钢板剪力墙(SPSW)是一种新型抗侧力构件，它由内填钢板、水平边缘构件(梁或水平加劲肋)和竖向边缘构件(柱或竖向加劲肋)构成，具有较大的变形能力、良好的塑性性能等优点[1-2].其按照内填钢板的宽厚比可分为薄钢板剪力墙(λ≥250)和中厚钢板剪力墙(λ<250).

非加劲薄钢板墙在承受水平荷载时，易发生剪切屈曲，产生屈曲噪声.当荷载正向作用时形成拉力带，反向作用时“拉力带”反向受压而发生屈曲，无法继续提供抗侧刚度，进而表现为耗能能力的降低.根据上述非加劲钢板剪力墙的诸多问题[3-4]，现有的主要解决方法之一是在钢板两侧添加抑制面外屈曲的构件.首先，可在钢板两侧设加劲肋(如横纵加劲、交叉加劲等 [5-8])，加劲肋将钢板表面分为若干小的区格，通过降低区格内钢板的宽厚比以达到提高钢板剪力墙剪切屈曲承载力的效果，但焊接产生的残余应力影响钢板的应力分布.近年来有学者提出了无黏结加劲钢板剪力墙[9-10]，其加劲肋和内填钢板间采用螺栓连接，并在加劲肋上开设椭圆孔；螺栓连接可有效避免焊接时产生的残余应力和变形， 从而使得结构具有更好的延性和耗能能力.其次，Astaneh等[11]提出了一种采用预制钢筋混凝土板的组合剪力墙，但混凝土板会因参与抗侧而率先破坏，内填钢板则丧失了混凝土板提供的面外抑制作用，结构性能也随之降低.进而郭彦林等[12]又提出了一种防屈曲钢板剪力墙，其核心思想是进一步扩大混凝土板与周边框架间隙以及混凝土板上螺栓孔径，使混凝土板始终不与周边框架接触，仅作为约束钢板平面外变形的边界条件而存在，使混凝土板不发生破坏.但防屈曲型钢板剪力墙利用混凝土板作为屈曲抑制构件，自重较大，装配运输困难.近几年丹麦学者采用轻质的GFRP纤维材料[13]贴于内填钢板上来提高钢板性能，但其面外约束效果弱，抑制屈曲的作用不明显.

综合考虑现有钢板剪力墙的优缺点，借鉴索网玻璃幕墙[14] 中利用预应力提供面外刚度的这一作用，本文提出了一种预应力索网抑制屈曲钢板剪力墙，该型钢板剪力墙利用两侧预制的索网约束钢板面外变形，并可通过调节索网内的预应力来改变面外约束刚度的作用.

根据试验结果发现贯穿钢筋的直径对波形PBL连接件的极限抗剪承载力表现为随着贯穿钢筋直径的增加，波形PBL连接件的极限抗剪承载力也在增加，但是当贯穿钢筋从20 mm增加到25 mm时，波形PBL连接件的抗剪承载力虽然也有提高，但是明显提高的幅度很小，可能的原因是由于贯穿钢筋截面积占开孔面积较大，使得混凝土中大部分粗骨料不能进入开孔中而影响到波形PBL连接件的抗剪承载力.

1 基本构造

预应力索网抑制屈曲钢板剪力墙(CN-SPSW)由索、索框、内填钢板及周边框架组成，见图1.内填钢板与索网外框间通过穿透两者的螺栓连接，在索框上开螺栓放大孔，使索网可沿平行于板面滑动.索框与边缘构件之间留一定间隙，整个索网抑制构件不直接承受水平和竖向荷载.

横纵索交错处设索夹(图2)，两侧索夹分别设置扩大孔，用对拉螺栓连接，保证索网与内填钢板紧密贴合.在索夹约束下，索在此处可以相对滑动，以保证整根索受力均匀.

  

图1 CN-SPSW示意

Fig.1 Buckling restrained steel plate shear wall with prestressed cable nets

  

图2 索夹详图

 

Fig.2 Detail of cable clamp

2 有限元模型建立

2.1 基本假设

为着重研究钢板剪力墙构件内填钢板本身的力学性能及其随几何参数变化的影响，故作出如下假定：

1)梁、柱铰接，从而消除周边框架参与抗侧的影响；

对比宽厚比λ=1 000的SPSW的能量耗散系数(图13)可知：随着侧向位移增大，钢板参与塑性耗能的部分增多.当层间位移角小于0.6%时，两类钢板剪力墙的耗能效率基本相同，随后两者的耗能系数差距在逐步增大，当达到2%层间位移角时，CN-SPSW较SPSW能量耗散系数提高31%.可见，预应力索网抑制构件的设置能大幅提高内填钢板的耗能能力.

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3)梁、柱具有较大的抗弯刚度，为保证钢板剪力墙拉力带的充分发展，框架梁柱不先于钢板破坏.根据美国规范FEMA450[15]和ANSI/AISC341-10[16]，内填钢板平面主轴的截面惯性矩Ic满足下式要求：

 

(1)

能量耗散系数[19]能够反应滞回曲线的饱满程度，计算方法为

2.2 关键建模技术

布索间距参数见表5，系统分析单向布置索数为3、5、7道时CN-SPSW的滞回效果.

  

图3 CN-SPSW数值模型

 

Fig.3 Finite element models of CN-SPSW

  

图4 加载制度

 

Fig.4 Loading protocol

2.3 模型验证

3.3.1 滞回曲线

数值分析采用位移加载控制，最大水平位移对应4%的层间位移角.如图5(a)所示，SPSW有限元模拟的滞回曲线与SPSW-500的试验结果总体趋势吻合，有限元分析与试验曲线在加载刚度和卸载刚度方面比较一致，但试验曲线的正方向和反方向承载力较计算值偏小，误差接近10%,原因是数值分析未模拟焊缝撕裂和连接螺栓的破坏.同时，利用上述方法针对CN-SPSW进行数值分析，索网采用横纵各布置3道索，单根索力值为40 kN.滞回分析结果表明，CN-SPSW耗能能力较SPSW有所提升，如图5(b)所示.因此，有必要针对这一新型钢板剪力墙进行系统的参数对比分析，以更好地了解其受力性能.

 

表1 试件SPSW-500尺寸及材料参数

 

Tab.1 Detail of specimen SPSW-500

  

构件尺寸/mm屈服应力屈服应变弹性模量极限应力伸长fy/MPaεy/10-6E/GPafu/MPa率/%钢板1 100×1 100(t=2.2)474.1207202.8514.329.6

3 CN-SPSW与SPSW力学性能对比

3.1 钢板变形模式

索网是一种柔性的抑制屈曲构件，对钢板的约束效果有限，故先选用宽厚比小(λ=1 000)的CN-SPSW进行分析，其中钢板尺寸为3 m×3 m，下文模拟中钢板统一选取此尺寸.横纵各布置5道索.将CN-SPSW和SPSW逐步加载至2%层间位移角，面外位移对比如图6所示.对于CN-SPSW，在层间位移角0.2%时，面外位移为17 mm(薄板宽度的5.7%)；当加载至2%时，面外位移仍仅35 mm(薄板宽度的12%)；而非加劲钢板墙在加载过程中面外位移始终超过50 mm(薄板宽度的17%).由此可见，索网抑制屈曲构件能够有效地减少钢板面外位移.

  

图5 模拟值与实验值滞回曲线对比

 

Fig.5 Comparison of simulated and tested hysteretic curves

  

图6 SPSW与CN-SPSW钢板最大面外位移对比

Fig.6 Comparison of CN-SPSW’s and SPSW’s maximum out-of-plane deformation

SPSW在层间位移角从0.2%到2%的过程中变形模式基本不变，即在对角线形成3条主要拉力带，整个钢板墙拉力分配不均匀，如图7(a)所示.而CN-SPSW在层间位移角从0.2%到2%过程中，变形模式有较大改变，钢板受拉区域明显增加，应力分布趋于均匀，钢板利用率提高，具体结果如图7(b)所示.索网抑制构件为主拉力带提供面外支撑，使主拉力带被分割为多段短的拉力区，分割后的拉力带因计算长度变小，当反向加载时，拉力带转而受压，则能够承载更多的压力，进而使钢板受力性能劣化程度降低.

  

图7 SPSW与CN-SPSW面外变形云图对比

 

Fig.7 Out-of-plane deformation comparison of SPSW and CN-SPSW

3.2 抗剪性能

3.2.1 骨架曲线

1.2.1 流式细胞术检测MAIT细胞水平 所有对象均用肝素钠管空腹采血5 mL，D-Hanks液稀释后置于淋巴细胞分离液上。1 500 r/min离心20 min后将单个核细胞吸出、洗涤，加入CD3抗体、CD8抗体和CD161抗体室温避光染色30 min，PBS洗涤2次，BD-FACS Calibur流式细胞分析仪检测CD8+CD161+T细胞亚群水平。采用Flow Jo 7.6.1软件对流式细胞仪检测结果进行分析。

  

图8 CN-SPSW与SPSW骨架曲线对比(λ=1 000)

Fig.8 Comparison of CN-SPSW’s and SPSW’s skeleton curves(λ=1 000)

3.2.2 抗侧刚度退化

实验中取质量浓度分别为400、600、800、1000、1200 mg/L的PFS溶液，将PFS溶液置于磁化装置中进行磁化，再进行造纸废水混凝实验。设定磁化条件：磁化强度12 mT、磁化频率130 Hz、磁化时间5 min，PFS投加量对出水的余铁及亚铁含量和pH值的影响如图5所示。由图5可知，当PFS投加量大于1000 mg/L时，随PFS投加量的增加，出水的余铁和亚铁含量均增加，出水pH值呈降低趋势；当PFS投加量低于1000 mg/L时，废水处理效果不佳(CODCr和色度达不到工业废水排放标准GB3544—1992)。因此，选择PFS投加量为1000 mg/L较适宜。

在滞回分析加载、卸载过程中，不可避免伴随着刚度退化，为分析方便，在一个加载循环中，将正向和反向加载峰值点的连线斜率定义为其等效抗侧刚度[12].图9给出两类钢板剪力墙在每个循环阶段的等效抗侧刚度.两类钢板剪力墙整个退化过程较为平稳，加载位移角至0.6%时，构件塑性未充分发展，抗侧刚度退化迅速；当塑性充分发展后，其抗侧刚度趋于稳定.索网抑制构件使内填钢板初始刚度提高36%，在层间位移角小于0.6%时，索网能有效地抑制钢板发生整体剪切屈曲，刚度提高较大.

  

图9 抗侧刚度退化曲线

 

Fig.9 The curve of stiffness degradation

3.3 耗能能力

由于该剪力墙为新型抗侧构件，尚未开展实验研究，为此根据试件SPSW-500[18](尺寸及参数见表1)，对非加劲薄钢板剪力墙的有限元模型进行验证，以考察上述建模方法的有效性.

CN-SPSW(λ=1 000)与SPSW(λ=1 000)滞回性能对比如图10所示.整体上看，CN-SPSW的滞回曲线更加饱满，在拉力带退化区域平均剪应力较SPSW相差较大.预应力索网抑制构件的约束作用将钢板面外自由变形转换为高阶屈曲变形[4].随着层间位移角的增大，产生的面外位移导致索内的回复力增大，对钢板约束增强，CN-SPSW耗能性能进一步提升.

如图8所示，两类钢板剪力墙都具有较好的延性，但CN-SPSW的峰值承载力较SPSW提高了18%.显然，预应力索网抑制构件的作用使内填钢板受力更加均匀，导致更大区域的钢板提前进入硬化阶段.

  

图10 CN-SPSW与SPSW滞回曲线对比(λ=1 000)

Fig.10 Comparison of CN-SPSW’s and SPSW’s hysteretic curves (λ=1 000)

3.3.2 能量耗散系数

滞回环包围面积量化了SPSW与CN-SPSW耗能能力大小，见图11.当达到2%层间位移角时，CN-SPSW耗能量较SPSW提高了50%.累计耗能量提高47%.

  

图11 各阶段滞回环包围面积(λ=1 000)

 

Fig.11 Loop area of each load step (λ=1 000)

式中：tw为内填钢板厚度，h为水平边缘约束构件轴线间距，L为竖向边缘约束构件轴线间距.

 

(2)

式中:SABC和SCDA分别代表上半部和下半部滞回曲线的面积，SDOF和SBOE 代表虚线围成的三角形面积，见图12.其物理意义是材料塑性变形消耗的地震能量占输入总能量的比例.

1) 碎末率。碎末率为茶叶加棒做形后碎茶所占比例。茶样称重(M茶样)后用筛子筛出碎茶，并称碎茶重量(M碎茶)。

  

图12 能量耗散系数示意

 

Fig.12 Energy dissipation coefficients

2)钢板与周边框架采用刚性连接，排除非剪力墙破坏的失效模式并保证钢板剪力墙能充分发挥其性能；

  

图13 各阶段能量耗散系数(λ=1 000)

 

Fig.13 Energy dissipation ratio of each load step (λ=1 000)

初步统计耗能性能的经济指标.针对3 m×3 m，宽厚比λ=1 000的CN-SPSW，用钢量见表2，累计耗能量较SPSW提高47%，而用钢量提升33%.对于CN-SPSW，相对于构件用钢量的增加，耗能能力提高更快.

 

表2 各构件用钢量

 

Tab.2 Steel volumes of each component kg/m2

  

构件名称索索框钢板总计CN-SPSW1.366.423.5531.31SPSW——23.5523.55

4 CN-SPSW参数分析

4.1 索预拉力对耗能能力的影响

索网抑制构件中索网对钢板的约束效果与索径和索内初始应力有关，本文通过索预拉力值来考虑以上两种因素的影响，各参数选取见表3.

 

表3 CN-SPSW分析参数

 

Tab.3 Analysis parameters of CN-SPSW

  

宽厚比λ索数/根索预拉力/kN60050、20、401 00050、20、40、12030、40、2003 000320、40、150

针对CN-SPSW(宽厚比λ=3 000、横纵布置3道索)进行滞回分析，结果见图14～15.索网内预拉力为40 kN以下时总体抑制屈曲效果较为相近，继续增大预拉力至150 kN时，累计能量耗散系数较索力为40 kN的剪力墙提高11%.

1.菲律宾侨领陈永裁先生在厦门举行夏令营的致辞中：“树有根，人有祖”，长期以来我们不懈地开展这项活动，其实就是“寻根之旅”帮助海外华人华侨的子孙后代寻找民族之“根”。他同时对参加夏令营的华裔青少年说：“华语学得好，朋友不会少”，人际交往、民族团结、国家交流需要华语……营员们通过夏(冬)令营的学习生活，可以提高中文水平，加深对祖籍国源远流长的历史的了解……

同样针对CN-SPSW，当宽厚比λ=1 000，横纵布置5道索时，得到滞回曲线见图16～17.在层间位移角为2%时，预拉力为40 kN和120 kN时剪力墙的耗能能力明显较索预拉力为20 kN以下时高，但索拉力超过40 kN后，随着预拉力值的增加，能量消耗效率提高幅度不大.

2012年，江西省强对流天气多、降雨量大、覆盖范围广，全省共出现24次明显降雨过程，1月1日至11月10日，全省平均降雨量达1857mm，比常年多20%。各级政府、防汛部门高度重视山洪灾害防御工作。

  

图14 不同索预拉力下滞回曲线对比(λ=3 000)

Fig.14 Comparison of hysteretic curves in different cable force (λ=3 000)

  

图15 不同索力下能量耗散系数(λ=3 000)

Fig.15 Comparison of energy dissipation ratio in different cable force (λ=3 000)

  

图16 不同索预拉力下滞回曲线对比(λ=1 000)

Fig.16 Comparison of hysteretic curves in different cable force (λ=1 000)

  

图17 不同索力下能量耗散系数(λ=1 000)

Fig.17 Comparison of energy dissipation ratio indifferent cable force (λ=1 000)

由上可知，索内预拉力大小对CN-SPSW滞回效果有一定影响，但很难单纯依靠索力的增大来提高耗能性能，显然，存在能有效改善薄钢板受力性能的最小预拉力.当超过这一值后，继续增加索预拉力，对钢板耗能性能影响不大，不宜单纯改变预拉力来提升索网抑制构件的约束效果.表4给出了不同宽厚比和索布置情况下能有效改善薄钢板耗能能力的最小索预拉力值，以及相对于同几何尺寸的非加劲钢板剪力墙累计耗能的提高幅度.

在这个拼实力的时代，企业如何脱颖而出？创业人的实践其实已经告诉了我们答案。如果将设计比作颜值，将技术比作内涵——或许，这个比喻比较片面，我想，答案应该是，颜值与内涵并重。唯有兼备高颜值与高内涵，企业才能笃定前行，以引领者的姿态，推动行业潮流。

 

表4 CN-SPSW有效预拉力值

 

Tab.4 Effective pretension of cable

  

宽厚比λ索数/根索拉力/kN累计耗能提高幅度/%600540321 000540473200353 00032071

4.2 索布置间距对抗剪性能的影响

数值模型采用ABAQUS有限元软件模拟，如图3所示.由于运输、加工以及安装等原因，钢板很难处于理想平整状态，表面存在一定的初始几何缺陷，缺陷的最大幅值按《钢结构工程施工质量验收规范》[17]要求取钢板宽度的1/1 000，缺陷的分布形式采取薄钢板在侧力作用下的一阶屈曲模态.根据图2索夹处连接形式，有限元模型考虑了横纵索的相互搭接，纵索贴近钢板，横索紧贴纵索外壁，索网抑制构件与钢板的连接处与钢板只耦合面外位移，从而使索网可沿平行于板面滑动；利用降温法为索施加预应力.加载方式为位移加载，加载曲线见图4.

以宽厚比λ=1 000为例，横纵布置5道索时的滞回环较布置3道索时饱满，如图18(a)所示，各层间位移下布置5道索的CN-SPSW耗能效率皆优于3道索.因为3道索网格较为稀疏，划分的内填钢板区格面积较大，因此要求提供更高的索力来抑制内填钢板的整体屈曲.在总索力一致的条件下，5道索的索力分配效率最高，约束更加有效.由图18(b)可知，横纵布置7道索的CN-SPSW的滞回效果与布置5道较为接近.因为在同样满足索框变形要求的前提下，7道索提供的总体索力值与5道索情况基本一致，这样虽索根数有所增加，钢板抑制区格变密，但索内力减小，总体的抑制屈曲效果不明显.经过计算，对于宽厚比在600～3 000的CN-SPSW，布置5道索(即索与索间距为470 mm)较为合理.

 

表5 CN-SPSW试件参数

 

Tab.5 Parameters of specimen CN-SPSW

  

宽厚比λ索数/根索预拉力/ kN6005407251 0003305207153 000320510

  

图18 不同索数下CN-SPSW滞回曲线对比(λ=1 000)

Fig.18 Comparison of hysteretic curves in different number of cables (λ=1 000)

4.3 索与钢板间隙对钢板抗剪性能的影响

索与钢板间隙δ(δ表示索网外径与钢板外表面的法向距离)影响着索网与内填钢板的接触程度.

在将磷、氮输入同时减少一半后，溶解氧浓度在水体出现温度分层后有所增加，最大增幅可达24.45%，温度分层消失后溶解氧浓度趋于一致；总磷、总氮、硝酸盐氮和氨氮浓度均降低，其中随时间推移总氮和硝酸盐氮降幅逐步加大，总磷在9，10月份降幅较大，氨氮在7月底8月初降幅最大；叶绿素a浓度最高可下降74.21%。可见，减少上游磷、氮输入能限制浮游植物生长、降低营养盐浓度水平、明显改善夏季库内的缺氧状况。

滞回曲线对比(层间位移12 mm)选用CN-SPSW构件(宽厚比λ=3 000，横纵各3道索，单根索力25 kN)，索网与钢板距离t分别取2、5、10、30 mm，对其滞回性能分析，得到结果如下：

在层间位移角为0.2%时，δ=2 mm时内填钢板初始刚度较δ=5、10 mm时提高11%，而δ=5 mm与δ=10 mm的内填钢板初始刚度基本相同.随着层间位移角增大至1%时，δ=2、5和10 mm时CN-SPSW的抗侧刚度和滞回效果基本相同，索与钢板初始间隙在钢板发生较大面外变形后可以忽略.

在钢板剪力墙达到2%层间位移角时，面外变形见图19.整体内填钢板只形成了2个拉力带，而δ=10 mm剪力墙的变形模式是形成多条拉力带，索网与钢板的法向距离δ过大后便不能抑制低阶屈曲.在2%层间位移角下,间隙δ=2、5、10 mm时CN-SPSW的最大面外位移在23 mm至27 mm之间，而δ=30 mm时的面外位移达38 mm.其原因在于，法向距离δ过大时，只有索夹处能约束面外变形，点约束的效果不好，故索越贴近钢板，越能更早地作为线约束来约束钢板防止其发生面外屈曲.

综上所述，间隙δ=10 mm的CN-SPSW仍能较好抑制钢板的面外鼓曲，同时考虑到锚固端构造方便，提出了锚固端节点如图20所示，索外边缘紧贴着索框(方钢管)内壁，索与钢板的距离为索框的厚度(厚度范围10～12 mm)；横索与纵索无间隙.如图2的索夹构造所示，横索紧贴着纵索.

  

图19 钢板面外变形云图

 

Fig.19 Out-of-plane deformation

  

图20 锚固端详图

 

Fig.20 Details of the anchorage

5 设计建议

采用上节得到的有效预拉力及合理索布置方式针对CN-SPSW进行宽厚比对能量耗散效率的影响规律研究，其中图21给出不同宽厚比下CN-SPSW与SPSW能量耗散系数，可见钢板宽厚比越大，索网抑制构件提高耗能能力的效果越好；对于宽厚比λ=600的剪力墙，CN-SPSW较SPSW的能量耗散系数在不同层间位移角下最多相差21%，耗能效率提升不明显；而宽厚比λ=1 000、3 000时，CN-SPSW的能量耗散效率较同宽厚比的SPSW有明显提高.

基于以上研究，提出了索网抑制屈曲钢板剪力墙设计建议：

1)适用范围：当λ=600时，CN-SPSW耗能效率较SPSW提高不多，故建议索网抑制屈曲构件宜用于宽厚比大于600的钢板剪力墙中.

自动分拣系统的应用对我院PIVAS成品输液分拣工作的影响 ……………………………………………… 连玉菲等（18）：2462

如此不单单能够强化学生的体育竞技精神，同时更可以辅助教师及时发现每个学生遗留的缺陷，随后提供富有针对性的指导建议，促使班级所有成员从此共同进步。

2)在宽厚比为1 000～3 000时，钢板尺寸为3 m×3 m时，索与索间距在470 mm左右，预应力加载至20～40 kN时，能有效改善钢板耗能能力.

3)考虑索材料的充分利用，索径的选用根据所需预拉力确定，对于单向布置五道索时，预应力施加为破断力的40%～50%.

  

图21 不同宽厚比下能量耗散系数对比

 

Fig.21 Comparison of width-to-thickness ratio in different cable force

6 结 论

1)索网抑制构件为屈曲后形成的拉力带提供侧向支撑作用，钢板鼓曲面外位移减少，形成更密的拉力带，可提高钢板利用效率.以宽厚比λ=1 000，横纵布置5道索的CN-SPSW为例，其峰值承载力较同尺寸的SPSW提高18%，耗能能力提高47%.

当时，朱易要一边上冰练习花滑的简单动作，一边还要进行体能训练，非常辛苦。为鼓励她，父亲亲自为女儿磨冰刀，而且每天训练结束后，都要给朱易当“按摩师”。别看朱爸爸是人工智能专家，却同样是体育爱好者，他不仅喜欢打篮球、滑雪，对足球和滑冰也懂一些。当时他对朱易说：“花样滑冰是冬季奥运会的正式比赛项目，运动员穿着脚底装有冰刀的冰鞋、靠自身力量在冰上滑行，表演预先以技术动作为基础编排的节目，由裁判组评估打分、排出名次。”朱易听后觉得很有意思，后来便“越滑越觉得刺激、过瘾，直至一发不可收拾。”

2)索布置间距是影响索网抑制构件约束效果的关键参数，索间距越小，索约束钢板面外变形效果越强.单纯增加索预拉力不改变间距时，约束面外变形效果提升不明显.针对3m×3m的钢板，宽厚比λ=1 000～3 000的CN-SPSW，合理的索距在470 mm左右，有效的索预拉力为20～40 kN.索网抑制构件作为一种柔性约束构件，宜用在宽厚比λ>600的薄钢板剪力墙中，当约束较厚钢板时，索径及框架截面会大幅增加，经济性不好.

3)索网抑制构件与内填钢板的间隙应尽量小，设计时应尽可能紧贴索框壁，从而达到更好的约束效果.本文给出了SPSW的详细构造，它可以在工厂预制，运输到现场拼装，同时构件自重轻，对结构竖向受力影响小，具有施工快、安全、环保等特点.

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