CN117386065A - 一种cfrp索-胶合木组合张弦梁体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CFRP索‑胶合木组合张弦梁体系,包括CFRP索,分段式上弦梁组件,支撑组件,第一连接节点,第三连接节点,第四连接节点,分段式上弦梁组件是由多段上弦梁通过第一连接节点拼接构成,支撑组件交叉设置并分布于上弦梁组件下方,并通过第三连接节点进行铰接,支撑组件交叉处通过第四连连接节点进行可转动连接,通过转动连接可调节支撑组件交叉处角度的大小,CFRP索的两端分别与分段式上弦梁组件的两端进行连接,中部与第四连接点进行配合连接。本方案将胶合木梁、撑杆和CFRP索组合起来,通过给CFRP索施加预应力将预应力引入CFRP索‑胶合木组合张弦梁结构中,调整木梁内力分布,减小梁内弯矩峰值,增加木梁结构的应用跨度,提高结构的承载能力。
Description
技术领域
本发明及建筑工程技术领域,具体涉及一种碳纤维索与胶合木组合的张弦梁体系。
背景技术
张弦结构由上弦刚性结构或构件与下弦拉索以及上下弦之间的撑杆组成,它能充分利用高强索的抗拉性能,通过在下弦拉索施加预拉力,撑杆受压产生的作用力使上弦结构产生反弯矩和反向挠度,从而减小上弦结构在施加外荷载作用下的最大弯矩和最终挠度,改善结构的受力状态。这种结构体系受力合理、施工运输方便,结构用材少,得到广泛应用。木张弦梁上弦刚性结构为木梁,该结构形式能够实现比单纯使用木梁更大跨度更小截面的结构体系,通过控制索的预拉力,可以充分利用木构件的抗压强度,减小受拉破坏的风险。
目前应用较多的木张弦梁是在胶合木梁的受拉一侧设置钢索,通过施加预应力来提高结构的承载力。但连接节点传统做法在方木外侧设置连接板,受拉时节点处会产生扭转力矩,螺栓连接位置处易产生损坏,且钢撑杆和钢索在腐蚀环境下极易发生锈蚀,会进一步增加安全隐患。此外,钢材密度远远大于胶合木密度,在胶合木梁中引入钢构件增加了整体结构的自重,无法充分发挥木结构轻质的优势。
进一步地,碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)是一种轻质高强、耐腐蚀的高性能材料,近年来在土木工程领域得到广泛应用,随着研究的深入,CFRP索逐渐被应用到建筑结构领域。将CFRP索与胶合木梁组合,形成CFRP索-胶合木组合张弦梁结构,不仅能显著提高胶合木梁的承载能力,而且能充分发挥胶合木梁与碳纤维索轻质高强和耐腐蚀的优势。
由此可见,现急需提供一种结构性能高的CFRP索-胶合木组合张弦梁结构为本领域需解决的问题。
发明内容
针对于现有技术所存在的问题,本发明的目的在于提供一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其木制撑杆与CFRP索节点构造简单,且能够提高整体结构的承载能力,大大提高了CFRP索-胶合木组合张弦梁结构的性能。
为了达到上述目的,本发明提供了一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,包括CFRP索,包括分段式上弦梁组件,支撑组件,第一连接节点,第三连接节点,第四连接节点,所述分段式上弦梁组件是由多段上弦梁通过第一连接节点拼接构成,所述支撑组件交叉设置并分布于上弦梁组件下方,并通过第三连接节点进行铰接,所述支撑组件交叉处通过第四连连接节点进行可转动连接,通过转动连接可调节支撑组件交叉处角度的大小,所述CFRP索的两端分别与分段式上弦梁组件的两端进行连接,中部与第四连接点进行配合连接。
进一步地,所述分段式上弦梁组件包括两根上弦胶合木梁以及若干木制横杆,所述两根上弦胶合木梁对称设置,所述若干木制横杆分布于两根上弦胶合木梁之间,所述若干木制横杆的两端分别设有内螺纹,并通过螺纹连接将若干木制横杆与两根上弦胶合木梁进行连接。进一步地,所述上弦胶合木梁是若干根构成,且分别与第一连接节点进行装配连接。
进一步地,所述第一连接节点包括铸钢节点以及两个十字形钢片,所述两个十字形钢片对称设置于铸钢节点两侧并与铸钢节点连接形成一体式结构,所述十字形钢片上的多个作用面分别与上弦胶合木梁的若干根梁体进行配合连接。
进一步地,所述铸钢节点中心实体部开设有螺栓孔,并配合设置螺杆,所述螺杆与木制横杆的内螺纹适配,与木制横杆进行螺纹连接形成第二连接节点,通过一个方向转动木制横杆来调节两根上弦胶合木梁之间的间距。套设有套管,所述套管的底部分别设有用于与CFRP索连接的第二耳板。
进一步地,所述第一连接节点底部分别设有第一耳板,用于与支撑组件进行连接形成第三连接节点。
进一步地,所述支撑组件是由两根木杆交叉连接构成,所述两根木杆与上弦胶合木梁连接端设置有卡槽,并将第一耳板插入至卡槽内部,通过设置铰接结构进行铰接。
进一步地,所述两根木杆交叉处设有用于安装第四连接节点的槽孔,通过第四连接节点将两根木杆进行可转动连接。
进一步地,所述第四连接节点包括蝶型刚节点子件以及蝶型刚节点母件,所述蝶型刚节点子件以及蝶型刚节点母件分别是由位于中心的主体螺纹筒和位于两翼的钢片组成,所述蝶型刚节点子件以及蝶型刚节点母件的钢片分别设置于两根木杆的槽孔内,所述蝶型刚节点子件以及蝶型刚节点母件的主体螺纹筒进行套管设置,可相对进行转动,并与CFRP索配合连接。
本发明提供的CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其胶合木梁分段使得结构长度灵活控制,运输方便,施工组装简单。
其次,上弦的两排胶合木梁可以自由调整间距,适应不同屋面结构尺寸,灵活调整受荷面。
同时,撑杆与梁连接节点、交叉撑杆连接节点都可以灵活转动,适应结构变形。
另外,本结构可通过拧紧或放松上弦梁间的木制横杆来调节上弦梁的间距,进而实现预应力的调整。
最后,通过给CFRP索施加预应力将预应力引入CFRP索-胶合木组合张弦梁结构中,调整木梁内力分布,减小梁内弯矩峰值,增加木梁结构的应用跨度,提高结构的承载能力。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本CFRP索-胶合木组合张弦梁体系的整体结构示意图;
图2为图1中A处的结构细节图;
图3为本CFRP索-胶合木组合张弦梁体系中第五连接节点的结构示意图;
图4为本CFRP索-胶合木组合张弦梁体系中第四连接节点的结构示意图;
图5为本CFRP索-胶合木组合张弦梁体系中蝶型钢节点子件及母件的结构示意图。
下面为附图中的部件标注说明:
100.分段式上弦梁组件110.分段式上弦胶合木梁111.梁体120.若干木制横杆130.第一连接节点131.铸钢节点132.钢片133.螺杆140.套管150.第二耳板160.第一耳板200.支撑组件210.第一木杆220.第二木杆230.卡槽240.第四连接节点241.蝶型钢节点子件242.蝶型钢节点母件243.主体螺纹筒244.钢片250.槽孔300.CFRP索310.锚具400.软金属套管
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体图示,进一步阐述本发明。
针对于现有技术所存在的问题,本发明的目的在于提供一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其将胶合木梁、木制撑杆和CFRP索组合起来,通过给CFRP索施加预应力将预应力引入CFRP索-胶合木组合张弦梁结构中,调整木梁内力分布,减小梁内弯矩峰值,增加木梁结构的应用跨度,提高结构的承载能力。
实施例1:
进一步地,参见图1,本方案提供的CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其包括分段式上弦梁组件100,支撑组件200以及CFRP索300。
进一步地,分段式上弦梁组件100包括两根分段式上弦胶合木梁110以及若干木制横杆120。
两根分段式上弦胶合木梁110,其中两根分段式上弦胶合木梁110对称分布,每根分段式上弦胶合木梁110是由若干段上弦胶合木梁沿长度方向分段设置,各段之间通过第一连接节点130进行拼接形成整根上弦胶合木梁110。
具体的,参见图2,本方案中第一连接节点130与上弦胶合木梁110之间是采用“十字形”钢节点以插片的形式连接。
具体的,第一连接节点130包括铸钢节点131以及两个钢片132,两个钢片132为“十字型”结构,且对称设置于铸钢节点131两侧并与铸钢节点131连接形成一体式结构,以保证本第一连接节点130的刚性。
同时,在每个“十字型”钢片132的多个作用面上分布有若干锁紧部,并用于与上弦胶合木梁110进行连接。
相同的,每段的上弦胶合木梁110是由若干根梁体111构成,将每段的上弦胶合木梁中的若干根梁体111对应放置于“十字型”钢片132的多个作用面,且在若干根梁体111上对应钢片132上开设锁紧部,配合锁紧件将上弦胶合木梁的若干根梁体111与第一连接节点130的钢片132进行连接,由此,将相邻的上弦胶合木梁110两端分别安插于第一连接节点130的两个钢片132上,通过第一连接节点130实现各段上弦胶合木梁110之间的连接。
这里对于每段上弦胶合木梁中梁体111的数量本方案不做限定,作为举例可为三根,四根,五根等,具体的数量可根据实际情况而定,本方案通过将每段上弦胶合木梁切分成若干梁体111分别与钢片132的作用面进行连接,由此,能够增加上弦胶合木梁110与钢片132的接触面积,来保证第一连接节点130的可靠性。
同时,当上弦胶合木梁中若干梁体111分别与钢片132作用面对应连接后,当结构受到预张力作用时,若干根梁体111相互配合,可达到整体受力的目的。
本方案将上弦胶合木梁110设置成分段式结构,其可根据长度自由选择数量进行拼接,由此提高本结构的实用性,以及便于运输,施工及组装;同时,各段之间通过第一连接节点130进行连接,便于在装配时进行拆卸,更换。其次,钢片132上分布有若干锁紧部,上弦胶合木梁110可对应与钢片132上不同的锁紧部进行连接,由此,来对上弦胶合木梁110的长度进行微调,实现长度的可控。
这里需要说明的是,对于两根上弦胶合木梁110的形状本方案不做限定,作为举例,其可为直线型,也可为拱形等,即类似于胶合木拱,但受力本质仍然是梁的受力特点,在应用时,具体的结构可根据实际情况而定。
两排上弦胶合木梁110之间通过木制横杆120连接,共同组成张弦梁结构的上弦梁,其中,木制横杆120的两端分别与两排上弦胶合木梁110之间通过螺纹连接形成本方案中的第二连接节点。
在两根上弦胶合木梁110的端部分别设置一根木制横杆120,两根上弦胶合木梁110中间均布至少一个木制横杆120,通过若干木制横杆120将两侧的上弦胶合木梁110进行连接。
具体的,在第一连接节点上的铸钢节点131中心实体部开设有螺栓孔,且配合设有螺杆133,木制横杆120内部开设有与螺杆133相适配的内螺纹,将木制横杆120与螺杆133进行螺纹连接,实现木制横杆120与上弦胶合木梁110之间的连接。
木制横杆120为双螺孔胶合木构件,具体的,木制横杆120的两端内部开设有内螺纹,其中内螺纹与螺杆133的外螺纹相适配,与螺杆133互为逆螺纹,将木制横杆120的两端分别与两侧上弦胶合木梁上的螺杆133进行螺纹连接,可通过一个方向转动木制横杆120就可实现木制横杆120两端相对上弦胶合木梁110的同步拧紧或松开,由此实现调整两根上弦胶合木梁110之间的间距,并可通过控制螺纹拧入长度来实现长度的可控。
当两根上弦胶合木梁110之间的间距调整时,其设置于两根上弦胶合木梁110底部的支撑组件200之间的交叉角度可根据上弦胶合木梁110之间间距调整同步进行调整,来进一步调整CFRP索300的预应力作用。
进一步地,参见图3,在上弦胶合木梁110两端部的木制横杆120上套设有套管140,在套管140的底部分别设有第二耳板150,用于与CFRP索300的两端进行连接,形成本方案中的第五连接节点。
本方案通过设置双上弦梁,即使没有侧向支撑仍具有良好的稳定性,避免了施工张拉阶段的临时支撑设置,大大降低了施工难度,提高了施工效率。
进一步地,在每排的上弦胶合木梁110中的铸钢节点131底部分别设有第一耳板160,其用于与支撑组件进行连接形成本方案中的第三连接节点。
具体的,第一耳板160设置于上弦胶合木梁中的铸钢节点131底部,其上开设有铰接孔,用于与支撑组件200配合连接。
支撑组件200是由第一木杆210和第二木杆220交叉连接构成,第一木杆210和第二木杆220呈上大下小的“X”形状设置,上开口两端分别与上弦胶合木梁110连接,交叉部分可用于安装CFRP索300。该结构中“X”型撑杆的设置不仅能够有效支撑双上弦梁,而且提供了CFRP索300的固定空间
其中,支撑组件200中的第一木杆210和第二木杆220与上弦胶合木梁110连接端设置有卡槽230,该卡槽230的宽度与第一耳板160的宽度相适配,配合连接时,将第一耳板160插入至卡槽230内部,并在卡槽230侧壁上对应第一耳板160开设铰接孔,设置相应的铰接件将第一耳板160与支撑组件200进行连接。
这里第三连接节点通过设置铰接件进行铰接,即当两根上弦胶合木梁110之间的距离变化时,为保证整体结构的协调变形,支撑组件200需相对第一耳板160进行自由转动,来实现多角度交叉转动,以适应不同的结构几何形式,调节完成后,配合锁紧件进行紧固。
同时,支撑组件200中第一木杆210和第二木杆220交叉后通过“蝶型”钢节点进行连接形成本方案中的第四连接节点240。
具体的,参见图4,第一木杆210和第二木杆220在交叉连接部位通过嵌入的子母式“蝶型”钢节点连接,两根木杆中各嵌入一个“蝶型”钢节点,第一木杆210嵌入子母式“蝶型”钢节点的子件241,第二木杆220嵌入子母式“蝶型”钢节点的母件242,通过子件和母件配合设置,用以连接CFRP索300和木制撑杆200。
进一步地,参见图5,“蝶型”钢节点子件241和母件242均由位于中心的主体螺纹筒243和位于两翼的钢片244组成。
其中“蝶型”钢节点子件241和母件242的主体螺纹筒243不同,以本发明为例,“蝶型”钢节点子件241的主体螺纹243筒直径较小,但主体螺纹筒243长度是翼部钢片244长度的两倍。“蝶型”钢节点母件242的主体螺纹筒243直径较大,主体螺纹筒243长度和翼部钢片244长度一样。
将“蝶型”钢节点母件242套在“蝶型”钢节点子件241外侧,以此实现两个主体螺纹筒243的嵌合和自由转动。
同时,“蝶型”钢节点子件241和母件242的翼部钢片244上开设有若干螺栓孔,在支撑组件200上对应设有槽孔250,可将翼部钢片244插入槽孔250中,且槽孔250对应翼部钢片244上开设有若干螺栓孔,通过螺栓实现可靠连接。
将“蝶型”钢节点中的翼部钢片244安插于槽孔250内并与支撑组件200进行连接后,CFRP索300的端部可依次穿过支撑组件200的槽孔250并经槽孔250内部的主体螺纹筒243实现CFRP索300与支撑组件200的连接。
其中,主体螺纹筒243的索道边缘优选均进行了倒圆角处理,进一步减少边缘尖角对CFRP索300的损伤。
“X”型撑杆的两个部分可以通过“蝶型”钢节点连接,在两根上弦胶合木梁110的距离变化时,“X”型撑杆的两个部分可以通过“蝶型”钢节点进行自由转动,任意调节撑杆夹角,来保证整体结构的协调变形,相比传统钢撑杆和钢索节点优势明显。
同时,“X”型撑杆的自由转动造成交叉撑杆交叉角度的变化,由此造成交叉撑杆竖向高度的变化,“X”型撑杆高度变化可调节索的预张力,由此实现对结构预应力调节的作用。
进一步地,CFRP索300两端安装有锚具310,通过其上的锚具310与上弦胶合木梁110两端的第二耳板150铰接连接,并于中间在“蝶型”钢节点子件241和母件242的主体螺纹筒243中固定。
该结构中CFRP索300通长布置,减少了分段布置索造成的锚具数量较多,降低了造价,同时减少了施工程序,提高了施工效率。
本方案中,通过将CFRP索两端与上弦胶合木梁进行铰接,通过铰接连接,在对CFRP索300施加预拉力时,可留有活动空间,减少对CFRP索300的损害。
本方案中的张弦梁结构的下弦采用了CFRP索300,CFRP索300具有轻质高强,CFRP索300的强度远远高于普通钢索,索截面可以做得很小,在强度不被减弱的条件下,能实现整体结构更加轻盈美观。
其次,CFRP索300还具有良好的耐腐蚀特性,可以用在游泳馆等具有一定腐蚀性的环境中,大大降低了结构后期的维护费用,经济性能优良。
基于上述结构所构成的CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,以下举例说明其在具体应用时的工作过程,这里需要说明的是,该工作过程仅为举例说明,并不对本方案构成限定。
CFRP索-胶合木组合张弦梁体系的工作过程包括预应力CFRP索300张拉流程:
首先,将上弦胶合木梁110和木制横杆120通过螺纹连接为一个整体,其中,在端部的木制横杆120上安装套管140和第二耳板150,由此完成上弦梁的安装。
然后将木制撑杆120按照各自位置交叉设置,并与上弦胶合木梁上的铸钢节点131底部的第一耳板160进行连接,且将交叉设置的木制撑杆200之间通过“蝶型”钢节点子件241和母件242的钢片244分别安插于木制撑杆200的槽孔250内,并配合锁紧件进行连接。
接下来将CFRP索300穿过木制撑杆200的“蝶型”钢节点子件241和母件242的主体螺纹筒243中,端部通过CFRP索锚具310与上弦胶合木梁110上的第二耳板150连接。
待以上构件连接为整体后,先对CFRP索300进行主要预张力的施加,使CFRP索300处于张紧状态。
具体的,在CFRP索300的张拉端通过千斤顶进行张拉,张拉至预张力设计值附近时停止张拉,然后将CFRP索300两端的锚具310锚固在上弦胶合木梁110两端底部的第二耳板150上。
然后,对施加的预张力进行微调,预张力的微调和本结构设计特点有关。先通过调节木制横杆120(转动)使之拧紧或放松,来调节上弦两根胶合木梁110之间的间距,同时,保证整体结构的协调变形,支撑组件200会绕着交叉中心的蝶形钢节点240转动,由此导致支撑组件200高度的变化,由此进行预应力的调节。
预张力在施加过程中,CFRP索300受到越来越大的拉力,CFRP索300的拉力传给支撑组件200,支撑组件200受压,支撑组件200再将力传给上弦胶合木梁110,上弦胶合木梁110受到向上的“顶升力”,上弦胶合木梁110受弯(上表面受拉,下表面受压),并在几何形状上发生向上拱起。
如此,当结构受到屋面等向下的外荷载时,外荷载使得上弦胶合木梁110向下弯(上表面受压,下表面受拉),和预应力带来的内力刚好相反,由此预应力抵消掉一部分外荷载。结构的整体承载力显著提升。
实施例2:
本实施例基于实施例1的基础上,参见图1,在CFRP索300和支撑组件200连接的每一处都设置有软金属套管400。
具体的,将所述软金属套管320环套于CFRP索300的外周,通过设置软金属套管400来保护CFRP索300在“蝶型”钢节点子件241和母件242的主体螺纹筒243中免受挤压而导致破坏,能够进一步地提高本CFRP索-胶合木组合张弦梁体系的可靠性。
由上述方案构成的CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其通过给CFRP索施加预应力将预应力引入CFRP索-胶合木组合张弦梁结构中,调整木梁内力分布,减小梁内弯矩峰值。
其次,本方案通过在胶合木梁中引入轻质高强的CFRP索,将轻质高强的CFRP索与轻质的木梁相结合,充分发挥胶合木梁的强度和轻质高强的优势,增加木梁结构的跨度,提高结构的承载能力。
另外,本发明中大量使用木材和碳纤维复合材料,大大减少了钢材的使用,木材作为一种可再生建筑材料,和高性能的CFRP索组合成张弦梁结构,生态保护效益显著,且具有高性能、环保绿色的优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,包括CFRP索,其特征在于,包括分段式上弦梁组件,支撑组件,第一连接节点,第三连接节点,第四连接节点,所述分段式上弦梁组件是由多段上弦梁通过第一连接节点拼接构成,所述支撑组件交叉设置并分布于上弦梁组件下方,并通过第三连接节点进行铰接,所述支撑组件交叉处通过第四连连接节点进行可转动连接,通过转动连接可调节支撑组件交叉处角度的大小,所述CFRP索的两端分别与分段式上弦梁组件的两端进行连接,中部与第四连接点进行配合连接。
2.根据权利要求1所述的一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其特征在于,所述分段式上弦梁组件包括两根上弦胶合木梁以及若干木制横杆,所述两根上弦胶合木梁对称设置,所述若干木制横杆分布于两根上弦胶合木梁之间,所述若干木制横杆的两端分别设有内螺纹,并通过螺纹连接将若干木制横杆与两根上弦胶合木梁进行连接。
3.根据权利要求2所述的一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其特征在于,所述上弦胶合木梁是由若干根梁体构成,且分别与第一连接节点进行装配连接。
4.根据权利要求3所述的一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其特征在于,所述第一连接节点包括铸钢节点以及两个十字形钢片,所述两个十字形钢片对称设置于铸钢节点两侧并与铸钢节点连接形成一体式结构,所述十字形钢片上的多个作用面分别与上弦胶合木梁的若干根梁体进行配合连接。
5.根据权利要求4所述的一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其特征在于,所述铸钢节点中心实体部开设有螺栓孔,并配合设置螺杆,所述螺杆与木制横杆的内螺纹适配,与木制横杆进行螺纹连接形成第二连接节点,通过一个方向转动木制横杆来调节两根上弦胶合木梁之间的间距。
6.根据权利要求1所述的一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其特征在于,所述分段式上弦梁组件两端部套设有套管,所述套管的底部分别设有用于与CFRP索连接的第二耳板。
7.根据权利要求1所述的一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其特征在于,所述第一连接节点底部分别设有第一耳板,用于与支撑组件进行连接形成第三连接节点。
8.根据权利要求7所述的一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其特征在于,所述支撑组件是由两根木杆交叉连接构成,所述两根木杆与上弦胶合木梁连接端设置有卡槽,并将第一耳板插入至卡槽内部,通过设置铰接结构进行铰接。
9.根据权利要求8所述的一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其特征在于,所述两根木杆交叉处设有用于安装第四连接节点的槽孔,通过第四连接节点将两根木杆进行可转动连接。
10.根据权利要求9所述的一种CFRP索-胶合木组合张弦梁体系,其特征在于,所述第四连接节点包括蝶型刚节点子件以及蝶型刚节点母件,所述蝶型刚节点子件以及蝶型刚节点母件分别是由位于中心的主体螺纹筒和位于两翼的钢片组成,所述蝶型刚节点子件以及蝶型刚节点母件的钢片分别设置于两根木杆的槽孔内,所述蝶型刚节点子件以及蝶型刚节点母件的主体螺纹筒进行套管设置,可相对进行转动,并与CFRP索配合连接。
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