, Q345,Q390,Q420,Q460级。
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低屈服点钢材及结构构件研究进展
卫璇;杨璐;施刚;李永吉
【期刊名称】《钢结构》
【年(卷),期】2017(032)005
【摘要】低屈服点钢因其独特的力学性能,在结构的耗能减震设计中的应用日渐广泛.根据国内外学者对低屈服点钢材及结构构件受力性能的研究成果,总结
100,160,225 MPa级低屈服点钢材的静力拉伸力学性能、循环荷载下的力学性能、焊接性能以及结构构件的滞回性能等,同时介绍了低屈服点钢在实际工程中的应用.
提出了对该类钢材的进一步研究建议,通过完善低屈服点钢材的各项力学性能,并对
其结构构件形成完备的设计体系,促进其在结构工程中的应用和发展.
【总页数】6页(P1-5,14)
【作者】卫璇;杨璐;施刚;李永吉
【作者单位】北京工业大学建筑工程学院,北京 100124;北京工业大学建筑工程学院,北京 100124;清华大学土木工程安全与耐久部重点实验室,北京 100084;北京工业大学建筑工程学院,北京 100124
【正文语种】中文
【相关文献】
1.低屈服点钢材LYP100循环加载试验
2.抗震新材料——低屈服点钢材
3.循环荷
载下低屈服点钢材LYP225的力学性能4.国产低屈服点钢材循环加载试验研究5.
带低屈服点钢材“延性保险丝”的钢框架盖板连接节点设计方法研究
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