日本盾构法施工规范2.docx
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日本盾构法施工规范2.docx
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日本盾构法施工规范2
第5章管片的形状和尺寸
第46条管片的形状和尺寸
管片的形状和尺寸,应考虑使用目的,便于施工和经济等条件来确定。
【解释】决定管片形状、尺寸的主要因素和决定这些因素的一般方法如下:
(1)管片环的外径
(2)管片高度(厚度)
(3)管片宽度
(4)管片环的分割
(1)管片环的外径:
管片环的外径尺寸,如第9条所述,应根据隧道净空和衬砌厚度(管片高度、二次衬砌厚度等)确定。
管片环的外径尺寸,是隧道设计的最基本因素,在土木学会。
在《盾构标准管片》(1990年版)中,将外径的规格化作为标准化的基准。
(2)管片高度:
管片高度与隧道断面大小的比,主要决定于围岩条件、埋深等,主要是决定于荷载条件,但有时隧道的使用目的和管片施工条件也起支配作用。
根据施工经验,管片高度一般为管片环外径的4%左右,但对于大断面隧道,尤其是中字形管片,约为5.5%左右。
(3)管片宽度:
为了便于运搬和组装以及在隧道曲线段上的施工,并根据盾尾长度等条件,希望管片宽度小些好。
但是,从降低每延长米隧道管片的制造成本,减少易成为漏水等弱点的接头的个数和螺栓孔、提高施工速度等方面考虑,则又希望此宽度大些好。
管片宽度,应根据施工实践并考虑隧道的断面、经济性、施工性等条件决定。
根据日本迄今为止的经验,管片宽度,视隧道断面大小,一般在300mm~1500mm的范围内,采用钢管片时,为750mm~1200mm,采用混凝上管片时,为900mm~1200mm。
(4)管片环的分割:
管片环的组成,一般由几块A型管片和2块B型管片和一块最后组装的K型管片构成。
其中K型管片有从隧道内侧插入的(径向插入型)和从隧道轴向插入的(轴向插入型)也有两者并用的(第22条,图2·3)。
从隧道内侧插入的K型管片的长度比A,B型管片应该小一些(参照第47条)。
依过去的经验及实践,铁路隧道一般分为6~11块,其中分为6~8块的较多。
上下
水道和电力通信等隧道,一般均分成5~7块。
在“盾构标准管片”中规定,管片的形状尺寸可按解释表2·14、2·15标准化。
解释表2·14钢管片的形状尺寸(单位:
mm)
管片外径
宽度
高度
管片分割数
1800~2000
750
75
100
6
2150~2550
900
1000
100
125
6
2750~3350
900
1000
100
125
150
6
3550~4050
900
1000
125
150
175
7
4300~4800
900
1000
150
175
7
5100~5700
900
1000
175
200
225
7
6000
900
1000
200
225
7
(6300~6900)
900
1000
250
275
7
(7250~8300)
900
1000
300
325
350
8
注:
()表示参考标准管片
解释表2·15混凝土平板形管片的形状尺寸(单位:
mm)
管片外径
宽度
高度
分割数
1800~2000
900
1000
100
125
5
2150~3350
900
1000
100(200)
125
150(225)
5
3550~4800
900
1000
125(225)
150
175(250)
200(275)
6
5100~6000
900
1000
175
200
225
250
275
300
6
(6300~6900)
900
1000
250
275
300
7
(7250~8300)
900
1000
275
300
325
350
8
注:
()内表示参考标准管片
铸铁管片的形状尺寸以钢管片为准。
第47条接头角度及插入角度
K型管片的接头角度及插入角度应考虑断面力的传递、组装的作业性、施工条件及管片的制造性决定。
【解释】径向插入型管片的接头角度(αr),依下式计算(解释图2.9)。
αr=θk/2+ω
ω是插入管片所需富裕的角度,一般采用2~5度。
但是,在不妨碍作业的条件下,小一些好。
在《盾构标准管片》中规定约为3度左右。
解释图2·9径向插入型管片
如果加大接头角度,则在接头处易产生滑动,从而难以保证传递管片中的轴力和剪力。
为此,应尽力减小K型管片的中心角。
尤其在小直径隧道中,由于采用的接头角度都比较
大,故需严加注意。
轴向插入型管片,一般不要接头角度,但考虑包括盾构长度在内的施工条件及管片接头的干扰,有时也需要设定接头角度()。
管片的插入角度应根据施工条件决定,一般多取17~24度。
管片的中心角和管片高度大的场合,插入角会过大或盾构长度变长,轴向插入型管片,也要设置一定的接头角度。
解释图2·10轴向插入型管片
第48条楔形环
楔形环应考虑隧道的平面形状、周边围岩的状况、压浆等辅助工法、接头的刚性、管片的制造性、施工富裕等决定其数量、宽楔入量。
[解释]楔形环分为曲线用和修正蛇行用的2种。
在缓和曲线用的楔形环中,其楔入量应与蛇行用的楔形环配合好,不要使设计的楔形环的种类太多。
修正蛇行用的楔形环的数量应根据缓和曲线和小曲线区间的比例,有无S曲线和盾构操纵的的稳定性及周边围岩状况等,其数量是不同的。
通常,蛇行修正用的楔形环的数量的大致标准为整个隧道管片环数的3~5%。
蛇行修正用和缓和曲线用的楔形环的最大宽度,在钢管片中,或等于标准宽度或比其略小。
采用铸铁管片或混凝土中字形管片时,多取标准宽度加上楔入量一半的和作为楔形环的宽度。
对于平板形管片,应比过去使用的楔形环最大宽度略窄一些,但最近有把楔形环的宽度改为等于标准宽度再加楔形量的一半的例子。
缓和曲线以外的曲线用的楔形环的最大宽度,在钢管片中,根据曲线程度,采用250mm,在混凝土管片中,由于制造上的限制,多采用750mm。
楔入量除应根据管片宽度、管片环外径、曲线半径及区间使用的楔形环所占的比例、管片的制造性外,还应根据盾尾空隙量而定。
实践中采用的楔入量、楔入角大致如解释图2·11所示。
大致在解释表2·16的范围之内。
解释图2·11楔入量、楔入角的实绩
解释表2·16楔入量、楔入角
管片外径Do
Do<4m
4m≦Do<6m
6m≦Do<8m
8m≦Do<10m
10m≦Do
楔入量(mm)
15~75
30~80
30~90
40~90
40~70
楔入角
20’~115’
20’~70’
15’~50’
15’~35’
10’~25’
超过10m的大直径及特殊形状的管片,应与有关方协商,决定楔入量或楔入角。
在《盾构标准管片》中规定,应根据管片环的外径、管片的宽度,决定楔人量。
在曲线区间的楔形环与普通管片环的组合,根据施工实际,采用2:
1的情况最多。
其次是3:
1、1:
1、4:
1、3:
2。
但是采用2:
1以上的比例时,最好不采取管片接头连续配置的方法。
在曲线半径比较大的铁路隧道和公路隧道中,楔形环的比例在1:
1以下的情况居多。
第6章管片的结构计算
第49条结构计算的基本原则
(1)隧道的结构计算,应根据相应于施工中各阶段和竣工后状态的荷载进行。
(2)隧道横断面的设计荷载,应根据设计对象的隧道各区间中最不利条件确定。
(3)混凝土管片在计算静不定力或弹性变形时,一般不考虑钢筋,按混凝土全断面
为有效断面进行计算。
【解释】
(1)管片设计除应考虑隧道完成后长期作用在其上的荷载之外,还必须考虑下述各项:
①管片组装后立即开始,到回填压注材料硬化为止这一期间内,衬砌环的稳定性、断面力和变形;
②千斤顶推力作用下管片的断面力及变形:
③回填压注压力作用下管片的断面力和变形;
④小曲线地段的状态;
⑤地质条件急剧变化的状态;
⑥隧道与竖井连接部分;
⑦将来预计荷载变动的影响、近接施工的影响等。
视施工中各阶段和竣工后状态应该考虑的荷载组合,应根据隧道所处的实际状态,按第
28条所规定的主荷载、副荷载及临时荷载中进行选择。
(2)设定荷载所必须的埋深及围岩条件等,均沿着隧道的纵轴方向而变化,但依此条件设计衬砌时,从施工性和经济性的观点出发,是不能令人满意的。
但是,在荷载条件变化激烈的地段,一般多从经济观点出发将隧道分成几个区间,而每一区间内,采用同样的设计条件进行衬砌的设计。
(3)计算不静定力或弹性变形用的断面二次矩,可忽视钢筋,误差是不大的。
因此
为计算简化,可以忽视钢筋,按混凝土全断面进行计算。
第50条断面力的计算
管片的断面力,应考虑其构造特点进行计算。
【解释】取隧道横断面的图心半径作为结构计算用的管片环的半径。
断面力,当然随着管片环的模式而异,也随荷载的设定,特别是地层抗力的确定方法参照第33条)的不同而异,因此,在设计时,有必要需明确这些原则。
构成盾构隧道的管片环,通常是由几个管片用螺栓等组装而成,因此,管片的主断面和具有相同刚性的刚性均匀的环来比,是易于变形的。
这是因为,管片接头的刚性(特别是抗弯刚性)比管片主断面刚性低的原因所造成的。
如何评价这种接头刚性的降低,在计算管片环的断面力时是很重要的。
其次,具有这种接头的环,如前所述,变形很大,根据周边围岩的状况,在日本,目前多采用轴向螺栓接合,并采用交错配置的方法增加接合效果的方法。
此时,如何评价交错配置的效果,在设计上也是重要的。
管片环的结构模式,根据管片接头的力学处理方法的不同,有以下几种。
1把管片环视为抗弯刚度相同的园环的方法;
(a)不考虑管片接头弯曲刚性降低,把管片环视为与管片主断面同样弯曲刚性EI的,弯曲刚性均匀的环的方法
(b)接头的弯曲刚性的降低用整个环的刚性降低来评价,取管片环的刚性为ηEI的弯曲刚性均匀的环的方法。
考虑交错配置的接头部分弯矩的分配,可按根据具有ηEI均匀刚性环计算的断面力,把弯矩用ξ(ξ:
弯矩增加率)加以增减,主断面的设计弯矩采用(1+η)M,,管片接头设计弯矩采用(1-η)M的方法。
②把管片环视为多铰环的方法;
③把管片环视为具有回转弹簧的环,并用剪切弹簧考虑交错配置的添加效果的方法。
①(a)的方法是比较简单的,根据荷载的处理方法有许多提案。
其中,采用解释图2·1所示的惯用的荷载系的方法称为惯用设计法。
①(b)是①(a)方法的修正,也是合理的方法。
与①(a)一样,采用惯用的荷载系,设η=1、ξ=0,就与①(a)方法是一致的。
这种采用ηξ计算断面力的方法称为修正惯用法。
2的方法,是英国和前苏联在比较良好的围岩中采用的计算方法。
管片环伴随隧
道的变形,产生地层反力,组装采用连续接头的配置。
3的方法是日本考虑交错配置的添加效果的一种计算方法(称为梁—弹簧模式)。
计算管片环的断面力时,采用那一种方法,视隧道用途、围岩状况、荷载条件、管片构造要求的解析精度等各种条件而异,要进行充分的研究。
解释图2·12说明各计算方法的特性,解释图2·13说明采用的荷载系。
在③的计算方法中,除解释图2·13所示的荷载外,垂直方向的地层反力也可采用地层弹簧的方法进行评价在这些计算方法中,地层弹簧可采用Winkler假定进行收敛计算。
解释图2·12管片环的构造特性
解释图2·13作用在管片环上的荷载
下面详细地说明这些断面力的计算方法。
1)惯用设计法:
惯用设计法是1960年提出的,在日本得到极为广泛的应用。
解释
图2·1是惯用法采用的荷载系,垂直方向的地层反力假定为等均布荷载,水平方向的地层反力假定为在环的顶部左右各45~135度分布的三角形等变荷载。
决定水平方向地层反力的水平直径处的位移值,因是否考虑衬砌自重的地层反力而有所不同。
可根据解释表2·17的公式进行计算。
解释表2·17是根据修正惯用法计算断面力的公式,表中的η值取1,就是惯用法的计算公式。
2)修正惯用法:
管片如交错配置能够补偿管片接头的刚性降低,但如何评价这种添加效果,还是一个问题。
因此,进行了许多有关具有螺栓接头的管片环的加载试验。
根据这些试验结果和解析结果,首次提出了刚性有效率η的概念。
管片环即使是交错组装,变形比弯曲刚性均匀的环相比大,在围岩条件差的场合,即使改变弯曲刚性的有效率,断面力的计算结果也没有很大的差异,但在围岩条件比较好的场合,因能够产生伴随变形的抵抗土压,有效率对断面力的影响变大。
有效率视管片种类、管片接头的构造特性、管片交错配置的方法及构造特性等而异,特别是受到周边围岩的影响显著,因此应根据工程实践和试验结果等,根据经验决定。
采用修正惯用法计算断面力时η过小,围岩的地层反力则过大,环的断面力则变小,因此应十分注意。
另外,管片接头在一定程度上表现出铰的作用,,在这种条件下求出的弯矩并不能通过接头来传递,其一部分要通过交错组装的相邻管片传递。
弯矩增加率ξ,如解释图2·14所示,是传递到相临管片的弯矩M2和具有弯曲刚性η·EI的环的弯矩M的比值(M2/M)。
此值基于η的同样为试验结果为基础,凭经验决定。
解释图2·14接头的弯矩传递
弯曲刚性有效率η和弯矩增加率ξ,是相互有关的,如η接近1,ξ接近0,η越小,ξ越接近1。
也就是说,接头的弯曲刚性,与主断面相同,则不会向邻接管片传递弯矩。
反之,接头是绞时,邻接管片将分担100%的弯矩。
这里应注意的是,即使管片接头是绞,隧道周边如果有围岩的话,η值也是有限的,可采取为0。
被围岩包围的管片环,会产生比地面上进行加载试验时大的轴力,一般认为η值比试验值大,而ξ值则有小的趋势。
再加上荷载设定的不确定因素,多在设计即使中,取ξ=0、η=1。
在“盾构标准管片”中规定,平板形管片主要取ξ=0、η=1。
作为参考可取ξ=0.3、η=0.8。
采用修正惯用法及惯用法时,具体的断面力计算公式列于解释表2.17。
常用计算法计算衬砌环内力的计算式解释表2.17
3)多铰环的计算方法
这是一些国家在周边围岩良好的情况下,采用的计算方法。
把管片接头作为铰结构进行计算。
多铰环本身是不稳定的结构,但被围岩所包围后,就成为稳定的结构。
因此,评价作用在环上的荷载分布及围岩的抵抗土压是很重要的。
同时,因期待隧道周边围岩产生较大范围的反力,故需注意选择适用的地层。
另外,作用环上的主动土压,采用前述的惯用的荷载系。
伴随环的变形和位移产生的抵抗土压,多采用Winkler的假定。
多铰环是也可采用按具有一个非约束铰的静定结构求解,进行变形计算,确认安全性的方法。
最近,在采用具有回转弹簧的环的计算方法中,把回转弹簧的常数取0的数值解析方法。
如采用此计算方法,断面力中的弯矩的相当低的,虽然设计比较经济,相反地,周边围岩的好坏对隧道安全性将起着决定性的影响。
因此,要充分研究近接施工等对隧道周边围岩是否扰乱,对隧道的防水等的影响。
4)梁—弹簧模式的计算方法
将管片主断面视为圆弧或直线梁,管片接头视为能够抵抗弯矩的回转弹簧,并用剪切弹簧环接头的弯曲刚性降低和交错配置的添加效果的计算方法。
在此方法中,如取旋转弹簧常数为零,则基本上与多铰环是一致的。
,如取为无限大,则与均匀刚度的环一致,所以它是介于这两种方法之间的计算方法。
在力学上。
它是说明管片环承载机理的一种有效的方法。
采用这种方法的荷载系,基本上是惯用的荷载系,但地层反力全部或一部分也可置换为地层弹簧。
采用这些方法,在非对称荷载时,计算比较简单。
梁—弹簧模式的计算方法,能够任意考虑环的组合方法和接头的位置,同时也能够计算环接头产生的剪力。
回转弹簧常数和剪切弹簧常数,除根据试验求出外,一般对管片接头,也可以采用解析方法求解。
最近,这种方法不仅在铁路隧道和公路隧道这样的大直径隧道中采用,在中小直径是隧道中设计条件复杂的场合,也多加以采用。
如上所述,求解断面力的方法是很多的,但不管那一种方法,在能够期待地层反力的地层中,要考虑地层和隧道的相互作用进行计算。
为此,应根据地层刚性和隧道刚性的大小,断面力是不同的。
在进行断面力的计算时,既要根据管片主断面的弯曲刚性,也要考虑断面力的计算方法,事先求出接头的刚性,这很必要的。
第51条壳板和背板的有效宽度
背板及壳板的有效宽度根据其结构确定。
[解释]主肋、纵肋及接头板(以下简称为主肋及加劲肋)是与壳板或背板的一部分共同承担荷载的。
此时,背板的有效宽度依:
①板的受力状态;②背板或壳板的厚度:
③主肋和加劲肋的尺寸;④主肋及加劲肋与壳板或背板的结合方法等而变化,难以作出统一的规定,必须根据实际情况决定。
1)采用钢铁管片时,主肋和加劲肋与背板或壳板牢固结合时的有效宽度be,可采用下示尺寸(参照解释图2.15)。
(1)计算主肋的应力和衬砌环的刚性时,取1个主肋
be=25t
但2be值不得大于主肋间隔距离。
式中,t为壳板的有效厚度。
解释图2·15壳板的有效宽度
(2)计算纵向加劲肋或接头板,由于千斤顶推力产生的应力时,取1个纵向加劲肋或1个接头板的一侧
be=20t
式中,2be值不得大于加劲肋间的间隔。
T为壳板的全厚。
钢管片是由主肋和纵肋、接头板构成的一种格子形结构,纵肋的间隔如过大,会产生主肋局部屈服问题,因此可能出现使壳板有效宽度减小的情况,要十分注意。
2)中字形管片的背板有效宽度,可如下考虑。
(1)计算主肋的应力及纵肋或接头板的应力时,取背板全宽为有效宽度。
(2)计算千斤顶推力引起的纵肋或接头板的应力时,取背板全宽为有效宽度。
但当盾构产生过大的蛇行时,千斤顶推力作用中心与纵肋中央有偏离时,主肋会产生过大的面外弯曲应力,应加以注意。
第52条主断面的应力
管片主断面的应力应采用产生最大断面力的,直线构件进行计算。
【解释】管片主断面的应力,采用第50条的计算方法算出的断面力中,计算正或负的最大弯矩和其位置的轴力,以及最大剪力及其位置的弯矩和轴力。
在修正惯用法中,考虑到作用在接头的弯矩的一部分传递到邻接的管片上,用于主断面计算的弯矩要考虑增加率ξ。
解释图2·16管片的有效断面
管片是一个曲梁,管片高度与其曲率半径之比,通常约为1/10,箱形管片的主肋,一般也是通过加劲肋补强的,所以在主断面计算时,不妨可简单地视为承受弯矩和轴力、以及剪力、弯矩和轴力的直梁进行计算。
但要注意,管片厚度与曲率半径比越大,直梁和曲梁的计算结果差异越大。
钢管片的主断面是由主肋和壳板构成的,对弯矩和轴力的有效断面如图2·16所示。
决定主肋的板厚时,要考虑局部屈服的影响。
同时,对剪切的有效断面只是主肋,但对弯矩及轴力的设计断面,因具有充分的承载力,对剪力的研究可以省略。
混凝土管片的主断面,采用中字形管片时是由主肋和背板构成的T型断面,采用平板形管片时是矩形断面。
但平板形管片,在接头处,断面缺损很大时,也可按T型断面考虑。
在计算对弯矩和轴力的应力时,一般可以忽视混凝土的拉应力,线应变按随距中性轴的距离成比例的关系处理。
剪应力按一些公式计算。
τ=Q/b·d
式中,Q:
最大剪应力
b:
矩形断面是全宽,型断面是腹部宽度
d:
有效高度
剪应力超过容许应力时,要按下式配置求出的断面积以上的箍筋是必要的。
Av=Qv·s/σsa·d
Qv≧Q-Qc
Qc=1/2·τa·b·d
式中,Av:
区间s的箍筋的总面积
s:
间隔
Qv:
承受的剪应力
Qc:
混凝土承受的剪应力
同时,对主筋的混凝土的附着应力是:
τ0=Q/U·d
式中U是主钢筋的周长的总和。
第53条接头计算
管片的接头应根据环断面力的计算方式设计。
[解释]
1)管片接头:
作为刚性均匀的环计算管片环的断面力时,应使管片接头具有与管片主断面同等程度的强度和刚性。
因此,在惯用法中,管片接头的设计断面力,应采用管片环中的正负最大弯矩及其位置的轴力以及最大剪应力及其位置的轴力。
目前所采用的接头方式来满足这一要求,实际上是困难的。
因此,用交错配置的添加效果来弥补,是实际的情况。
在此场合,通过接头传递的弯矩:
如第50条所述,仅减少相邻管片分担的部分。
从而,在修正惯用法中,接头的设计断面力,应参照弯矩增加率,对弯矩予以增加。
一般说,用螺栓接头时,对钢铁管片,如解释图2.17所示,以管片外缘为旋转中
心,求出螺栓的应力,同时在混凝土管片中,将螺栓当作受拉钢筋,按钢筋混凝土断面进行设计。
对接头板,在钢管片、混凝上管片及中字形管片的条件下,根据螺栓的应力计算板的厚度。
对中字形管片,还要计算接头板周围的剪应力和支压应力。
解释图2·17接头断面的弯曲应力的分布
在多铰环中,计算管片环的断面力时,管片接头作为铰来处理,只要能传递剪力及轴力就好。
但从施工便利出发,组装时,应在可能的程度上使之能够抵抗弯曲,对设计荷载来说,可把接头设计成具有铰的动态上下些工夫。
在梁-弹簧的计算方法中,能够直接计算管片接头位置的断面力,并根据其中的最大弯矩、轴力及剪力的组合进行设计。
此时,管片接头要满足计算采用的回转弹簧的常数。
2)环向接头:
管片环为交错配置,能够承受交错效果的场合,环接头当然要具有减少
弯矩并向邻接管片传递的刚性和强度。
设计环接头时,除了梁-弹簧计算方法外,不能够计算设计断面力。
为此,根据惯用法和修正惯用法设计的管片环接头螺栓,应采用与管片连接螺栓同等性能的。
对地震影响和地层下沉产生的隧道纵向动态及施工影响也要采取措施。
接头设计也要考虑隧道的防水性和施工性等条件确定(第56条、第59条)。
第54条壳板及背板的计算
壳板及背板应按承受均布荷载的构件,根据管片的材料特性和结构特点进行设计。
【解释】采用箱形管片时,作用于隧道上的荷载是通过背板或壳板传给主肋、纵向肋、及接头板的。
因此,可将背板或壳板,在结构上视为周边支承的板。
依其尺寸,可将作用荷载视作均布荷载。
两条主肋的箱形管片,考虑到纵肋的间隔比管片的宽度和管片半径小,一般多采用下述几种模式计算背板的承载能力。
(1)按极限状态计算的相对两边固定支承的矩形板;
(2)按极限状态计算的相对两边自由支承的矩形板;
(3)按弹性状态计算的四周固定支承的矩形板。
根据壳板及背板的边长比,钢管片多采用
(1)或
(2)的计算方法,中字形管片多采用(3)的计算方法。
在(盾构标准管片)(1990年版)规定采用
(1)和
(2)的方法计算其钢管片的承载能力。
设计长期使用的钢管片时,需考虑壳板的腐蚀量,或采取适当的防腐蚀措施。
现列举上述
(1)、
(2)、(3)的计算公式如下。
(1)相对两边固定支承的矩形板的极限状态设计法。
P=
F=
Pp=
式中P:
单位宽度的极限荷载
σy:
屈服点应力
t:
壳板有效厚度
s:
壳板跨度
Es:
弹性系数
I:
单位宽度壳板的断面惯性矩
VS:
泊松比
(2)相对两边为简支板的极限状态设计法。
①由两端铰支板(忽略弯曲刚性)的拉力产生的应力,如在屈服点应力以下时,则P值可依下式计算。
P=
解释图2·18壳板和纵肋
②两端铰接拱,由于荷载增加和壳板外面的约束,将引起飞移现象。
在此条件下,如与①同样考虑,则依下式计算P值。
P=
式中,a:
矢高。
(3)四边固定支承板的弹性计算法
有Rankine、Marcus、Pgeaud等方法,其中Marcus的近似解法采用较多。
其中经
常采用Marcus,法的近似解。
解释图2·19作用在壳板上的弯矩
跨中点
maxMx=Vx/24wxlx
maxMy=Yy/24wyly
固定边平均
maxMx=1/12wxlx
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