超高层建筑结构设计注意事项.docx
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超高层建筑结构设计注意事项
一、超高层建筑与一般高层建筑结构设计的差异
二、结构设计特点
2.1重力荷载迅速增大
2.2控制建筑物的水平位移成为主要矛盾
2.2.1风作用效应加大
2.2.2地震作用效应加大
2.3P△效应成为不可忽视的问题
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9三、结构设计方法
3.1
3.2
竖向构件产生的缩短变形差对结构内力的影响增大倾覆力矩增大。
整体稳定性要求提高
防火、防灾的重要性凸现
建筑物的重要性等级提高
控制风振加速度符合人体舒适度要求
围护结构必须进行抗风设计
减轻自重减小地震作用
降低风作用水平力
3.2.1减小迎风面积
3.2.2降低风力形心
3.2.3选用体型系数较小的建筑平面形状减少振动。
耗散输入能量
3.3
3．4加强抗震措施
选用规则结构使建筑物具有明确的计算简图
采用多个权威程序（如SATWETATSAP2000等）进行计算比较进行小模型风洞试验，获取有关风载作用参数
采用智能化设计，提高结构的可控性
提高节点连接的可靠度
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
3.4.5
3.5超高建筑结构类型中的混合结构设计
3.5.1混合结构的结构类型
3.5.2型钢混凝土和圆钢管混凝土柱钢骨含钢率的控制
四、高层建筑结构方案选择的主要考虑因素
4.1抗震设防烈度是超高层结构体系选用首要考虑因素之一
4.2超高层建筑方案，应受到结构方案的制约
4.3超高层建筑结构体系中结构类型的选择
拟建场地的岩土工程地质条件的影响
抗震性能目标的影响
采用合理的结构类型，应考虑经济上的合理性
施工的合理性的影响
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
五、关于结构的抗侧刚度问题
六超高层建筑结构的基础设计
6.1天然地基基础
6.2桩基础设计
..9.9.9.9.91011
11
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超高层建筑结构设计注意事项
、超高层建筑与一般高层建筑结构设计的差异
1、从房屋高度上，超高层建筑的房屋高度在100m以上直至有几
百米甚至上千米的设想，而一般高层建筑的房屋高度则是在100m以下。
2、超高层建筑由于消防的要求，须设置避难层，以保证遇到火
备层。
灾时人员疏散的安全。
由于机电设备使用的要求，还需要设置设般超高层建筑是两者兼而使用，而对于更高的多功能使用的超高层建筑，它不只每15层设一个避难层兼设备层即可，需要设有机电设备层。
对于这些安放有设备的楼层设计除考虑实际的荷载之外，更需考虑设备的振动对相邻楼层使用的影响。
时，这些楼层的结构设计，为提高结构的整体刚度，可用来设置结构加强层。
这与一般高层建筑设计是不相同的。
3、超高层建筑的结构类型选择上相对要广，除钢筋混凝土结构外，还有全钢结构和混合结构。
而一般高层建筑结构除了特殊条件需要者外，多为钢筋混凝土结构。
4、超高层建筑的平面形状多为方形或近似，对于矩形平面其长宽比也是在2以内，尤其抗震设防的高烈度地区更应采用规则对称平面。
否则，在地震作用时由于扭转效应大，易受到损坏。
而一般高层建筑平面形状选择余地要大。
5、超高层建筑的基础形式除等厚板筏基和箱基外，由于平面为
框架．核心筒或筒中筒，基本没有一般高层建筑中所采用的梁板筏基。
同时，由于基底压力大要求地基承载力很高，除了基岩埋藏较浅可选择天然地基外，一般均采用桩基。
另外，超高层建筑基本不采用复合地基，而一般高层建筑则有采用。
6、房屋高度超过15om勺超高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足风荷作用下舒适度要求，结构顶点最大加速度的控制满足相关规定要求，而高层建筑设计不需要考虑。
7、超高层建筑结构设计一般都需要进行抗震设防专项审查。
《高层建筑混凝土结构技术规程》、《建筑抗震设计规范》中的B级高度房屋就规定需要进行抗震设防专项审查，还有超过《高规》中
第II章混合结构设计规定的房屋高度也需要进行抗震设防专项
而一般高层建筑的房屋高度多在规范容许高度范围并已有大量
进行抗震设防专项审查的。
、结构设计特点
2.1重力荷载迅速增大
随着建筑物高度的不断增加重力荷载呈直线上升，作用在竖向构件柱、墙上的轴压力增加，对基础承载力的要求也更加提高。
2.2控制建筑物的水平位移成为主要矛盾2.2.1风作用效应加大
风是引起结构水平位移的主要因素，决定风载标准值
（WKZS
ZWO）大小的各参数随着建筑物高度的增加发生如下变
化：
s只与建筑物的平面形状有关，基本不变；Z变化不大（总
趋势随高度增加会减小，但变化幅度不大）；Wo取值较普通结构增大许多（超高层建筑属于特别重要的结构，对风作用相当敏感，应按n=100年，甚至n=200年的重现期采用）;z在梯度风高度范围内呈上升趋势（以地面粗糙程度C类为例，建筑物高度从100m增加到400m抛增大约1.84倍，因此，作用在建筑物上的风载沿高度方向呈倒三角形状或抛物线状。
建筑物越高，风合力就越
大，合力作用点位置就越高，对建筑物产生的作用效应（如建筑物底部总剪力、总弯矩、楼层层间位移角、顶层最大水平位移值等）也越大。
2.2.2地震作用效应加大
加使结构自重增加、重心位置提高，地震作用产生的水平剪力和竖向力增大、作用位置提高，整个结构内力增加；在罕遇地震作用下将导致薄弱部位的加速破坏。
2.3P△效应成为不可忽视的问题
超高层建筑高宽比较大，侧向刚度相对较弱，水平位移量大，
重力与水平位移所产生的附加弯矩常常大于初始弯矩的10%，必
须考虑重力二阶P△效应。
2.4竖向构件产生的缩短变形差对结构内力的影响增大
竖向构件的总压缩量主要由受力变形、干缩变形和徐变变形
三部分组成，对于全钢结构仅需考虑受力变形产生的缩短影响，对于钢混结构、钢组合结构、混凝土结构必须考虑干缩缩短和徐变缩短的影响。
一般受力变形瞬时完成，其变形量可用胡克定律
作近似计算；干缩变形完成的时间较长，据资料统计约为总压缩
增加而加大。
应力差也较大，因此设计中除了通过控制轴压比使竖向构件之间的压应力较接近外，对钢筋混凝土结构采取逐步将各层柱顶找平后再进行下一道工序的施工办法来减小变形差；对钢结构采取预留柱、墙压缩量的方法来减小变形差；总体结构分析时采取模拟施工方法，减小变形差对内力计算的影响。
2.5倾覆力矩增大，整体稳定性要求提高建筑物高度的增加使得侧向力引起的倾覆力矩增大，抗倾覆要求提高。
实际工程中常常采取增加基础埋深、加大基础宽度或采用抗拔桩基等措施来满足整体稳定性要求。
2.6防火、防灾的重要性凸现超高层建筑多采用钢混结构和钢结构，而钢材耐热不耐火的特性
更易加重某些次生灾害的发生，例如美国世贸中心的倒塌。
也常会受到各方面因素的制约，使得实施比较困难，因此防火、防灾的设计更为重要，目前关于防灾方面的具体要求我国还没有相应的规程可循。
2.7建筑物的重要性等级提高超高层建筑常作为当地的标志性建筑，资金投人大，在政治、经济、文化中所起的作用重大，破坏影响较大、波及范围较广，不论其建筑类别均属于重要建筑，因此结构设计的可靠度要提高，一般情况下重要性系数取1.1，特殊情况下也可取1.2。
2.8控制风振加速度符合人体舒适度要求超高层建筑风振作用效应明显，风作用下的顶层加速度直接影响到室内人体的舒适度，实现良好的使用条件要求必须控制顶层的最大加速度满足规程[2]的限值，同时还要控制由风振引起的扭转加速度，一般不宜超过0.001rad／s2。
2.9围护结构必须进行抗风设计建筑物高度的增加使得垂直于围护结构表面上的风载标准值也迅速增大，因此必须对围护结构进行抗风设计。
如采用玻璃幕墙围护，则其风载更大（W取值时，将10min平均风速转换为3s阵风风速计算，须采用结构玻璃满足强度要求，铝合金龙骨满足变形要求。
三、结构设计方法
3.1减轻自重。
减小地震作用采用高强轻质材料（如全钢结构、幕墙围护、轻质隔断等），减轻结构自重，减小地震作用。
3.2降低风作用水平力3.2.1减小迎风面积正方形平面形式，横向迎风面最小；如计算对角线方向的迎风面
宽，则圆形平面最小；在立面上适当位置开洞泄风（如上海环球金融中心大厦围），风力降低更直接。
3.2.2降低风力形心采用下大上小的立面体型，既减小高风压在高处的迎风面积，又降低风作用重心，使建筑物底部的倾覆总弯矩减小。
同时下大上小的立面体型对建筑底部来说增大了抵抗矩，提高了稳定性，如巴黎的埃菲尔铁塔。
3.2.3选用体型系数较小的建筑平面形状
体型系数从小到大可选用下列平面顺序：
圆形平面f正多边形平面f正方形平面，采用流线光滑的外形，避免凹凸多变的建筑形式，减小整体和局部风压的体型系数。
3.3减少振动。
耗散输入能量
采用阻尼装置或加大阻尼比，减少振动影响，如台北国际金融中心大厦。
选用耗能、减振的结构体系，如采用偏心支撑的钢结构具有耗能的水平段，采用橡胶支座可以减振等。
3．4加强抗震措施
3.4.1选用规则结构使建筑物具有明确的计算简图，
合理的地震作用传递途径同。
如采用圆形、正多边形、正方形等
同和变形差异。
功能复杂的建筑常常是多种结构体系的综合，具体设计时应注意以下问题。
（1）结构平面形状尽可能对称。
由于地震作用的方向具有随机性，
风作用虽有主导方向，但最大值也具有随机性，因此选用具有对
合。
（2）竖向构件尽可能连续，避免抗侧力构件的间断，从而形成薄弱层、薄弱部位，对抗震不利。
（3）设置多道抗震防线，满足“大震不倒”的抗震设防要求。
（4）增加超静定次数，增加重要构件的传力线路，提高结构的抗震能力。
赘余度的增多，可以使结构有更多的部位有机会形成塑性铰，吸收更多的地震能量。
（5）在满足强度、刚度要求的前提下，选择具有较好延性的结构材料，增加总体变形能力，增加结构耗能。
（6）建立整体屈服机制，避免失稳破坏，并做到强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强埋件弱连接设计；对容易失稳的结构，做到强支撑；对受弯构件，做到强压弱拉等。
342采用多个权威程序（如SATWETATSAP200等）进行计算比较，通过动力时程分析，验证薄弱部位；对重要构件补充有限元分析计算，从而使计算的结论更为完整，结果更为可靠。
3.4.3进行小模型风洞试验，获取有关风载作用参数；通过振动台试验，获取有关地震作用参数。
3.4.4采用智能化设计，提高结构的可控性。
应用传感器、质量驱动装置、可调刚度体系等和计算机共同组成主动控制体系，提供可变侧向刚度，控制结构的地震反应等。
3.4.5提高节点连接的可靠度，如钢结构节点的焊接处理，钢混结构中型钢、钢板与混凝土的连接等。
3.5超高建筑结构类型中的混合结构设计3.5.1混合结构的结构类型
（1）钢框架．钢筋混凝上核心筒（内外框梁为钢梁）；
（2）型钢混凝土框架．钢筋混凝土核心筒（内外框梁为钢梁或型钢混凝上梁）；
（3）圆钢管（矩型钢管）混凝土框架．钢筋混凝土核心筒；
上述三种混合结构类型，在超高层建筑结构设计中均有采用。
从已建的工程来看，是后两种居多。
从现有国家相关设计规程的规定，上述三种结构类型的房屋适用高度，当外框为钢框架时低于后两种，这主要是钢框架的刚度要低于后两种；当外框为框筒时，三种结构类型的房屋适用高度基本相同。
这三种结构类型从施工上讲，主要问题是型钢混凝土柱的箍筋要穿越型钢柱的腹板；尤其采用型钢混凝土梁，粱的纵筋要穿越柱的腹板或焊接在设置于型钢柱翼缘的钢牛腿上，而型钢柱的箍筋除穿越柱腹板
外还要穿越型钢梁的腹板。
总之，施工极不方便，这也就是在实际工程上一般不采用型钢混凝土梁而内外框梁采用钢梁的原因。
另外，三种结构类型的用钢量也各不相同，如同处北京地区且房屋高度都在150n左右的国际贸易中心二期、财富中心一期及东直门交通枢纽双塔分别外框是：
钢框架、型钢混凝土框架、圆钢管混凝土框架，内筒均是钢筋混凝土核心筒。
其型钢用钢量分别约为90kg/m2、65kg/m2、100kg/m2。
显然，它与全钢结构相比，即使加上钢筋用量后总用钢量也要低，相应总的工程费用也低。
同时，
由于混合结构的主要抗侧构件是钢筋混凝土核心筒，其抗侧刚度大于钢支撑，这就是混合结构目前广泛用于超高层建筑结构的主要原因。
3.5.2型钢混凝土和圆钢管混凝土柱钢骨含钢率的控制
般设计中都是构造控制，目前国内设计的技术规程有如下的规
定:
于0.4时，不宜小于3%。
条规定，柱受力型钢的含钢率不宜小于4%,且不宜大于10%（最近的规程修改将改为15%）。
（3）《钢骨混凝土结构技术规程》（冶金行业标准）的第6.1.3条规
定柱的钢骨含钢率，对于一二级抗震结构，不小于4%；对于特
一级抗震结构，不小于6％：
且不大于15％。
4）《高层建筑钢．混凝土混合结构设计规程》的6.3.1条规定，
柱的钢骨含钢率，一级、二级、三级抗震等级，不应小于4％特一级抗震等级，不应小于6％；且不大于15％。
四、高层建筑结构方案选择的主要考虑因素
4.1抗震设防烈度是超高层结构体系选用首要考虑因素之一
现在的《抗规》和《高规》中已明确规定，结构体系的选用
与抗震设防烈度相关。
同时，从《抗规》和《高规》中规定的同一结构体系，对于房屋高度超过100m的勺高层建筑，不同的抗震设
防烈度，房屋高度也是不相同的。
很显然，抗震设防烈度6度最有利于建造超高层建筑，抗震设防度7度次之。
而抗震烈度8度的咼烈度区是不宜建造300m以上的超咼层建筑的。
因为地震作用太大，要满足三个水准的设防性能目标，其结构构件截面尺寸大，用材指标很高，，并导致工程造价也相当高。
如一座房屋高度为150m的框架.核心筒结构，抗震设防烈度6度区是《高规》中的A级高度房屋且为正常设计；而在抗震设防烈度8度区是《高规》中的B级高度房且高度还超限，需经抗震设防专限审查批准后方可进入正式设计。
另外，在结构类型上，前者可采用钢筋混凝土结构，而后者则需采用混合结构。
像这样的工程实例，如中国中元国际工程公司设计的重庆金融街金融中心和北京财富中心房屋高度近同，结果如上所述。
4.2超高层建筑方案，应受到结构方案的制约
建筑专业是民用建筑设计中的龙头专业，一个具有较强建筑方案能力和有经验的建筑师，每一建筑方案都应考虑到结构，具有结构方案的可实施性。
而对于超高层建筑方案更应首先就要考虑结构方案的可行性，否则不是一个合理的建筑方案。
所以，国外承担超高层建筑设计的事务所提出的每一个方案都要经过权威的结构顾问认可。
对于我们国内设计单位来说，在建筑方案设计时应有结构专业的参与和配合。
否则，有可能出现方案的大调整。
4.3超高层建筑结构体系中结构类型的选择4.3.1拟建场地的岩土工程地质条件的影响。
一个拟建在基岩埋藏极浅场地上的超高层建筑，具有采用天
然地基的条件。
一般这样的场地其建筑场地类别为I类或II类，同时抗震设防烈度又低，故所采用的结构体系在《高规》规定的
房屋高度范围内，则可优先考虑采用钢筋混凝土结构，如我国的
度区拟建的超高层建筑，为降低地震作用，结构选型应考虑采用结构自重较轻的混合结构或钢结构。
如在北京、上海等地区就不可能优先考虑选用钢筋混凝土结构。
4.3.2抗震性能目标的影响。
前面所述超高层建筑结构设计都普遍存在结构超限，即超出我国现行《抗规》和《高规》的相关规定。
一般抗震设计的性能目标要求竖向构件承载力达到中震不屈服或剪力墙底部加强区
达到抗剪中震弹性，受弯及框架柱达到中震不屈服。
显然，抗震设防烈度7度区、特别是8度区，钢筋混凝土结构就很难或不可能满足这一要求。
所以，为减小结构自重在地震作用下产生的内力，应考虑选用混合结构或钢结构，这样即可以基本由型钢承担地震作用产生的剪力和拉力。
否则，采用全钢筋混凝土的竖向构件则会因截面计算配筋量太大，导致钢筋无法放置。
若增大构件截面则结构自重加大，地震作用产生的结构内力也增大，仍然会使得截面配筋率很大，这在实际工程是无法实施的。
4.3.3采用合理的结构类型，应考虑经济上的合理性。
通常从工程造价上比较，钢筋混凝土结构最低，其次是混合结构，最高则是全钢结构。
一般混合结构（指型钢混凝土柱、钢梁、钢筋混凝土核心筒）方案每平方米造价要高出钢筋混凝土结构约500元，而全钢结构每平方米要高出约1000元以上。
所以，超高层结构方案的采用应考虑有利于降低工程造价。
另外，超高层建筑结构中的竖向承重构件由于截面积大而会使建筑有效的使用面积减小。
采用型钢混凝土柱或圆钢管混凝土柱既可较大提高承载能力，而且延性好，尤其是柱截面比钢筋混凝土柱减小近500／6。
因此，增大了有效使用面积，这对于工程造价格较高的超高层建筑来说经济效益得到了提高。
所以，即使采用钢筋混凝土结构方案，为减小柱截面，也可在一定高度柱内设置型钢，这主要是为了获得较多的使用面积以提高经济效益。
采用型钢混凝土柱或圆钢管混凝土柱、内外框钢梁和内设型钢的钢筋混凝土核心
筒的这种混合结构，现在普遍被用于超高层建筑结构。
因为此种结构相对全钢筋混凝土结构自重要小，特别是还具较大的结构刚度，在地震作用下结构易于满足设计要求，同时具有良好的消防防火性能，其综合经济指标较好。
当然，也有一定数量的超高层建筑采用全钢结构，那是有其特殊原因，像中央电视台那样的怪异建筑它是无法用混合结构来实现的。
对于北京抗震设防烈度8度这样一种严重特别不规则结构，要保证结构自身的稳定性，须结构自重轻、材料强度高，特别是部分构件始终处在受拉状态，
只有采用全钢结构方可。
它的用钢量达400kg/m2是房屋结构中最高的。
因此，从结构上讲它不是一个合理的结构。
4.3.4施工的合理的影响
10x104m2或以上。
众所周知，房屋高度愈高，施工难度愈大，施
工周期也愈长。
一般钢筋混凝土结构高层建筑出地面以上的楼层施工进度约每月4层；混合结构（型钢混凝土框架．钢筋混凝土核心筒，内外框梁为钢梁）约每月5层〜6层；全钢结构约每月7层。
显然，不同结构类型，施工进度各不相同。
因此，设计应根据不同的房屋高度和业主对工程施工进度的要求，综合考虑以选择合理的结构类型。
另外，由于超高层建筑施工周期长，从文明施工
运到现场
和尽量减少对城市环境的不良影响，设计应考虑尽量减少现场混凝土的浇捣量，使部分结构构件能放在工厂加工制作，即可安装就位。
同时在楼盖结构设计中考虑尽量做到减少模板作业而采用带钢承板的组合楼盖，这对于保证工程施工质量和加快施工进度是极其有效的措施。
所以，抗震设防烈度7度以上地区、房屋高度在150n以上超高层建筑结构，采用上述所说的混合结构方案是合适的。
甚至在有条件时，把型钢混凝土柱改为钢管混凝土柱可使施工速度更快。
如采用型钢混凝土框架（内外框梁为钢梁）．钢筋混凝土核心筒结构，它在施工出地面后，中央核心筒可独立采用滑模施工，且可先于钢结构安装5层〜6层，随后进行3层型钢柱和钢梁的安装后，再进行型钢混凝土柱支模和浇注混凝土，接着铺设楼层钢承板和掷扎楼板钢筋并浇注混凝土。
显然，采用钢承板的组合楼盖结构就基本没有模板作业了。
采用这种结构形式，其施工速度无疑要快于钢筋混凝土结构。
总之，对于超高层建筑结构选型除前面所说的因素外，施工的合理性也是设计要考虑的重要方面。
五、关于结构的抗侧刚度问题
超高层建筑混合结构的钢筋混凝土核心筒体是整个结构的
主要抗侧构件，所以简体的墙厚尤其是外侧墙厚，主要是由抗侧刚度要求决定。
在高层或超高层建筑结构设计中，对于框架一剪力墙、框架．核心筒或筒体结构（包括钢筋混凝土或混合结构），
高层建筑混凝土结构技术规程》对此类结构都有明确规定：
框架均应承担一定比例地震作用下产生的水平剪力。
这一规定充分说明我们设计是采用双重抗侧体力系。
所以，要求外框架或外框筒承担一定比例的水平剪力，就要求具有一定抗侧刚度。
因此，
由于框
外框柱截面的确定除满足承载力和轴压比外，其刚度在整体结构刚度设计中应予以充分考虑。
在超高层建筑结构设计中，架．核心筒或筒中筒结构（钢筋混凝土或混合结构）的结构抗侧刚度有时不能满足变形要求，需要利用避难层或设备层在外框或外框筒周边设置环状桁架或同时设置水平伸臂桁架的加强层。
采用这种桁架式的加强层可以减少结构刚度突变，同时又使外框架或外框筒与核心筒紧密连接成一体，增大结构的抗侧刚度，满足结构的变形（层间位移）要求。
对于外框柱与筒体的剪力墙间设置的水平伸臂桁架，应使设置水平伸臂桁架处简体的墙位与外框柱对应一致，水平伸臂桁架平面应与简体墙中心线重合，方能形成结构整体的抗侧刚度。
在前述中的海口某工程的平面为熨斗形的方案中，其外框柱与简体剪力墙位互不对应。
如要设置水平伸臂桁架就无法直接拉通相连，这对于提高结构整体的抗侧刚度将很不明显。
因此，如需要设置则设计应在方案阶段考虑调整。
六超高层建筑结构的基础设计
超高层建筑一般多设二层或更多层的地下室，其基础的埋置深度均能满足稳定要求。
而对于基岩埋藏较浅无法建造多层地下室不能满足埋置深度要求的，则可设置嵌岩锚杆来满足稳定要求。
其基础形式应据场地的岩土工程地质条件，在满足地基承载力的同时也满足沉降变形设计的要求。
一般当基底砌置在第四纪冲、洪积的黏性土层或海相沉积的土层时，其地基承载力不能满足且地基刚度也不能满足变形要求，因此，需采用桩基方案。
而
房屋高度在150n左右且房屋楼层约40层左右的超高层建筑，当基
对于基底
底砌置在第四纪厚度较大且密实的砂、卵石层时，一般承载力特征值和压缩模量都很高，则可考虑采用天然地基方案。
砌置在中风化或微风化的基岩上的情况，则无论房屋高度多大，均为天然地基方案。
6.1天然地基基础。
上述两种情况下的天然地基方案，其基础形式是各不相同的。
对于基底砌置在砂、卵石层的基础，多是采用等厚板筏形基础。
但也有工程采用箱形基础，主要利用作为消防水池，如155n高的北京国贸中心一期写字楼工程。
由于该工程有3层地下室只是最下1层是箱基，而其他1层、2层不是，故总称为箱筏联合基础。
等厚板筏基的板厚应具有较大的刚度，以使基底压力均匀分布以及减小外框（筒）和内筒的沉降变形差异，通常设计的等厚板筏基的板厚取外框和内筒之间跨度的1／4左右。
而对于基底砌置在中风化或微风化的基岩上，由于基岩承载力特征值很高，则外框柱可采用独立基础，内筒可采用条形基础或等厚板筏形基础。
如重庆地区某工程基底的中风化泥岩和中风化砂岩的承载力特征值分别为2650kPa和10380kP
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