超大直径超深38m钻孔桩混凝土施工技术方案.docx
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超大直径超深38m钻孔桩混凝土施工技术方案
1编制依据
1.1.1《嘉绍大桥3.8m大直径钻孔桩工艺试桩技术要求》
1.1.2《嘉绍大桥地质勘查报告》
1.1.3《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)
1.1.4《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)
1.1.5《桥涵》(公路施工手册)
1.1.6其它现行的国家和行业技术规范和标准。
2工程概述
嘉绍跨江大桥3.8m大直径钻孔灌注桩试桩桩长116m,为大直径超长桩。
试桩为非工程桩,采用双荷载箱自平衡法进行试桩承载力测试。
试桩钢护筒内径为4.2m,钢护筒长52m,其中底部15m护筒壁厚为30mm,其余部分壁厚为25mm,总重约145t。
钢筋笼全长116m,重约72t。
试桩采用KTY4000型钻机按气举反循环原理进行钻孔。
混凝土采用C30水下混凝土,所需混凝土灌注方量约为1568m3。
3工程重难点
(1)混凝土配合比设计中初凝时间的控制是混凝土施工的难点。
(2)单桩混凝土灌注方量较大,如何在合理的灌注时间内进行混凝土供应和组织也是混凝土施工的重点。
(3)混凝土灌注过程控制直接关系成桩质量,是混凝土施工的关键点。
4施工准备
4.1人员投入
本工程投入的主要作业人员见表4.1.1主要工种人员计划表。
表4.1.1主要工种人员计划表
序号
工种
单位
数量
1
安全员
人
2
2
测量工
人
2
3
试验工
人
2
4
质检员
人
2
5
混凝土工
人
16
6
电焊工
人
5
7
电工
人
2
8
起重工
人
8
9
驾驶人员
人
50
10
机修工
人
2
11
合计
人
91
4.2主要机械设备计划
表4.2.1 主要机械设备进场计划表
序号
机械名称
规格型号
数量
备注
1
商品混凝土拌合站
120
3台
租用
2
汽车起重机
徐工200
1台
3
汽车起重机
徐工25
1台
3
混凝土汽车输送泵
HDT5281THB
2台
4
混凝土运输车
三菱8m3
22台
5
运输汽车
50t
1台
6
柴油发电机组
250KW
1台
7
全站仪
Topcon602
1台
8
水准仪
苏光J2
1台
4.3用电供应
现场施工采用自备发电机供电,配备250kw发电机一台。
4.4施工材料供应
3.8m直径钻孔桩试桩实际灌注混凝土用量约1568m3,必须保证不间断的连续进行,同时混凝土的质量要求高,混凝土采用租赁商品混凝土厂的场地设备,我方试验、物资人员进行管理生产供应,混凝土所需的原材料包括砂、碎石和外加剂等均由经理部统一采购。
本试桩选用两家商品混凝土厂,其中商品混凝土主供应厂有2台120拌合机,距施工现场25km,另外一家有1台120拌合机,距施工现场10km,作为备用。
5混凝土灌注主要施工方法及工艺
5.1施工方案综述
租用两家商品混凝土拌合站进行混凝土生产、供应,其中一家有2台120拌合机的混凝土生产商作为主供应厂,另一家1台120拌和机作为备用。
混凝土由25辆8m3混凝土罐车运输至现场。
混凝土的配合比设计试配由我经理部提供,原材料亦由我经理部统一采购。
混凝土灌注采用单根直径为410mm的丝扣导管进行。
首灌的30m3储料斗利用两台混凝土泵车供灰;首灌完成后,将混凝土泵车移开,直接采用3台混凝土罐车借助溜槽进行灌注。
5.2混凝土配合比设计
由于本工程单根钻孔桩混凝土方量为1568m3,从施工工艺以及结合施工现场实际情况,在混凝土设计上不仅对混凝土的凝结时间有主要要求,还在混凝土和易性方面需要进行控制。
本次试桩混凝土配合比设计局检测中心现场帮助,以参照杭州湾大桥、舟山连岛工程混凝土配合比为基础,从原材料的选购至主要原材料进场,从初步的配合比设计至最终的配合比优化选定,都予以高度的关注。
5.2.1混凝土配合比设计原则
在配合比设计中以四性(耐久性、力学性、工作性、经济性)为目标,遵循四大法则(水灰比法则、混凝土密实体积法则、最小单位用水量或最小胶凝材料用量法则和最小水泥用量法则),选择最佳三比参数(水胶比、浆集比、砂石比),采用胶材双掺(粉煤灰、矿粉)技术,根据工程实际和工程设计要求,进行配合比设计。
5.2.2混凝土配合比设计流程
混凝土配合比设计流程见下图。
图5.2.2.1混凝土配合比设计流程示意图
5.2.3原材料选择
水泥:
采用普通硅酸盐42.5水泥,在保证混凝土性能不受影响的前提下,并结合搅拌站实际材料的供用情况,最后优化选用供应搅拌站现用厂家的浙江金首水泥。
其材料试验检测结果符合GB175-2007中P.O42.5水泥的技术要求。
粉煤灰:
宁波江北金平Ⅱ级粉煤灰。
为了使聚羧酸外加剂更有效的体现其性能,在混凝土中以外掺料代替水泥用量,不仅提高混凝土的强度,而且更明显的改善混凝土和易性。
该粉煤灰性能试验检测结果符合GB/T1596-2005中Ⅱ级粉煤灰的技术要求。
矿粉:
浙江桐乡江江南矿粉S95级。
在降低水泥用量,减少水泥产生水化热的基础上,混凝土对外掺料的掺和考虑选取了粉煤灰与矿粉双掺的技术,经试拌掺入矿粉的混凝土性能不仅良好,并且在材料成本上有所降低,在性能上有很大提高。
所使用矿粉的各项性能经试验检测均符合GB/T18046-2008中S95级粒化高炉矿渣粉的技术要求。
砂:
福建闽江中砂。
因江浙地区天然砂产量极少,机制砂质量无法满足钻孔灌注桩混凝土性能的要求,故优化选用福建闽江江砂,其砂子颗粒级配较好,含泥量及泥块均很小,使用于钻孔灌注桩中体现混凝土流动性能良好,对混凝土浇筑翻浆起到很好作用。
其闽江中粗砂试验检测结果符合JTJ041-2000中规定的Ⅱ区中砂的技术要求。
碎石:
筠溪石厂生产的5-25mm连续级配碎石。
因灌注桩直径较大,考虑集料粒径影响混凝土流动性已及施工中混凝土翻浆等因素,故选用粗集料粒经不大于25mm碎石,该碎石质地坚硬、级配良好,针片状含量极少,不仅能提高混凝土流动性,还能足以保证混凝土强度。
其碎石各项试验检测结果符合JTJ041-2000中规定的5-25mm连续级配碎石的技术要求。
外加剂:
上海麦斯特聚羧酸系列缓凝高效减水剂。
因对混凝土初凝时间要求比较严格,在不影响混凝土强度前提下,故选用了减水率大于20%的,坍落度1小时损失小于2cm的聚羧酸系列缓凝高效减水剂。
掺入混凝土中的该外加剂试验检测结果符合JG/T223-2007中HN系列聚羧酸高性能减水剂的技术要求。
混凝土拌合用水:
生活饮用水。
经检测其拌和用水各指标性能均符合JGJ63-2006混凝土用水标准的要求。
5.2.4配合比设计
设计控制参数:
设计坍落度200±20,设计初凝时间≥22h,具有良好的和易性和流动性,满足1568m3混凝土的灌注翻浆。
(1)配制强度确定
fcu0=fcuk+1.645σ=30+1.645*5.0=38.2MPa
(2)基准水胶比计算
W/C=(αa*fce)/(fcu0+αa*αb*fce)=(0.46*42.5)/(38.2+0.46*0.07*42.5)=0.49
(3)基准用水量及水泥用量确定
根据JGJ55-2000,用水量取mw0=205kg/m3,
则水泥用量mc0=mw0/(W/C)=418kg/m3
(4)骨料用量确定
假设混凝土砂率40%,混凝土表观密度2400
按重量法公式计算:
mc0+ms0+mg0+mw0+mf0=2400
ms0/(ms0+mg0)=0.40
求得:
砂ms0=710.8kg/m3
碎石mg0=1066.2kg/m3
5.2.5配合比试配
在配合比试配过程中,本着依据基准配合比,调整水胶比,调整混凝土含砂率等原则,分别进行了近30余种配合试验。
经筛选,现列举拌和性能相对较好的几组测试数据如下:
A组根据基准配合比及杭州湾、舟山配合比,按照调整水胶比至0.34砂率39%
试配配合比:
水泥:
粉煤灰:
矿粉:
砂:
碎石:
水:
外加剂
=194:
175:
116:
692:
1083:
165:
4.85
试配测试结果:
出机坍落度/扩展度:
22/52(cm);1小时坍落度/扩展度18/48(cm);2小时坍落度/扩展度16/42(cm);粘聚性良好;保水性良好;初凝时间16h10min;终凝时间21h22min;7天强度33.0MPa;28天强度52.6MPa
B组根据基准配合比及杭州湾、舟山配合比,按照水胶比0.36砂率40%
试配配合比:
水泥:
粉煤灰:
矿粉:
砂:
碎石:
水:
外加剂
=194:
142:
94:
724:
1087:
155:
4.30
试配测试结果:
出机坍落度/扩展度:
21.5/52(cm);1小时坍落度/扩展度20/48(cm);2小时坍落度/扩展度18/42(cm);粘聚性良好;保水性良好;初凝时间23h10min;终凝时间29h22min;7天强度32.6MPa;28天强度46.3MPa;
C组根据基准配合比及杭州湾、舟山配合比,按照水胶比0.38砂率40%
试配配合比:
水泥:
粉煤灰:
矿粉:
砂:
碎石:
水:
外加剂
=183:
134:
90:
733:
1100:
155:
4.08
试配测试结果:
出机坍落度/扩展度:
22/50(cm);1小时坍落度/扩展度19.5/46(cm);2小时坍落度/扩展度18.5/40(cm);粘聚性较差;保水性良好;初凝时间19h20min;终凝时间21h30min;7天强度43.5MPa;28天强度57.3MPa;
5.2.6配合比选定
经多组配合比多次试配、调整,根据本工程各项需求,在筛除因配合比坍落度损失大,混凝土流动性较差,混凝土初凝时间不能满足本工程需求,材料经济性成本过相对过大等因素,最终选定混凝土配合比为所列出的B组,该配合比及相关参数如下:
水泥:
粉煤灰:
矿粉:
砂:
碎石:
水:
外加剂
=194:
142:
94:
724:
1087:
155:
4.30
=1:
0.73:
0.48:
3.73:
5.60:
0.80:
0.022
坍落度/扩展度(cm)
表观密度(kg/m3)
粘聚性
保水性
初凝时间
终凝时间
7天强度
28天强度MPa
0h
1h
2h
21.5/52
20/48
18/42
2400
良好
良好
23h10min
29h22min
32.6
46.3
5.3施工混凝土拌制
混凝土拌制采用中联120型强制搅拌机进行搅拌,搅拌计量采用全自动计量系统,各称量器具必须经过计量部门审核校正并颁发计量合格证书方可使用。
所有混凝土原材料,除水可按体积称量外,其余均按照质量称量,混凝土配合料必须严格计量才可拌制。
计量最大允许误差(按重量计)水泥、粉煤灰、矿粉、外加剂、水控制在施工配合比称重量的±1%;碎石、砂控制在±2%。
混凝土外加剂必须在搅拌均匀后方可加入搅拌,搅拌时间自配合料加完起应不少于90秒。
称重投料顺序为砂→碎石→水泥、粉煤灰、矿粉→水→外加剂施工过程中持续监测集料含水率的变化,并依据测试结果及时调整施工配合比和每盘拌合材料用量。
混凝土搅拌工艺流程见图5.3.1。
图5.3.1混凝土搅拌工艺流程图
5.3.1混凝土拌制要求
搅拌时按上述投料顺序投料。
同时,严格控制混凝土在搅拌机内的连续搅拌时间,严禁在拌合物出机后加水。
混凝土拌和工作,将各种组合材料搅拌成分布均匀、颜色一致的混合物。
搅拌筒拌和的第一盘混凝土粗集料数量只能用到标准数量的2/3。
在下盘材料装入前,搅拌筒内的拌和料全部卸清。
拌和出机的第一盘混凝土不得应用于本工程当中。
搅拌设备停用超过30min时,将搅拌筒彻底清洗才能重新拌和混凝土。
注意监视与检测开拌初始的前二、三盘混凝土拌和物的和易性,如不符合要求时,及时分析处理,直至符合要求后方可持续生产。
对新拌混凝土应作坍落度、扩展度、压力泌水率和自由下落排空时间试验和粘聚性保水性检查,在搅拌地点和浇筑地点均需测试,每班不少于2次,并做好记录。
混凝土浇筑温度控制在28℃之内。
在搅拌地点和浇筑地点均需测试混凝土拌和物温度,每班不少于2次,并做好记录。
5.3.2搅拌站试拌
待所有原材料进场检验合格后,对混凝土配合比进行模拟施工现场的试拌,试拌严格按照混凝土拌制规程进行,试拌混凝土方量不小于混凝土运输车载入量,本工地实际试拌方量为8m3。
试拌前对混凝土所用各项原材料的检测数据进行检测。
对不合格原材料一律清退,坚决杜绝不合格批次产品使用于配合料当中。
对与配合比试配时测试的数据偏移较大但符合规范要求的原材料进行记录,以备试拌结果与试配数据的比对分析。
试拌过程中认真观察并记录每盘混凝土的坍落度、扩展度、混凝土粘聚性、保水性等结果的测试,待混凝土搅拌车搅拌运输至施工现场时再次取样对整车混凝土进行测试,最终将两次测的数据与配合比试配时的数据进行比对,对有和理论配合比测试结果相差太大的数据进行分析,并立即要对拌制所用的各种原材料进行取留样,组织试验人员对理论配合比进行复试并分析。
直至试拌测试结果符合理论配合比和工程要求,或考虑重新选配新的配合比。
5.4冬期施工混凝土的搅拌措施
(1)室外日平均气温连续5天稳定低于5℃时,混凝土拌制应采取冬施措施,并应及时采取气温突然下降的防冻措施。
(2)混凝土所用骨料必须清洁,不得含有冰、雪等冻结物及易冻裂的矿物质。
(3)冬期制混凝土应优先采用加热水的方法。
水泥不得直接加热,使用前暖棚内存放。
水加热到70℃,水泥不应与水直接接触。
投料顺序为先投入骨料和已加热的水,然后再投入水泥。
(4)冬期混凝土拌制的质量检查:
①检查外加剂的掺量。
保证混凝土外加剂称量时的掺入量与混凝土施工配料单一致,允许称量误差控制在±1%。
外加剂在存储过程中会产生微量的沉淀,从而难以保证整个外加剂的性能一致,因此在使用前应对存储设备内的外加剂进行搅拌,待搅拌均匀后方可称量加入搅拌机内拌制混凝土。
②测量水和外加剂溶液的加热温度和加入搅拌机的温度。
要求水温加热至70度,外加剂加入至30度方可加入搅拌机进行混凝土搅拌。
③测量混凝土自搅拌机中卸出时的温度和浇筑时的温度。
要求混凝土温度控制在5-30度之间。
④混凝土试块的留置应增设不少于两组与结构条件养护的试件,分别用于检验受冻前的混凝土强度和转入常温养护28d的混凝土强度。
5.5灌注料斗设计及制作
5.5.1首灌混凝土数量的计算
首批灌注混凝土的数量应满足导管首次埋深(≥1.0m)和填充导管底部的需要,见图5.1,所需混凝土数量计算按下式:
式中:
V—灌注首批混凝土所需数量(
);
D—桩孔直径(m);
—桩孔至导管底端间距,一般为0.4m;
—导管初次埋置深度(m);
—导管内径(m);
—桩孔内混凝土达到埋置深度
时,导管内混凝土柱平衡导管外(或泥浆)压力所需的高度(m),即
;
—灌注首批混凝土面到桩孔内泥浆面的距离;
—泥浆容重;
—混凝土容重。
图5.5.1首批混凝土数量计算图示
由于钻孔试桩桩底标高-114m,护筒顶标高+8m,桩孔直径D=3.8m,灌注导管内径
=0.41m,桩孔至导管底端间距
取0.4m,导管初次埋置深度
取1.5m,
。
将这些已知数据代入上式计算该试验桩首灌所需混凝土数量如下:
=
通过以上计算,该试验桩首批灌注混凝土数量要求不得小于
,将混凝土灌注料斗设计成30
。
首灌时,采用泵车一次性将料斗注满。
5.5.2混凝土储料斗的设计
混凝土灌注采用两个储料斗进行,分别为30
大料斗(用于首灌)和4
小料斗(用于正常灌注)。
5.5.2.1大储料斗设计
大储料斗漏斗部分底口为410*410mm,顶口为4000*2200mm,高度为1200mm,矩形部分长度为4000mm,宽度为2200mm,高度为3000mm。
漏斗部分面板采用10mm厚钢板,支撑在横肋上;横肋采用【8,间距300mm,支撑在竖肋上;竖肋采用2】【8,在2200mm方向上,两边间距为200mm,中间间距为600mm,在4000mm方向间距600mm,在支撑在支架框上。
漏斗以上部分面板采用10mm厚钢板,支撑在横肋上;横肋采用【8,截面系数
,间距350mm,支撑在竖肋上;竖肋选用2】【8,间距900mm,截面系数
,以上、中、下三道拉杆螺栓为支撑点;拉杆螺栓采用φ28圆钢,在距底部15cm处设一道,在距底部120cm处设一道,在顶部设一道。
具体尺寸见图5.5.2.1大储料斗平面图,图5.5.2.2大储料斗正面图,图5.5.2.3大储料斗侧面图。
图5.5.2.1大储料斗平面图单位:
cm
图5.5.2.2大储料斗正面图单位:
cm
图5.5.2.3大储料斗侧面图单位:
cm
5.5.2.2大储料斗支撑架制作
(1)支撑架设计
大料斗支架制作成框架式结构,具体尺寸为4000*2200*2000mm.底面支撑杆件、竖向骨架以及斜撑均采用【16对口槽钢制作。
竖向主骨架位置分别与储料斗竖肋相对应,其连接处焊接牢固。
具体尺寸见图5.5.2.4大储料斗支撑架正面图、图5.5.2.5大储料斗支撑架侧面图。
图5.5.2.4大储料斗支撑架正面图单位:
cm
图5.5.2.5大储料斗支撑架侧面图单位:
cm
(2)支撑架稳定性验算
混凝土储料斗自重13.9KN,30
混凝土自重为720KN,导管自重108.5kN。
料斗及混凝土自重作用在支撑架上,简化后计算得作用在单根竖向支架柱上的最大力为120.9KN,作用在单根斜向支架柱上的最大力为133.6KN。
故单根支架柱上的最大轴向压力取N=133.6KN
支架柱采用【】16,
由钢结构计算手册,根据
,查得
稳定性满足要求
5.5.2.3支撑平台设计
在钢护筒顶口用2I56工字钢做支撑平台,用于安装首灌料斗塔架。
2I56工字钢上垫2I22工字钢,用于调整导管标高和固定导管,具体如图5.5.2.6支撑平台布置图所示。
图5.5.2.6支撑平台布置图
5.5.2.4大储料斗安装就位
大储料斗安装直接利用其支撑架放在钢护筒顶面,由钢护筒承受其主要受力;另外,在平台顶面采用I56工字钢制作一个支撑平台,并焊接于平台桥面板上。
安装时,在大储料斗侧面设置加强牛腿钢板,通过牛腿与支撑平台相连(如图5.5.2.7大储料斗安装图(正面)、图5.5.2.8大储料斗安装图(侧面))。
图5.5.2.7大储料斗安装图(正面)
图5.5.2.8大储料斗安装图(侧面)
5.5.2.3小料斗
小储料斗尺寸:
底口为410*410mm,顶口为4000*2000mm,高度为1300mm,其容量为4
。
面板采用10mm厚钢板,横肋采用【8,间距300mm,支撑在竖肋上;竖肋采用2】【8。
在小储料斗顶口设置四个吊点用于吊装。
5.6混凝土灌注导管制作与下放
5.6.1混凝土灌注导管制作与配置
(1)导管基本尺寸
参考相关大直径灌注桩施工经验,混凝土灌注用导管制作采用Q235无缝钢管,接头形式为丝扣式,其内径为410mm,壁厚为8mm,底节导管长为6m,中间每节长3m,调整节长度为1m和0.5m。
每节导管距顶口50cm处焊接φ8钢筋。
(2)导管长度配置
钢护筒顶标高为+8m,卡管钢板采用5cm厚钢板,下用I56工字钢做支撑梁,距导管顶口50cm处焊接φ10钢筋,则首灌时导管顶标高为+9.11m(8+0.56+0.05+0.5=9.11);钻孔桩底标高为-114m。
计算所需导管长度为:
114+9.11-0.4(悬空高度)=122.71m。
则导管配置方案为:
6m+38*3m+1m+1m+0.5m=122.5m。
在I56工字钢支撑梁和5cm厚卡管钢板之间垫I22工字钢进行高度调整。
(3)导管加工
加工方式为委托专业生产厂家加工,加工长度131m,包括1根底节6m,3m节42根,1m节2根,0.5m节2根,其中两节3m中间节作为备用。
(4)导管抗拔力计算
导管自重
G=122*82.5*9.8*(1+1*0.1)=108500N
混凝土摩阻力
导管受混凝土摩阻力包括导管内和导管外混凝土摩阻力,按首灌导管埋深10m计算。
导管内混凝土摩阻力按导管内全部混凝土重量的0.8倍计算,导管外混凝土摩阻力按摩阻力系数10kPa计算。
混凝土顶面标高-102.5m,泥浆面标高+4.0m。
f=(102.5+4)*12/24*π*(0.41/2)2*24+π*(0.41+2*0.008)*10*10
=302kN(按摩阻力系数20kPa计算436kN)
导管抗拔力
F抗拔=G+f=108.5kN+302kN=410.5kN
混凝土灌注过程中,导管的上拔利用100t汽车吊进行。
(5)导管丝扣连接强度计算
导管制作采用Q235无缝钢管,接头形式为丝扣式,其内径为410mm,壁厚为8mm。
丝扣螺牙根部宽度3mm,螺牙工作高度3mm,有效工作牙数6个。
丝扣弯曲应力计算
Fmax=
Fmax:
丝扣最大弯曲应力
:
荷载不均匀系数,一般取0.3~0.5,本计算取0.3
:
外螺纹的小径,本计算取410mm
b:
螺牙根部宽度,本计算取3mm
h:
螺牙工作高度,本计算取3mm
z:
有效工作牙数,本计算取6
P:
螺距
Fmax=350*0.3*3.14*410*32*6/(3*3)=811062N>F抗拔=410.5kN
丝扣弯曲应力满足导管上拔的需要。
丝扣剪应力计算
在最大弯曲应力时丝扣的最大剪应力:
=410500/(0.3*3.14*410*3*6)=59.05MPa≤[τ]=85MPa
(6)导管验收与检查
检查导管的壁厚,不得小于8mm;
测量每节导管长度,并做好记录;
检查丝扣,保证每个接头的车丝部分完好无损;
管口平整度不得大于1mm。
密封圈不得有破损。
5.6.2混凝土灌注导管水密性试验
5.6.2.1预施压力计算
进行水密性试验的水压不应小于孔内水深1.3倍的压力,也不应小于导管壁和焊接可能承受灌注混凝土时最大内压力p的1.3倍,p可按下式计算:
式中:
p——导管可能受到的最大内压力;
——混凝土拌和物的重度;
——导管内混凝土柱最大高度;
——孔内泥浆的重度;
——孔内泥浆的深度。
其中
=24
,
=127m,
=10.0
,
=121m。
可计算出
P=1838kPa
则导管应承受的最大压力
=1.3p=2.4MPa。
5.6.2.2导管水密性试验
为了进一步确定导管水密性抗压要求,对每节导管都进行实地的检测,主要是导管的密封程度,导管之间连接处的水密性检测。
检测工作在栈桥上进行,一次性将导管全部对接好,然后密封导管两头,采用高压水枪对导管强行注入高压水,其注压值控制在3MPa,并持荷5分钟。
试验满足要求后,及时对各节管进行编号,灌注时按照编号下放导管。
5.6.3混凝土灌注导管下放
(1)平台标高确定
钻孔桩底标高为-114m,钢护筒顶标高为+8m,2I56工字钢顶标高为+8.56m。
计算所需导管长度为:
114+8.56+0.5+0.05-0.4(悬空高度)=122.71m。
导管配置方案6m+38*3m+1m+1m+0.5m=122.5m。
故在I56工字钢支撑梁和5c
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