工程测量学—(中国矿业大学)三环路大桥施工控制网技术设计书

工程测量课程设计报告三环路大桥施工控制网优化技术设计

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目录

1.背景????????????????????????????3

2.桥址基本情况????????????????????????3 2.1.地形地貌及气象条件????????????????????3 2.2交通条件?????????????????????????3 2．3．测区已有测绘资料及成果利用???????????????3 2．3．1．收集资料??????????????????????3 2.

3.2平面控制资料??????????????????????3 2．3．3高程控制资料?????????????????????4 2．3．4地形图资料??????????????????????3

3.桥梁简介：????????????????????????3

4.相关作业依据与要求????????????????????? 4 4．1相关测量规范???????????????????????4 4.2．等级、精度要求??????????????????????4

5. 主要测量仪器表??????????????????????6

6. 桥梁施工控制网的布设方案??????????????????7 6.1桥梁施工控制网布设的一般方法????????????????7 6.2 桥梁施工控制网布设的特殊要求????????????????8

6.3 桥梁施工控制网布设方法的分析与选择????????????9

7.桥梁施工控制网的优化设计???????????????????9

8.桥轴线必要精度???????????????????????9

9.首级平面控制网优化设????????????????????10

10.次级控制网优化设计?????????????????????22

11.高程控制网优化设计?????????????????????28

12.桥墩放样方案????????????????????????39

13.课程设计总结???????????????????????47

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三环路大桥施工控制网技术设计书在桥梁工程施工阶段，测量工作的任务是直接为施工服务。测量放样的前提除了要有内业计算资料外，还要满足施工放样精度要求，控制点密度适当，图形结构良好的施工控制网更是必不可少，而且施工控制网的布设形式和精度等级更直接影响桥墩放样点位的精度，从而更构成了桥梁建设成败的一个关键因素。因此如何更科学地设计与布设一个既经济又合理的桥梁施工控制网显得极为重要。

1.背景：

2006年中国矿业大学南湖校区开工建设，新校址与三环路隔河而立，为了方便学校师生的出行，校方遂委托建设方设计一跨河大桥。为了桥梁的施工建设，需要布设施工控制网。施工控制网需满足施工建设的需求，另外应根据地形条件和建网费用等其他因素，选择最优的控制网方案。

2.桥址基本情况

2.1.地形地貌及气象条件

大桥位于江苏省徐州市泉山区三环路一侧，地势平坦，视野开阔。大桥位于江苏省徐州市泉山区，经度：117.17′,纬度：34.18′,距翟山校本部4.5公里，距市中心彭城广场6.5公里，地域环境十分优越，四周青山环抱，绿水荡漾，是理想的建桥地址。其地形、地貌属侵蚀平原。建址地势呈西南高、东北低，建址无不良地质现象。徐州位居中纬度地区，属暖温带半湿润季风候区，雨热同季，四季分明，主要气象灾害有旱、涝、风、冰、霜、雹。

2.2交通条件

列为徐州市重点工程之一的“中山南路延长段”，将于近期动工兴建。

拟建场址东临金山南路，北靠三环南路，南邻南湖校区，将南湖校区与三环南路。人流、物流畅通，交通十分便捷

2．3．测区已有测绘资料及成果利用

2．3．1．收集资料

收集测区内各种已有的测绘资料，包括地形图、交通图、地名图、基础控制成果（成果表、点之记、网图、技术总结）及鉴定结论等，以级与甲方沟通后甲方提出的其他要求。

2.3.2平面控制资料

为了使大桥施工坐标系统与大桥勘测资料坐标系统的一致性。故选用两个国家二等三角网点K01，K02，这两个控制点都是大桥连接线勘测阶段时建立的线路控制测量的起算点。

2.3.3高程控制资料

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为使大桥施工控制网的高程系统与大桥连接勘测时建立的高程系统相一致，故大桥施工控制网的高程系统选择1985黄海高程系，并且在北岸找到一个I 等水准点A ；南岸找到一个国家I 等水准点B 。

2.3.4地形图资料

1、有江苏省测绘局出版的1：1万地形图，作为工作计划图和控制网布设工作底图。

2、甲方提供的其它现有的大比例尺地形图或其它图件。

桥址附近有高等级水准点A ，B ，标志保存完好可以与桥梁控制网联测。

中国矿业大学

南湖校区

图1 三环路大桥位置简图

3.桥梁简介：

大桥为20孔等跨70米简支钢梁组成，节间长度为8m ，墩上支座间距为1.1m ，为单用公路桁架桥。根据桥梁跨越结构的架设误差确定桥轴线长度需要的精度

4.相关作业依据与要求

4．1相关测量规范

1.《工程测量规范》（GB50026－2007）；

2.《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）；

3.《公路工程质量检验评定标准》（JTJ071-9）；

4.《国家一二等水准测量规范》(GB12897-91)

5.《公路勘测规范》(JTJ061-99)

6.《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/18314-2009)

7.《DZS2自动安平水准仪使用说明书》（北京博飞）；

8.《Leica TC1500用户手册》(瑞士徕卡)；

4.2．等级、精度要求

桥梁施工平面控制网的建立，应符合下列规定：

1 桥梁施工平面控制网，宜布设成自由网，并根据线路测量控制点定位。

2 控制网可采用GPS 网、三角形网和导线网等形式。

3 控制网的边长，宜为主桥轴线长度的0．5-1．5 倍。

4 当控制网跨越江河时，每岸不少于3 点，其中轴线上每岸宜布设2 点。

平面控制测量等级

桥梁施工控制网等级的选择

注：1 L 为桥的总长

2 l 为跨越的宽度指桥梁所跨越的江、河、峡谷的宽度。

水准测量的主要技术要求

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注：1.成带节点的水准网时，节点之间或节点与已知点之间的路线长度，不应大于表中规定的0.7倍。

2.L为往返段附合或闭合环的水准路线长度，km。n为测站数。

5. 主要测量仪器表

主要测量仪器表：

6. 桥梁施工控制网的布设方案

桥梁施工平面控制网的图形常见的有图1 所示的四种, 其中1～2 为桥轴线。

图1( a) 为菱形网, 适合江中有岛时采用；图1( b) 、( c) 为双三角形网和单大地四边形网, 主要用于大、中桥的控制；图1(d)(e)为大地四边形加三角形网和双大地四边形网, 主要用于大桥和特大桥的控制。 1

2 2 4 2 4 2 4 2 5

3

4 5

3 4

6 7 8

1 3 1 4 3 1 3 1 5 3 1 6 2

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

大型桥梁总与两岸连接线(引桥)相衔接。鉴于通航的要求，大型桥梁的桥面

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高远远大于两岸的地面标高。因此，主桥面两端的引桥常长达数百米或数公里。从主桥和引桥放样的一体化考虑，以上网形不满足于施工控制的需求，拟应在桥轴线两端延长线上选两点构成图f所示网形。该控制网基本满足工程施工放样的需要，而且结构强度好，点位精度均匀，可靠性大，便于放样墩台中心及桥梁上部构件，有利于提高控制点精度和放样精度，也能对所达到的桥轴线横向精度作出切合实际的评定。

6.1桥梁施工控制网布设的一般方法

桥梁施工的主要任务之一就是正确测设出桥墩、桥台的位置，而桥轴线长度又是设计与测设墩台位置的依据，因此，保证桥轴线测量的必要精度，有着极为重要的意义。

在干涸、浅水河道上，可以沿桥轴线直接丈量距离来确定桥墩、台中心的位置。只需要保证相邻桥墩、台的距离满足设计梁架的要求即可，桥轴线总长度的精度并不是决定性的因素。

在深水河道上，两桥台间的距离无法直接丈量，桥梁墩、台中心的位置需用交会法进行测设。桥轴线长度的误差就直接影响桥墩、台的定位精度。为了便于桥梁的架设，根据每座桥梁设计的具体情况，应在测量以前予估桥轴线的需要精度，以便合理地拟定测量方法和规定各项测量的限差。施工阶段测定桥轴线的长度，其精度要求比勘测阶段高，相应的测量方法也有差异。通常采用的方法有：全站仪法、三角网法、边角网法、丈量法等。随着测量仪器的发展，全站仪法、边角网法已经成为主要的方法。在桥梁边角网中，不一定观测所有的角度( 或方向) 及边长。可以在测角网的基础上按需要加测若干条边长；或者在测边网的基础上加测若干个角度(或方向)。为了充分发挥测角有利于控制方向(或角度)误差即横向误差；测边有利于控制尺度误差即纵向误差的优点，大多数桥梁控制网都宜采用边角网法进行平面控制。

6.2 桥梁施工控制网布设的特殊要求

桥梁控制网布网时除了考虑有利的网形以及一般工程控制网的基本要求以外，还需注意以下几点：

( 1) 为了使控制网与桥轴线联系起来，应在河流两岸的桥轴线上各设立一个控制点，即将桥轴线作为控制网的一条边，控制点与桥台设计位置不应太远，以方便桥墩台的测设及保证两桥墩台间距离的精度要求。同时，测设桥墩台时，尽量在桥轴线上的控制点上安置仪器进行测量，以减少垂直予桥轴线方向的误差。

( 2) 桥梁三角网的边长与河宽有关，一般在0.5—1.5倍河宽范围内变动。由于三角网边长较短，一般直接丈量三角网的边长作为基线。为了提高三角网韵精度，使其有较多的检核条件，通常丈量两条基线，两岸各设一条。如因地形限制也可将两条基线布设在同一岸上，基线长度一般约等于两桥台间距离(或河宽)

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的0.7倍。另外，当地形条件许可时，应使基线长度为基线尺长的整数倍，这样可以避免用短尺丈量余长。此外，宜在基线上多设几个节点，埋设标石，便于交会近岸桥墩。以上为用因瓦基线尺丈量基线的情况。如果采用电子全站仪测量，基线的布置就非常灵活。

( 3) 根据桥轴线的不同精度要求，确定控制网的测边、测角精度，并进而确定选用合适精度的测量仪器、测回数及读数精度。

( 4) 对三角网而言，由于平差计算时只改正角度而不改正基线，即基线的误差与角度的误差相比可以忽略不计。所以为了保证桥轴线有足够的精度，基线的精度要比轴线的精度高出2—3倍。对边角网和测边网而言，由于测定的边长不受角度影响而产生误差积累，测边的精度要求不象基线要求的那么高，只要相当于桥轴线的精度即可。

( 5) 在大型桥梁建设中，由于工期较长，为了保证在施工过程中尺长标准的统一，一般都应在施工现场建立比尺长，以便于及时对测距工具进行检查核准。

( 6) 布网时应对桥轴线精度、墩台测设、图形强度、点位保存、施工方便等因素进行综合分析考虑。施工时，由于考虑不周或其他原因，控制点位不能满足测设要求，而不得不对控制网进行加密的情况，在桥梁工程建设中也时有发生。因此，在桥梁控制网布网时，必须充分考虑这些特殊要求。

6.3 桥梁施工控制网布设方法的分析与选择

目前大型桥梁施工控制网的建立方法主要有两种：一种是传统的三角网的方法，另一种是利用GPS技术建立。这两种方法在许多大型工程项目中都得到了成功的应用，但各有特色。

传统的三角网建网方法有许多优越性，如：观测量直观可靠，数据处理方法简单，有一整套成熟的建网技术和观测程序，测量精度比较容易控制，工程经验也较多等等。但该方法作业速度比较慢、测量的周期相对较长，人力物力的投入也比较大，在观测上受气象条件影响较大，在成果质量上受人的因素影响较大。所以人员因素和工作效率就成为传统三角网的致命弱点，尤其在当前的市场经济条件下，工程项目周期都比较紧张，留给测量作业的时间更是少之又少，外业测量时间相当紧迫，并且大型桥梁施工控制网都是长距离跨江或跨河，对气象条件要求较高，每天可观测的时间又有限，因此客观上在精度能够满足需要的情况下应该尽量避免使用该方法。利用GPS技术建立控制网，恰恰弥补了常规传统三角网方法建网的不足，在减轻劳动强度、优化设计控制网的几何图形以及降低观测中气象条件的要求等方面具有明显的优势，并且可以在较短时间内以较少人力消耗来完成外业观测工作，观测基本上不受天气条件的限制，内、外业紧密结合，可以迅速提交测量成果。但是并不是所有桥梁工程都可以采用GPS技术建立测量控制网，比如在卫星接受信号较弱的工程或对控制网点位精度有特殊要求的工程

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就难以采用。

7.桥梁施工控制网的优化设计

7.1对桥梁施工平面控制网的基本要求是:1、精确性；2、可靠性；3、经济性；4、可检测性。根据这些基本要求, 通常把施工平面控制网的优化设计分成四类设计, 称为零, 一、二、三类设计。四类设计是根据参数法平差原理, 以哪些作为已知参数, 以哪些作为未知参数来划分的。参数法平差的数学模型为

v=AX+L ; P LL=Q LL?1=D LL?1m02

A T P LL AX+A T P LL L=0 ; X=?(A T P LL A)?1A T P LL L=Q xx A T P LL L

D xx=m02Q xx=m02(A T P LL A)?1

上式中与精度估算有关的参数为A、P LL(或Q LL)、Q xx（或D xx）,A 为图形矩阵, 决定于设计网形。P LL为观测值的权矩阵, 决定于观测纲要。Q xx为未知数的协因数阵, 如果把Q xx作为已知参数, 则Q xx（或D xx）称为准则矩阵C xx, 即控制网所预定的全面的精度要求, 一般情况下对控制网的精度要求仅限于准则矩阵中的主

要元素, 称为纯量精度标准, 这些标准有:A标准--以Q xx的迹为最小:D标准一以Q xx的行列式值为最小；E标准一以Q xx的最大特征值λmax为最小。设计阶段的划分见表1.

表1工程控制网优化设计的分类

表中Q

xx 为高斯马尔可夫模型（L,Ax，δ

2p-1）中坐标向量的协因数阵

零类设计（ZOD）为基准设计，是在网形与观测精度一定的情况下，坐标系和基准（已知点、已知方位角）的选取和确定问题。坐标向量协因数阵与网的基准有关。

7.2工程控制网的优化设计的任务

网的优化设计是一个迭代求解过程，它包括以下内容：（1）提出设计任务；（2）制定设计方案；（3）进行方案评价；（4）进行方案优化。

设计任务由测量人员与应用单位共同拟订。通常是后者提出要求，测量人员将这些要求具体化。每一个优化任务指标都必须表示为数值上的要求。例如对于控制大面积的测图控制网，需提出单位面积上应布设的控制点点数和最弱点，最弱边的精度；而对于施工控制网和变形监测网，通常要求在某些方向上具有较高的精度，而点的分布则需根据工程要求和地质、通视等条件来考虑。

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设计方案包括网的图形和观测方案，观测方案系指每个点上所有可能的观测，它是通过室内设计和野外踏勘制定的，制定时需要考虑参加的人员、使用的仪器以及测量的时间，需做经济核算，总经费不能超过与业主单位所达成的总经费。

网的方案评价按精度和可靠性准则进行，还应考虑费用和灵敏度。对于经费较高的网应从多方面进行评价。方案优化主要是对网的设计进行修改，以期得到一个接近理想的优化

7.3桥梁施工控制网的数据采集与处理。

以三环路跨河大桥通过在桥梁上布设控制网，采集数据，并对数据进行了相应的处理，来对控制网进行了优化设计。对数据的内业处理采用了相应的软件——控制网优化与平差。

7.4优化设计软件的介绍及处理的过程

本次数据处理采用的是控制测量优化设计与平差2.13版,该软件可根据控制网的观测精度及网形，全面评定网的精度。

本软件有以下功能和特点：

①优化设计：根据控制网的观测精度与网形，全面评定网的精度。除了采用直接输入模拟数据的方式外，可在本软件或CAD图形中设计控制网，读入程序后不需输入其他任何模拟数据即可全面评定网的精度。

②概算：自动完成各方向的曲率改正及边长的高程归化与投影改化。

③平差计算：采用全表格化地输入，数据与图形同步更新。合理的设计使得数据输入十分简单直观。而且除了输入起算数据与观测数据，不需输入任何额外的数据或遵循任何特定之规则。

④成果形式：除了提供默认的成果表格形式外，还支持用户自定义表格样式，适应不同的需要。

⑤成果的打印与输出：除了软件本身直接支持显示、打印外，表格还可输出到WORD,控制网图及展开图可输出到AutoCAD或其他成图系统。

⑥实时帮助：在任何时候都会提示当前的操作方法，并对当前所输入的数据提供详细的错误报告。使数据输入得心应手。

⑦辅助计算：高斯投影正反算、坐标换算、方向与边长该化、平差坐标正反算、各种交会、面积计算等。支持保持、打印、输出到WORD。

8.桥轴线必要精度：

桥梁施工中对测量放样精度要求主要体现在相邻桥墩的相对精度要求。目前桥墩放样通常采用全站仪在施工控制点上采用极坐标法直接放出位置，规范要求的桥墩位置允许偏差值可作为桥梁控制网设计精度确定的基础。

桥梁施工测量，控制点点位精度必须达到或超过放样所需的精度。由于控制点离墩台位置较远（特别是水中墩），放样又在有施工干扰时进行，不大可能

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增加测量次数来提高精度。因此，控制点误差对放样所引起的误差来说，应小到可以忽略不计的程度。

根据“使控制点误差对放样点位不发生显著影响”的原则，即要求控制点误差影响仅占总误差的十分之一。就此对控制网的点位精度分析如下：

设M 为放样后所得的点位总误差； m 1为控制点误差所引起的点位误差； m 2为放样过程中所产生的点位误差；

则M=221222121???

? ??+=+m m m m m 将上式展开为级数，并略去高次项，得 )21(2

2122m m m M += 使控制点本身误差影响仅占总误差的10%，上式括号中第二项应为0.1，即可得出：

m 12=0.2m 22

两式联立求解，即得：m 1=0.4M

由以上公式可知，当控制点所引起的误差为总误差的0.4倍时它使放样点的总误差仅增加10%，这一影响可忽略不计。因此在确定了所需放样点的的总误差后，就可以用(4)式来确定所需施工控制网的精度。

由此可见，当控制点误差所引起的放样误差为总误差的0.4倍时，则控制点误差对放样点位不发生显著影响（仅使总误差增加1/10）。

同理可求知：m 2=0.4M 。

由以上公式可知，当控制点所引起的误差为总误差的0.4倍时它使放样点的总误差仅增加10%，这一影响可忽略不计。因此在确定了所需放样点的的总误差后，就可以用(4)式来确定所需施工控制网的精度。

现在，我们以规范规定的桥墩中心误差为20mm 作为确定施工控制网的精度。根据(4)式有：

M 1 ≈ 0.4M = 0.4×20mm = 8mm

按此计算，对于1400米长的桥梁，三角网沿桥梁轴线方向的基线精度为8mm / 1400m = 1 / 175000。m 2＜0.9M=±18mm 。

当然，确定桥梁施工控制网的精度还很多，比如按拼装误差来确定。为安全起见，可通过对比取其中精度较高的一种作为控制网的精度要求。在钢梁架设过程中，它的最后长度误差来源于杆件加工装配时的误差和安装支座的误差。 钢桁梁节间长度制造容许误差为±2mm ；两节间拼装孔距误差为±0.5mm ；每一节间的制造和拼装误差为

（一般取2 mm）

长度误差包括拼装误差?L和支座安装容许误差δ（7mm）。本桥由7个节间拼装的桁式钢梁构成一跨或一联。

长度拼装误差△L=±n△l2

长度拼装误差按规范取为:±L/5000

设有20跨，则全长极限误差为：?D=±N?d=±20×8.77=±39.22mm 取1/2极限误差为中误差，则全桥轴线长的相对中误差为：

m D D =

?D

2D

=

0.03922

2×1422

=172514

则全桥轴线长的相对中误差为：1 / 175000。

在布设控制网时应对起算点复测，以检查起算点的精度是否满足要求。有两种情形：1.满足精度要求：在此情形下只需在起算点间加密。2.不满足精度要求：则只能布置自由网，只使用一个起算点的坐标和两起算点确定的方向。

9.首级平面控制网优化设计

9.1首级控制网布设方案一

在AUTOCAD中设计网型，为边角网。两个已知控制点：K01，K02，及6个未知控制点：01,02,03,04,05,06。

把AUTOCAD所编辑控制网在控制测量优化设计与平差2.13版软件中打开：

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单击“计算方案”由于全站仪莱卡TC1500及TC802的标称精度为：角±2.0″、测±（2mm+2ppm ×D ）。所以在设置计算方案的对话框中的测角中误差应设为2；测距定权公式中A=2，B=2。

在观测数据的下拉栏中单击“添加测站”，在01控制点上架站并输入前视站点及后视站点，如图所示。

单击“加站”，02,0,3,04,05,06，K01,K02

同理依次作为测站点，并输入前视站点

及后视站点。单击“计算”。可得到相关优化数据。单击“网形与精度统计”可得到网形与精度统计表，其他的优化数据同理可得。

优化设计模拟数据精度表

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优化设计模拟控制点成果表

点位误差

点间误差

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控制网图

数据分析：由控制网的图形可知，01—02为桥轴线。由优化设计模拟数据精度表可知

桥轴线边长相对中误差为：1/53万远远小于容许的全桥轴线长的相对中误差：1 / 175000，最大平面点位（03点）中误差为4.67mm小于控制点误差所引起的容许点位误差8mm。在满足精度要求的情况下可进行一类设计（FOD图形设计），是在观测精度和坐标向量协因数阵一定的情况下，调整网点的位置---方案二；及二类设计（SOD）为观测精度设计，是在网形与坐标向量协因数阵一定的情况

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下，改变观测精度---方案三。

9.2首级控制网布设方案二

在测站数及测角，量边精度等其他条件不变的情况下，改变01,02,03,04,05,06未知控制点的位置。改变各边的边长。

同理点击“计算”可得首级控制网的优化数据。

网形及精度统计表

优化设计模拟数据精度表

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数据分析：由首级控制网的图形可知，01—02为桥轴线。由优化设计模拟数据精度表可知

桥轴线边长相对中误差为：1/50万小于容许的全桥轴线长的相对中误差：1 / 175000，最大平面点位（03点）中误差为4.83mm小于控制点误差所引起的容许

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点位误差8mm。

9.3首级控制网布设方案三

方案三在方案一的基础上，减少了测站点K02，及K02-02,K02-05，04-03，05-06方向，使工作量减少。

网形及精度统计表

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数据分析：由首级控制网的图形可知，01—02为桥轴线。由优化设计模拟数据精度表可知：

首级控制网布设方案一观测数据

首级控制网布设方案三观测数据

桥轴线边长相对中误差为：1/53万远远小于容许的全桥轴线长的相对中误差：1 / 175000，最大平面点位（05点）中误差为4.80mm小于控制点误差所引起的容许点位误差8mm。

9.4小结：以上三种方案均满足施工控制网的要求，其中方案1的精度最高，方案三的精度最低。方案1与方案2精度相差无几均符合精度要求。根据费用准则可选择第二个方案，及满足了桥梁施工控制网的精度要求，又减少了工作量，降低了费用。使用第二个方案，在首级控制网中进行插点，布设次级控制网。9.5使用MATLAB进行首级控制网优化设计

9.5.1 在AUTOCAD中设计网形

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9.5.2在MATLAB中编写程序

9.5.3计算结果

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8flm.html