CN111549906B - 一种钢-混凝土组合异形格构柱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢结构住宅及公共建筑技术领域,具体涉及一种钢‑混凝土组合异形格构柱。本发明所提供的组合异形格构柱由方钢管混凝土柱、槽钢、缀条组成,共有两种结构类型,分别为类型Ⅰ和类型Ⅱ,且各有三种截面形式,分别为“L”型、“T”型和“十”字型;采用螺栓装配式K形缀条连接方式。本发明克服了现有技术中结构布置不灵活、构件工厂预制困难、构件标准化程度不高等问题,采用的构件大部分可在工厂预制完成,现场组装快捷,施工方便,解决了凸柱问题,填充预制蒸压砌块,形成集结构、保温、隔声为一体的“智能”组合异形格构柱。
Description
技术领域
本发明涉及钢结构住宅及公共建筑技术领域,更具体的说,它涉及一种新型钢-混凝土组合异形格构柱。
背景技术
随着经济持续快速增长,城市化进程不断发展,城镇人口急剧增加。为了满足人们日益增长的居住和工作的需求,在有限的城市土地资源建造各种经济适用的高层建筑成为了必然趋势。目前所研究的钢管束组合结构体系、多腔体钢管组合体系、装配式钢束柱体系等虽然解决了钢结构住宅向上发展的问题,却或多或少存在凸梁凸柱、结构布置不灵活、构件工厂预制困难和施工时大量存在湿作业、构件标准化程度不高等问题,限制了装配式钢结构的发展。因此有人提出了异形格构柱的建筑方式,例如以下专利申请文献对异形格构柱进行了披露。
CN108678169A公开了一种多肢异形格构柱和H型钢梁的连接结构包括多肢异形格构柱,所述多肢异形格构柱包括中心柱肢和多个其他柱肢,所述中心柱肢和所述其他柱肢竖直放置,其中,所述中心柱肢的腹板与所述其他柱肢的翼缘相对设置,所述中心柱肢的翼缘与所述其他柱肢的腹板相对设置,所述中心柱肢与所述其他柱肢通过柱肢间H型钢梁连接,所述其他柱肢与格构柱间H型钢梁连接。
上述的专利申请,结构复杂,含有大量构件,组装较为费时费力;结构为纯钢结构,若想获得较高承载力,则柱肢尺寸较大,可能会存在“凸梁凸柱”现象;存在大量的现场焊接,易导致构件焊接接头组织和性能改变,产生残余应力和变形,影响结构质量,使承载力下降;若要保证良好的焊接质量,则对施工人员水平有较高要求;大量的现场焊接及组装导致施工缓慢,不利于工期的要求。
发明内容
为了解决上述的技术问题,本发明以格构式结构低用钢量、高承载力和强抗侧性能对现有装配式钢结构柱进行了改进,提出一种新型钢-混凝土组合异形格构柱。该组合异形格构柱为方钢管混凝土柱、槽钢和缀条组合而成,其施工方便,构造简单。
本发明所提供的新型钢-混凝土组合异形格构柱,是通过下述的技术方案来解决以上的技术问题的:
本发明所提供的一种钢-混凝土组合异形格构柱,包括方钢管混凝土柱、槽钢和缀条;槽钢及缀条活动连接形成双肢槽钢格构柱,方钢管混凝土柱的一端与双肢槽钢格构柱上的槽钢相连接;异形格构柱至少包括一个方钢管混凝土柱和一个双肢槽钢格构柱。
槽钢及缀条通过螺栓连接;
优选的,双肢槽钢格构柱与方钢管混凝土柱采用高强螺栓连接。
异形格构柱为类型Ⅰ时,方钢管混凝土柱作为中心柱肢及边缘柱肢,槽钢及缀条所组成的双肢槽钢格构柱用于连接分别作为中心柱肢和边缘柱肢的方钢管混凝土柱;
或者是,异形格构柱为类型Ⅱ,方钢管混凝土柱作为中心柱肢,位于方钢管混凝土柱外边缘的双肢槽钢格构柱作为边缘柱肢。
方钢管混凝土柱为无缝方钢管;
优选的,方钢管混凝土柱的方钢管内浇筑有混凝土;
优选的,方钢管内浇筑的混凝土为普通混凝土、轻骨料混凝土或高性能混凝土中的任一种;
方钢管混凝土柱上沿柱长度方向有四排用于螺栓通过的第一预留孔。后期只需将螺杆穿过方钢管上的第一预留孔,拧上螺帽即可实现两侧构件的连接。
与方钢管混凝土柱相连接的槽钢在其腹板上焊接有高强螺栓杆,沿槽钢长度方向共布置四排高强螺栓杆,高强螺栓杆与方钢管混凝土柱的方钢管上所预留的四排第一预留孔相适配,高强螺栓杆穿过第一预留孔与螺帽相配合以实现两侧的方钢管混凝土柱与槽钢相连接。
槽钢的翼缘设置有用于与缀条进行螺栓连接的第二预留孔。
缀条为条状薄钢板;
缀条与槽钢之间采用螺栓装配式K形连接,每个缀条两侧设置第三预留孔。
组合异形格构柱的材料为碳素结构钢Q235级钢材、低合金高强度结构钢Q345级、Q390级、Q420级或Q460级钢材中的任一种;
优选的,钢-混凝土组合异形格构柱为“L”型、“T”型和“十”字型中的任一种;可以根据工程实际来选择组合异形格构柱的类型及截面形式;
优选的,双肢槽钢格构柱内部填充有预制蒸压砌块,作为结构的保温、隔热补强措施,同时可协助缀条增强其面外刚度。
对组合异形格构柱各部件尺寸进行选型,斜缀条尺寸确定方法如下所示:
td=10mm
ld=660mm
β=45°
式中,td——斜缀条厚度;
ld——斜缀条长度;
β——斜缀条与肢柱的夹角;
d——斜缀条宽度;
N——组合异形格构柱轴心压力设计值,由结构内力计算得到;
n′——剪力作用方向上缀条个数,类型Ⅰ或类型Ⅱ:“L”型n′=2、“T”型n′=2,“十”字型n′=4;
f——钢材的抗压强度设计值。
方钢管混凝土柱及槽钢的尺寸确定方法如下所示:
a=160mm
c=a-2t
m=80mm
b=500mm
式中,a——方钢管的截面宽度;
t——方钢管及槽钢截面厚度;
c——管内混凝土的截面宽度;
m——槽钢翼缘长度;
b——两槽钢外边缘距离;
n1——异形格构柱的方钢管混凝土柱数目,类型Ⅰ:“L”型n1=3,“T”型n1=4,“十”字型n1=5;类型Ⅱ:n1=1;
n2——异形格构柱的双肢槽钢格构柱的数目,类型Ⅰ或类型Ⅱ:“L”型n2=2,“T”型n2=3,“十”字型n2=4;
f,fc——分别为钢材及混凝土的抗压强度设计值;
fy——钢材的屈服强度。
对异形格构柱各构件尺寸及材料进行初选后,应验证其轴压承载力是否满足要求,即是否满足:
Nu≥N
其中,
N0=n1fc(1.212+Bθ+C2θ2)(As1+Ac)+n2fAs2
式中,Nu——异形格构柱轴压承载力;
N0——不考虑长细比的异形格构柱轴压承载力;
Ncr——异形格构柱的轴压稳定承载力;
C1——轴压承载力计算系数;
As1,As2,Ac——分别为方钢管、双肢槽钢、管内混凝土的截面面积,As1=As2=a2-c2,Ac=c2;
Es,Ec——分别为钢材和混凝土的弹性模量;
λ0——换算长细比,取λ0x,λ0y中的较大值;λ0x,λ0y按如下表1中的公式来计算:
表1换算长细比λ0取值
对异形格构柱各构件尺寸及材料进行初选后,应验证其斜缀条的承载力是否满足要求,即是否满足:
Nd≤Adf
其中,
式中,Nd——单个缀条所受轴力;
n′——剪力作用方向上缀条个数,类型Ⅰ或类型Ⅱ:“L”型n′=2,“T”型n′=2,“十”字型n′=4;
β——斜缀条与肢柱的夹角;
Ad——单根缀条截面面积,Ad=tdd;
f——钢材的抗压强度设计值;
若验证之后斜缀条的承载力满足上述公式,则异形格构柱各构件尺寸及材料合格。
本发明的有益效果在于:
(1)本发明的结构中方钢管、槽钢、缀条皆为预制构件,皆可在工厂预制完成,现场组装快捷,施工方便,构造简单;
(2)本结构以方钢管柱作为核心构件,增强了双肢格构柱的稳定承载力,减小了柱截面的尺寸,满足结构适用性要求;
(3)内部填充预制蒸压砌块,作为墙体保温隔热的构造补强措施,同时发挥蒸压砌块的部分强度协助缀条增强其面外刚度;
(4)解决了凸柱问题,增加建筑使用面积;
(5)具有多种截面形式,能够适应功能变化需求。
附图说明
图1是本发明实施例1的类型Ⅰ“L”型剖面图;
图2是本发明实施例2的类型Ⅰ“T”型剖面图;
图3是本发明实施例3的的类型Ⅰ“十”字型剖面图;
图4是本发明的类型Ⅱ“L”型剖面图;
图5是本发明的类型Ⅱ“T”型剖面图;
图6是本发明的类型Ⅱ“十”字型剖面图;
图7是本发明的类型Ⅱ“T”型缀条K形连接示意图;
图8是本发明方钢管混凝土柱与槽钢螺栓连接示意图;
图中,1-方钢管混凝土柱,2-槽钢,3-缀条。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式来对本发明作更进一步的说明,以便本领域的技术人员更了解本发明,但并不以此限制本发明。
实施例1
本发明为一种新型钢-混凝土组合异形格构柱,由方钢管混凝土柱1、槽钢2、缀条3组成,采用类型Ⅰ“L”型组合异形格构柱形式,剖面图如附图1所示。
方钢管混凝土柱1为无缝方钢管,内部浇筑普通混凝土C30,也可以是轻骨料混凝土或高性能混凝土中的任一种,不限于以上的种类。
方钢管混凝土柱上沿柱长度方向有四排用于螺栓通过的第一预留孔;
与方钢管混凝土柱1相连接的槽钢2在其腹板上焊接有高强螺栓杆,沿槽钢长度方向共布置四排高强螺栓杆,高强螺栓杆与方钢管混凝土柱的方钢管上所预留的四排第一预留孔相适配,高强螺栓杆穿过第一预留孔与螺帽相配合以实现两侧的方钢管混凝土柱与槽钢2相连接;
槽钢2的翼缘设置有用于与缀条3进行螺栓连接的第二预留孔;
缀条3为条状薄钢板,采用螺栓装配式K形连接,缀条3与槽钢2之间采用螺栓装配式K形连接,每个缀条3两侧设置第三预留孔;
组合异形格构柱的钢材选用碳素结构钢Q235级。
异型格构柱的轴压承载力计算公式、抗剪承载力计算公式及各部件尺寸确定方法等如下所示:
(1)轴压承载力计算公式
采用等效钢截面法,将混凝土刚度等效成钢材刚度,折算到钢材截面,并且考虑到当格构柱作为整体工作时,易发生整体失稳,考虑到构件的稳定,得到异形格构柱轴压承载力的计算公式:
式中,Nu——异形格构柱轴压承载力;
N0——不考虑长细比的异形格构柱轴压承载力;
Ncr——异形格构柱的轴压稳定承载力;
C1——轴压承载力计算系数。
①不考虑长细比的轴压承载力N0计算公式
组合异形格构柱不考虑长细比的轴压承载力N0,按下式计算:
N0=n1fscAsc+n2fAs2
式中,n1——异形格构柱的方钢管混凝土柱数目,类型Ⅰ:“L”型n1=3,“T”型n1=4,“十”字型n1=5;类型Ⅱ:n1=1;
n2——异形格构柱的双肢槽钢格构柱的数目,类型Ⅰ或类型Ⅱ:“L”型n2=2,“T”型n2=3,“十”字型n2=4;
fsc——方钢管混凝土柱抗压强度设计值,考虑到钢管对管内混凝土的束箍作用使轴心抗压强度提高,按下式进行计算:
fsc=(1.212+Bθ+C2θ2)fc
Asc——方钢管混凝土柱的截面面积,等于方钢管截面面积(As1)及管内混凝土面积(Ac)之和,Asc=As1+Ac;
f,fc——分别为钢材及混凝土的抗压强度设计值;
As1,As2,Ac——分别为方钢管、双肢槽钢、管内混凝土的截面面积。
综上所述,得到不考虑长细比的轴压承载力N0为:
N0=n1fc(1.212+Bθ+C2θ2)(As1+Ac)+n2fAs2
②轴压稳定承载力Ncr计算公式
在钢结构中,构件变形对结构的稳定性具有较强的影响,本发明中柱肢之间仅靠缀条连接,当异形格构柱绕虚轴失稳时,需要考虑柱的剪切变形对稳定临界应力的影响。当考虑剪应力影响时,异形格构柱的轴压稳定承载力计算公式如下:
Es,Ec——分别为钢材和混凝土的弹性模量;
λ0——换算长细比,取λ0x,λ0y中的较大值。
③换算长细比λ0
由于异型格构柱在任一截面主轴处于微弯平衡状态时,均要考虑构件剪切变形影响,所以对组合异形格构柱应采用等效长细比代替原始长细比。按弹性屈曲理论推导可得换算长细比计算公式为:
式中,λ0——组合异形格构柱的换算长细比;
λ——组合异形格构柱的原始长细比;
γ1——单位剪切角;
Es——钢材弹性模量;
As1i,ts2i——分别为各分肢方钢管、双肢槽钢的截面面积。
类型Ⅰ中L形组合异形格构柱换算长细比计算:
对于通过相同长度斜缀条组成的类型Ⅰ中L形组合异形格构柱,需要对截面主轴方向进行换算长细比计算,包括绕对称轴(y-y)及垂直于对称轴方向(x-x)分别计算换算长细比。
绕x-x轴换算长细比计算:
在单位剪力V作用下,单个斜缀条受剪力为:
因此,斜缀条的轴力为:
斜缀条的受拉伸长量为:
单位剪切角为:
式中,Vd,Nd——分别为单个斜缀条所受剪力及轴力;
β——斜缀条与肢柱的夹角;
Δd——单根斜缀条的伸长量;
ld——单根斜缀条的长度;
Ad——单根斜缀条的截面积;
Δ1——结构在剪力方向的位移;
h′——缀条节间长度,h′=ldcosβ。
将上式带入换算长细比计算公式,可得:
据上述计算方法,可得绕y-y轴的换算长细比计算公式为:
简化计算公式如下:
同样的将上述计算方法分别运用于类型Ⅰ、类型Ⅱ的“L”型、“T”型,“十”字型的换算长细比计算中,可得其换算长细比如发明内容中的表1所示。
(2)缀条抗剪承载力计算公式
理想的柱子在轴压状态下横截面不存在剪力,但是当柱子由于初弯曲或处于临界微弯状态时,柱子纵轴产生斜率,轴压荷载会在柱的横截面上产生剪力。计算剪力的目的是为设计格构柱的缀件提供依据,故剪力取值的原则是使缀件不会在柱达到极限承载力以前破坏,即要求的是对应于极限承载力状态时的剪力。
因此,轴压状态下组合异形格构柱所受最大剪力近似取为:
Vmax=0.02Ncr
则单个缀条所受剪力与轴力分别为:
其中,V1——单个缀条所受剪力;
Nd——单个缀条所受轴力;
n′——剪力作用方向上缀条个数,类型Ⅰ或类型Ⅱ:“L”型n′=2、“T”型n′=2,“十”字型n′=4;
β——斜缀条与肢柱的夹角。
缀条选用条状薄钢板,可按轴心受力构件计算其承载力,则单个缀条承载力计算公式为:
(3)构件尺寸选型
①斜缀条选型
单个缀条承载力计算公式应满足:
式中,Ad——单根缀条截面面积;
f——钢材的抗压强度设计值。
取缀条厚度td=10mm,缀条宽度为d,Ad=tdd,缀条与格构柱夹角为45°,为方便计算,取组合异形格构柱轴心压力设计值N=Ncr,则缀条宽度d为:
式中,d——斜缀条宽度;
N——组合异形格构柱轴心压力设计值,由结构内力计算得到;
td——斜缀条厚度。
②方钢管、槽钢、混凝土选型
经结构基础内力计算可得组合异形格构柱的轴心压力设计值N,为满足结构轴心受压强度计算要求,应满足:
N≤Nu
在设计方钢管及槽钢的尺寸时,为简便计算,在进行强度设计时不考虑方钢管的束箍作用,取Nu=n1fcAc+n1fAs1+n2fAs2,并令As1=As2,代入上式可得:
N≤Nu=n1fcAc+(n1+n2)fAs1
设方钢管的截面宽度a=160mm,厚度为t,管内混凝土的截面宽度为c,槽钢翼缘长度为m=80mm,可知As1=a2-c2,Ac=c2,带入上式可得:
N≤n1fcc2+(n1+n2)f(a2-c2)
经简单计算可得:
fy——钢管屈服强度。
对异形格构柱初步选型后,应验算其承载力是否满足条件,即是否满足:
Nu≥N
Nd≤Adf
其中,
式中,Nd——单个缀条所受轴力;
n′——剪力作用方向上缀条个数,类型Ⅰ或类型Ⅱ:“L”型n′=2,“T”型n′=2,“十”字型n′=4;
β——斜缀条与肢柱的夹角;
Ad——单根缀条截面面积,Ad=tdd;
f——钢材的抗压强度设计值;
若验证之后斜缀条的承载力满足上述公式,则异形格构柱各构件尺寸及材料合格。
实施例2
与实施例1的不同在于,采用类型Ⅰ“T”型组合异形格构柱形式,剖面图如附图2所示。
方钢管混凝土柱1内部浇筑轻骨料混凝土。
组合异形格构柱的钢材选用低合金高强度结构钢Q390级。
其余与实施例1相同。
实施例3
与实施例1的不同在于,采用类型Ⅰ“十”字型组合异形格构柱形式,剖面图如附图3所示。
方钢管混凝土柱1内部浇筑高性能混凝土。
组合异形格构柱的钢材选用低合金高强度结构钢Q420级。
其余与实施例1相同。
从以上的结构来看,本发明采用了方钢管、槽钢、缀条,以上的原料均可工厂预制完成,加工快捷,施工方便,提高了具体施工中的效率,并且由于本发明采用了上述的结构,可以提供多种截面形式,在适应功能变化需求的同时,还能有效提高其承载力与抗震性能。解决了凸柱问题,增加了建筑使用面积。相对于传统的凸柱结构的建筑,合理的利用并节约了空间。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种钢-混凝土组合异形格构柱,其特征在于:所述的异形格构柱包括方钢管混凝土柱(1)、槽钢(2)和缀条(3);槽钢(2)及缀条(3)活动连接形成双肢槽钢格构柱,方钢管混凝土柱(1)的一端与双肢槽钢格构柱上的槽钢(2)相连接;所述的异形格构柱至少包括一个方钢管混凝土柱(1)和一个双肢槽钢格构柱;
所述的槽钢(2)及缀条(3)通过螺栓连接;
双肢槽钢格构柱与方钢管混凝土柱(1)采用高强螺栓连接;
所述的异形格构柱为类型I,所述的方钢管混凝土柱(1)作为中心柱肢及边缘柱肢,槽钢(2)及缀条(3)所组成的双肢槽钢格构柱用于连接分别作为中心柱肢和边缘柱肢的方钢管混凝土柱(1);
或者是,所述的异形格构柱为类型II,方钢管混凝土柱(1)作为中心柱肢,位于方钢管混凝土柱(1)外边缘的双肢槽钢格构柱作为边缘柱肢;
所述的方钢管混凝土柱(1)为无缝方钢管;
方钢管混凝土柱(1)的方钢管内浇筑有混凝土;
方钢管内浇筑的混凝土为普通混凝土、轻骨料混凝土或高性能混凝土中的任一种;
所述的方钢管混凝土柱(1)上沿柱长度方向有四排用于螺栓通过的第一预留孔;
与方钢管混凝土柱(1)相连接的槽钢(2)在其腹板上焊接有高强螺栓杆,沿槽钢(2)长度方向共布置四排高强螺栓杆,高强螺栓杆与方钢管混凝土柱(1)的方钢管上所预留的四排第一预留孔相适配,所述的高强螺栓杆穿过第一预留孔与螺帽相配合以实现两侧的方钢管混凝土柱(1)与槽钢(2)相连接;
所述槽钢(2)的翼缘设置有用于与缀条(3)进行螺栓连接的第二预留孔;
所述缀条(3)为条状薄钢板;
所述的缀条(3)与槽钢(2)之间采用螺栓装配式K形连接,每个缀条(3)两侧设置第三预留孔;
所述组合异形格构柱的材料为碳素结构钢Q235级钢材、低合金高强度结构钢Q345级、Q390级、Q420级或Q460级钢材中的任一种;
所述钢-混凝土组合异形格构柱为“L”型、“T”型和“十”字型中的任一种;
双肢槽钢格构柱内部填充有预制蒸压砌块;
对组合异形格构柱各部件尺寸进行选型,斜缀条尺寸确定方法如下所示:
td=10mm
ld=660mm
β=45°
式中,td——斜缀条厚度;
ld——斜缀条长度;
β——斜缀条与肢柱的夹角;
d——斜缀条宽度;
N——组合异形格构柱轴心压力设计值,由结构内力计算得到;
n′——剪力作用方向上缀条个数,类型I或类型II:“L”型n′=2、“T”型n′=2,“十”字型n′=4;
f——钢材的抗压强度设计值;
方钢管混凝土柱及槽钢的尺寸确定方法如下所示:
a=160mm
c=a-2t
m=80mm
b=500mm
式中,a——方钢管的截面宽度;
t——方钢管及槽钢截面厚度;
c——管内混凝土的截面宽度;
m——槽钢翼缘长度;
b——两槽钢外边缘距离;
n1——异形格构柱的方钢管混凝土柱数目,类型I:“L”型n1=3,“T”型n1=4,“十”字型n1=5;类型II:n1=1;
n2——异形格构柱的双肢槽钢格构柱的数目,类型I或类型II:“L”型n2=2,“T”型n2=3,“十”字型n2=4;
f,fc——分别为钢材及混凝土的抗压强度设计值;
fy——钢材的屈服强度。
2.如权利要求1所述的一种钢-混凝土组合异形格构柱,其特征在于:对异形格构柱各构件尺寸及材料进行初选后,通过如下的公式验证其轴压承载力:
Nu≥N
其中,
N0=n1fc(1.212+Bθ+C2θ2)(As1+Ac)+n2fAs2
式中,Nu——异形格构柱轴压承载力;
N0——不考虑长细比的异形格构柱轴压承载力;
Ncr——异形格构柱的轴压稳定承载力;
C1——轴压承载力计算系数;
As1,As2,Ac——分别为方钢管、双肢槽钢、管内混凝土的截面面积,As1=As2=a2-c2,Ac=c2;
Es,Ec——分别为钢材和混凝土的弹性模量;
λ0——换算长细比,取λ0x,λ0y中的较大值;
所述的异形格构柱为类型I时,“L”型形状的格构柱其λ0x,λ0y分别按如下公式来取值:
λ0x,λ0y——分别为绕x-x轴和绕y-y轴的换算长细比;
λx,λy——分别为绕x-x轴和绕y-y轴的原始长细比;
Ad——单根斜缀条的截面积,Ad=tdd;
“T”型形状的格构柱其λ0x,λ0y分别按如下公式来取值:
“十”字型形状的格构柱其λ0x,λ0y均按如下公式来取值:
所述的异形格构柱为类型II时,L”型形状的格构柱其λ0x,λ0y分别按如下公式来取值:
“T”型形状的格构柱其λ0x,λ0y分别按如下公式来取值:
“十”字型形状的格构柱其λ0x,λ0y均按如下公式来取值:
对异形格构柱各构件尺寸及材料进行初选后,验证其斜缀条的承载力,验证公式如下:
Nd≤Adf
其中,
式中,Nd——单个缀条所受轴力;
n′——剪力作用方向上缀条个数,类型I或类型II:“L”型n′=2,“T”型n′=2,“十”字型n′=4;
β——斜缀条与肢柱的夹角;
Ad——单根缀条截面面积,Ad=tdd;
f——钢材的抗压强度设计值;
若斜缀条的承载力满足以上的公式,异形格构柱各构件尺寸及材料合格。
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