大跨徑連續剛構橋橋面鋪裝層技術研究現狀綜述

王 虎, 韓 飛

(長安大學 理學院， 陜西 西安 710064)

大跨徑連續剛構橋橋面鋪裝層技術研究現狀綜述

王 虎, 韓 飛

(長安大學 理學院， 陜西 西安 710064)

通過對國內外大跨徑連續剛構橋鋪裝層技術領域研究成果和發展趨勢的分析和總結，研究了設計缺陷，施工質量以及交通荷載環境等因素對連續剛構橋橋面鋪裝層耐久性的影響。針對鋪裝層病害的機理，主導原因和病害的分類方法以及鋪裝層結構設計存在的問題等進行了較為全面的剖析。分析結果表明：連續剛構橋橋面鋪裝的耐久性除了取決于鋪裝材料本身的強度和疲勞性能，更取決于鋪裝層結構、材料與橋面板的適應性；鋪裝層及橋面板的綜合設計、施工質量和工藝的保障是鋪裝層耐久性的關鍵；現有文獻對連續剛構橋橋面鋪裝層有限元計算尚有缺陷和不合理之處，為了給今后的工程實踐和相關規范提供更可靠的數據，應對現有分析采用的有限元實體模型及其邊界條件進行研究和完善。

橋梁工程；連續剛構橋；橋面鋪裝；耐久性；有限元分析

0 引 言

“十二五”期間末，我國高速公路里程將達到10.8萬km[1]，伴隨著城市化建設和高速公路的迅猛發展，公路橋梁和城市立交橋的大量興建，截至2011年底,全國公路橋梁達68.94萬座,其中小跨徑公路橋梁以及城市橋梁在水泥混凝土橋中仍占有很大比例。在我國，連續剛構橋在跨徑在100～200 m的水泥混凝土橋梁中被優先選擇[2]，其特點是梁體連續、墩梁固結和橋墩為柔性。梁體連續和墩梁固結的結構形式使得連續剛構橋既擁有連續梁橋無伸縮縫行車舒適平順的特點，又擁有T形剛構橋不設支座，施工方便的優點，因此得到了廣泛的應用。而在早期的橋梁結構設計中，規范僅從梁體的安全性和耐久性出發，將鋪裝層作為二期恒載施加在梁體上，而伴隨著交通運輸量的激增，重型車輛、超載車輛的頻繁作用，加之施工與設計存在的缺陷，已致使橋梁整體結構以及橋面鋪裝層局部皆發生了大量乃至災難性的破壞。在20世紀，西方發達國家正處于大規模公路建設初期階段，正是由于對橋面鋪裝的重要性考慮欠佳，才于橋梁的后期使用過程中付出了沉重的維修養護代價[3]。目前許多學者已經重視并開始對橋面鋪裝做出了研究，可調研重心偏向于鋼橋的鋪裝層：S.BILD等[4]，T.NISHIZAWA等[5]對鋼橋面瀝青鋪裝層進行過較為深入的探索;A.R.MANGUS[6]通過對挪威、俄羅斯、瑞典等國家多座橋梁研究，發現混凝土橋低溫地區施工時存在一定的局限性，鋼橋面更加適應于低溫地區。對于混凝土橋面的瀝青鋪裝層設計，國內外多數沿用了瀝青路面設計理念，均缺乏針對性設計指南或規范。目前國內對連續剛構橋橋面鋪裝的研究成果相對較少,且未結合連續剛構橋的結構變形特點,只是針對橋梁局部鋪裝層或鋪裝材料進行分析，對連續剛構橋的橋面鋪裝幾乎不作專門的計算分析。筆者將針對現有關于連續剛構橋橋面鋪裝的研究情況，主要從連續剛構橋橋面鋪裝的應用現況，病害類型及主導原因，現有鋪裝層有限元計算的主要方法和存在的問題等方面進行詳細分析。

1 連續剛構橋面鋪裝應用狀況

1.1 連續剛構橋橋面瀝青鋪裝層主導病害類型

橋面鋪裝層能使橋面板免遭車輪或履帶直接磨耗，同時能夠良好的分散車輪的集中荷載，并與梁體共同承受彎矩和抵抗變形，起到了保護主梁、橋面板，防止鋼筋銹蝕的作用。橋面鋪裝技術問題已成為當下公路建設技術的熱點，由于橋面鋪裝受力情況與一般路面不同[7]，隨著對橋面鋪裝層重視程度的增加，近年來，國內外對橋面鋪裝層的研究已經有了長足的進步，但具體到設計理論，設計規范，檢測維修等方面尚存不足。在早期，國內外通車后不久鋪裝層便出現病害，而維修費用達新建費用數倍的例子數見不鮮。事實上，混凝土橋面鋪裝病害的主要類型及其成因與橋梁結構形式，所在地區，施工條件，設計水平等密不可分。美國的LTPP (瀝青路面長期性能研究)的瀝青路面損壞鑒別手冊(SHRP-P338,1993)[8]根據瀝青混凝土橋面鋪裝的破壞特點，歸納了五大類破壞類型，分別是開裂、補坑與坑槽、表面變形、表面缺陷以及其它混雜破壞。筆者根據連續剛構橋面鋪裝的病害的成因將病害歸納為結構固有特點導致、結構設計認識不足導致和施工原因導致三大類。

1.2 病害的主要成因

1.2.1 結構固有特點導致鋪裝層病害

由于連續剛構橋是墩梁固結的結構形式，其結構獨特的受力變形特征決定了橋面鋪裝的受力特性，具體表現在以下兩個方面：

1)墩頂負彎矩區。由于橋墩與梁體固結，在車輛荷載和恒載等荷載共同作用下，連續剛構橋負彎矩區會產生較大負彎矩，最大負彎矩會使墩頂區域的鋪裝層因受到長期反復的拉應力而致使混凝土鋪裝層過度疲勞而開裂，從而產生裂縫[9]。同時由于主梁的橋面板和鋪裝層協同受力，負彎矩會使鋪裝層層間產生法向拉拔力，一旦層間黏結失效，將導致層間脫空等病害的產生。

2)梁體跨中下撓變形。在役連續剛構橋在運營期間，隨著混凝土的收縮徐變以及鋼筋預應力損失的加劇，跨中梁段將下撓，致使梁體腹板斜裂縫產生，給鋪裝層帶來很不利的影響。

1.2.2 設計存在的缺陷

鋪裝層設計缺陷主要有兩類，一類是對材料的設計及選擇欠佳，另一類是對結構的設計認識不足。

1)對材料的設計主要是針對瀝青混合料與防水層材料的選擇，二者的選擇將直接決定鋪裝層的質量。鋪裝層承受著復雜的作用，然而實際施工過程中，很少對相關材料做出理論實驗研究，橋面鋪裝材料抗剝離性能差易導致水損壞，若瀝青混凝土材料過柔將出現車轍和擁包等病害，這些終將大大縮短鋪裝層的使用壽命[10]。

2)對結構設計的認識不足具體表現在：僅按照規范推薦的結構與厚度進行設計。在鋪裝層投入使用初期，在橋墩及跨中處將出現橫向貫穿性裂縫等病害[9]；嘉陵江黃花園大橋下游半幅出現了裂縫，擁包，坑槽等病害，且破損情況不容樂觀，病害原因在于橋梁設計縱坡為2.5%，且車輛行駛速度緩慢，換擋減檔頻繁，導致車輛行駛過程中產生很大水平制動力[11]，吳海軍等[12]以重慶渝宜高速，云陽—萬州段陳家溝大橋為例具體分析并得出結論：瀝青鋪裝層厚度和由厚度決定的梯度溫度對主梁受力影響顯著，瀝青鋪裝層厚度從5 cm增大到10 cm，每變化1 cm所引起的主梁上緣應力變化值可達到活載應力的30%～40%。由此可見結構設計中針對鋪裝層的厚度和梁體結構設計應予以足夠重視。

1.2.3 施工等其他原因

即使材料再卓越,設計再合理,如果沒有高質量，嚴要求的施工，鋪裝層的耐久性就不會有強有力的保障。典型的施工質量較差如橋面板的不平整及混凝土強度不夠，這些都將導致在鋪設瀝青混凝土鋪裝層前，就有裂縫或微裂縫出現在橋面板，這些病害已經在京秦高速公路大石河橋上發生過[13]。

1)施工質量不過關。部分施工單位在防水黏結層施工前，橋面板混凝土泥漿、雜物過多，沒有沖洗徹底，橋面板頂板的鑿毛拉槽未達到要求。另外在施工過程中，工藝欠佳將導致橋面板標高與設計值偏大，進而造成橋面板水泥混凝土澆筑厚度過高或偏小。橋面鋪裝層施工階段，瀝青混凝土的質量無法控制在較為理想的水平，常伴隨的施工的缺陷有瀝青拌合料溫度的偏高或偏低，碾壓工藝混亂等。此類不規范的施工對鋪裝層的整體性能影響很大，對后期病害的發生埋下了禍根。

2)對日常養護的不重視。對鋪裝層早期的微裂縫未及時灌縫修補等，被雜物堵住的泄水管未及時清理致使橋面積水無法及時排除[14]。日常養護直接決定鋪裝層的耐久性。

1.3 連續剛構橋橋面鋪裝病害的基本類型

總體上看，混凝土橋面瀝青鋪裝層病害有別于瀝青路面破壞特點的是：瀝青混凝土鋪裝層很容易發生剪切破壞：李明國[15]曾在廣東省做過調查研究，在所調查的87座混凝土橋梁當中，鋪裝層病害的78.1%是車轍、推移、擁包等病害；郭渭彬[16]對佛山大橋14 925 m2的鋪裝層進行調查分析，發現瀝青鋪裝層典型病害是車轍、推移、擁包。董玲云[10]等通過綜合比選，通過調查分析7座在重慶具有代表性的大跨徑連續剛構橋，其主跨均為160 m以上，對連續剛構橋橋面鋪裝病害主要形式及分布做出了詳細研究：

1)裂縫類：鋪裝層裂縫主要分為橫向裂縫、縱向裂縫、網狀裂縫、龜裂、推移裂縫等。裂縫一旦形成，鋪裝層的防水性能將大大減小，加劇了鋪裝層的破壞，嚴重的還會使鋼筋網銹蝕、黏結層失效等。連續剛構橋鋪裝層裂縫的產生是由于跨中與橋墩部位的拉應力、超載車輛及溫度荷載的綜合作用。重慶長江大橋復線橋的主要鋪裝層破壞是裂縫和松散類破壞，而裂縫類是主要病害。調查發現該橋裂縫中，橫向裂縫有48條，58.3%的橫縫集中在橋墩處；跨中橫向裂縫有12條占了總數的25%。嘉陵江黃花園大橋下游半幅病害調查發現：該橋裂縫有43處，占總病害數量的53.1%，而裂縫的60%是橫向裂縫。裂縫病害如圖1。

圖1 裂縫類病害Fig.1 Crack disease

2)變形類：主要類型有車轍，擁包以及波浪等。由于瀝青混凝土的塑性流動特性，瀝青鋪裝層往往產生推移破壞，其表現形式為橫跨瀝青表面起伏的波浪。擁包即表層鋪裝的局部隆起，此類破壞是由車輛水平制動力和輪壓綜合引起的，破壞原因是結構層內材料剪應力超限。魚洞長江大橋上游半幅車轍長度明顯較長，最大車轍處有20余m，擁包較多，且擁包間距較其他橋梁明顯減小。車轍現象變形破壞嚴重，且主要分布在輪跡附近。變形類病害如圖2。

圖2 變形類病害Fig.2 Deformation disease

3)橋面防水黏結層破壞：鋪裝層防水層黏結失效破壞是橋面鋪裝破壞的主要類型之一，鋪裝層和橋面板，以及混凝土找平層與瀝青混凝土鋪裝層之間依靠黏結力保證協同工作。黏結層的完好能改善橋面鋪裝層受力條件，減少層內應力，一旦黏結層失效，橋面鋪裝層將會出現滑移和脫落。其病害見圖3。

圖3 橋面防水黏結層破壞Fig.3 Damage of the deck waterproof layer

4)接縫類：橋面鋪裝層維護修補處理欠佳，維修后新舊鋪裝材料相接處裂縫、坑槽等病害出現較多。另外橋頭跳車現象產生的劇烈跳動，豎向沖擊力過大同樣會導致接縫類破壞。此類病害如圖4。

圖4 接縫類破壞Fig.4 Hinge joints damage

1.4 小 結

針對現役連續剛構橋橋面鋪裝應用現狀，從設計認識不足、施工因素、環境及養護方面，結合工程實例分析了病害產生的主導原因。就橋面鋪裝病害的特性進行分類。可以看出，連續剛構橋橋面鋪裝的病害主要集中于橋墩區域和跨中區域，橋墩處由于梁體的收縮徐變易產生橫向裂縫；其他部位的病害主要由于層間黏結性能差，多表現為滑移，脫層擁包等剪切破壞，另外防水黏結材料黏結效果差也會導致鋪裝層黏結失效而破壞

2 有連續剛構橋橋面鋪裝有限元計算的方法和結論

由于鋪裝層直接承受車輛荷載，應力集中現象明顯，鋪裝層病害往往發生在車輪接觸面附近，且鋪裝層結構內部受力情況復雜，用空間梁理論無法準確分析鋪裝層的受力情況。故而必須對鋪裝層及梁體共同建立空間實體模型。

臧繼成等[17]研究了調平層厚度及超載對連續剛構橋橋面鋪裝層內應力影響規律。筆者以綦江大橋為研究對象，該橋橋面鋪裝設計為5 cm厚C40混凝土調平層+5 cm瀝青混凝土面層。筆者首先建立全橋模型，得出全橋受力特點，然后針對中跨L/2附近20 m的梁段建立局部模型，對鋪裝層的最大拉壓應力進行詳細計算。局部分析采用ABAQUS軟件計算，荷載采用由空間桿系結構分析的結果。混凝土材料用三維八節點實體單元模擬，預應力鋼筋用桁架單元模擬，預應力采用降溫法施加，邊界條件處理方式為：將梁段一端截面固結，另一端假定為平截面變形，即生成剛性域，然后于中性軸處施加由整理模型求出的最不利荷載(彎矩，軸力以及剪力)。通過模擬分析超載以及混凝土墊層厚度對鋪裝層內應力分布影響規律，得出以下結論：①車輛超載會致使鋪裝層內各項應力增大，容易導致鋪裝層發生剪切和開裂破壞；②在設置混凝土調平層的橋面鋪裝層中，調平層厚度直接影響鋪裝層內應力分布，調平層厚度在局部施工界面存在缺陷時不宜過薄，考慮經濟性和適應性，混凝土調平層厚度不宜低于8 cm。

吳海軍等[12]結合實例研究了鋪裝層厚度對連續剛構橋主梁溫度梯度應力的影響，指出瀝青鋪裝層厚度是影響主梁梯度溫度效應的主要因素。結果表明瀝青混凝土鋪裝層厚對主梁受到的溫度應力影響顯著，瀝青混凝土厚度為5 cm時，溫差對主梁上緣應力的影響明顯大于汽車荷載影響；瀝青鋪裝層厚度每變化1 cm時，其導致的主梁上緣壓應力變化值可達到活載應力的30%～40%；在結構設計中可通過適當調整瀝青鋪裝層厚度來改善主梁應力狀態。

余濤等[18]研究了大跨徑預應力混凝土連續剛構橋收縮徐變對橋面鋪裝應力的影響。以涇河特大橋為實例，首先用MIDAS/Civil軟件建立全橋整體模型，計算得到不同時間的收縮徐變值，提取出局部模型計算截面節點處的徐變值。再運用ANSYS對橋墩和跨中區域進行局部建模分析，局部模型的邊界條件用位移法模擬：先在局部模型的斷面節點上建立質量單元，再將斷面上的所有節點與質量單元用剛臂連接從而形成剛性面，再將從MIDAS/Civil提取出來的計算截面節點處的主要徐變值當做位移邊界條件施加于質量單元。分析結果表明：①收縮徐變在鋪裝層內產生的剪應力相對較小，而對縱橋向拉應力影響較明顯，橋墩處鋪裝層使用半年后，鋪裝層內縱橋向拉應力可達0.905 MPa，極易導致橫橋向裂縫產生；②收縮徐變對橋墩處鋪裝層內拉應力影響較大，相比橋墩處的應力，收縮徐變對跨中鋪裝層應力貢獻很小。

劉小燕等[19]采用線性徐變理論進行混凝土徐變效應分析，編制徐變效應分析的平面有限元程序，對橋梁各工況下的撓度y(x)進行計算，再根據鋪裝層到截面中性軸的距離h(x)，利用Mathematica數學軟件擬合徐變變形曲線，得到曲線y(x)和函數h(x)的關系式，進而利用材料力學理論得到鋪裝層的正應力和層間剪應力。

郭祥[20]研究了連續剛構橋橋面鋪裝在超載作用下，瀝青混凝土鋪裝層的應力分布規律。文中同樣先采用MIDAS/civil先建立全橋模型，然后利用影響線加載求出最不利荷載位置(跨中和墩頂截面)的內力，不同于文獻[17]的是在局部模型邊界處理上，郭祥[20]對模型一端斷面固結，另一端沒有生成剛性面，而是用靜力等效的原理，將從整體模型截面提取出來的彎矩、軸力、剪力平均分配到鋪裝層每一個節點上。通過對單列、雙列和三列車加載的情況分別計算并得到橋面鋪裝層面層最大彎沉、最大拉應力和層間剪應力。結果表明隨著超載水平增加，順橋向拉應力超過容許拉應力極限，橫橋向拉應力也將于超載30%后超限。而最大彎沉值會隨著超載程度增大而增大但在容許范圍內。羅君等[21]針對有施工縫缺陷和鋪裝層與橋面板接觸界面有黏結缺陷的連續剛構橋進行局部建模分析，研究了鋪裝層有施工缺陷時的受力情況及界面黏結情況對鋪裝層間剪應力及拉應力的分布情況。荷載選取單輛重車，主要分析鋪裝層有缺陷部位附近的應力分布情況。局部建模時選取長方形實體，將模型下邊界固定約束以表示主梁受到的約束作用，有限元模型如圖5。文章指出這樣簡化邊界條件雖與實際不符，但這樣模擬對缺陷部位附近的應力影響不大。和無施工缺陷時對比表明：在鋪裝層有施工縫時，在汽車荷載下會產生較大層間剪應力，同時橫向和縱向的拉應力也較大，容易發生剪切破壞和混凝土開裂。為了防止施工缺陷的產生，鋪裝層墊層施工時，應盡量將施工縱縫預留在遠離中線的位置，靠近兩邊的護欄，避免橋面中線出現施工縫的薄弱層。

圖5 有限元模型(cm)Fig.5 Finite element model

3 現有有限元計算過程中存在的問題及建議

臧繼成等[17]，余濤等[18]計算時均先采用MIDAS/Civil建立全橋模型，然后整體計算，提取出關注荷載作用下，局部模型計算截面節點處的內力和變形，然后將局部模型的邊界斷面一端固接，另一端截面所有節點和質量單元通過剛臂連接形成剛性面，最后在質量單元上施加力的邊界條件或位移邊界條件。雖然文獻中指出，根據圣維南原理，邊界條件只對邊界一定范圍內的應力分布有影響，但是在局部分析時下存在以下問題：①在細部分析時，箱梁和鋪裝層端面上不同節點的受力情況復雜且差別很大，單獨施加力的邊界條件或位移邊界條件都是欠妥當的；②邊界條件的剛性化會對模型內部產生約束應力，尤其是對較柔的瀝青混凝土鋪裝層內部的應力影響更大。邊界條件的簡化對鋪裝層局部應力分析影響到底有多大，為滿足結果的可靠度，局部模型縱橋向尺寸究竟取多少合適，文獻中并未做具體分析；③在局部模型計算截面節點處施加整體模型對應節點的內力時，只施加了縱向彎曲時的軸力、剪力和彎矩3個內力作為邊界條件，未考慮箱梁在偏載作用下橫向彎矩和扭矩對鋪裝層結構的影響情況。筆者認為應當更加真實的施加邊界條件，或者在計算分析前，先建立典型模型，對比簡化邊界條件后的模型和真實模型在關鍵位置處的計算結果，對邊界條件簡化的可行性做詳細分析。

吳海軍等[12]只分析了鋪裝層厚度對主梁溫度應力的影響情況，尚未對厚度變化對鋪裝層內部的溫度應力分布規律進行討論。橋面鋪裝層的溫度場是隨時間和空間變化的場函數,要準確分析瀝青混凝土鋪裝層的溫度應力需要更加詳盡的溫度監測數據并準確到賦予到模型當中。

余濤等[18]忽略了鋪裝層的收縮徐變并假設鋪裝層和橋梁體位移邊界條件相同，然而鋪裝層材料自身的收縮徐變對鋪裝材料內部各項應力的影響更為重要，將其與梁體的收縮徐變剝離開來討論又欠妥當。另外，瀝青鋪裝層與墊層和梁體的模量相差很大，鋪裝層的拉應力和剪切應力大小都與彈性模量成正比，將整個斷面剛性化后很難準確得出鋪裝層和橋面板接觸面間的剪切應力。

文獻[19]較文獻[18]在邊界條件處理上較為合理，考慮到了鋪裝層徐變在厚度方向上的變化情況，而不是將鋪裝層與橋梁體施加同一位移邊界條件，不足之處在于文獻[19]采用的計算理論只能求出鋪裝層縱向正應力和縱橋向剪應力，無法計算接觸層間的橫向剪應力以及鋪裝層層間的豎向拉拔力。文獻[19]的計算理論無法考慮超載車輛的偏載效應以及車輪荷載作用下的局部效應，而箱梁在偏載作用下截面同時會產生縱向彎曲、剛性扭轉、畸變和橫向撓曲，橫橋向的正應力和剪應力超限引起的鋪裝層病害不容忽視，所以在進行鋪裝層應力分析時應當考慮偏載的影響。由于輪載作用下局部效應明顯，所以筆者認為應同時對橫向受力情況以及局部效應予以考慮。

4 結 論

筆者對國內外大跨徑連續剛構橋面鋪裝的研究現狀進行了較為全面的研究分析，對現有計算模型及邊界條件的處理存在的問題提出了改進的建議，主要得出以下結論：

1)連續剛構橋橋面鋪裝病害成因不僅于材料自身強度有關，與設計方面存在的問題、施工工藝和質量、交通及環境因素等密不可分。

2)采用局部有限元建模分析鋪裝層受力時，箱梁和鋪裝層端面上不同節點的受力情況復雜且差別很大，單獨施加力的邊界條件或位移邊界條件都是欠妥當的，邊界條件的剛性化會對模型內部產生約束應力，尤其是對較柔的瀝青混凝土鋪裝層內部的應力影響更大。應于計算分析前，先建立典型模型，對比簡化邊界條件后的模型和真實模型在關鍵位置處的計算結果，確定簡化模型的可行性。

3)將梁體的收縮性徐變引起的應力值作為邊界條件施加在鋪裝層上，近似假設橋面板和鋪裝層位移邊界條件相同，很難準確得出收縮徐變影響下鋪裝層和橋面板的層間應力。此時應將邊界條件細化，不同結構層施加相應的邊界條件。

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Literature Review of Research Status of Deck Pavement Technology of Long-Span Continuous Rigid Frame Bridge

WANG Hu, HAN Fei

(School of Science, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, P.R.China)

Through the analysis and summary of research status and development trend of deck pavement technology of long-span continuous rigid frame bridge deck pavement at home and abroad, the influence of factors such as design flaw, constructional quality and traffic load on the durability of continuous rigid frame bridge deck pavement was studied. Aiming at the mechanism of the deck pavement disease, the cause of disease, the classification method of disease and the structure deficiency in the deck pavement design were comprehensively analyzed. The analysis results show that: the durability of continuous rigid frame bridge deck pavement not only depends on the strength and fatigue performance of pavement material, but also on the pavement structure, the material and the adaptability of the bridge deck. The integrated design of pavement and bridge deck, construction quality and craft are the guarantee of deck pavement durability. Besides, the finite element calculation of continuous rigid frame bridge deck pavement still has some imperfection and unreasonableness in current literatures. In order to provide more credible data for the future engineering practice and the relevant standard, the proposed finite element model and its boundary conditions should be studied and improved.

bridge engineering; continuous rigid frame bridge; deck pavement; durability; finite element analysis

2015-03-10；

2015-07-01

陜西省自然科學基金項目(2013GM7002)

王 虎(1959—)，男，陜西興平人，教授，工學博士，主要從事橋梁與道路工程方面的研究。E-mail：19509256@qq.com。

韓 飛(1991—)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要從事橋梁與道路工程方面的研究。E-mail：67463368@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.04

U443.+33

A

1674-0696(2016)01-016-06