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HENsystemofficeroom【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】HENsystemofficeroom【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】輕型屋面三角形鋼屋架米跨度鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)(說(shuō)明書(shū))題目12m輕型屋面三角形鋼屋架設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師付建科學(xué)生楊朗學(xué)號(hào)專業(yè)材料成型及控制工程班級(jí)完成日期 2014年 6月19日輕型屋面三角形鋼屋架設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)????指導(dǎo)教師:付建科?(三峽大學(xué)?機(jī)械與材料學(xué)院)設(shè)計(jì)資料與材料選擇設(shè)計(jì)一位于杭州市近郊的單跨屋架結(jié)構(gòu)(封閉式),要求結(jié)構(gòu)合理,制作方便,安全經(jīng)濟(jì)。原始資料與參數(shù)如下:①、單跨屋架總長(zhǎng)36m,跨度12m,柱距S=4m;②、屋面坡度i=1∶3,恒載mm2,活(雪)載mm2;③、屋架支承在鋼筋混凝土柱頂,混凝土標(biāo)號(hào)C20,柱頂標(biāo)高6m;④、屋面材料:波形石棉瓦(1820×725×8);⑤、鋼材標(biāo)號(hào):,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為215N∕mmEQEQ⑥、焊條型號(hào):E43型;⑦、荷載計(jì)算按全跨永久荷載+全跨可變荷載(不包括風(fēng)荷載),荷載分項(xiàng)系數(shù)?。害肎=,γQ=。屋架形式及幾何尺寸對(duì)于于屋面坡度較大(i≤1/8)的屋蓋結(jié)構(gòu)多用三角形鋼屋架,而且三角形芬克式輕型鋼屋架一般均為平面桁架式,其構(gòu)造簡(jiǎn)單,受力明確,腹桿長(zhǎng)桿受拉,短桿受壓,受力較小,且制作方便,易于劃分運(yùn)送單元,適用于坡度較大的構(gòu)件自防水屋蓋。本課題采用八節(jié)間的三角形芬克式輕鋼屋架。已知屋面坡度i=1∶3,即,屋面傾角:屋架計(jì)算跨度:L0=L-300=12000-300=11700mm屋架跨中高度:上弦長(zhǎng)度:上弦節(jié)間長(zhǎng)度:上弦節(jié)間水平投影長(zhǎng)度:根據(jù)已知幾何關(guān)系,求得屋架各桿件的幾何長(zhǎng)度如圖1所示(因?qū)ΨQ,僅畫(huà)出半榀屋架)。3屋架支撐布置屋架的支撐①.在房屋兩端第一個(gè)柱間各設(shè)置一道上弦平面和下弦平面橫向支撐(如圖2)。②.在與橫向支撐同一柱間的屋架長(zhǎng)壓桿D-2和D-2′處各設(shè)置一道垂直支撐,以保證長(zhǎng)壓桿平面的計(jì)算長(zhǎng)度符合規(guī)范要求。③.對(duì)于有檁屋架,為了協(xié)調(diào)支撐,在各屋架的下弦節(jié)點(diǎn)2和2′各設(shè)置一道通長(zhǎng)柔性水平系桿,始、終端連于屋架垂直支撐的下端節(jié)點(diǎn)處。④.上弦橫向支撐和垂直支撐節(jié)點(diǎn)處的水平系桿均由該處的檁條代替。屋面檁條及其支撐1.確定檁條波形石棉瓦長(zhǎng)1820mm,要求搭接長(zhǎng)度≧150mm,且每張瓦至少要有三個(gè)支承點(diǎn),因此最大檁條間距則半榀屋面所需檁條數(shù)考慮到所需平面橫向支撐節(jié)點(diǎn)處必須設(shè)置檁條,實(shí)際取半跨屋面檁條數(shù)=9根,檁條間距可以滿足要求。這里我們?cè)囘x用[8槽鋼,查型鋼表可得,,。檁條在屋面荷載q的作用下將繞截面的兩個(gè)主軸彎曲。若荷載偏離截面的彎曲中心,還將受到扭矩的作用,但屋面板的連接能起到一定的阻止檁條扭轉(zhuǎn)的作用,故設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮扭矩的影響,而按雙向受彎構(gòu)件計(jì)算。型鋼檁條的壁厚較大,可以不計(jì)算其抗剪和局部承壓強(qiáng)度。2.檁條驗(yàn)算⑴.荷載計(jì)算恒載,活載,則檁條均布荷載設(shè)計(jì)值圖3所示實(shí)腹式檁條在屋面豎向荷載q作用下,檁條截面的兩個(gè)主軸方向分布承受和分力作用。圖3槽鋼檁條受力示意圖則⑵.強(qiáng)度驗(yàn)算檁條承受雙向彎曲時(shí),按下列公式計(jì)算強(qiáng)度:查表可知截面塑性發(fā)展系數(shù),,故所以滿足要求。⑶.剛度驗(yàn)算當(dāng)檁條間設(shè)有拉條時(shí),檁條只需計(jì)算垂直于屋面方向的最大撓度,計(jì)算撓度時(shí),荷載應(yīng)取其標(biāo)準(zhǔn)值。荷載標(biāo)準(zhǔn)值:則能滿足剛度要求。4屋架的內(nèi)力計(jì)算桿件的軸力載荷計(jì)算:恒載,活載,屋面水平投影面上的荷載設(shè)計(jì)值為為求桿件軸力,把荷載化成節(jié)點(diǎn)荷載:由于屋架及荷載的對(duì)稱性,只需計(jì)算半榀屋架的桿件軸力。由《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》查得內(nèi)力系數(shù),計(jì)算出各桿內(nèi)力如表。圖表1桿件內(nèi)力系數(shù)及內(nèi)力值桿件內(nèi)力系數(shù)內(nèi)力設(shè)計(jì)值全跨屋面荷載P的內(nèi)力系數(shù)ABBCCDDEA-11-22-3B-1D-4C-1C-4C-2E-300E-42-4上弦桿的彎矩屋架上弦桿在節(jié)間荷載作用下的彎矩,按下列近似公式計(jì)算:上弦桿短節(jié)間的最大正彎矩其他節(jié)間的最大正彎矩和節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩是視上弦節(jié)間桿段為簡(jiǎn)支梁時(shí)的最大彎矩,計(jì)算時(shí)屋架及支撐自重僅考慮上弦桿重量。上弦桿節(jié)間集中荷載節(jié)間簡(jiǎn)支梁最大彎矩端節(jié)間最大正彎矩其它節(jié)間最大正彎矩和節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩5、屋架桿件截面設(shè)計(jì)根據(jù)弦桿最大內(nèi)力查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)與實(shí)例精選》P159頁(yè)表3-12鋼屋架節(jié)點(diǎn)板厚度選用表,可選擇支座節(jié)點(diǎn)板厚度8mm,中間節(jié)點(diǎn)板厚度6mm。角鋼規(guī)格不宜小于∟45×4或56×36×4,有螺栓孔時(shí),角鋼的肢寬須滿足螺栓間距要求。放置屋面板時(shí),上弦角鋼水平肢寬須滿足擱置尺寸要求。上弦桿整個(gè)上弦桿采用等截面通長(zhǎng)桿,以避免采用不同界面時(shí)的桿件拼接。彎矩作用平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度側(cè)向無(wú)支撐長(zhǎng)度對(duì)于由兩個(gè)角鋼組成的T形截面壓彎構(gòu)件,一般只能憑經(jīng)驗(yàn)或參考已有其它設(shè)計(jì)圖紙?jiān)囘x截面而后進(jìn)行驗(yàn)算,不合適時(shí)再作適當(dāng)調(diào)整,直至合適為止。試選上弦桿截面為2∟80×7,查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》得其主要參數(shù):,,,,,截面塑性發(fā)展系數(shù),⑴.剛度驗(yàn)算(截面無(wú)削弱)條件取A—B段上弦桿(最大內(nèi)力桿段)驗(yàn)算:軸心壓力:最大正彎矩(節(jié)間):最大負(fù)彎矩(節(jié)點(diǎn)):正彎矩截面:負(fù)彎矩截面:由以上計(jì)算知上弦桿強(qiáng)度滿足要求。⑵.彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)按下列規(guī)定計(jì)算:①對(duì)角鋼水平肢1(b)②對(duì)角鋼豎直肢2(c)其中式(c)僅當(dāng)彎矩使較大翼緣即角鋼水平肢受壓時(shí)才需計(jì)算。參見(jiàn)圖,可見(jiàn)上弦桿段A—B的內(nèi)力最大,最大正彎矩在節(jié)間,最大負(fù)彎矩在節(jié)點(diǎn)處。在節(jié)間,正彎矩使角鋼水平肢受壓,;在節(jié)點(diǎn)處,負(fù)彎矩使角鋼水平肢受拉,。因所考慮桿段相當(dāng)于兩端支承的構(gòu)件、桿上同時(shí)作用有端彎矩和橫向荷載并使構(gòu)件產(chǎn)生反向曲率的情況,故按規(guī)范第5.2.2條取等效彎矩系數(shù)屬b類截面,查《鋼結(jié)構(gòu)》P339頁(yè)附表17-2b類截面軸心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)。歐拉臨界力桿段A—B軸心壓力用最大正彎矩進(jìn)行驗(yàn)算:,,,用最大負(fù)彎矩進(jìn)行計(jì)算:,,由以上計(jì)算知平面內(nèi)長(zhǎng)細(xì)比和穩(wěn)定性均滿足要求。⑶.彎矩作用平面外的穩(wěn)定性驗(yàn)算條件因側(cè)向無(wú)支撐長(zhǎng)度為,故應(yīng)驗(yàn)算上弦桿A—B—C段在彎矩作用平面外的穩(wěn)定性。等效彎矩系數(shù)軸心壓力,計(jì)算長(zhǎng)度屬b類截面,查《鋼結(jié)構(gòu)》P339頁(yè)附表17-2b類截面軸心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)用最大正彎矩進(jìn)行驗(yàn)算:,對(duì)彎矩使用角鋼水平肢受壓的雙角鋼T形截面,規(guī)范規(guī)定完整體穩(wěn)定系數(shù)可按下式計(jì)算:得用最大負(fù)彎矩進(jìn)行驗(yàn)算:,對(duì)彎矩使角鋼水平肢受拉的雙角鋼T性截面,規(guī)范附錄一公式規(guī)定取受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)。得平面外長(zhǎng)細(xì)比和穩(wěn)定性均滿足要求。⑷.局部穩(wěn)定性驗(yàn)算條件(規(guī)范第5.4.1)翼緣自由外伸寬厚比腹板高厚比應(yīng)滿足:當(dāng)時(shí),當(dāng)時(shí),對(duì)由2∟80×7組成的T性截面壓彎構(gòu)件:翼緣,滿足局部穩(wěn)定性要求,且前面計(jì)算所取分別為和無(wú)誤。腹板,亦滿足要求。所選所選桿截面完全滿足各項(xiàng)要求,截面適用。、下弦桿(軸心受拉桿件)整個(gè)下弦不改變截面,采用等截面通長(zhǎng)桿。在下弦節(jié)點(diǎn)“2”(拼接節(jié)點(diǎn))處,下弦桿角鋼水平肢上開(kāi)有直徑為的安裝螺栓孔。因此算下弦桿強(qiáng)度時(shí),必須考慮及此。此外,選截面時(shí)還要求角鋼水平肢(開(kāi)孔肢)的邊長(zhǎng),以便開(kāi)的孔。首先按桿段(該段截面上無(wú)孔)的強(qiáng)度條件和下弦桿的長(zhǎng)細(xì)比條件來(lái)選擇截面。桿段軸心拉力下弦桿的計(jì)算長(zhǎng)度為:(取下弦桿2—3段的長(zhǎng)度)需要查《鋼結(jié)構(gòu)》P325頁(yè)附表4,選用2∟56×36×4,短邊相連,其相關(guān)參數(shù)為:,,,截面塑性發(fā)展系數(shù),⑴.強(qiáng)度驗(yàn)算桿段:,節(jié)點(diǎn)“2”:(桿的軸力)下弦桿強(qiáng)度滿足要求。⑵.長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算下弦桿長(zhǎng)細(xì)比滿足要求。所以所選下弦桿截面適用。腹桿(軸心受力構(gòu)件)1.短壓桿、,因內(nèi)力較小、桿件較短,擬采用單角鋼截面、通過(guò)節(jié)點(diǎn)板單面連接。先按長(zhǎng)細(xì)比要求試選截面,然后進(jìn)行驗(yàn)算。斜平面計(jì)算長(zhǎng)度需要查《鋼結(jié)構(gòu)》P320頁(yè)附表3,選用L40×4:,對(duì)于b類截面,查《鋼結(jié)構(gòu)》P339頁(yè)附表17-2,單面連接的單角鋼構(gòu)件按軸心受壓計(jì)算穩(wěn)定性時(shí)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值折減系數(shù)(規(guī)范第3.2.2條):故所選截面適合。2.較長(zhǎng)的長(zhǎng)壓桿,因內(nèi)力較小、桿件較短,擬采用單角鋼截面、通過(guò)節(jié)點(diǎn)板單面連接。先按長(zhǎng)細(xì)比要求試選截面,然后進(jìn)行驗(yàn)算。斜平面計(jì)算長(zhǎng)度需要選用L40×4:,對(duì)于b類截面,查表有又要滿足,故所選截面適合。3.拉桿和,,需要選用2∟40×4,T形截面:,,??梢詽M足使用要求。4.長(zhǎng)吊桿,。因吊桿不連垂直支撐,故按拉桿長(zhǎng)細(xì)比條件選擇截面。采用單面連接的單角鋼截面需要選用∟40×4:,,可以滿足要求。5.拉桿和,,需要滿足,選用2L40×4,T形截面:,,,可以滿足使用要求。、填板設(shè)置于尺寸選擇兩桿承載不大,中間可以不需要設(shè)置填板。6、屋架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(E43型焊條)。布置桁架桿件時(shí),原則上應(yīng)使桿件形心線與桁架幾何軸線重合,以免桿件偏心受力。為便于制造,通常取角鋼肢背至形心距離為5mm的整倍數(shù)。屋架各桿件軸線至各桿件角鋼背面的距離按下表采用,表中為桿件重心線至角鋼背面的距離。表屋架各桿件軸線至各桿件角鋼背面的距離桿件名稱桿件截面重心距離(mm)軸線距離(mm)備注上弦桿80×725下弦桿56×36×410短壓桿B-1、D-440×415單面連接拉桿E-42-440×415中央吊桿E-340×415短邊單面連接長(zhǎng)壓桿C-240×415單面連接拉桿C-1C-440×415屋架各腹桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊縫的焊腳尺寸hfi和焊縫實(shí)際長(zhǎng)度li(=lwi+10mm)按《鋼結(jié)構(gòu)》P202第節(jié)進(jìn)行計(jì)算,列于下表中。所需焊縫計(jì)算長(zhǎng)度lwi由下列計(jì)算公式得到:雙角鋼T形截面桿件單面連接的單角鋼桿件式中——角鋼背部()或趾部()角焊縫的軸力分配系數(shù)。對(duì)等邊角鋼:,;對(duì)短邊相連的不等邊角鋼:,;——單面連接單角鋼角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的折減系數(shù)(規(guī)范第3.2.2條)。腹桿與節(jié)點(diǎn)板間的連接角焊縫尺寸桿件名稱桿件截面桿件內(nèi)力(kN)角鋼背部焊縫(mm)角鋼趾部焊縫(mm)hf1lw1l1hf2lw2l2短壓桿B-1、D-4∟40×44405044050拉桿C-1C-4L40×44405044050吊桿E-3∟40×404405044050長(zhǎng)壓桿C-2∟40×44405044050長(zhǎng)拉桿2-4E-4∟40×44405044050根據(jù)運(yùn)輸允許的最大尺寸,把屋架劃分為六個(gè)運(yùn)送單元:每半跨分為兩個(gè)小桁架(A-C-2桁架與C-E-2桁架)以及左右跨中的兩節(jié)水平下弦桿和中央吊桿,在節(jié)點(diǎn)E、C、2、3和C′、2′處設(shè)置工地拼接。(一)支座節(jié)點(diǎn)1.下弦桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊縫計(jì)算,,取角鋼背部焊腳尺寸,角鋼趾部焊腳尺寸,按焊縫連接強(qiáng)度要求得:背部趾部實(shí)際焊縫長(zhǎng)度采用角鋼背部、趾部。2.按以下方法、步驟和要求畫(huà)節(jié)點(diǎn)大樣,并確定節(jié)點(diǎn)板尺寸(1)嚴(yán)格按幾何關(guān)系畫(huà)出匯交于節(jié)點(diǎn)的各桿件軸線(軸線至桿件角鋼背面的距離按表采用);(2)下弦桿與支座底板之間的凈距取(符合大于和大于下弦桿角鋼水平肢寬的要求);(3)按構(gòu)造要求預(yù)定底板平面尺寸為,使節(jié)點(diǎn)的垂直軸線通過(guò)底板的形心;(4)節(jié)點(diǎn)板上部縮進(jìn)上弦桿角鋼背面(式中為節(jié)點(diǎn)板厚度),取上、下弦桿端部邊緣輪廓線間的距離為和根據(jù)下弦桿與節(jié)點(diǎn)板間的連接焊縫長(zhǎng)度等,確定節(jié)點(diǎn)板尺寸如圖所示。3.上弦桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊縫計(jì)算,(節(jié)點(diǎn)荷載)節(jié)點(diǎn)板與角鋼背部采用塞焊縫連接(取),設(shè)僅承受節(jié)點(diǎn)荷載。因值很小,焊縫強(qiáng)度不必計(jì)算,一定能滿足要求。令角鋼趾部角焊縫承受全部軸心力及其偏心彎矩的共同作用,其中取趾部焊腳尺寸,由節(jié)點(diǎn)圖中量得實(shí)際焊縫長(zhǎng)度(全長(zhǎng)焊滿時(shí)),計(jì)算長(zhǎng)度:取最大計(jì)算:可見(jiàn)焊縫強(qiáng)度滿足要求。4.底板計(jì)算支座反力混凝土錨3栓直徑采用,底板上留矩形帶半圓形孔;錨栓套板采用—,孔徑。底板面積底板與鋼筋混凝土柱頂面間的接觸面面積觸面上壓應(yīng)力滿足混凝土軸心抗壓強(qiáng)度要求,預(yù)定底板尺寸適合。(2)底板厚度底板被節(jié)點(diǎn)板和加勁肋劃分成四塊相同的相鄰邊支承的小板,板中最大彎矩(取單位板寬計(jì)算):(1)式中(參閱圖):斜邊斜邊上之高,查表得,代入式(1):按底板抗彎強(qiáng)度條件(注:當(dāng)時(shí),按懸伸長(zhǎng)度為的懸臂板計(jì)算),需要底板厚度:采用,所以底板選用—。5.節(jié)點(diǎn)板、加勁肋與底板間水平連接焊縫計(jì)算因底板為正方形,故節(jié)點(diǎn)板和加勁肋與底板的連接焊縫各承擔(dān)支座反力的50%。(1)節(jié)點(diǎn)板與底板間水平連接焊縫承受軸心力焊縫計(jì)算長(zhǎng)度需要構(gòu)造要求,采用,滿足要求。(2)加勁肋與底板間水平連接焊縫承受軸心力焊縫計(jì)算長(zhǎng)度需要按構(gòu)造要求可采用滿足要求。6.加勁肋與節(jié)點(diǎn)板間豎向連接焊縫計(jì)算加勁肋厚度采用,與中間節(jié)點(diǎn)板等厚。每塊加勁肋與節(jié)點(diǎn)板間豎向連接焊縫受力:焊縫計(jì)算長(zhǎng)度需要構(gòu)造要求采用,滿足要求。由以上計(jì)算可見(jiàn),底板和加勁肋及其連接焊縫均是構(gòu)造控制,這是因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)屋架荷載較小之故。(二)上弦一般節(jié)點(diǎn)1.按以下方法、步驟和要求繪制節(jié)點(diǎn)的詳圖:(1)嚴(yán)格按幾何關(guān)系畫(huà)出匯交于節(jié)點(diǎn)的各桿件軸線(軸線至各桿件角鋼背面的距離按表采用);(2)節(jié)點(diǎn)板上部縮進(jìn)上弦桿角鋼背面、取上弦桿與短壓桿輪廓間距為,和根據(jù)短壓桿與節(jié)點(diǎn)板間的連接焊縫尺寸等,確定節(jié)點(diǎn)板尺寸;(3)標(biāo)注節(jié)點(diǎn)詳圖所需各種尺寸。2.上弦桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊縫計(jì)算,,節(jié)點(diǎn)荷載假定全部由上弦桿角鋼背部塞焊縫承受,取焊腳尺寸(為節(jié)點(diǎn)板厚度),因值很小焊縫強(qiáng)度不必計(jì)算。上弦桿角鋼趾部角焊縫假定承受節(jié)點(diǎn)兩側(cè)弦桿內(nèi)力差及其偏心彎矩的共同作用,其中:由圖中量得實(shí)際焊縫長(zhǎng)度,計(jì)算長(zhǎng)度需要構(gòu)造要求,采用,滿足要求。其它上弦一般節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)和)的設(shè)計(jì)方法、步驟等與節(jié)點(diǎn)相同,節(jié)點(diǎn)詳圖如圖示。(三)屋脊拼接節(jié)點(diǎn),1.拼接角鋼的構(gòu)造和計(jì)算拼接角鋼采用與上弦截面相同的2∟80×7。拼接角鋼與上弦桿件連續(xù)焊縫的焊腳尺寸取,為保證兩者緊貼和施焊以保證焊縫質(zhì)量,鏟去拼接角鋼角頂棱角:(為角鋼內(nèi)圓弧半徑)切短拼接角鋼豎肢如圖所示。拼接接頭每側(cè)的連接焊縫共有四條,按連接強(qiáng)度條件需要每條焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度:拼接處左、右弦桿端部空隙取,需要拼接角鋼長(zhǎng)度:為保證拼接處的剛度,實(shí)際采用拼接角鋼長(zhǎng)度。此外,因屋面坡度較大,因?qū)⑵唇咏卿摰呢Q肢剖口:,采用。如圖示,先鉆孔再切割,然后冷彎對(duì)齊焊接。2.繪制節(jié)點(diǎn)詳圖繪制方法、步驟和要求與上弦一般節(jié)點(diǎn)基本相同,腹桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊縫尺寸按表采用。為便于工地拼接,拼接處工地焊一側(cè)的弦桿與拼接角鋼和受拉主斜桿與跨中吊桿上分別設(shè)置直徑為和的安裝螺栓孔,節(jié)點(diǎn)詳圖如圖所示。3.拼接接頭每側(cè)上弦桿與節(jié)點(diǎn)板間連接焊縫計(jì)算弦桿軸力的豎向分力與節(jié)點(diǎn)荷載的合力:設(shè)角鋼背部的塞焊縫承受豎向合力的一半,取,需要焊縫計(jì)算長(zhǎng)度(因很小,不計(jì)其偏心影響):由圖中量得實(shí)際焊縫長(zhǎng)度為,遠(yuǎn)大于,因此認(rèn)為焊縫滿足計(jì)算要求。在計(jì)算需要的時(shí)沒(méi)有考慮斜焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)。再設(shè)角
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