幕墙工程双坡采光顶设计计算书.doc

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1、幕墙工程双坡采光顶设计计算书1.1 采光顶所在地区 上海地区;1.2 地面粗糙度分类等级 按建筑结构荷载规范(GB50009-2001) A类:指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区; B类:指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区; C类:指有密集建筑群的城市市区; D类:指有密集建筑群且房屋较高的城市市区;依照上面分类标准,本工程按B类地形考虑。1 采光顶荷载计算1.1 玻璃采光顶的荷载作用说明玻璃采光顶承受的荷载包括:自重、风荷载、雪荷载以及活荷载。(1)自重:包括玻璃、杆件、连接件、附件等的自重,可以按照以下值估算: 当采用单层玻璃时: 取400N/m2; 当采用中空及

2、夹层玻璃时: 取500N/m2; 当采用中空夹层玻璃时: 取600N/m2; 当由于玻璃较厚或龙骨较重,按上面估算不适合的时候,由人工计算给定;本例计算取:0.0006MPa(按假设);(2)风荷载:是垂直作用于采光顶表面的荷载,按GB50009采用; 对于采光顶结构,荷载作用复杂,并且可能有时风压是正,而有时候是负,一定范围内的负压对结构是有利的!因此实际计算的时候要分别考虑并采用其参与组合后的最大值!(3)雪荷载:是指采光顶水平投影面上的雪荷载,按GB50009采用;(4)活荷载:是指采光顶水平投影面上的活荷载,按GB50009采用; 在实际工程中,对上面的几种荷载,考虑最不利组合,且雪荷

3、载与活荷载不同时考虑。分项系数按以下参数取值: 永久荷载分项系数取:g:1.2 风荷载的分项系数取:w:1.4 雪荷载的分项系数取:s:1.4 活荷载的分项系数取:h:1.4 组合值系数为: 永久荷载组合值系数取:g:1.0 风荷载的组合值系数取:w:0.6 雪荷载的组合值系数取:s:0.7 活荷载的组合值系数取:h:0.71.2 风荷载标准值计算按建筑结构荷载规范(GB50009-2001)计算: wk=gzzs1w0 7.1.1-2GB50009-2001 2006年版上式中: wk:作用在采光顶上的风荷载标准值(MPa); Z:计算点标高:21.1m; gz:瞬时风压的阵风系数; 根据不

4、同场地类型,按以下公式计算(高度不足5m按5m计算): gz=K(1+2f) 其中K为地面粗糙度调整系数,f为脉动系数 A类场地: gz=0.92(1+2f) 其中:f=0.387(Z/10)-0.12 B类场地: gz=0.89(1+2f) 其中:f=0.5(Z/10)-0.16 C类场地: gz=0.85(1+2f) 其中:f=0.734(Z/10)-0.22 D类场地: gz=0.80(1+2f) 其中:f=1.2248(Z/10)-0.3对于B类地形,21.1m高度处瞬时风压的阵风系数: gz=0.89(1+2(0.5(Z/10)-0.16)=1.6798 z:风压高度变化系数; 根据

5、不同场地类型,按以下公式计算: A类场地: z=1.379(Z/10)0.24 当Z300m时,取Z=300m,当Z350m时,取Z=350m,当Z400m时,取Z=400m,当Z450m时,取Z=450m,当Z30m时,取Z=30m;对于B类地形,21.1m高度处风压高度变化系数: z=1.000(Z/10)0.32=1.2699 s1:局部风压体型系数,根据计算点体型位置选取,并依据实际结构分别考虑其最大和最小两种情况,对本例,分别取0.2、-0.6; 按建筑结构荷载规范GB50009-2001(2006年版)第7.3.3条:验算围护构件及其连接的强度时,可按下列规定采用局部风压体型系数s

6、1: 一、外表面 1.正压区 按表7.3.1采用; 2.负压区 - 对墙面, 取-1.0 - 对墙角边, 取-1.8 二、内表面 对封闭式建筑物,按表面风压的正负情况取-0.2或0.2。 对于采光顶屋面等复杂结构由表7.3.1GB50009-2001 2006年版查出,有条件的需要由风洞实验给出。 另注:上述的局部体型系数s1(1)是适用于围护构件的从属面积A小于或等于1m2的情况,当围护构件的从属面积A大于或等于10m2时,局部风压体型系数s1(10)可乘以折减系数0.8,当构件的从属面积小于10m2而大于1m2时,局部风压体型系数s1(A)可按面积的对数线性插值,即: s1(A)=s1(1

7、)+s1(10)-s1(1)logA 考虑到采光顶的特殊性质:该处的建筑结构比较复杂,作为屋面结构又与人们的生命安全密切相关,很难每个工程都做风洞实验,而常规采光结构的风载本身就不大,所以在计算中没有按从属面积进行插值折减,而采用了s1(1)值。 w0:基本风压值(MPa),根据现行GB50009-2001附表D.4(全国基本风压分布图)中数值采用,按重现期50年,上海地区取0.00055MPa; wk+:比较大的风荷载体型系数情况下的风荷载标准值; wk-:比较小的风荷载体型系数情况下的风荷载标准值; wk+=gzzs1+w0 =1.67981.26990.20.00055 =0.00023

8、5MPa wk-=gzzs1-w0 =1.67981.2699(-0.6)0.00055 =-0.000704MPa1.3 风荷载设计值计算 w+:比较大的风荷载体型系数情况下的风荷载设计值; w-:比较小的风荷载体型系数情况下的风荷载设计值; wk+:比较大的风荷载体型系数情况下的风荷载标准值; wk-:比较小的风荷载体型系数情况下的风荷载标准值; w+=1.4wk+ =1.40.000235 =0.000329MPa w-=1.4wk- =1.4(-0.000704) =-0.000986MPa1.4 雪荷载标准值计算 Sk:作用在采光顶上的雪荷载标准值(MPa) S0:基本雪压,根据现行

9、GB50009-2001取值,上海地区50年一遇最大积雪的自重:0.0002MPa. r:屋面积雪分布系数,按表6.2.1GB50009-2001,为1。 根据GB50009-2001公式6.1.1屋面雪荷载标准值为: Sk=rS0 =10.0002 =0.0002MPa1.5 雪荷载设计值计算 S:雪荷载设计值(MPa); S=1.4Sk =1.40.0002 =0.00028MPa1.6 采光顶构件自重荷载设计值 G:采光顶构件自重荷载设计值(MPa); Gk:采光顶结构平均自重取0.0006MPa; G=1.2Gk =1.20.0006 =0.00072MPa1.7 采光顶坡面活荷载设计

10、值 Q:采光顶坡面活荷载设计值(MPa); Qk:采光顶坡面活荷载标准值取:0.0005MPa; Q=1.4Qk =1.40.0005 =0.0007MPa2 选取计算荷载组合 雪荷载与活荷载不同时考虑,根据计算点体型位置,风载可能为正、负或0。因为负风压在某些情况下对结构反而是有利的,所以如果绝对值最大的情况是负数状态下产生的,还要计算风载为正(或零)时的情况,需要分别计算两种状态,并以其最危险状态来设计结构及选取材料。2.1 风荷载标准为wk+情况下的荷载组合 在这种取自重、活荷载和风荷载组合: 第一可变荷载为:活荷载 第二可变荷载为:风荷载所以,组合值系数依次为: 永久荷载组合值系数取:

11、g:1.0 风荷载的组合值系数取:w:0.6 雪荷载的组合值系数取:s:0 活荷载的组合值系数取:h:1 qA1:该情况下作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa); q1:该情况下作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa);先取自重和风荷载组合: G+w=0.00072+0.60.000329 =0.000917MPa转化为垂直于水平面的荷载: 0.000917/cos5=0.000921MPa再与活荷载组合,得: qA1=0.000921+10.0007 =0.001621MPa2.2 风荷载标准为wk-情况下的荷载组合 在这种取自重、风荷载和活荷载组合: 第一可变荷载为:风荷载 第二可变

12、荷载为:活荷载所以,组合值系数依次为: 永久荷载组合值系数取:g:1.0 风荷载的组合值系数取:w:1 雪荷载的组合值系数取:s:0 活荷载的组合值系数取:h:0.7 qA2:该种情况下作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa); q2:该种情况下作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa);先取自重和风荷载组合: G+w=0.00072+1(-0.000986) =-0.000266MPa转化为垂直于水平面的荷载: -0.000266/cos5=-0.000267MPa再与活荷载组合,得: qA2=-0.000267+0.70.0007 =0.000223MPa2.3 极限状态的荷载确定 对比

13、qA1和qA2,可以看到wk+情况下是结构的最不利情况,结构计算应该以此进行。3 双坡采光顶立柱计算基本参数: 1:L=8289mm; 2:=5; 3:分格宽度:B=1200mm; 4:型材选择: 材料名称:120605钢方管,Q235; 截面面积A:1686.3mm2; 抗弯矩W:50770mm3; 双坡采光顶的立柱设计计算,用直线三铰拱计算简图分析内力,并按压弯构件验算截面强度。计算模型如下:3.1 立柱荷载计算计算取自重、活荷载和风荷载设计值组合。 qA:作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa); q:作用在采光顶表面的线荷载设计值组合(N/mm); B:分格宽度(mm);先取自重和风

14、荷载组合: G+w=0.00072+0.60.000329 =0.000917MPa转化为垂直于水平面的荷载: 0.000917/cos5=0.000921MPa再与活荷载组合,得: qA=0.000921+10.0007 =0.001621MPa q=qAB =0.0016211200 =1.945N/mm3.2 立柱的强度计算校核依据: =N/A+M/Wf双坡采光顶的最大弯矩在总跨长的四分之一处: h:拱高(mm); L:采光顶的总跨度(mm); :采光顶与水平面的夹角(度); h=L/2tan =8289/2tan5 =362.597mm Mc0:跨中弯矩(Nmm); H:推力(N);

15、Mc0=qL2/8 =1.94582892/8 =16704516.043Nmm H=Mc0/h =16704516.043/362.597 =46069.096N验算截面处的受力分析: M0.25L0:代梁弯矩(Nmm); M0.25L:验算截面的弯矩(Nmm); V0.25L0:验算截面的代梁剪力(N); N0.25L:验算截面轴力(N); Y0.25L:验算截面处与A(B)点的垂直高度(mm); Y0.25L=h/2=362.597/2=181.298mm M0.25L0=qL2/8(1-0.25) =1.94582892/80.75 =12528387.032Nmm M0.25L=M0

16、.25L0-HY0.25L =12528387.032-46069.096181.298 =4176152.065Nmm V0.25L0=qL/2(1-20.25) =1.9458289/20.5 =4030.526N N0.25L=-V0.25L0sin-Hcos =-4030.5260.087-46069.0960.996 =-46235.475N :计算截面的强度计算值(MPa); f:选择的龙骨材料的强度设计值(MPa); A:选取材料的截面面积(mm2); W:选取材料的截面抗弯矩(mm3); :塑性发展系数: 对于冷弯薄壁型钢龙骨,按冷弯薄壁型钢结构技术规范GB 50018-200

17、2,取1.00;对于热轧型钢龙骨,按JGJ133或JGJ102规范,取1.05; 对于铝合金龙骨,按最新铝合金结构设计规范GB 50429-2007,取1.00; =N0.25L/A+M0.25L/W =46235.475/1686.3+4176152.065/1.05/50770 =105.758MPaf=215MPa(Q235)所以,材料的强度满足设计要求!4 采光顶玻璃的计算基本参数: 1:计算点标高:21.1m; 2:板面尺寸:宽高=BH=1200mm1200mm; 3:玻璃配置:中空+内夹层玻璃:6+6+PVB+6mm; 4:玻璃形式:中空+内夹层;模型简图为:4.1 玻璃板块荷载计

18、算(1)外片玻璃自重荷载标准值: GAk1:外片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); t1:外片玻璃厚度(mm); g:玻璃的体积密度(N/mm3); GAk1=gt1 =0.00002566 =0.000154MPa(2)外片玻璃自重荷载设计值: GA1:外片玻璃自重设计值(仅指玻璃)(MPa); GAk1:外片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); GA1=1.2GAk1 =1.20.000154 =0.000185MPa(3)内片玻璃自重荷载标准值: GAk2:内片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); t2:内片玻璃厚度(mm); g:玻璃的体积密度(N/mm3); GAk2=gt2

19、 =0.00002566 =0.000154MPa(4)内片玻璃自重荷载设计值: GA2:内片玻璃自重设计值(仅指玻璃)(MPa); GAk2:内片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); GA2=1.2GAk2 =1.20.000154 =0.000185MPa(5)中片玻璃自重荷载标准值: GAk3:中片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); t3:中片玻璃厚度(mm); g:玻璃的体积密度(N/mm3); GAk3=gt3 =0.00002566 =0.000154MPa(6)中片玻璃自重荷载设计值: GA3:中片玻璃自重设计值(仅指玻璃)(MPa); GAk3:中片玻璃自重标准值(仅指玻

20、璃)(MPa); GA3=1.2GAk3 =1.20.000154 =0.000185MPa(7)分配到内、外、中三片玻璃上的风荷载标准值: wk1:分配到外片玻璃上的风荷载标准值(MPa); wk2:分配到内片玻璃上的风荷载标准值(MPa); wk3:分配到中片玻璃上的风荷载标准值(MPa); wk:风荷载标准值(MPa); t1:外片玻璃厚度(mm); t2:内片玻璃厚度(mm); t3:中片玻璃厚度(mm); wk1=1.1wkt13/(t13+t23+t33) =0.000086MPa wk2=wkt23/(t13+t23+t33) =0.000078MPa wk3=wkt33/(t1

21、3+t23+t33) =0.000078MPa(8)分配到内、外、中三片玻璃上的风荷载设计值: w1:分配到外片玻璃上的风荷载设计值(MPa); w2:分配到内片玻璃上的风荷载设计值(MPa); w3:分配到中片玻璃上的风荷载设计值(MPa); w:风荷载设计值(MPa); t1:外片玻璃厚度(mm); t2:内片玻璃厚度(mm); t3:中片玻璃厚度(mm); w1=1.1wt13/(t13+t23+t33) =0.000121MPa w2=wt23/(t13+t23+t33) =0.00011MPa w3=wt33/(t13+t23+t33) =0.00011MPa(9)分配到内、外、中片

22、玻璃上的雪荷载标准值: Sk1:分配到外片玻璃上的雪荷载标准值(MPa); Sk2:分配到内片玻璃上的雪荷载标准值(MPa); Sk3:分配到中片玻璃上的雪荷载标准值(MPa); Sk:雪荷载标准值(MPa); t1:外片玻璃厚度(mm); t2:内片玻璃厚度(mm); t3:中片玻璃厚度(mm); Sk1=1.1Skt13/(t13+t23+t33) =0.000073MPa Sk2=Skt23/(t13+t23+t33) =0.000067MPa Sk3=Skt33/(t13+t23+t33) =0.000067MPa(10)分配到内、外、中片玻璃上的雪荷载设计值: S1:分配到外片玻璃上

23、的雪荷载设计值(MPa); S2:分配到内片玻璃上的雪荷载设计值(MPa); S3:分配到中片玻璃上的雪荷载设计值(MPa); S:雪荷载设计值(MPa); t1:外片玻璃厚度(mm); t2:内片玻璃厚度(mm); t3:中片玻璃厚度(mm); S1=1.1St13/(t13+t23+t33) =0.000103MPa S2=St23/(t13+t23+t33) =0.000093MPa S3=St33/(t13+t23+t33) =0.000093MPa(11)分配到内、外、中片玻璃上的活荷载标准值: Qk1:分配到外片玻璃上的活荷载标准值(MPa); Qk2:分配到内片玻璃上的活荷载标准

24、值(MPa); Qk3:分配到中片玻璃上的活荷载标准值(MPa); Qk:活荷载标准值(MPa); t1:外片玻璃厚度(mm); t2:内片玻璃厚度(mm); t3:中片玻璃厚度(mm); Qk1=1.1Qkt13/(t13+t23+t33) =0.000183MPa Qk2=Qkt23/(t13+t23+t33) =0.000167MPa Qk3=Qkt33/(t13+t23+t33) =0.000167MPa(12)分配到内、外、中片玻璃上的活荷载设计值: Q1:分配到外片玻璃上的活荷载设计值(MPa); Q2:分配到内片玻璃上的活荷载设计值(MPa); Q3:分配到中片玻璃上的活荷载设计

25、值(MPa); Q:活荷载设计值(MPa); t1:外片玻璃厚度(mm); t2:内片玻璃厚度(mm); t3:中片玻璃厚度(mm); Q1=1.1Qt13/(t13+t23+t33) =0.000257MPa Q2=Qt23/(t13+t23+t33) =0.000233MPa Q3=Qt33/(t13+t23+t33) =0.000233MPa4.2 玻璃板块荷载组合玻璃板块的受力组合采用自重、风荷载和活荷载组合。(1)外片玻璃荷载标准值组合: qk1:分配到外片上的荷载标准值组合(MPa); wk1:分配到外片上的风荷载标准值(MPa); GAk1:外片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa

26、); 先取自重和风荷载组合: wk1+GAk1=0.60.000086+0.000154 =0.000206MPa再与活荷载组合,得: qk1=0.000206+10.000183Cos =0.000388MPa(2)外片玻璃荷载设计值组合: q1:分配到外片上的荷载设计值组合(MPa); w1:分配到外片上的风荷载设计值(MPa); GA1:外片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); 先取自重和风荷载组合: w1+GA1=0.60.000121+0.000185 =0.000258MPa再与活荷载组合,得: q1=0.000258+10.000257Cos =0.000514MPa(3)内片

27、玻璃荷载标准值组合: qk2:分配到内片上的荷载标准值组合(MPa); wk2:分配到内片上的风荷载标准值(MPa); GAk2:内片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); 先取自重和风荷载组合: wk2+GAk2=0.60.000078+0.000154 =0.000201MPa再与活荷载组合,得: qk2=0.000201+10.000167Cos =0.000367MPa(4)内片玻璃荷载设计值组合: q2:分配到内片上的荷载设计值组合(MPa); w2:分配到内片上的风荷载设计值(MPa); GA2:内片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); 先取自重和风荷载组合: w2+GA2=0.

28、60.00011+0.000185 =0.000251MPa再与活荷载组合,得: q2=0.000251+10.000233Cos =0.000483MPa(5)中片玻璃荷载标准值组合: qk3:分配到中片上的荷载标准值组合(MPa); wk3:分配到中片上的风荷载标准值(MPa); GAk3:中片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); 先取自重和风荷载组合: wk3+GAk3=0.60.000078+0.000154 =0.000201MPa再与活荷载组合,得: qk3=0.000201+10.000167Cos =0.000367MPa(6)中片玻璃荷载设计值组合: q3:分配到中片上的荷

29、载设计值组合(MPa); w3:分配到中片上的风荷载设计值(MPa); GA3:中片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); 先取自重和风荷载组合: w3+GA3=0.60.00011+0.000185 =0.000251MPa再与活荷载组合,得: q3=0.000251+10.000233Cos =0.000483MPa4.3 玻璃的强度计算 校核依据:fg(1)外片校核: 1:外片玻璃的计算参数; 1:外片玻璃的折减系数; qk1:作用在外片玻璃上的荷载组合标准值(MPa); b:玻璃板块短边边长(mm); E:玻璃的弹性模量(MPa); t1:外片玻璃厚度(mm); 1=qk1b4/Et1

30、4 6.1.2-3JGJ102-2003 =0.00038812004/72000/64 =8.6222按系数1,查表6.1.2-2JGJ102-2003,1=0.971; 1:外片玻璃在组合荷载作用下的板中最大应力设计值(MPa); q1:作用在采光顶外片玻璃上的荷载组合设计值(MPa); b:玻璃板块短边边长(mm); t1:外片玻璃厚度(mm); m1:外片玻璃弯矩系数, 取m1=0.0442; 1=6m1q1b21/t12 6.1.2JGJ102-2003 =60.04420.000514120020.971/62 =5.294MPa 5.294MPafg1=42MPa(钢化玻璃)外片

31、玻璃的强度满足要求!(2)内片校核: 2:内片玻璃的计算参数; 2:内片玻璃的折减系数; qk2:作用在内片玻璃上的荷载组合标准值(MPa); b:玻璃板块短边边长(mm); E:玻璃的弹性模量(MPa); t2:内片玻璃厚度(mm); 2=qk2b4/Et24 6.1.2-3JGJ102-2003 =0.00036712004/72000/64 =8.1556按系数2,查表6.1.2-2JGJ102-2003,2=0.975 2:内片玻璃在组合荷载作用下的板中最大应力设计值(MPa); q2:作用在采光顶内片玻璃上的荷载组合设计值(MPa); b:玻璃板块短边边长(mm); t2:内片玻璃厚

32、度(mm); m2:内片玻璃弯矩系数, 取m2=0.0442; 2=6m2q2b22/t22 6.1.2JGJ102-2003 =60.04420.000483120020.975/62 =4.996MPa 4.996MPafg2=42MPa(钢化玻璃)内片玻璃的强度满足要求!(3)中片校核: 3:中片玻璃的计算参数; 3:中片玻璃的折减系数; qk3:作用在中片玻璃上的荷载组合标准值(MPa); b:玻璃板块短边边长(mm); E:玻璃的弹性模量(MPa); t3:中片玻璃厚度(mm); 3=qk3b4/Et34 6.1.2-3JGJ102-2003 =0.00036712004/72000

33、/64 =8.1556按系数3,查表6.1.2-2JGJ102-2003,3=0.975 23:中片玻璃在组合荷载作用下的板中最大应力设计值(MPa); q3:作用在采光顶中片玻璃上的荷载组合设计值(MPa); b:玻璃板块短边边长(mm); t3:中片玻璃厚度(mm); m3:中片玻璃弯矩系数, 取m3=0.0442; 3=6m3q3b23/t32 6.1.2JGJ102-2003 =60.04420.000483120020.975/62 =4.996MPa 4.996MPafg3=42MPa(钢化玻璃)中片玻璃的强度满足要求!4.4 玻璃的挠度计算(1)玻璃板块整体荷载标准值组合:玻璃板

34、块的受力组合采用自重、风荷载和活荷载组合。 qk:荷载标准值组合(MPa); wk:风荷载标准值(MPa); GAk1:外片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); GAk2:内片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); GAk3:中片玻璃自重标准值(仅指玻璃)(MPa); 先取自重和风荷载组合: wk+GAk1+GAk2+GAk3=0.60.000235+0.000154+0.000154+0.000154 =0.000603MPa再与活荷载组合,得: qk=0.000603+10.0005Cos =0.001101MPa(2)玻璃最大挠度校核:校核依据: df=qkb4/Ddf,lim 6.1

35、.3-2JGJ102-2003上面公式中: df:玻璃板挠度计算值(mm); :玻璃挠度的折减系数; :玻璃挠度系数,取=0.00406; qk:玻璃板块荷载标准值组合(MPa) b:玻璃板块短边边长(mm); D:玻璃的弯曲刚度(Nmm); df,lim:许用挠度,取玻璃板块短边边长的1/60,为20mm;其中: D=Ete3/(12(1-2) 6.1.3-1JGJ102-2003上式中: E:玻璃的弹性模量(MPa); te:玻璃的等效厚度(mm); :玻璃材料泊松比,为0.2; te=0.95(t13+t23+t33)1/3 6.1.5-3JGJ102-2003 =0.95(63+63+63)1/3 =8.221mm D=Ete3/(12(1-2) =720008.2213/(12(1-0.22) =3472593.612Nmm :玻璃板块的计算参数; =qkb4/Ete4 6.1.2-3JGJ102-2003 =0.00110112004/72000/8.2214 =6.942按参数,查表6.1.2-2JGJ102-2003,=0.984 df=qkb4/D =0.9840.004060.00110112004/3472593.612 =2.627mm 2.627mmdf,lim=20mm(中空+内夹层玻璃)玻璃挠度能满足要求!

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