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标题: 张弦梁下弦的平面外稳定模态分析 [打印本页]

作者: miaoliuhua 时间: 2007-10-8 05:22 标题: 张弦梁下弦的平面外稳定模态分析

现在做的一个项目中有张弦梁，阅历偏少，想请教各位大侠：

1、张弦梁下弦的平面外稳定怎么考虑？跨度都是很大的，总不能光计算一下拉索截面的拉应力就过了吧。难道要采用有限元软件考虑空间几何非线性，计算结构极限承载力？

2、由于结构中采用了大量的张弦梁，整体模型在做动力分析时的，前面的几十个模态全是张弦梁的平面外变形模态，频率偏低，周期偏长，请问这样没有问题吗？

[ 本帖最后由 miaoliuhua 于 2007-10-8 05:24 编辑 ]

作者: miaoliuhua 时间: 2007-10-9 03:38

请问张弦梁的弦不张拉可以吗－－梁跨度不大只有15米，采用钢拉杆，节约成本，降低施工难度。

[ 本帖最后由 miaoliuhua 于 2007-10-9 03:40 编辑 ]

附件: 111.jpg (2007-10-9 03:40, 34.13 K) / 下载次数 0
http://okok.org/attachment.php?aid=86678

作者: colt 时间: 2007-10-9 13:48

下弦如果最不利工况仅仅受拉力，就不存在下弦平面外稳定问题。如果上弦有反拱值，即使会有扰动，同样拉力会回位。这个数学可以证明。

强度可以考虑安全系数2.5。

[ 本帖最后由 colt 于 2007-10-10 11:57 编辑 ]

作者: wanyeqing2003 时间: 2007-10-9 14:08

miaoliuhua wrote:
2、由于结构中采用了大量的张弦梁，整体模型在做动力分析时的，前面的几十个模态全是张弦梁的平面外变形模态，频率偏低，周期偏长，请问这样没有问题吗？

我觉得张弦梁出现平面外模态是正常的。

张弦梁平面外的刚度比较小，比平面内的小得多。所以平面外振型应该都是低阶的。

我想平面外承载问题应该由支撑体系来解决。因此，分析张弦梁的模态，建议仅考虑平面问题即可。

作者: allan 时间: 2007-10-14 01:13

张弦梁下弦不施加预应力是可以的，实际上就是利用撑杆点作为梁的弹性支撑点，这可以叫做弦梁，不叫张弦梁，顾名思义，效果就肯定没有施加预应力那么明显了；对张弦梁来说，预应力的目的就是改善内力分布，降低挠度，对梁平面内刚度有所贡献，而平面外刚度没有贡献。
   目前张弦梁分析一般都可以采用单榀分析，假设撑杆两端节点平面外位移约束，这样分析是不能考虑平面外的外力作用的，也只有在单榀分析下，结构的模态分析才有意义，平面外通过支撑布置来达到稳定体系；如果采用整体分析，不同的软件可能有不同的结果，但得到的结果是没有什么意义的，就如老miao说的，前几十个模态都是假的，呵呵。
   从支撑布置来说，横向外力的传递一般经过支撑系统而不经过撑杆以及拉索；
   从节点构造上说，撑杆与梁的连接节点一般都是平面内的铰接节点，平面外刚性或者半刚性节点。
   从目前所知道的张弦梁结构来看，大部分是单撑杆布置，这样，在施工中撑杆平面内的垂直度就很重要。其实，目前的张弦梁结构还有不少改善的地方，只要动一动脑子，对撑杆稍作变化，就能很好解决平面外的问题。
   去年曾做了几个体育馆张弦桁架结构的方案，可惜由于专家们的保守，一个都未能实施。
   从目前的理论来说，张弦梁结构最好简化成平面单榀分析比较合适。

作者: miaoliuhua 时间: 2007-12-11 22:50

由于自己从来没有接触过张弦梁的理论，一旦接触到实际项目有点措手不及，提了一些弱弱的问题，让大家见笑了。经过一段时间的恶补，提高了个人对张弦梁的认识，现再次回复自己的帖子。

1，关于是否施加预应力的问题：当然可以不加！呵呵。

张弦梁的经典定义是“弦通过撑杆对梁（拱）进行张拉”，如果施加预应力，弦会在整个（安装、使用）阶段对上弦构件进行张拉；如果不施加预应力，弦会在使用阶段（施加恒、活载后结构发生变形，弦索开始工作）对上弦构件进行张拉，改善内力分布，降低挠度。

对于屋面吸风的问题，反正（吸风－恒载）数值比较小，只让梁来工作有何妨？其实即使施加预应力，吸风工况时弦索趋向松弛，对结构刚度也是没有贡献的，只不过整体结构刚度稍大振动较小而已。

2，关于下弦稳定的问题：不会先于整体失稳（如果撑杆不轴压失稳）！

正如Colt兄所言，可以通过数学方法证明－很经典的证明。见孙文波. 《广州国会展中心大跨度张弦梁的设计探讨》. 或杨治等.《杭州黄龙体育中心网球馆张弦屋面设计》.后者的相关描述见本贴附件。实际项目中如果设置侧向交叉稳定索时，一般连接在撑杆的上下端，但这是为了解决BSS的整体稳定问题，而非为了下弦的侧向稳定。

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其他内容：

a）如ALLAN兄所言，撑杆与梁的连接节点平面内铰接，平面外刚性或者半刚性节点，否则结构体系是没有承载力的－几何不稳定体系。撑杆的垂度也很重要，否则撑杆根部会存在一定的弯矩。

……

附件: 张弦梁下弦不失稳的证明.pdf (2007-12-11 23:04, 155.33 K) / 下载次数 338
http://okok.org/attachment.php?aid=89898

作者: miaoliuhua 时间: 2007-12-12 21:56

自己扇个嘴巴子（见上楼帖子），请教colt兄及其所有OK友------------------------------

关于下弦受拉就不存在出平面失稳的问题：

如colt兄所言，多篇论文都谈到了那个数学证明，并且我也亲自证明过，似乎是没有问题的。我使用ANSYS做张弦梁整体稳定分析时发现真实情况似乎不同，假定如下：1）单榀模型；2）空间分析；3）约束上弦梁水平侧向位移；4）撑杆和上弦梁刚接。我发现无论做特征值（buckling）分析还是几何非线性静力分析，都发现第一失稳模态或荷载-位移曲线都证明结构是下弦出平面失稳。

我自己也冷静地想过，觉得那个数学证明存在太多假定：1）结构无初始缺陷和平面外扰动 2）平面外小变形 3）线性分析理论。难道该数学证明是站不住脚的？请帮忙大家分析分析。

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附件: [第一失稳模态，撑杆下头出平面外变形失稳] BSS000.jpg (2007-12-12 22:04, 34.81 K) / 下载次数 1
http://okok.org/attachment.php?aid=89927

作者: miaoliuhua 时间: 2007-12-12 22:16

也许有人会讲，你张弦梁就应该做平面分析（如allan兄所言），不要做空间分析！

我觉得如果上下弦平面外都有支撑，如图1，是该做平面分析，也不存在出平面外失稳的问题（支撑承载力范围内）。但是我们很多项目的下弦是不做支撑的（似乎上海浦东机场就是，如图2），那样难道也没有下弦出平面失稳的问题？还是控制在体系稳定承载力之内？

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对于平面外的模态，对于不得不做空间分析的模型来说，是非常痛苦的，它也会对结构的动力学计算产生较大影响。还有，对于这些模态，我们真就可以拍拍脑袋忽略吗？

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帖子探讨一轮下来，似乎内容和观点有点倒退。不过我相信真理是越辩越明的。

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附件: [图1] A1.jpg (2007-12-12 22:16, 18.19 K) / 下载次数 0
http://okok.org/attachment.php?aid=89930

附件: [图2] PuDong Airport 1.jpg (2007-12-12 22:16, 69.73 K) / 下载次数 0
http://okok.org/attachment.php?aid=89931

作者: miaoliuhua 时间: 2007-12-12 23:36

贴一篇近期关于一维张弦梁稳定的论文。

该文几乎所有的参考文献我这两天都读过，所以也就清楚该文章的内容其实是……唉，天下文章一大抄及论文质量下降是中国学术界的通病吧。

值得注意的是该文也照抄了数学证明的部分，并且得出“……撑杆不会产生平面外失稳”的结论。

难道我错了？错在什么地方？

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附件: 一维张弦梁的稳定分析1.rar (2007-12-12 23:45, 1.34 M) / 下载次数 203
http://okok.org/attachment.php?aid=89934

作者: miaoliuhua 时间: 2007-12-12 23:47

一维张弦梁的稳定分析2

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附件: 一维张弦梁的稳定分析2.rar (2007-12-12 23:47, 1.28 M) / 下载次数 176
http://okok.org/attachment.php?aid=89935

作者: miaoliuhua 时间: 2007-12-12 23:48

一维张弦梁的稳定分析3

非分卷压缩，可单独解压。

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附件: 一维张弦梁的稳定分析3.rar (2007-12-12 23:48, 1.27 M) / 下载次数 179
http://okok.org/attachment.php?aid=89936

作者: 3d 时间: 2007-12-13 00:19

miaoliuhua wrote:
也许有人会讲，你张弦梁就应该做平面分析（如allan兄所言），不要做空间分析！

我觉得如果上下弦平面外都有支撑，如图1，是该做平面分析，也不存在出平面外失稳的问题（支撑承载力范围内）。但是我们很多项目的下弦是不做支撑的（似乎上海 ...

张弦梁下弦失稳与否,主要在于索是否能够提供足够大的张拉力.
其实浦东机场屋盖在罕遇地震作用下是不能保证所有下弦索不松弛的,但是浦东机场设计考虑斜拉群索,以确保结构整体稳定.
下弦索在不松弛状态下,当下弦节点发生侧向水平位移,索的形状发生变化.偏离索长度最短的初始位置.使得索内拉力增大并产生反向恢复力,限制其出平面位移,并使其回归平衡位置,由于索这种大变形效应使得下弦不容易失稳,此外还有什么索力的应力刚化效应(stress stiffening),张拉力越大,出平面位移越小.
高深理论俺不懂,什么结构无初始缺陷的影响,什么小变形,这些都不会影响自然之力,可能COLT大师能用力流给你解释清楚.

BTW :miaoliuhua大侠,俺佩服你的钻研精神,向你学习,有空一定好好钻研你提供的张弦理论

作者: colt 时间: 2007-12-13 09:34

miaoliuhua wrote:
自己扇个嘴巴子（见上楼帖子），请教colt兄及其所有OK友------------------------------

关于下弦受拉就不存在出平面失稳的问题：
如colt兄所言，多篇论文都谈到了那个数学证明，并且我也亲自证明过，似乎是没有问题的。我使用AN ...

1）单榀模型；2）空间分析；3）约束上弦梁水平侧向位移；4）撑杆和上弦梁刚接。
从你的计算模型显示看： freq过小，已经是机动可变体系，结论失真。
需要补充一个假定：支座约束　１方向的扭转。这样一来结论就要重新审视。
第一：什么工况下的屈曲分析
第二：屈曲特征值是什么？
解释完以上两个问题，答案便水落石出。

作者: colt 时间: 2007-12-13 11:13

3d wrote:
张弦梁下弦失稳与否,主要在于索是否能够提供足够大的张拉力.
其实浦东机场屋盖在罕遇地震作用下是不能保证所有下弦索不松弛的,但是浦东机场设计考虑斜拉群索,以确保结构整体稳定.
下弦索在不松弛状态下,当下弦节点 ...

３ｄ兄把熊发给我了，︿＿︿．
土木工程领域，结构中仅存在两类力：拉力，压力，表述为拉力场合压力场，两者相互平衡外力场，主要是重力场。
拉力场为稳定场，地球上的建筑物都处于引力场，或者拉力场中。可以想象如果是引力相反，金字塔应该是倒立。
不妨采用力流解释：压杆屈曲的过程：部分引入了拉力，力流不均，急促变化所致。

作者: 3d 时间: 2007-12-13 11:21

colt wrote:

３ｄ兄把熊发给我了，︿＿︿．
土木工程领域，结构中仅存在两类力：拉力，压力，表述为拉力场合压力场，两者相互平衡外力场，主要是重力场。
拉力场为稳定场，地球上的建筑物都处于引力场，或者拉力场中。可以想象如果是引力相反，金字塔应该是倒立 ...

厉害,坐个沙发listening..... please go on

作者: miaoliuhua 时间: 2007-12-13 21:11

3D write:
BTW :miaoliuhua大侠,俺佩服你的钻研精神,向你学习,有空一定好好钻研你提供的张弦理论。

庸人而已，唯以勤补拙。昨晚细读童根树老师的《钢结构平面内稳定》和《钢结构平面外稳定》，才知人分三六九等，大师和小匠的差别。别人在理论上频频创新，我则抱一个结构，用软件算来算去，却也未必算清楚。

……感觉不能总把眼睛放在软件上，要更多掌握理论，更多使用解析方法。

作者: miaoliuhua 时间: 2007-12-13 23:51

colt say:1）
单榀模型；2）空间分析；3）约束上弦梁水平侧向位移；4）撑杆和上弦梁刚接。
从你的计算模型显示看： freq过小，已经是机动可变体系，结论失真。
需要补充一个假定：支座约束　１方向的扭转。

我一共建立了三个模型：model1,model2,model3，如下图1，2，3.……其中model1忽略了上弦水平约束，承载力很弱，本模型忽略不计。model2在一端约束扭转，model3在两端约束扭转。

计算表明model3相比model2承载力提高了10%，模态分析的频率（第一模态）提高了40%，说明实际工程中应该增加支座约束扭转的刚度。谢谢COLT兄的建议。

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colt say:
……这样一来结论就要重新审视。

model3的承载力虽有提高，却不能改变结论。

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仔细研究分析结果（主要基于model3），我发现一些有趣的现象：
1，线性特征值（buckling）分析的第1阶BLF竟然比非线性静力分析的BLF要小，第4阶的BLF比非线性静力分析的BLF要大。
2，线性特征值（buckling）分析的前3阶结构屈曲模态是撑杆下端出平面外失稳，第4阶屈曲模态是包括上弦梁的整体失稳。
3，非线性静力分析的屈曲模态是包括上弦梁的整体失稳。

由此我做出猜想：
1，线性特征值分析的前3阶（及后面部分）屈曲模态是伪模态，它反应了结构平面外刚度较小的现实，却由于分析方法的原因不能反映结构变形后可以回复的事实。实际屈曲模态对应的位移在1e-13m的数量级，也暗示了这个事实。
2，非线性静力分析的屈曲模态是正确的。
3，模态分析结果类似线性特征值分析，其模态真伪性有待商榷，起码那些模态在动力计算中的参与度是很低的。空间建模的张弦梁结构做动力学分析需当心！
4，由以上1，2点说明“数学证明”是正确的，撑杆下端的平面外变形是可以回复的。

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我在7楼说“我发现无论做特征值（buckling）分析还是几何非线性静力分析，都发现第一失稳模态或荷载-位移曲线都证明结构是下弦出平面失稳。”

表现了我个人工作、研究态度的不认真、不谨慎，造成给大家误报结论，也让自己走入歧途，忽略真理。科学研究来不得半点马虎，惭愧！

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我的ANSYS命令流及model3的结果见附件4，注意不同的模型请对照图1，2，3修改边界条件。

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附件: [model1] model1.jpg (2007-12-13 23:51, 66.1 K) / 下载次数 0
http://okok.org/attachment.php?aid=89994

附件: [model2] model2.jpg (2007-12-13 23:51, 68.41 K) / 下载次数 0
http://okok.org/attachment.php?aid=89995

附件: [model3] model3.jpg (2007-12-13 23:51, 68.52 K) / 下载次数 0
http://okok.org/attachment.php?aid=89996

附件: [命令流等] ANSYS - BSS.rar (2007-12-13 23:51, 1.8 M) / 下载次数 81
http://okok.org/attachment.php?aid=89997

作者: colt 时间: 2007-12-14 11:09

miaoliuhua wrote:
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model3的承载力虽有提高，却不能改变结论。

请把 model3的BLF数值列表出来，以及相应模态，下弦拉杆是否平面外稳定便一目了然。
一点提示，在高层钢结构中增加隅撑增强稳定，位置是在受压部位，和楼台问题如出一辙，下弦受拉杆不存在平面外的稳定问题。

作者: miaoliuhua 时间: 2007-12-16 08:12

colt兄，我的话可能不准确，“不能改变结论”有误吧，仅指特征值分析而言。

其实所有的结果都在17楼帖子的附件4中。我在17楼帖子中后半部分结论和colt兄的结论是一致的。

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简而言之，下弦杆受拉确实不存在出平面失稳问题；但是针对张弦梁而言，特征值分析异常，模态分析异常。

作者: colt 时间: 2007-12-16 12:08

miaoliuhua wrote:
colt兄，我的话可能不准确，“不能改变结论”有误吧，仅指特征值分析而言。

其实所有的结果都在17楼帖子的附件4中。我在17楼帖子中后半部分结论和colt兄的结论是一致的。

--------------------------------------------- ...

miaoliuhua兄的信件收悉，未能及时答复，惭愧。
一直没有提及一个问题就是张弦梁下弦的平面外稳定模态分析 BLF的具体数值，在外出差未安装ansys，仅简单两个实例示意说明：
受拉弦杆的平面外稳定 BLF为负值，物理意义是：在何载作用相反的方向屈曲。这样一来就和 miaoliuhua兄的数学证明，和力学计算一致。
如图：假定如上。

附件: [sap2000 BLF] msd1.jpg (2007-12-16 12:08, 223.94 K) / 下载次数 1
http://okok.org/attachment.php?aid=90065

作者: ocean2000 时间: 2007-12-16 12:16

上周末在学 GSA,用这个问题做了一个小小的bulcking分析.其中底部的拉索只能采用beam单元才能考虑p-delta分析(预应力刚化),因为轴向只拉单元提示平面外刚度太小.
于是所有的杆件都采用beam单元,第一屈曲摸态为上弦梁和下面拉杆同时的面外摆动(方向相反),第二屈曲摸态为只有底部拉杆的面外摆动.具体模型:10米跨;梁500多高;拉杆直径50mm;压杆长度2米,直径100mm园环,厚度10mm.

作者: miaoliuhua 时间: 2007-12-16 19:24

负的BLF我到没有看到过。

我也在用GSA，但是我觉得GSA的一些高等分析存在不足的地方，如非线性静力分析找不到下降区段-仅仅使用Newton-Raphon方法。很多分析我直接用ANSYS。

另外张弦梁的特征值分析总会有一点问题的，很难验证到回复力效果。

作者: miaoliuhua 时间: 2008-2-24 10:26

我做的一个关于张弦梁的总结：

朝花夕拾（第二卷）－8
张弦梁_Beam String Structure_学习笔记

http://okok.org/forum/viewthread ... &extra=page%3D1

作者: 冲令狐 时间: 2008-8-4 13:35

请推荐张弦梁相关书籍和资料，谢谢！

作者: 结构梁思成 时间: 2008-8-5 08:29

专业的书籍就只有《大型张弦梁结构的设计与施工》黄明鑫、范峰等编。主要是以国内目前最大跨的哈尔滨国际会展体育中心来说事。其他的都是一些期刊论文，也都是围绕国内那几个大型工程展开的。还有一些学校老师和学生也发表过一些这方面的文章，对设计似乎指导意义不大。

作者: 冲令狐 时间: 2008-8-5 14:31

这本书我已经拿到，谢谢兄台推荐。

作者: allan 时间: 2008-11-10 17:40

miao兄有时间不如做个测试，把单撑杆改成倒三角双撑杆，当然上部梁结构也要能适应双撑杆的构造。
当然倒三角桁架撑杆也行。
   这个意思我在这个帖子去年的跟帖时已经暗示过。
   看能不能通过简单的构造来起到4两拨千斤的作用。
   小弟不会用高等分析软件，所以还得请miao兄帮忙一下。
   其实我个人觉得目前已经做成的张弦梁结构，或多或少都存在一些隐患，或者说结构师们对它的认识还存在一定缺陷。
   不知道国外的大师对此有何更先进的见解？

作者: miaoliuhua 时间: 2008-11-10 21:45

allan兄：

1，可否给个简单的图形？

2，您想规避什么问题，达到什么目的？

作者: chlihu_yr 时间: 2009-4-9 11:56 标题: 请教广州会展中心张弦梁的预拉力多少

128m,谁有该梁的SAp2000模型　能否传我一个 chlihu_yr@163.com谢谢

作者: hailan55 时间: 2010-9-26 10:47 标题: 请教一下:建立索桁架结构的模型分析用什么软件较好？

在3D3S中如何建立索桁架？SAP2000是否方便一些？谢谢

作者: SUP888 时间: 2015-11-21 21:52 标题: 张弦结构结构计算简图

张弦结构结构计算简图

附件: QQ截图20151121215258.png (2015-11-21 21:52, 5.79 K) / 下载次数 0
http://okok.org/attachment.php?aid=153263

作者: SUP888 时间: 2015-11-21 21:55 标题: 第一振型

第一振型

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http://okok.org/attachment.php?aid=153264

作者: SUP888 时间: 2015-11-21 21:56 标题: 第二振型

第二振型

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http://okok.org/attachment.php?aid=153265

作者: SUP888 时间: 2015-11-21 21:56 标题: 第三振型

第三振型

附件: QQ截图20151121215552.png (2015-11-21 21:56, 6.81 K) / 下载次数 0
http://okok.org/attachment.php?aid=153266

作者: SUP888 时间: 2015-11-21 22:02

张弦梁两端支座为约束侧向的转动，这个在设计时是构造保证的。假定上弦侧向为弹性支撑，下弦无侧向约束，中间压杆为受力平面内铰接（面外不释放，即通过构造保证不允许侧向的摆动）在竖向荷载下的前三阶振型如上图所示：第一振型为竖向整体变形，第二振型为下弦的侧向变形，第三振型为上弦的面内变形。

作者: SUP888 时间: 2015-11-21 22:06 标题: SAP2000模型文件

SAP2000模型文件

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http://okok.org/attachment.php?aid=153267

作者: SUP888 时间: 2015-11-21 22:15

单向张弦的下弦的稳定还应该重视的，第二阶的侧向变形与上弦桁架的抗扭刚度和竖向压杆的抗弯刚度也是有关系的。如果屋面的檩条能与桁架上弦刚性连接来约束好，应该能提高下弦的侧向稳定承载能力。

作者: SUP888 时间: 2015-11-21 22:18 标题: 桁架上弦在第二阶变形时产生的扭矩。

桁架上弦在第二阶变形时产生的扭矩。

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http://okok.org/attachment.php?aid=153268

作者: SUP888 时间: 2015-11-21 22:19 标题: 桁架上弦在第二阶变形时产生的M2弯矩。

桁架上弦在第二阶变形时产生的M2弯矩。

附件: QQ截图20151121221758.png (2015-11-21 22:19, 8.57 K) / 下载次数 0
http://okok.org/attachment.php?aid=153269

作者: SUP888 时间: 2015-11-21 22:22

同样的模型做一个BUCK第一模态也是下弦侧向的变形。

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