复合材料科学与工程

徐国士, 樊宇杰, 高擎, 于峰, 姚晓光

2026, 0(3): 1-9. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.001

摘要 ( 37 )

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本文对20根PVC-CFRP管钢筋混凝土梁开展受力性能试验,分析梁试件尺寸、箍筋配箍率、环向CFRP条带宽度与层数、条带粘贴方式、纵向CFRP布层数以及剪跨比等因素对试件力学性能的影响。结果表明:试件的破坏形态为箍筋及梁底纵筋屈服,CFRP条带被拉断。随着试件截面尺寸、配箍率、CFRP条带宽度与层数以及纵向CFRP布层数增加,试件极限承载力增加,弯矩-曲率关系曲线斜率增加,试件的曲率发展速度明显减缓;随着剪跨比的增加,试件极限承载力减小,试件弯矩-曲率关系曲线变化不明显。在相同配纤率条件下,CFRP条带粘贴形式对试件的承载力与弯矩-曲率关系曲线的影响较小。在试验研究基础上,考虑各因素对试件弯矩-曲率关系的影响,引入试件刚度调整系数,建立试件的弯矩-曲率关系计算模型。

GFRP-竹胶板管复合约束含砖骨料再生混凝土叠合柱抗压性能试验

赵卫锋, 文嘉鑫, 周靖, 陈凯亮, 补国斌

2026, 0(3): 10-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.002

摘要 ( 22 )

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为开拓废弃黏土砖再生利用的新途径,拓展竹胶板在结构工程领域的应用,本文提出一种玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastics,GFRP)管-竹胶板管复合约束含砖骨料再生混凝土生态叠合柱(简称GPR叠合柱)。通过对18根GPR叠合柱试件进行抗压破坏试验,研究再生混凝土(Recycled Brick Aggregate Concrete,RBAC)中砖骨料取代率、GFRP管壁厚、截面含竹率、拉杆间距比、荷载偏心距、长细比对试件抗压承载力和变形的影响。结果表明:GPR叠合柱试件的受压破坏形态主要为GFRP管纤维沿缠绕方向的破裂并出现局部断裂,外层RBAC压碎;GFRP管纤维破坏位置随GFRP管壁厚增大向柱端偏移;偏心受压时,GPR叠合柱破坏形态为受拉侧GFRP管纤维断裂;长细比大于32时,GPR叠合柱破坏形态为受压侧GFRP管纤维压溃断裂;试件抗压承载力随砖骨料取代率、拉杆间距比、荷载偏心距和长细比的增大而减小,随GFRP管壁厚的增大而增大,截面含竹率对试件的极限承载力无明显影响。依据试验结果构建了GPR叠合柱的极限抗压承载力计算模型,可为其工程应用提供参考。

复合材料圆柱厚壁壳体阵列超声声场研究

李蔚然, 李云鹏, 李峰忠, 罗忠兵, 屈平, 焦慧锋

2026, 0(3): 21-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.003

摘要 ( 25 )

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为阐明碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)圆柱厚壁壳体中相控阵超声检测(Phased Array Ultrasonic Testing,PAUT)声场特征,基于CIVA和COMSOL仿真软件开展了声学建模仿真研究。建立了考虑CFRP曲面、叠层、弹性各向异性的声学模型,分析了阵元孔径,预设聚焦深度,内、外R检测位置对PAUT声场分布特征的影响规律。研究发现:随着阵元孔径数N从3增加到12,焦柱范围扩大,当预设聚焦深度为27.5 mm时,焦柱宽度增大了12.9 mm,实际焦点深度从0.3 mm增加到13.2 mm;预设聚焦深度对焦柱宽度影响较小,对实际焦点深度的影响与阵元孔径有关,仅在阵元孔径较大时有一定变化。探头主动轴沿圆柱壳体轴向方向时,可有效避免内、外R检测位置差异对声场的影响。最后,制备3个深度分层缺陷,开展试验检测,验证典型模拟条件,两者结果一致性良好。所得结果有望为CFRP圆柱厚壁壳体的检测工艺制订提供参考和借鉴。

碳纤维复合材料预湿热条件下疲劳寿命退化规律

张泽林, 李哲, 冯宇, 王卓健, 张鹏飞, 尹生

2026, 0(3): 28-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.004

摘要 ( 26 )

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本研究旨在揭示碳纤维复合材料在预湿热环境中的疲劳寿命退化机制,探究了复合材料在饱和吸湿量的0%、40%、70%和100%四种条件下的静拉伸强度及疲劳寿命,其中静拉伸破坏应力呈现波动特征,而疲劳寿命随吸湿量增加呈现单调递减。采用对数正态分布和二参数Weibull分布理论,分析层合板在各应力水平下的疲劳寿命分布规律,两种概率模型均展现优异拟合度;基于对数正态分布分析可靠性寿命规律,可靠性寿命随着可靠度的增加而减小,并随应力水平的减小而增大;预湿热疲劳破坏模式表现为覆盖整个工作段的纤维束断裂与分层多重损伤。这些发现为湿热环境复合材料工程应用提供了理论支撑。

温度载荷作用下复合材料-铝合金混合连接接头热变形行为研究

杨晓, 贺娜, 朱强, 倪智翔, 刘翀, 陈振毅, 邵泽恺, 蔡伟, 胡海晓, 曹东风

2026, 0(3): 38-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.005

摘要 ( 20 )

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复合材料-金属连接结构在服役期间难免会经历高温或低温环境。在高低温载荷作用下,复合材料刚度与强度性能会发生不同程度的退化,同时热膨胀产生的内应力导致变形不匹配,会对连接结构的螺栓载荷分配产生影响,进而危害结构的安全性与完整性。因此,本文以复合材料-铝合金双钉单搭接连接结构为研究对象,开展了不同复合材料-铝合金连接结构的高温(80 ℃)和低温(-40 ℃)加载试验,研究了高低温环境载荷下连接结构孔周应变变化规律,讨论了复合材料类型、胶层以及螺栓间距对连接结构孔周应变的影响。结果表明,温度载荷对碳纤维复合材料-铝合金连接接头的变形非协调性影响非常显著,适当减小螺栓间距并在界面间引入胶层,可以有效缓解因变形不匹配引起的热应力影响。本文研究结果可为温度载荷下飞行器连接结构设计提供一定参考。

玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究

许天才, 马生强

2026, 0(3): 49-56. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.006

摘要 ( 25 )

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为研究梁底粘贴玄武岩纤维布材料对钢筋混凝土梁力学性能的影响,进行了四片加固梁、一片对比梁试验,分析了玄武岩纤维布加固层数、加固宽度、锚固方式等因素对加固梁力学性能的影响规律,并利用试验结果验证了我国结构加固规范GB 50367—2013及美国规范ACI 440.2R-17提出的加固梁承载能力计算公式适用性。研究结果表明:利用玄武岩纤维布对钢筋混凝土梁进行加固可以较大程度地提高钢筋混凝土梁的屈服荷载和极限荷载,提高量最大分别可达到33.14%与25.00%;玄武岩纤维布加固层数越多,梁的刚度越大,同等加固量条件下,加固宽度越小,刚度提高越大,加固使得梁延性变小,降低量最大为34.96%;GB 50367—2013、ACI 440.2R-17极限承载力计算结果平均误差分别为4.00%与6.00%,均能给出较理想的计算结果,可用于玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁极限承载力的计算。

纤维增强树脂基复合材料耐γ射线辐射性能研究

丁祥彬, 胡伦宝, 侯硕, 翟立宏, 陈凯文, 陈晞

2026, 0(3): 57-64. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.007

摘要 ( 18 )

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纤维增强树脂基复合材料在核工业中有着广泛的应用,对其耐γ射线辐射性能的影响因素和性能评估研究可为耐辐射材料改性与开发提供参考。本工作以四种树脂和三种纤维为研究对象,首先通过辐照前后的拉伸强度测试筛选出表现最好的双酚A型环氧树脂(Diglycidyl Ether of Bisphenol A,DGEBA)和不饱和聚氨酯树脂(Unsaturated Polyurethane resin,UPU)两种树脂,并结合傅里叶变换红外光谱分析对其耐辐射机理进行了解释;然后将两种树脂分别与玻璃纤维(Glass Fiber,GF)、玄武岩纤维(Basalt Fiber,BF)、碳纤维(Carbon Fiber,CF)复合,制备复合材料,并进行了辐照前后的拉伸、弯曲、压缩、短梁剪切强度测试。结果表明:DGEBA与BF和CF的匹配程度较好,UPU与GF的匹配程度较好,复合材料的耐辐射性能需要通过多种机械性能测试进行综合评价。本工作为耐γ射线辐射纤维增强树脂基复合材料的设计提供了研究基础,为工程材料耐γ射线辐射能力的简易评价提供了有益参考。

镀镍碳纤维改性水泥基材料的力学性能及耐久性研究

刘丽, 杨旭

2026, 0(3): 65-71. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.008

摘要 ( 18 )

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碳纤维表面光滑且呈惰性,与水泥基材料的相容性较差,化学镀镍处理可改善其表面性能。通过表征镀镍碳纤维的表面元素和拉伸强度,制备了镀镍碳纤维改性水泥基材料,研究了其力学性能、抗裂抗渗性和抗冻性,并与碳纤维改性水泥基材料进行了对比。结合SEM,分析了镀镍碳纤维/水泥基材料界面改性机理。结果表明:与碳纤维相比,镀镍碳纤维表面氧元素含量和拉伸强度均有所增大;对水泥基材料力学性能和耐久性的提高效果与在水泥基材料中的分散性均更优,其最佳掺量为0.9%。在此掺量下,水泥基材料的抗折和抗压强度分别增大了32.88%、26.61%,开裂总权值、渗水高度、质量损失率、抗折强度损失率和抗压强度损失率分别减小了34.76%、53.19%、57.41%、51.29%、45.42%。碳纤维/水泥基材料界面存在较大孔隙,而镀镍碳纤维/水泥基材料界面结合良好。镀镍碳纤维表面的氧元素提高了其亲水性,镍镀层提高了其与水泥基材料的机械咬合力。

夹芯复合材料胶螺混接结构强度研究

方家宝, 王兵, 曹京宜, 李想, 倪爱清, 殷文昌, 王继辉

2026, 0(3): 72-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.009

摘要 ( 21 )

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本文采用试验和数值模拟相结合的方法研究了夹芯复合材料-钢板胶螺混合接头在拉伸载荷下的连接强度和失效模式,考察了接头宽度、螺孔端距和螺孔孔间距对混合接头强度的影响,并进行了单因素优化设计。结果表明,数值模拟载荷-位移曲线的总体趋势和失效模式与试验结果吻合较好,初始失效为端部胶层失效;随着拉伸位移增加,胶层裂纹持续扩展,螺栓逐渐与胶层共同承载,螺孔处蒙皮发生挤压破坏;最终胶层彻底破坏,夹芯板与钢板完全脱黏。单因素优化设计表明,接头刚度、极限载荷随宽度增加不断增加,但失效位移和连接效率不断降低;端距和孔间距不影响接头刚度,极限载荷和连接效率随着端距、孔间距的增加而增加。最佳设计参数组合为:宽度与孔径之比为3.5,端距与孔径之比为3.0,孔间距与孔径之比为3.5。

冻融循环后GFRP管约束钢筋混凝土柱轴压性能试验研究

张云峰, 李炳君, 杜展祥, 滕振超, 王桐, 许耀祥

2026, 0(3): 82-91. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.010

摘要 ( 20 )

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为研究纤维缠绕玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer,GFRP)管约束钢筋混凝土柱的轴压性能,对8根GFRP管约束钢筋混凝土圆柱进行了冻融循环后的轴压性能试验及有限元模拟分析,研究了混凝土强度、冻融循环次数、长细比对组合柱轴压性能的影响。结果表明:在相同冻融循环次数下,C60混凝土组合柱的极限承载力比C30混凝土组合柱的极限承载力平均高出9%;试件的承载力随着冻融次数的增加而降低,但相比于C30混凝土组合柱,C60混凝土组合柱的下降速率更为缓慢;随着冻融次数的增加,长细比对试件刚度和承载力的影响逐渐增大;建立了GFRP管约束钢筋混凝土柱的轴压承载力理论计算公式,结果与试验数据吻合程度较高,可为相关工程设计提供参考。

电磁功能复合材料行波抑制性能分析

礼嵩明, 郭闻, 吴思保, 鹿海军

2026, 0(3): 92-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.011

摘要 ( 21 )

PDF (15625KB) ( 68 )

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研究用于层合结构电磁功能复合材料的表面波抑制性能,仿真分析了材料的电磁参数(复介电常数、复磁导率)与厚度对表面行波抑制性能的影响规律,并采用加载阻抗层的方法,在不增加复合材料重量、厚度前提下,提升了电磁功能复合材料低频表面行波抑制能力。结果表明:介电常数和磁导率均会对行波抑制效果产生影响,磁导率影响相对更大;随着介电常数的增加,高频表面波表面行波抑制能力逐渐增加;随着磁导率的增加,低、高频表面行波衰减强度均增大。当材料厚度满足四分之一波长的奇数倍时,可获得良好的行波抑制性能。当材料厚度为1 mm时,通过阻抗加载的复合设计,材料在1.5 GHz、3 GHz和6 GHz频点的行波抑制效果抑制系数可以分别达到4.41 dB/m、13.98 dB/m和27.31 dB/m;相比加载前,在保持高频表面行波抑制能力的同时,材料在1.5 GHz和3 GHz的行波抑制效果分别提升了1.86 dB/m和4.90 dB/m,实现了低频表面行波抑制能力的提升,可有效指导电磁功能复合材料行波抑制性能调控。

基于CFRP的矿用测风机械臂轻量化研究

张传伟, 许士超, 姜振南, 迟海波

2026, 0(3): 102-109. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.012

摘要 ( 19 )

PDF (6846KB) ( 21 )

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为解决矿用测风机械臂自重过大导致运输与安装效率降低的问题,采用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)对其进行轻量化设计,并通过有限元仿真方法进行优化与对比分析。以嵌套式三节伸缩臂为优化对象,开展结构优化,并分析优化后不同材质的静力学性能;通过厚度优化及铺层角度优化,确定最优设计方案。最后实施失效分析与稳定性校核,确认最优方案符合安全要求。仿真结果表明:采用CFRP优化设计的伸缩臂总质量由52.817 kg降低至33.563 kg,实现减重36.45%;同时总形变从28.855 mm降低至15.204 mm,刚度提升了47.31%。

基于粒子群算法的1bit超宽带编码超表面RCS缩减优化设计

李嵩, 周金宇, 王培培, 王晓坡, 杨帆, 刘文博, 王荣国

2026, 0(3): 110-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.013

摘要 ( 18 )

PDF (18348KB) ( 31 )

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在现代无线通信、智能感知以及电子对抗等前沿领域,对电磁波的有效调控至关重要。本文提出一种基于粒子群算法的编码超材料优化设计方法,在碳纤维复合材料表面涂敷石墨烯铜网,以抑制宽频范围内的超宽带后向散射。该超表面结合散射和吸振机制,有效降低了雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)。在12~40 GHz的频率范围内,该超表面的两个不同单元在单元形态和不同平面位置上展现出180°的反射相位差,并具有不同的幅度特性,实现了相对带宽为107.7%的宽带RCS降低。此外,利用编码超表面的不等比例设计,进一步增强了特定频率下后向散射波的扩散效果。通过粒子群优化算法对单元的任意编码序列进行优化,以实现单元的最佳排列。这种新型编码超表面能够实现高频宽带微波吸收,在微波吸收和电磁屏蔽应用领域展现出巨大潜力。

碳蜂窝液体成型工艺树脂充模仿真研究

于帅, 廖逸坚, 靳楠, 马立

2026, 0(3): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.014

摘要 ( 26 )

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针对碳纤维/酚醛树脂蜂窝复合材料树脂传递模塑(Resin Transfer Molding,RTM)成型工艺,运用仿真和试验方法对树脂充模过程进行研究。首先测试了碳蜂窝预制体及酚醛树脂材料参数,然后运用PAM-RTM软件对不同流道设计、不同注射压力工况下树脂充模过程进行了仿真模拟。根据仿真结果,分析了树脂充模时间、充模路径、模腔内树脂流速分布、压力分布等树脂流动行为。仿真结果显示,流道设计为4个注胶口、1个或4个溢胶口,注射压力在0.3~0.5 MPa范围内,是比较理想的工艺参数设置。最终通过试验对仿真结果进行了验证,证明该仿真方法对工程应用具有一定的指导意义。

低碱水泥混凝土中FRP筋性能演化及FRP筋-基体界面黏结时变规律研究

张文浩, 李冲, 章子峻, 石红星, 张宁, 李辉

2026, 0(3): 129-136. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.015

摘要 ( 18 )

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为解决FRP筋在高碱度水泥混凝土中易发生碱腐蚀而性能劣化的问题,采用高贝利特硫铝酸盐水泥和矿渣硫铝酸盐水泥两种低碱水泥制备低碱水泥混凝土,明确两种低碱水泥混凝土在淡水和海水中的孔溶液pH值演化规律,并通过试验研究FRP筋在模拟孔溶液浸泡后的性能变化以及FRP筋-低碱水泥混凝土界面黏结强度时变规律。结果表明:与硅酸盐水泥混凝土相比,两种低碱水泥混凝土孔溶液pH值降低0.7~2.0,且海水环境有助于孔溶液pH值进一步降低;FRP筋在低碱模拟孔溶液中时,碱腐蚀速率显著降低。基于试验结果,利用Arrhenius退化模型进行推算,相较于在硅酸盐水泥混凝土模拟孔溶液中浸泡,FRP筋在低碱水泥混凝土模拟孔溶液中浸泡,寿命可提高10%~30%;海水环境促进低碱水泥混凝土强度发展并降低混凝土pH值。因此,在40 ℃人工海水中浸泡180 d后,FRP筋-低碱水泥混凝土界面黏结强度提高10%~30%,而同条件下的FRP筋-硅酸盐水泥混凝土界面黏结强度下降了10%~15%。综上所述,采用新型低碱水泥可有效提高FRP筋与混凝土界面黏结强度,并提升结构在海洋环境下的耐久性。

基于粒子群优化算法的绝热层缠绕路径优化

李宏利, 侯增选, 张伟超, 陈凯印

2026, 0(3): 137-144. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.016

摘要 ( 21 )

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针对绝热层自动缠绕成型过程中胶带边缘变形和带隙控制等问题,本文提出了一种基于粒子群优化算法的绝热层缠绕路径优化策略。首先,建立变曲率芯模的几何模型,并依据测地线微分方程,提出一种分段测地线缠绕路径计算方法;然后,引入多目标性能评价指标来衡量缠绕路径的优劣,从而将路径规划问题转化为一个多目标优化问题;最后,建立绝热层缠绕路径优化模型,用粒子群算法求解优化问题。仿真结果表明:相比于蚁群优化算法,粒子群优化算法在平均迭代次数上减少了53.4%,在平均运行时间上缩短了63.4%,在缠绕路径质量上提高了10.6%,具有更高的求解效率和更优越的路径优化能力,满足胶带边缘变形和带隙控制要求,保证了绝热层缠绕成型质量。

基于石墨烯/聚合物自组装悬浮膜气压传感器的制备与性能探究

王垚, 梅启林, 丁国民, 申正鹏, 高琳沁, 王鸿

2026, 0(3): 145-154. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.017

摘要 ( 20 )

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本文设计并制备了一种基于还原氧化石墨烯悬浮膜(reduced Graphene Oxide Suspended Film,rGO-SF)的气压传感器,其中rGO-SF基于自组装氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)薄膜从溶液中自发分离,并在经刻蚀膏处理过的SiO₂表面形成的空腔上原位生长制备而成。相较于传统的石墨烯基气压传感器制备工艺,rGO-SF气压传感器的制备无需借助膜转移工艺,极大地简化了制备流程,为大规模生产提供了有利条件。此外,在rGO层间引入改性聚甲基丙烯酸甲酯(Modified Polymethyl Methacrylate,M-PMMA)后,M-PMMA/rGO复合薄膜的氧透过率(Oxygen Transmission Rate,OTR)较原始rGO降低了49.6%(20.0wt% M-PMMA),显著提高了rGO-SF气压传感器的稳定性与可靠性。试验表明,rGO-SF在内外气压差的作用下会导致其电阻发生变化。基于此原理,通过测量电阻变化,即可实现对气压的精确测量。经测试,该传感器能够检测0~100 kPa范围内的气压变化,尤其在30~100 kPa气压差区间,呈现出良好的线性度(S²=0.99)与灵敏度(1.298×10^-3kPa^-1)。

蓄滞洪区浅埋双排玻璃钢夹砂管涵受力与变形特性研究

田伟, 王梦义, 高天翼, 王清洲

2026, 0(3): 155-160. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.018

摘要 ( 19 )

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在蓄滞洪区道路工程建养期内,低路基与极薄覆土条件常导致排水涵洞埋深不足,传统涵洞结构因承受较大荷载的反复作用和长期处于浸水状态,其耐久性堪忧。为评估双排玻璃钢夹砂管涵在此特殊浅埋工况下的适用性,采用室内疲劳试验和现场车辆荷载试验,研究其在长期车辆荷载下的力学响应与疲劳性能。结果表明:低路基条件下,浅埋环境不利于管涵抵抗交通荷载,在1%D~3%D的变形率和低频交变荷载加载200万次后,玻璃钢夹砂管在极端受力状态下,环刚度值最大仅降低约20%,展现出优异的抗变形与抗疲劳性能;双排管涵布设时,受载管的管顶及管间内侧为应力集中的管间薄弱区域,但在浅覆土和大荷载作用下,双排管方案能够满足受力要求,同时管径的缩小可以解决低路基和排水构造物之间标高冲突。最后,从排水效率、受力与变形特性、施工便利性等方面评估了小管径双排管替代大管径单排管涵的显著技术优势。

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