廈門大學(xué)訪客中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳躍輝

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361004)

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廈門大學(xué)訪客中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳躍輝

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361004)

基于廈門大學(xué)訪客中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在場(chǎng)地淤泥層厚度深、基坑開挖深度大、抗浮設(shè)計(jì)水位高、結(jié)構(gòu)超長抗裂等諸多難點(diǎn)，設(shè)計(jì)通過合理確定結(jié)構(gòu)體系和支護(hù)方案、采用基坑支護(hù)與主體結(jié)構(gòu)連接的防水體系、旋挖樁與抗浮錨桿結(jié)合的抗浮方案；對(duì)超長結(jié)構(gòu)采用設(shè)置后澆帶、計(jì)算敞開段樓板溫度應(yīng)力等抗裂措施；并采用(裝配箱)混凝土空心樓蓋保證地下室凈高，達(dá)到綜合效益最大化。

基坑支護(hù)；抗浮設(shè)計(jì)；超長結(jié)構(gòu)；(裝配箱)混凝土空心樓蓋

0 引言

廈門大學(xué)坐落于廈門白城海邊，由愛國華僑陳嘉庚于1921年創(chuàng)辦。校園風(fēng)光旖旎、景色優(yōu)美，素有“中國最美大學(xué)”之稱。經(jīng)過95年的發(fā)展，廈門大學(xué)成了越來越重要的訪問對(duì)象，年訪客數(shù)量接近600萬人，每天進(jìn)入校園的車輛接近4 000輛。校園內(nèi)外人滿為患、車輛混雜，嚴(yán)重影響了教學(xué)生活秩序。本案充分利用原演武運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地下空間，興建廈門大學(xué)訪客中心，建不少于2 000個(gè)車位的地下車庫，同時(shí)引入臺(tái)灣“誠品書店”等相關(guān)教育科研配套設(shè)施，對(duì)目前混亂的人流和車流進(jìn)行有序的引導(dǎo)和組織，恢復(fù)校園往日的寧靜。地下室頂板地面恢復(fù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)南北向田徑運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，解決原演武運(yùn)動(dòng)場(chǎng)東西朝向的問題，完善廈門大學(xué)師生體育運(yùn)動(dòng)設(shè)施。新建面朝廈門灣的南大門，形成南大門-嘉庚雕像-群賢樓為中心的校園主軸，恢復(fù)校主陳嘉庚“面朝大?！钡慕ㄐＲ?guī)劃。

1 工程概況

“廈門大學(xué)訪客中心”位于廈門大學(xué)演武校區(qū)，總建筑面積10.6萬m2，地下2層，其中地下1層局部設(shè)夾層，地下室總高度13.2m。地面建筑為南大門、司令臺(tái)、出入口等，建筑層數(shù)一層～二層，建筑高度3.5m～8.4m。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別為乙類，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組：第二組，場(chǎng)地類別：II類、III類；50年一遇的基本風(fēng)壓：0.80kN/m2，地面粗糙度：B類。建筑總體鳥瞰圖(圖1)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

項(xiàng)目位于廈門演武校區(qū)核心地帶，場(chǎng)地北側(cè)為全國重點(diǎn)文化保護(hù)單位-廈大群賢樓群，場(chǎng)地東側(cè)為“南方之強(qiáng)”石刻和國立廈門大學(xué)第一任校長薩本棟墓，場(chǎng)地西側(cè)為游泳館、體育館，場(chǎng)地南側(cè)為干休所和海洋三所。項(xiàng)目與周邊建筑的關(guān)系十分緊密，且在地下室深度范圍內(nèi)有較厚的淤泥，要求地下室開挖、土體變形、施工噪音等不能對(duì)周邊建筑和正常的教學(xué)、生活造成影響。同時(shí)校方要求地下室頂板要在2016年9月前恢復(fù)使用，施工工期僅10個(gè)月左右，僅土方開挖量預(yù)計(jì)多達(dá)70萬m3，對(duì)設(shè)計(jì)方案和施工組織設(shè)計(jì)均提出較高的要求。該項(xiàng)目位于海邊，受海水和海潮直接影響，地下室抗浮設(shè)計(jì)和防水設(shè)計(jì)是該項(xiàng)目的重點(diǎn)、難點(diǎn)。本文試圖探討以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，希望能對(duì)城市地下空間開發(fā)利用等類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。

3 結(jié)構(gòu)體系

該工程地下室底板位于地面以下13.2m，但場(chǎng)地東側(cè)為開放式下沉廣場(chǎng)，場(chǎng)地南側(cè)為雙向7.7m寬的車道，場(chǎng)地西側(cè)頂板沿外墻設(shè)采光井和樓梯間等，以上三側(cè)地下室外圍無剪力墻或剪力墻與主體結(jié)構(gòu)無法形成完整體系。場(chǎng)地北側(cè)地下室外墻為完整的連續(xù)剪力墻，剪力墻分布很不均勻。地下一層平面圖(圖2)。

結(jié)構(gòu)體系確認(rèn)存在如下難點(diǎn)：

(1)該工程定性為地下室或上部結(jié)構(gòu)？是否需要考慮抗震設(shè)計(jì)？

(2)若需考慮抗震計(jì)算，結(jié)構(gòu)體系定性為框架或框剪結(jié)構(gòu)？是否需要控制結(jié)構(gòu)樓層位移比<1.5？為控制結(jié)構(gòu)位移比<1.5需增設(shè)較多剪力墻，對(duì)原建筑方案的設(shè)計(jì)影響很大。

(3)場(chǎng)地南北兩側(cè)土體壓力不平衡，且場(chǎng)地北側(cè)淤泥層厚度達(dá)10m左右，不具備做永久性基坑支護(hù)的條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何考慮？

針對(duì)以上問題，咨詢福建省施工圖審查中心專家，專家認(rèn)真查閱圖紙后認(rèn)為：

(1)該工程雖然地下室三面開敞，但均位于地面以下，在地震作用下，主體建筑與土體共同運(yùn)動(dòng)，因此仍可定性為地下工程。

(2)結(jié)構(gòu)定性為框架結(jié)構(gòu)，北側(cè)地下室外墻帶入結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，并在南側(cè)和東側(cè)樓梯間增設(shè)少量剪力墻，以控制結(jié)構(gòu)剛度不平衡。為保證結(jié)構(gòu)的安全性，整體計(jì)算考慮抗震作用，結(jié)構(gòu)位移比可放松至1.6，其余各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

(3)考慮該工程南北方向長度207m，結(jié)構(gòu)整體剛度較大，且場(chǎng)地北側(cè)基坑支護(hù)采用灌注樁+大直徑旋噴錨索支護(hù)+止水帷幕，可卸掉部分土體壓力，主體結(jié)構(gòu)可以抵抗南北兩個(gè)方向土體壓力差。北側(cè)外墻土壓力計(jì)算中可以考慮基坑支護(hù)與外墻的共同作用，按靜止土壓力乘以0.66計(jì)算[1]。

4 基坑支護(hù)

該項(xiàng)目基坑呈規(guī)則四邊形，面積約48 110m2，主體區(qū)域開挖深度14.10m～17.50m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。場(chǎng)地東側(cè)局部剖面圖如圖3所示?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨著周邊環(huán)境對(duì)變形要求嚴(yán)格、地下水與海水連通、場(chǎng)地淤泥深厚、支護(hù)結(jié)構(gòu)可用空間狹小、開挖深度大等一系列問題。

該工程設(shè)計(jì)充分考慮基坑周邊建筑物及道路的超載以及水壓力對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，在保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身的安全穩(wěn)定性的同時(shí)，還著重考慮老舊建筑及管網(wǎng)抗變形能力差的特性，加強(qiáng)了控制變形的考量，計(jì)算過程中對(duì)控制變形提出了更高的要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移控制在25mm之內(nèi)。

北側(cè)基坑支護(hù)屬臨時(shí)性支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用灌注樁+高壓旋噴擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)；南側(cè)基坑外緊鄰大學(xué)路，采用內(nèi)雙排樁+外單排灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索組合支護(hù)型式，待內(nèi)雙排樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并對(duì)外單排樁形成有效支撐后，拆除預(yù)應(yīng)力錨索，雙排樁頂后期將鋪設(shè)成連通下沉廣場(chǎng)內(nèi)外的車道。

東側(cè)采用灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，結(jié)合樁頂自然放坡，自然放坡的范圍后期將由景觀設(shè)計(jì)改造為人工草坡；西側(cè)基坑外為體育館及游泳館，場(chǎng)地淤泥深厚，地質(zhì)情況變化劇烈，垂直支護(hù)高度為15.3m。受體育館、游泳館樁基的影響，灌注樁+錨索支護(hù)型式不能采用，而下沉廣場(chǎng)在西側(cè)設(shè)置一系列采光天井又決定了灌注樁+鋼筋砼內(nèi)支撐型式不能采用，因此考慮采用雙排樁懸臂支護(hù)。經(jīng)試算，在現(xiàn)有地質(zhì)條件下，雙排樁懸臂支護(hù)型式在高度大于8.5m以上就出現(xiàn)配筋率過高、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大等問題。綜合考慮，西側(cè)雙排樁懸臂支護(hù)8.4m，樁頂6.9m高度在開挖期間為卸土高度，雙排樁內(nèi)部及墻背采用水泥土攪拌樁地基改良，坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體采用水泥土攪拌樁加固。后期在雙排樁頂澆筑5.65m高與樁同寬的鋼筋砼空箱結(jié)構(gòu)，以減少回填土壓力。最后形成永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖，如圖5所示。

目前基坑已經(jīng)開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，基坑頂最大水平位移12mm，群賢路路面最大豎向沉降20mm，基坑變形值較小且趨于穩(wěn)定，基坑支護(hù)效果良好。

5 抗浮與防水設(shè)計(jì)

該工程南側(cè)局部離海邊最近的距離不到200m，根據(jù)地勘和施工開挖發(fā)現(xiàn)，地下水與海水有直接的水力聯(lián)系。擬建場(chǎng)地所處位置及近年來當(dāng)臺(tái)風(fēng)遇天文大潮時(shí)，廈門大學(xué)校園內(nèi)出現(xiàn)海水倒灌，海水淹沒校園較多區(qū)域，特別是2015年9月份受臺(tái)風(fēng)“杜鵑”的影響，本場(chǎng)地所處區(qū)域大部分地區(qū)浸水50mm左右。而該工程主體大部分位于地面以下，且場(chǎng)地東、西、南三側(cè)頂板均為開口段，場(chǎng)地東側(cè)剖面，如圖3所示。地下室頂板中部分布較多樓梯和采光井、通風(fēng)口，處理不慎極易造成海水倒灌涌入地下室。同時(shí)該工程主體工程為2層地下室，基本無上部結(jié)構(gòu)壓重，抗浮設(shè)計(jì)水頭高度14.5m，因此抗浮與防水設(shè)計(jì)是該工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

根據(jù)地勘報(bào)告：“考慮本工程地下室抗浮設(shè)防水位建議按歷年最高潮位4.50m(1985國家高程基準(zhǔn))考慮”。結(jié)合廈門輪渡碼頭地下室和廈大周邊地下室防水設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為確保該工程在天文大潮下不被海水倒灌，該工程抗浮設(shè)計(jì)水位確定為4.80m(1985國家高程基準(zhǔn))，所有地下室頂板開口段，出入口處地面標(biāo)高均不低于4.80m。

場(chǎng)地北側(cè)基坑支護(hù)為臨時(shí)支護(hù)，地下室外墻墻厚取500mm；場(chǎng)地東、西、南三側(cè)為永久性基坑支護(hù)，圍護(hù)樁外側(cè)4.5m寬范圍內(nèi)做止水帷幕，結(jié)合300mm厚地下室外墻防水，節(jié)點(diǎn)做法詳見圖6。

根據(jù)地勘報(bào)告，場(chǎng)地西北角和中部中風(fēng)化花崗巖層埋深較大，該區(qū)域采用旋挖樁基礎(chǔ)，樁徑1 200mm，有效樁長12m～20m，單樁抗拔承載力特征值取2 000kN；其他區(qū)域中風(fēng)化巖面埋深較淺，在底板標(biāo)高處，地基土為全風(fēng)化花崗巖或砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化巖，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)加抗浮錨桿，錨桿孔徑180mm,錨桿長度6m～12m，錨桿抗拔承載力特征值為250kN。

采用旋挖樁與抗浮錨桿結(jié)合的基礎(chǔ)，旋挖樁可與圍護(hù)樁同步施工，工程樁與圍護(hù)樁在3個(gè)月內(nèi)完工。后期可根據(jù)后澆帶位置，分塊開挖土方施工抗浮錨桿，兩種工序穿插進(jìn)行，加快施工進(jìn)度。

6 (裝配箱)現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋設(shè)計(jì)

該工程地下一層夾層、地下一層、地下二層層高分別為4.10m、3.40m、5.05m?？鄢O(shè)備高度，地下室頂板預(yù)留給結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高度僅350mm，地下一層夾層、地下一層預(yù)留給結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高度僅450mm。地下室頂板采用大板+主梁樓蓋體系，頂板板厚350mm，主梁梁高650mm～750mm，主梁上反至板底平；地下一層夾層和地下一層樓板擬采用現(xiàn)澆空心樓板體系。

目前，空心樓板主要有裝配箱空心樓蓋和薄壁方箱空心樓蓋兩種體系。裝配箱混凝土空心樓蓋是由預(yù)制箱體與現(xiàn)澆混凝土肋梁結(jié)合形成梁板合一的整體；預(yù)制箱體由預(yù)制的鋼筋混凝土頂板、底板及由硬質(zhì)材料制作的側(cè)壁筒3個(gè)部件組裝而成[3]。裝配箱空心樓蓋結(jié)構(gòu)剖面如圖7所示：

薄壁方箱空心樓蓋是在現(xiàn)澆混凝土樓板內(nèi)置薄壁箱體組成的樓蓋體系，薄壁箱體是由聚苯與玻璃纖維網(wǎng)布制成或塑料制成。薄壁方箱空心樓蓋結(jié)構(gòu)剖面如圖8所示。

裝配箱空心樓蓋和薄壁方箱空心樓蓋兩種體系對(duì)比，如表1所示。

表1 裝配箱空心樓蓋和薄壁方箱空心樓蓋對(duì)比表

綜上所示，該工程地下一層夾層、地下一層樓板采用裝配箱空心樓蓋。箱體底板厚度≥40mm,箱體頂板厚度≥20mm，箱體底板四周設(shè)剪力齒，剪力齒間距100mm。頂部現(xiàn)澆層樓板厚度80mm，肋梁截面尺寸150mm×450mm。結(jié)構(gòu)斷面如圖9所示 。

計(jì)算采用上海佳構(gòu)STRAT6.0建筑結(jié)構(gòu)軟件，采用有限元直接設(shè)計(jì)法進(jìn)行豎向荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算，在豎向均布荷載作用下柱支承樓蓋按彈性分析得到的樓蓋內(nèi)力，在每個(gè)方向上正負(fù)彎矩之間調(diào)幅均不超10%。箱體的頂板或底板可作為肋梁的受壓翼緣參與工作，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)，將肋梁視為工字形截面，上、下翼緣的寬度為肋梁寬度與12倍翼緣厚度之和。樓蓋區(qū)與框架柱的節(jié)點(diǎn) 采用實(shí)心現(xiàn)澆柱帽，尺寸2.5m×2.5m。樓蓋節(jié)點(diǎn)受沖切承載力計(jì)算和構(gòu)造要求應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010相關(guān)規(guī)定，節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)受剪承載力的計(jì)算和相關(guān)設(shè)計(jì)要求應(yīng)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011》的規(guī)定，并應(yīng)驗(yàn)算樓蓋的撓度和肋梁、框架梁的裂縫寬度。

7 超長結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該工程地下室平面尺寸為238mx203m，長度遠(yuǎn)超《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)[2]第8.1.1條的要求，屬超長結(jié)構(gòu)地下室。底板厚度800mm～1 000mm，屬大體積混凝土。為防止混凝土溫差變化和混凝土收縮效應(yīng)造成的開裂，該工程采取如下措施：

(1)設(shè)置后澆帶，后澆帶間距<55m。共計(jì)X方向設(shè)置3條后澆帶，Y方向設(shè)置4條后澆帶，整個(gè)平面劃分為22個(gè)區(qū)塊。

(2)大體積砼澆筑宜采用分段、分層施工，每層厚度約500mm～700mm。砼要求全部振搗到位，避免漏振、欠振、過振，控制振搗時(shí)間，使砼開始返漿和冒氣泡為準(zhǔn)；插點(diǎn)間距為300mm～400mm，插入到下層尚未初凝的混凝土中約50mm～100mm，保證接合面的砼密實(shí)。砼表面處理應(yīng)進(jìn)行二次收漿壓實(shí)，排除砼收水裂縫。

(3)采用低水化熱水泥，并在保證強(qiáng)度前提下，適度摻加粉煤灰(粉煤灰應(yīng)符合二級(jí)品的要求)，以增加和易性及減少水泥用量。地下室底板梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用60天強(qiáng)度指標(biāo)。

(4)地下室頂板因長時(shí)間暴露在外,受天氣等環(huán)境因素影響大，常出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。地下室頂板后澆帶封閉后，應(yīng)及時(shí)覆土回填，覆土層厚度1.5m～1.8m。

(5)提高樓板配筋率，頂板、底板采用雙層雙向配筋，且每層每個(gè)方向的配筋率不小于0.25%，鋼筋選用細(xì)而密，有利于控制裂縫。

(6)場(chǎng)地東側(cè)為地下室開口段，該部分地下室頂板梁、板為露天結(jié)構(gòu)，受溫度變化影響較大，對(duì)該部分樓板計(jì)算溫度應(yīng)力作用。采用PMSAP計(jì)算溫度作用,根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB5009-2012》廈門市基本氣溫最高35℃，最低5℃，溫度計(jì)算作用時(shí)，結(jié)構(gòu)初始平均溫度取值為：TO,min=10℃，TO，max=20℃。施工時(shí)要控制后澆帶澆筑合攏時(shí)的溫度，盡量減小合攏溫度與低溫時(shí)的溫差，溫度控制在10℃～20℃之間。

依據(jù)圖10、圖11，計(jì)算所得樓板最大壓應(yīng)力480kPa,即0.48MPa，遠(yuǎn)小于樓板的混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=19.1 MPa。樓板最大拉應(yīng)力600kPa,即0.60MPa，需設(shè)置溫度應(yīng)力筋抵抗溫度變化產(chǎn)生的拉應(yīng)力，板筋為正常使用下的板筋面積和溫度作用下的附加板筋面積疊加后配置?？紤]降溫作用下的最大拉應(yīng)力為600kN/m2,全部由板筋承擔(dān)，每米寬度內(nèi)折算為板筋為292mm2,即跨中板面配置的通長鋼筋不小于292mm2,；支座及板底跨中處，考慮溫度作用的組合系數(shù)0.6后為175mm2，正常使用下的板筋面積與溫度作用下的附加板筋面積(175mm2)疊加配置，支座處實(shí)際配置為通長鋼筋+附加筋。

8 結(jié)論

(1)該工程體量大、施工工期短、場(chǎng)地條件復(fù)雜、與周邊建筑關(guān)系緊密，設(shè)計(jì)與施工組織設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮建筑功能、施工速度、結(jié)構(gòu)安全等，達(dá)到綜合效益最大化。

(2)基坑支護(hù)應(yīng)緊密結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件，分區(qū)塊采用永久性支護(hù)和臨時(shí)性支護(hù)，確保基坑支護(hù)的安全。

(3)該工程毗鄰海邊，設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮海水倒灌措施，并對(duì)工程的防水設(shè)計(jì)和抗浮設(shè)計(jì)細(xì)致考慮。

(4)裝配箱混凝土空心樓蓋具有節(jié)約層高、減少結(jié)構(gòu)自重、施工速度快、施工質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，在非防水部位的地下室樓蓋中應(yīng)用有較明顯的優(yōu)勢(shì)。

(5)超長結(jié)構(gòu)地下室設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮抗裂措施，并對(duì)溫差較大的區(qū)域計(jì)算溫度應(yīng)力。

[1] 全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施，結(jié)構(gòu)(地基與基礎(chǔ))[S].中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.2009.

[2] GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] JGJ/T 207-2010 裝配箱混凝土空心結(jié)構(gòu)樓蓋技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

Structural Design of Visitor Center in Xiamen University

CHENYuehui

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co, Ltd. Xiamen 361004)

The visitor center locates in Xiamen University, a lot of difficulties exist in the its structural design, such as thick silt layer, deep excavation, high anti-float water level, super-long crack resistance. A series of measures have been adopted to resolve these difficulties, the measures include rational determination of structural system and supporting scheme, foundation pit supporting and main body structure connected water proof system, rotary pile and anti floating anchor combined anti-float scheme. For the super -long structural member, in order to resist the crack, the post pouring belts have been set, the open section floor section’s temperature stress has been calculated. What’s more, the assembly box concrete hollow floor has been designed to assure the floor’s net height for the basement,to maximize the comprehensive benefits.

Retaining and protection for excavations; Anti-float design; Super-long structure；Assembly box concrete hollow floor

陳躍輝(1977.10- )，男，高級(jí)工程師。

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2016-08-08

TU318

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1004-6135(2016)11-0039-06