西成客運專線跨鄭西客運專線橋式方案研究

王旭陽

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

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西成客運專線跨鄭西客運專線橋式方案研究

王旭陽

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

西成客運專線跨越鄭西客運專線同時跨越福銀高速公路，公路與鄭西客運專線斜交角度僅為14°。主橋位于第四層立交處，施工場地條件極為苛刻，既有客運專線運營對施工要求高，因此設計施工難度大。為取得合理的橋式方案以確保既有客運專線安全運營，解決本橋設計施工中技術難題，采用擬定各橋式結構尺寸、有限元分析、動力仿真分析等方法，對4種橋式方案進行對比研究。通過適用、經濟、施工、安全等方面的比選，確定采用132 m簡支鋼桁梁頂推施工方案，本橋式施工方案縮短了施工周期，對既有高鐵運營影響較小，頂推施工保證了施工安全。

鐵路橋；鋼桁梁；橋式方案；平移；轉體;設計

1 橋址概況(圖1)

西成客運專線鐵路跨越鄭西客專北環線立交橋位于西安北站西約10 km，橋址處為四層立交，下層為福銀高速公路，福銀高速公路為雙向6車道，路面寬為38 m，路堤高度約4 m，本橋與高速路交角為74°；中間層為鄭西客專北環線的咸陽渭河橋，本橋與咸陽渭河橋交角為14°，鄭西客專北環線以(54+90+54) m的預力混凝土連續梁跨越福銀高速公路，橋面距地面高17 m，本橋設計主要存在以下技術難點：①跨越正在運營的鄭西客運專線，橋梁施工對既有線運營干擾較大，設計需選擇對既有客運專線運營影響較小的施工方案；②西成客運專線與鄭西客運專線斜交角度小，需要大跨跨越；③本橋位于第四層立交處，施工空間狹小，對施工場地條件提出了更高的要求。

圖1 西成客運專線跨鄭西客運專線橋址平面

2 主要技術標準[1-2]

設計荷載：ZK活載。

鐵路等級：客運專線。

速度目標值：250 km/h。

正線數目：雙線，線間距4.6 m。

線路平縱：橋址位于R=7 000 m的圓曲線上。

軌道：正線采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

地震動峰值加速度：橋址處的地震動峰值加速度值為0.207g(相當于地震基本烈度8度)，地震動反應譜特征周期0.47 s。

3 設計方案

考慮本橋跨鄭西客運專線段完全處于半徑為7 000 m的圓曲線上，跨鄭西客運專線處的主跨不宜過大，否則不滿足溫度調節器的設置要求，另外本橋主跨在修建過程中鄭西客運專線已經開通，主跨過大施工工期較長會對既有線帶來較大的安全隱患，因此不考慮較大跨度的橋式方案。從施工方法上考慮，鄭西客運專線開通后掛籃懸臂施工的方案將無法實施，能利用“天窗”時間在運營線上以較短時間完成施工，可以考慮轉體施工方案和頂推施工方案。為了減少施工過程中對既有線的干擾以及降低施工過程中安全隱患，綜合考慮無砟軌道對梁端轉角等控制因素的要求，經過研究制定了4種橋式方案進行比選，分別為：①(50+85+50) m連續鋼箱梁方案，頂推施工；②(70+128+70) m連續梁方案，平移轉體施工；③130 m 簡支鋼箱拱方案，頂推施工；④132 m 簡支鋼桁梁方案，頂推施工。

3.1 (50+85+50) m連續鋼箱梁方案(圖2)

鋼箱梁橋主梁為薄壁閉合截面，有著質量輕、節省鋼材、抗彎和抗扭剛度大、安裝迅速，便于養護，箱形梁可以在工廠制成大型安裝單元、結構新穎，外形簡潔、美觀等優點。根據頂推施工法的思路，為保證主梁有足夠的剛度，主跨跨度盡可能小，以在最短時間內頂推就位，跨越鄭西客運專線孔跨布置為：一聯(50+85+50) m連續鋼箱梁，下部采用倒“L”形橋墩。

圖2 (50+85+50) m連續鋼箱梁模型

(1)主梁

本橋位于半徑為7 000 m的圓曲線上，彎梁彎做，主梁采用(50.75+85+50.75) m連續鋼箱梁，鋼箱梁總長186.5 m，考慮運輸、起吊安裝等因素，將全梁劃分為41個節段，一般節段長4.5 m，梁端支點梁長5.5 m，節段最大質量60 t。

鋼箱梁采用單箱單室斜腹板等高箱形截面，如圖3所示，梁端至邊支點以外0.75 m，梁高5 m，頂寬12.2 m，底寬5.3 m，支點附近局部加寬至5.62 m。鋼箱梁頂板厚28 mm，底板厚28 mm，腹板厚28 mm。鋼梁頂、底板均設縱向“T” 形加勁肋，間距約為500 mm，腹板高250 mm，翼緣厚180 mm，板厚均為16 mm；頂板加勁肋在距中心各1 000 mm及2 500 mm處縱向加勁肋加高至600 mm；腹板設板式加勁肋，肋高280 mm，板厚20 mm。鋼箱梁采用Q370qE鋼材，鋼箱梁各構件均采用焊接連接。鋼箱梁在工廠加工制作后，運至現場拼接。

圖3 (50+85+50) m連續鋼箱梁斷面(單位：mm)

鋼箱梁頂面現澆15 cm厚鋼筋混凝土橋面板，并在橋面板上鋪設TQF-Ⅱ型防水層，防水層表面鋪設6 cm厚纖維網混凝土保護層。鋼箱梁頂板表面設置φ22 mm×120 mm的剪力釘以便橋面板與鋼箱梁較好的結合，間距為0.30 m×0.30 m。

(2)下部結構(圖4)

主墩采用倒“L”形矩形實體橋墩。制動墩墩頂縱向4 m，橫向5.02 m，墩底縱向6 m，橫向7.02 m，縱橫向均采用25∶1坡率放坡，墩頂短橫梁橫向4 m，高2.5 m，與矩形墩連接處設置3 m×3 m梗斜，橫梁長8.9 m，橋墩距鄭西客運專線接觸網回流線的最短距離為3 m，制動墩采用10.6 m×14.6 m×4 m承臺，12根φ150 cm的鉆孔樁基礎，樁長75 m，承臺與鄭西客運專線平行布置，與線路夾角75°。

圖4 連續鋼箱梁下部結構(單位：cm)

活動墩墩頂縱向4 m，橫向5.02 m，墩底縱向6 m，橫向7.02 m，縱橫向均采用25∶1坡率放坡，墩頂短橫梁橫向4 m，高2.5 m，與矩形墩連接處設置3 m×3 m梗斜，橫梁長9.4 m，橋墩距鄭西客運專線接觸網回流線的最短距離為3 m，活動墩采用10.6 m×14.1 m×4 m承臺，承臺深入鄭西客運專線側進行切角處理，采用11根φ150 cm的鉆孔樁基礎，樁長75 m，承臺線路垂直布置[3]。

為了減少對既有線的干擾，主墩施工時，鉆孔樁、承臺施工完成后，澆筑18.5 m墩柱，在墩柱以下1 m范圍內設置預埋件，然后吊裝剩余部分的鋼套箱，與混凝土預埋件固結，再在鋼套箱內綁扎鋼筋，灌注混凝土，完成橋墩施工。

(3)施工方法

為減少橋梁施工對既有線正常運營的影響，對(50+85+50) m連續鋼箱梁采用頂推施工方案。連續鋼箱梁頂推方案，首先在沒有跨越既有線的32 m簡支梁橋墩之間設置鋼拼裝平臺，鋼梁節段在拼裝平臺上分批分段拼裝完成后，按既定施工步驟將鋼梁頂推到設計位置。頂推過程中鋼梁底面離既有線的限界最小距離不小于2.5 m?？紤]到既有線車輛運行對鋼梁存在少量的動力影響，在鋼梁未頂推到設計位置前，不頂推時，在墩頂將鋼梁設置臨時鎖定作為保險措施。

3.2 (70+128+70) m連續梁方案(圖5)

西成客運專線與鄭西客運專線夾角約為14°，主跨為一聯(70+128+70) m預應力混凝土連續梁。為保證既有鄭西客運專線運營安全，減少施工過程中對既有線運營干擾和加快施工進度，連續梁考慮采用轉體施工。但是轉體前在連續梁兩主墩處平行于既有鄭西客運專線掛籃澆筑懸灌段施工時，連續梁外緣線距既有鄭西客運專線接觸網回流線水平距離偏小，其中大里程側僅有0.9 m，對既有鄭西客運專線運營存在很大的安全隱患，由于本聯連續梁主跨已經達到128 m，通過加大主跨跨度來解決此問題已非最佳選擇，因此基于此可考慮將連續梁兩主墩遠離鄰近的鄭西客運專線左(右)線一定距離平行鄭西客運專線掛籃懸臂施工，主梁懸灌形成T構，梁及墩平移至永久墩位，再轉體合龍。

圖5 (70+128+70) m預應力混凝土連續梁模型

(1)主梁(圖6)

主梁采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，計算跨度(70+128+70) m，一聯總長269.6 m，邊支座中心至梁端距離0.8 m，邊支點及跨中梁高為5.80 m，中支點梁高9.60 m，梁底曲線為1.8次拋物線，拋物線方程為y=0.002 755x1.8。箱梁頂寬12.2 m，箱梁底寬6.7 m，單側懸臂長2.75 m，懸臂端厚25.6 cm，懸臂根部厚75 cm。箱梁腹板厚度50～120 cm，底板在箱梁梁體中墩墩頂根部厚140 cm變至跨中及邊跨直線段厚52 cm，邊支點厚80 cm，頂板厚45 cm，其中箱梁梁體中支點加厚至120 cm，邊支點處加厚至80 cm。頂板與腹板連接處設120 cm×40 cm的倒角，底板與腹板連接處設30 cm×30 cm倒角[4]。

圖6 (70+128+70) m預應力混凝土連續梁斷面(單位：cm)

(2)下部結構

連續梁主墩及邊墩墩身均采用圓端形空心橋墩，其中邊墩頂帽與墩身之間不設飛檐，尺寸為4.6 m×9.4 m×3.0 m，橋墩空實交界處設置梗肋，墩身內外側均設坡度，外坡45∶1，內坡75∶1，墩頂最小壁厚0.5 m，墩底實體段高度為2.5 m。主墩頂帽為矩形，尺寸為5.0 m×10.2 m×1.0 m，托盤頂、底尺寸分別為5.0 m×9.8 m、5.0 m×9.0 m。所有橋墩均采用鉆孔灌注樁基礎[3]。

(3)平移轉體系統[12](圖7、圖8)

平移轉體系統基于平推法實施的鐵路混凝土連續梁施工方法，是本次方案研究過程中設計的國家新型發明專利技術。平轉法轉動體系主要有承重系統、頂推牽引系統和平衡系統三大部分構成。承重系統由上轉盤、下轉盤和轉動球鉸構成，上轉盤支承轉體結構，下轉盤與承臺相連，通過上轉盤相對于下轉盤轉動，達到轉體目的；頂推牽引系統由牽引設備、牽引反力支座、助推反力支座構成；平衡系統由結構本身、上轉盤12對φ60 cm的鋼管混凝土圓形撐腳、大噸位千斤頂及梁頂15號塊放置的10 m3的備用水箱構成。為了減小撐腳與下轉盤的接觸摩擦，撐腳支承面置于同一水平面內，從而使轉體發生輕微傾斜時，仍能平穩運行。在下轉盤頂面設置外徑5.50 m，寬0.9 m的環形滑道，滑道由5 mm厚的不銹鋼板及5 mm厚的四氟滑板貼面組成，滑道鋼板鑲嵌于磨光的環形滑道槽內。平轉法牽引系統采用2根12-7φ5 mm鋼絞線及對應的千斤頂。轉體時采用千斤頂輔助啟動，再采用鋼索牽引轉動，以確保安全。

圖7 平移加轉體系統(單位：cm)

圖8 滑移系統(單位：mm)

通過在承臺與轉體下轉盤間設置8列長26 m的滑道來實現。承臺頂部預埋200 mm×100 mm×18 mm的工字鋼，下轉盤底部預埋10 mm厚的不銹鋼板及8 mm厚的四氟板貼面組成與滑道對應的凹槽，形成整個滑道體系。動力系統采用9根8束15-7φ5 mm鋼絞線及配套卷揚機。

(4)施工方法

本聯連續梁按掛籃懸臂灌注法施工，待施工到最大懸臂狀態后，再將墩梁平移，然后利用“天窗”時間轉體至設計方位，封閉中跨合龍鋼箱后，在鋼箱內綁扎鋼筋，澆筑合龍段混凝土，最后合龍邊跨合龍段。

3.3 130 m鋼箱拱橋方案(圖9)

下承式系桿拱鋼箱-混凝土組合橋跨越能力強，剛度大、噪聲小、建筑高度低、動力性能好，隨著我國高速鐵路的蓬勃發展，應用越來越多。特別是在鐵路線跨越城市干道、城市河流、高速公路和鐵路等景觀要求較高的橋位，該橋式具有明顯的競爭優勢[6]。本方案跨越鄭西客運專線孔跨布置為1孔130 m鋼箱拱橋。

圖9 130 m鋼箱拱橋模型

(1)主拱結構及橋面系(圖10)

130 m下承式鋼箱系桿拱跨度為131.98 m，全長132.28 m，計算跨度130 m；主拱采用二次拋物線，其方程為y=0.756 9x-0.005 822 3x2，矢跨比1/5.285，矢高24.6 m；系梁、拱肋橫向中心距14.6 m，外廓凈寬16.45 m。

橋面采用小縱梁鋼橋面方案。橋面板厚16 mm，下設4根倒T形大縱梁，15根倒T形小縱梁及 6道板肋[5]；拱角附近設2根端橫梁，系梁與吊桿連接處共設12根主橫梁，每個節間3根次橫梁，全橋共39根次橫梁。橋面板上現澆30 cm厚鋼筋混凝土，混凝土上設防腐層，防水層及保護層，采用預埋件與無砟軌道連接。

圖10 130 m鋼箱拱橋跨中斷面(單位：cm)

(2)主要桿件

系梁、拱肋、橫撐、端橫梁為箱形截面，其余為工字形截面。拱肋采用箱形截面，寬1 800 mm，高3 300 mm；系梁采用箱形截面，寬1 800 mm，高3 500 mm；吊桿采用工字形截面，高1 800 mm，頂板作為橋面鋼板的一部分；主橫梁為倒T形截面，高2 100～2 190 mm，下翼緣板厚寬600 mm，橋面鋼板與腹板焊接作為其上翼緣板；次橫梁為倒T形截面，高1 400～1 490 mm，下翼緣板寬480 mm，橋面鋼板與腹板焊接作為其上翼緣板；縱梁為倒T形截面，其中大縱梁腹板高600 mm，下翼緣板寬240 mm，小縱梁腹板高250 mm，下翼緣板寬180 mm，橋面鋼板作為其上翼緣板。

(3)施工方法

為減少橋梁施工對既有線正常運營的影響，擬對128 m簡支鋼箱拱橋采用先支架拼裝再進行縱向頂推的施工方案。

3.4 132 m 簡支鋼桁梁方案(圖11)

考慮到本橋工期較緊，宜在鄭西客運專線聯調聯試前橋墩施工完成，之后進行梁部施工的原則，采用了既有線影響較小的132 m簡支鋼桁梁方案。由于本橋位于曲線上，鋼桁梁需要按直線梁外包設計，桁寬較寬，支座間距較大，橋墩橫向尺寸較大，可采用矩形橋墩來解決該問題。

圖11 132 m簡支鋼桁梁模型

(1)主桁及橋面系(圖12)

本方案采用1孔132 m無豎桿整體節點平行弦再分式三角桁下承式鋼桁梁，桁高20 m，節間長度11 m， 共12個節間，兩片主桁中心距為13.9 m。

圖12 132 m簡支鋼桁梁橫斷面(單位：cm)

主桁上、下弦桿均采用焊接箱形截面，豎板高1 300 mm，內寬1 100 mm，板厚16～40 mm。腹桿采用箱形及H形截面，箱形截面高1 100 mm，外寬1 000 mm，板厚16～46 mm；H形截面高1 000 mm，外寬800 mm，板厚16～24 mm。主桁節點采用整體節點形式，上、下弦桿在節點外拼接，腹桿插入節點板之間拼接，弦桿采用全截面拼接，腹板采用兩面拼接。主桁弦桿及腹桿的連接采用M27的高強度螺栓(φ29 mm孔)[5]。

橋面系采用正交異形板無砟軌道方案。橋面鋼板厚16 mm，下設4根T形縱梁，高600 mm，下翼緣板寬240 mm，19道T形縱肋，高280 mm，下翼緣板寬180 mm；該橋順橋向每隔2.725 m設1道橫梁，根據其所處的部位分為主橫梁和次橫梁，端橫梁采用箱形橫梁，其余截面形式均采用倒T形，橫梁的高度均為1350 mm，主橫梁翼緣板寬800 mm，次橫梁翼緣板寬600 mm。橋面鋼板上現澆30 cm厚鋼筋混凝土，采用預埋件與無砟軌道連接。橫梁與整體節點、縱梁與橫梁、縱梁橫聯與縱梁的連接螺栓采用M24的高強度螺栓(φ26 mm孔)。

(2)聯結系(圖13)

在上弦桿平面內設置交叉式上平縱聯?？紤]到受橋門架偏心荷載的影響，端橫撐采用扭轉剛度較大的箱形截面，高450 mm，寬500 mm。其余橫撐和交叉斜桿均采用H形截面，高450 mm，寬420 mm(橫撐)和400 mm(交叉斜桿)。所有桿件均采用插入式連接。聯結系上的連接螺栓采用M24的高強度螺栓(φ26 mm孔)。

圖13 132 m簡支鋼桁梁橋面系及聯結系

(3)橋門架及橫聯

鋼桁梁支點處均設斜向橋門架、每隔2個節間斜桿上設中間橫聯，橋門架及橫聯均采用桁式結構。橋門架及橫聯上的連接螺栓采用M24的高強度螺栓(φ26 mm孔)。

(4)下部結構

橋墩均采用實體矩形墩，其中固定墩墩身縱向5 m，頂帽橫向16.4 m，墩身11.2 m，縱向坡率42∶1，橫向直坡[3]。

(5)梁端小墊梁(圖14)

無砟軌道條件下，橋梁上部結構除需滿足規范要求的梁端轉角外，還必須考慮到由于梁端豎向轉角的影響，造成梁縫處軌道的局部隆起引起的鋼軌上拔或下壓現象[13，14]。通過計算，本橋在靜ZK活載作用下，梁跨中豎向位移為45.5 cm，撓跨比為1/2 900；梁端轉角為1.8‰。由于本橋梁端轉角不能滿足小于1‰的要求，而用加大拱肋或系梁截面的方法減少轉角顯得很不經濟合理，為適應無砟軌道行車要求，需在本橋與相鄰梁之間采取設置過渡梁等措施。設置過渡梁梁端轉角為0.7‰，滿足規范要求。

(6)鋼桁梁動力仿真分析

本橋跨度大，鋼桁梁結構自重占恒活載總重比例小，且高速鐵路列車速度高，動力問題較為突出。

采用有限元方法建立軌道-橋梁三維空間模型，考慮列車動力荷載作用下的軌下結構彈性變形，基于多剛體動力學理論建立考慮二系懸掛的31個自由度的車輛模型，并利用輪軌間可分離接觸關系，建立車-軌-橋耦合模型[9-10]。動力仿真結果見表1。

圖14 過渡結構設置示意[15]

表1 132 m簡支鋼桁梁動力仿真分析結果

(7)施工方法(圖15)

圖15 132 m簡支鋼桁梁施工前后

先在平行于既有鄭西客運專線一側施工臨時鋼支墩，在鋼支墩上拼裝鋼桁梁，同時施工鋼桁梁墩臺，再要點頂推橫向鋼滑道，最后橫向頂推鋼桁梁就位，安裝支座及施工橋面系鋪裝。

4 方案比較

對以上4個方案進行詳細的動力性能、造價、施工周期及施工方案對既有線影響進行綜合比較，本橋主橋橋式方案采用132 m簡支鋼桁梁頂推施工方案[7，8，11]。各方案綜合比較情況見表2。

表2 各橋方案綜合比較

5 結語

受場地狹小、既有客運專線線運營影響、施工周期短影響，本橋方案比選較為困難，方案比選過程中研究了倒L形橋墩，平移轉體施工技術獲發明專利，解決了跨既有客運專線施工凈寬不足難題；使用梁端加墊梁的梁端轉角處理措施，解決了客運專線大跨鋼結構轉角不足問題。132 m簡支鋼桁梁頂推順利施工完成，證明了方案選擇的安全性和科學合理性，為類似工程設計施工提供參考。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005/J460—2005鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 國家鐵路局.TB10621—2014/J1942—2014高速鐵路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005/J464—2005鐵路橋涵地基與基礎設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005/J462—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005/J461—2005鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[6] 周德.高速鐵路下承式鋼箱系桿拱鋼—混凝土組合橋結構體系及受力性能研究[D].長沙:中南大學，2010.

[7] 羅春林.武九客運專線西南下行聯絡線特大橋主橋橋式方案比較[J].鐵道標準設計，2015(6)：73-78.

[8] 康煒.大西客運專線晉陜黃河特大橋主橋橋式方案比選[J].鐵道標準設計，2012(1)：52-57.

[9] 朱志輝，朱玉龍，余志武，等.96 m鋼箱系桿拱橋動力響應及行車安全性分析[J].中國鐵道科學，2013(11)：21-28.

[10]李小珍，劉德軍.新建西安至成都客運專線特殊結構橋梁車橋耦合動力仿真分析報告[R].成都：西南交通大學，2013.

[11]馮光明.福廈線閩江鐵路橋主橋方案比選[J].鐵道勘測與設計，2004(5)：33-43.

[12]陳應陶，郭波，張小坤，等.基于平推法實施的鐵路混凝土連續梁及其施工方法:中國，2013205549637[P].2013-09-09.

[13]孫立，張珍珍.大跨度橋梁大梁縫地段無砟軌道過渡板設計與研究[J].鐵道勘測與設計，2010(6)：10-13.

[14]周詩廣.大跨度橋上鋪設無砟軌道結構設計與研究[J].鐵道標準設計，2011(3)：1-5.

[15]申磊.減小梁端軌道結構受力措施研究[J].鐵道工程學報，2010(8)：58-61.

Bridge Type Scheme Study of Xi’an-Chengdu Dedicated Passenger Railway Line Across Zhengzhou-Xi’an Dedicated Passenger Railway line

WANG Xu-yang

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd.， Xi’an 710043， China)

Xi’an-Chengdu dedicated passenger railway line crosses over both Zhengzhou-Xi’an dedicated passenger railway line and Fuzhou-Yinchuan expressway. The horizontal oblique angle between the expressway and Zhengzhou-Xi’an railway line is only 14 degree. The main bridge is located at the fourth level interchange. The construction site conditions are harsh and the operation of the existing Zhengzhou-Xi’an railway line poses great challenges to the design and construction. To obtain reasonable bridge type scheme that could ensure railway line operation and solve technical problems in the bridge design and construction， four schemes are compared by way of proposing structure size， finite element analysis and dynamic simulation analysis. The bridge type scheme of 132 m simply supported steel truss beam is selected through comparison in terms of applicability， economy， construction and security. This bridge type scheme could shorten the construction period with less influence on existing high speed railway operation. The parallel and drag construction method guarantees safe construction．

Railway bridge; Steel truss bridge; Bridge type scheme; Parallel drag construction; Swivel construction; Design

2016-05-06；

2016-05-16

王旭陽(1984—)，男，工程師，2010年畢業于西南交通大學土木工程學院橋梁工程專業，工學碩士，E-mail：381266363@qq.com。

1004-2954(2016)12-0065-06

U442.5+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.015