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1、集装箱堆场铺面结构设计方法及其存在的主要问题集装箱堆场铺面结构设计方法及其存在的主要问题王守忠随着我国交通运输事业的不断发展,集装箱运输已在我国一些港口相继出现,而且应用范围也愈来愈广.根据集装箱码头装卸工艺要求,集装箱堆场除承受各种重型车量产生的动荷载外,还将承受很大的集装箱箱脚产生的集中静荷载(操作不慎也可能是冲击荷载)在一般情况下,港口地基又多为淤泥质土或吹填土,土质松软,所以,集装箱堆场的铺面结构断面较厚,耗费材料多,单方造价较高.由于一个集装箱泊位的堆场面积大多在1O万平米以上,所以建造集装箱码头堆场所需的投资很大,一般约占总投资的10-25%(不包括地基处理).例如,新港第四港池集
2、装箱堆场面积为18万多平方米,投资为2400多万元,约占该集装箱泊位总投资的9.0%左右如果设计不当,不但增加投资而且还会带来维修费用高,翻修不便,影响生产等一系列不良后果(据有关资料介绍,码头铺面年维修费用约占码头营运收入的5%25%).虽然,码头铺面结构已开始受到港口工程界的重视,但是,目前码头铺面工程尚无准则规范可循,而且基础理论也不统一,因此,探讨这方面的课题具有重大的现实意义.下面简要论述集装箱堆场的各种铺面结构型式,特点,设计方法和存在的主要问题.一.荷载作用在集装箱堆场铺面上的荷载主要有集装箱箱垛荷载,装卸机械车辆荷载,拖挂车的支轮等荷载.(一)集装箱荷载在港口中通常使用的集装箱
3、主要有两种规格,其尺寸和重量见表1.高度宽度长度最大重量额定重量名称备注(毫米)(毫米)(毫米)斤)(长吨)2438243812192壳称40英lA3048030(8)(81加1尺243824386058壳称20英.1C2032020侣1(8)(203尺在各个集装箱下底面四角处,设有箱角支承铸件,该箱角铸件突出箱底12.5毫米,当集装箱满载时,箱底纵横粱将产生6毫米的变形(允许挠度值).箱角铸件的一1一平面尺寸为:178mm162mm(165mm150ram).见图1.由于集装箱在堆场上堆放时仅箱脚四角铸件着地,因此对堆场铺面产生很大的集中荷载.表2给出按不同集装箱堆垛层数时的箱角荷载值.尉目
4、图l2O英尺箱20英尺箱层数(吨)(吨)57.5一l015.O=I522.5四2030.0作用在堆场上的集装箱堆垛平均荷载,当堆放三层时,最大为45吨/平米.从以上数据可以看出,集装箱箱垛荷载的特点是,施加在堆场铺面上的集中荷载甚大,接触应力很高,但平均荷载并不大.(=)车辆荷载1.集装箱堆场上使用的装卸机械及其荷载通常有以下几种,可根据装卸工艺要求,选用相应的车辆荷载.见表3.车辆名称荷载跨运车轮压1O12吨,压强710公斤/厘米轮胎式龙门起重机.轮压253O吨有轨式龙f1起重机轮压4O50吨正向叉车轴重60-:-90吨压强78公斤/厘米侧向叉车轮压132O吨,压强89公斤/厘米拖挂车轴重l
5、013吨,压强5公斤/厘2l挂车支轮停车时,挂车前部支在两个支腿上,支腿底部各有两个直径为225毫米,宽88毫米的刚质支轮.挂车满载时的总轮荷载为l4吨,假定没有贯人深度,接触应力可达408公斤/厘米,一般码头铺面是难以承受的.因此,有的挂车用枢轴支板取代钢质支轮,这样接触面积大为增加,一般宽150毫米,长225毫米,装载同样的重量,其接触应力将大大降低.而且,用支轮时铺面一般会留下5O毫米深的刻痕,而用枢轴支板时,铺面不留痕迹.3.侧叉车支腿为了维持稳定,侧叉车在提升集装箱时,必须放下一排千斤顶作为支腿.当处于最大工作半径时,由于悬臂大,这些支腿需要承受车重和最大载重时组和重量的7O%.车型
6、不同,千斤顶的数目也不一样,接触应力一般为O.41.3牛顿/毫米这种支腿压力虽然较支轮产生的压力小,但由于千斤顶支承板总是支承在同一位置上,故对较软的堆场铺面仍产生一定的破坏.(三)存在的问题1.集装箱实载率集装箱在堆场上是严格按照周定位置存放的,当堆放三层箱时,对某一点最不利的荷载情况是12个箱子全部满载,用此四个箱角中心点处的集中荷载来分析堆场铺面结构的应力,并选取铺面厚度.根据国外统计资料表明,集装箱达到满载的比倒较少,完全满载并达到最大荷载的集装箱且彼此叠放在一起的机率就更小,因此采用折减系数予以折减.国外有关资料介绍,当堆放一层集装箱时,实载率为1.0,二层集装箱时实载率为0.9,三
7、层集装箱时实载率为0.8,四层集装箱时实载率为O.7,五层集装箱时实载率为0.6.下面表4给出40英尺集装箱三种码垛方式,堆放l5层时的最大荷载和接触应力的数值.毛重折减系数接触应力按不同排列方式作用在铺面上的荷载箱垛层数(吨(%)牛顿/毫米公斤/厘米平面单个堆放平面成列堆放平面成块堆放1o2.592646215.2430.4821o4.6747.613:7227.7354.863206.2263.4t8.2936.s873.154307.257342l_3442.7285.345407.7779.322.8645.729l_44在表5中,给出近几年我国新建或改荷载值.建的几个集装箱码头所采用
8、的集装箱箱垛单箱重量不均匀系铺面上的接触应力设计港口名称箱垛层数实载率冲击系数备注(吨)数荷载(吨)忪斤/厘米).时间,天津新港三港池30403l_0o091上92.124o英尺箱1978上海十区5Ol2o.3231.01.1l_494.o94.95201975黄埔二期30483o8o1.4102.498.2o401981上海十区4Ol30.oo31.00090.o90.91401978上海九区30.oo3080o72.o7273401980青岛八号码头30.4038oo73.1573.7401982天津新港四港池30.4030.8oo73.1573.7401982由上可见,我国目前由于缺乏大
9、量的集装箱实载率的统计资料,所以还没有制一3一定统一的折减标准,但这将对铺面厚度有较大应响,虽然各单位已有所认识,并在1981年集装箱码头堆场设计交流会上,基本同意折减:当集装箱堆高15层时,其实载率分别为1.0,0.9,0.8,0.7,和0.6,且不在考虑冲击系数和不均匀系数但是还应及早制定部颁标准.2.冲击系数车辆在公路上行驶时,因路面不平整车辆将发生冲击和震动,致使车辆荷载比静荷载增大,因此在公路路面设计规范中规定,设计路面厚度时,对设计荷载应乘以冲击系数1.11.2.但是集装箱堆垛时因受操作规程的限制,且最不力的箱脚荷载又是在堆放最高层的箱子时出现,因此不会产生汽车在公路上行驶时的冲击
10、和震动,所以不应再考虑冲击作用.致于均匀系数,也应明确其含义并作出规定.3.集装箱底纵横梁着地问题集装箱箱脚与箱底纵横梁之间有l2,5毫米的间隙,但是集装箱受荷载后纵横梁将产生6毫米的变形,因此箱底纵横梁与堆场铺面间仅有6.5毫米的空隙,当集装箱堆场铺面稍有不平,则箱底纵横梁即与铺面接触.尤其是沥青类铺面结构,夏季气候炎热,沥青面层容易变软,箱角支承铸件板易压人堆场铺的表层.从调查国内外集装箱堆存情况看,实际上箱底纵横梁着地情况是普遍存在的,因此集装箱箱角荷载并非真正的集中荷载,而逝沿着箱底纵横梁重新分配扩散.所以应深入研究它在铺面上的分布规律,定出接近实际情况的计算图式,这对铺面结构断面,也
11、将产生较大影响.4.设计荷载及其组合问题过去我们在设计集装箱堆场铺面结构时,其设计荷载是根据装卸工艺确定的堆存情况和使用的流动起重运输机械,按其最不利的荷载进行组合.而日英等国则基-4-本上采用车辆荷载作依据.如日本根据车辆一个轮(或一个支腿)的最大荷载,接触地面的面积和接触压力等三个因素,将车辆荷载分为六大类,对于不同的铺面结构,如沥青类铺面,现浇混凝土铺面等分别制定了设计荷载.我国港口工程技术规范中尚缺乏该项内容,因此应制定统一的设计荷载标准及其组合原则.由于设计条件的不同,设计结果则相差较大,如我国天津上海等港口,集装箱码头都采用过现浇混凝土铺面,其铺面结构厚度就有差别,若按国外的荷载取
12、值及其计算方法,则相差更大.当然除设计荷载上的差别外,尚存在计算方法上的不同,但首先必须统一设计荷载,使其标准化,规格化.二.集装箱堆场铺面的种类及设计方法由于集装箱堆码方式的不同,也就是用于拆码垛的机械选型和布置的不同,对集装箱堆场铺面的要求也不一样.如跨运车装卸工艺方案,因为跨运车几乎要在堆场上到处行走,所以要求堆场铺面都需平整,而轮胎式集装箱龙门起重机和底盘车装卸方案,由于起重运输机械在规定的道路上行走,故仅对该部份铺面的平整度有较高的要求,所以应根据不同的装卸工艺要求,合理地设计铺面结构.(一)现浇混凝土铺面现浇混凝土铺面包括无筋混凝土和刚筋混凝土两种,属刚性铺面结构.它们强度高,水稳
13、性,热稳性均较好;表面光滑,耐磨性能好,抗油蚀耐高温,在强大的荷载作用下不会出现波浪起伏的变形;使用寿命长,维修费用少.但其缺点是对路基要求高,路基不均匀沉降会引起面层破损;建造的纵横向温度缝,在铺面中形成内在弱点;需用大量的水泥和一定数量的钢材;建设费用高,铺面损胡;后翻修较困难.混凝土板下一般需铺设1020厘米厚的基层,可采用泥结碎石,级配砾石,石灰石,工业废渣,水泥土等材料的基层结构.混凝土铺面结构,一般都把它看成为弹性地基上的弹性板,按照弹性力学的簿板理论进行应力分析见(图2假定板是均匀的,各向同性的,在荷载作用下,板底面和地基表面吻合而且无摩阻,板没有压缩变形)板绕曲面的微分方程为:
14、-EI式中圈2DVV()=p)一q(x)(1)v=+鲁JXv拉普拉斯算子;D:板的园柱刚度12(1一)式中:k她基反力系数.按照威斯特卡德(Westcrgard)求得的三种点型荷载情况(见图3)计算板中应力W(x,y卜板的挠度,也即地基表面的沉降;p(x,Y卜板上作用的荷载;式中q(x,YH电基反力jE.凝土的弹性模量和泊松比;h_板厚.一般均采用文克勒(E.Winkled假设,即图31.荷载作用在板中时zsc+培景2.荷载作用在板边缘时3.荷载作用在板角时max:【1h一(I_二半)(,R)(5)Ehd板的最大弯拉应力;P_车辆荷载;R轮迹面积当量园半径;H电基反力系数;h板厚;E,混凝土的
15、弹性模量和泊松对于厚板,以上公式尚应进行修正.一5一H培+OOJJ一附由于地基反力系数假说不符合实际情况,因之有人把地基假定为均质,连续和各向同性的弹性半空间俸霍格式中(A_H.A.Hogg)根据半空间体假说,对轴对称荷载下,弹性半空间体地基上半径为无限大园板的位移作出理论解答.下面给出两种特定荷载情况下,单位宽度内所产生的辐向弯矩和切向弯矩:4.园形均布荷载作用在板中时的情况(见图4)4M.,=M.=5.集中荷载作用下的情况(见罔5)Q,(+)PP作用在板上的车轮荷载;R园形均布荷载的半径;a顿体弹性特征数,即_._._一=1/6E(o卜(1_#2)h1(1_)_集中荷载作用点至求算弯矩点之
16、间的距离;E,E.一一混凝土和地基的弹性模景;,0混凝土和地基的泊松比;h板厚度C-随aR值而变的系数,即圈5MaHUB)P一6一c=jj.tJ1(aRt)J,(aRt)一一第一类一阶贝塞尔函A,B髓ar值而变的系数,即=.=31(art)art岳I4-,JJ0(aRt)一一第一类零阶贝塞尔函数;t_任意参变量.上面所称的无限大园形簿板,应符合下列条件:=s鲁等c式中:S-板的目q性指数;_一一与板面积相等的园形板的半径;对于公式(7),(8)还必须满足荷载中心点与板边距离大于1.5/a的条件.以上所得的弯矩,只是板中部受荷的情况,当荷载作用在板边或板角时所产生的弯矩,目前在理论上还没有很好解
17、决,一般乘以大于1的边角弯矩换算系数.6.存在问题(1)剐性混凝土铺面的应力计算方法已如前叔即对于地基有二种假定,一为文克勒假定,q(x,y)=kw(x,y),一为弹性半空间体假设;对于混凝土板体,则为弹性簿板理论.但是当集装箱堆场铺面的板厚较大时,则应采用厚板理论分析以上两方面均应作出规定.(2)采用文克勒地基模型时的地基反力系数k及采用弹性半无限地基模型时的地基弹性模量,都应规定其试验方法和取值.集装箱码头堆场的土基,一般都比较软弱,需要进行加固处理,以消除不均匀沉降引起的不良后果,因此需定出控制指标.总之,地基设计参数应予规定.(3)设计荷载在板内产生的最大计算应力与混凝土28天的设计强
18、度或混凝土的持久强度间,应定出设计标准.由于作用在堆场铺面上的集装箱箱脚荷载与起重运输机械荷载,两者对铺面的破坏特点是不相同的,所以应采用不同的设计标准.对于活动荷载的情况,在公路水泥混凝土路面设计规范中有如下的设计标准:式中-(O-944一O.0771ogN)(11).设计荷载在板内产生的最大计算应力;.混凝土28天的设计抗折强度;N标准设计荷载的作用次数.公式(11)能否甩于集装箱堆场和标准荷载作用次数N如何取值,都需研究确定.应当指出,由于目前我国还没有制定集装箱场堆的设计规范,因此以往设计时参考了公路路面设计规范和工业建筑地面设计规范等.路面规范以弹性地基上的无限大板的理论为依据,而地
19、面规范则运用了极限平衡理论,两种规范的计算也存在较大差别,并且堆场铺面与公路路面或工业地面又存在很大不同,因而有不少问题急待解决.(二)沥青类铺面目前我国基本上不采用这类面层做集装箱堆场铺面,日本应用较广泛.这种铺面造价较地,施工方便;表面光滑平坦无缝隙,容易清扫;具有很好的刹车阻力,边使用边沉降,对土基的不均匀沉降有一定适应性,施工后养护时间短可立即通车维修也较容易.但其缺点是在很大的轮压荷载和箱角处很高的接触应力作用下,长期负荷产生较大的局部变形,往往会产生严重的辙痕和凹痕;箱角铸件压人铺面的表层,从而使箱底纵横梁着地,所以大多数沥青铺面上都遭受这种压伤而留下12毫米左右的刻痕.底盘车支腿
20、处也会出现凹陷现象.这些压痕在寒冷地区易受冰霜侵袭而破坏,甚至损坏垫层.夏季高温,表面容易软化,沥青材料的有效刚度或强度将降低,耐久性较差;液压油污染将会引起化学反应,使沥青逐渐溶解而产生塑性破损,因此,采用这类铺面结构型式时,一定要注意沥青的选择,机械作业方式集装箱堆放情况等,以便延长使用年限.为克服上述缺点,有的国家研制特种沥青混合料,如环氧沥青等,做成一种半刚性耐磨层,以抵抗由于温度,油污染和压人等原因而产生的破坏,但造价很高.结构型式为面层,底面层和基层.一般面层厚度为75100毫米,结构总厚度可达300500毫米,如图6所示.囊牦屉工.a._二三二二_二=约1630Cm).6日本,美
21、国和欧洲的许多港口,采用沥青混凝土面层,其断面为l00l50毫米厚面层,基层总厚度为650730毫米,如图79所示.l蛹青奠ll青囊土痒石,.?.毒矿蠹o.图7神户港集装箱堆场I氍嘶青*t碎石-.曩台矿蠹.?:-.L图8大阪南港集装箱堆场一8一一般来说,堆场铺面设计,可以分为结构设计与厚度计算两大部份.结构设计的任务是选择结构层种类,拟定结构组合,提出对材料和施工的要求.它的主要内容是面层设计,基层设计,垫层设计,结构组合设计等.设计的步骤是先做结构设计,然后进行断面厚度计算.设计的一般原则是因地制宜,就地取材,施工方便,在满足使用功能的条件下,具有足够的强度和稳定性,并日经济合理.自糠好头石
22、黼?.图9奥克兰港集装箱堆场目前我国尚未制定集装箱堆场铺面设计规范,在现行的公路柔性路面设计规范中,设计路面厚度,以表面回弹弯沉为主要设计指标,要求:ll<lR式中:1在标准车作用下,路面计算最大回弹弯沉;l路面容许回弹弯沉.日本采用沥青类集装箱铺面较多,时间较长,巳制定出设计方法,简要介绍如下:首先将各种计划车辆的荷载.通过公式(12)求出换算轮荷载.使铺面厚度最大的荷载则称为换算设计轮荷载.P:5(12)缸十式中:P设计轮荷载;N=ZNN.各种轮荷载在设计使用期间的重复次数;P.=(-)换算系数;JP各种计划车辆的轮荷载.其次是确定设计CBR.路基是决定路面厚度的基础,路基的强度根据
23、CBR试验制定,并按照规范定出设计CBR值最后,按照公式(13),(14)计算沥青铺面结构厚度(13)(14)式中:H铺面总厚度;丁A等值厚度;P设计轮荷载;cBR根据试验求出路基土的设计CBR.另外,还要根据CRB定出路基需要置换或处理的要求.存在问题:1.需要规定设计使用期,并进而定出在此期问内的设计荷载的计算方法.2苍许回弹是路面整体强度的主要设计指标,它是通过在已经使用了若干年的路面上,用标准车测定处于各种不同外观状态的回弹弯沉,建立外观状态与弯沉关系,并考虑使用,养护等要求以及政治经济意义而综合确定的而且容许弯沉的大小与通过的交通量及其车型组合有密切关系.所以若参照公路柔性路面设计方
24、法,则必须经过认真调查研究,深入分析,才能正确地定出容许回弹弯沉值.3.总之,应该结合集装箱运输和堆存特点,确定适合于集装箱堆场的柔性铺面结构设计理论和计笋方法若运用弹性层状体系理论计算沥青铺面厚度,也还有一些问题有待进一步探讨完善.对于材料的种类质量,施工等也应有所要求.(三)予制混凝土小块混凝土块料铺面系由高强水泥混凝土予制块铺砌而成.这类铺面最早出现在欧洲,六十年代中期在中美,南美得到广泛应用,七十年代引入英国,北美和日本.由于混凝土块料铺面具有极好的经济性和耐久性,近二十年来在世界各地得到迅速普及.近年来,欧洲国家把这种予制高强混凝土小块用于集装箱码头铺面,块体的平面尺寸为100200
25、毫米,一般常用厚度有60,80,和100毫米.用高强混凝土(35天强度约为500kg/cm),制成,由工厂的专门机械进行生产,由人工进行铺砌.铺砌之前,在块体下面先铺一层5065毫米厚的砂垫层.块体之间为23毫米的间隙,用砂粒填充,以防止单个块体移动.长方形块体一定要铺砌成人字形.为了使块体具有较好的咬合作用,常做成特殊形状的块体,这种块体可以顺砌,其长轴与车行方向一般约成9o.角,或铺成人字形(见图l0,图l1).铺好块体后,用平板振动器加以振动,使其平整并使砂粒进入块体之间的缝隙,使块体咬台而成一整体.9I善一一一一=.口盟口圈l0田l1结构型式一般包括下垫层,上垫层,砂垫层及表面的高强度
26、混凝土予制小块.这种铺面既有刚性铺面的优点(高的结构强度和表面耐久性),又具有柔性铺面的特点(能适应较大的沉降,容易翻修,大部分块体还能重复使用).但这种铺面的平整度较差,沉降产生后地面凹凸不平,排水紊乱,加大运输机械的维修量等,这是它的特点.予制混凝土块料铺面,传人我国的时间不长,对它的研究工作尚属起步阶段.下面简要介绍英国水泥和混凝土协会颁布一10一的设计方法.设计荷载是按标准轴计算,计算出在使用期内,与各种车辆的运转次数相应的总标准轴数.在英国道路规范中,给出了各种土壤在天然含水量条件下压实时的CBR钡j定值,因此可得路基的CBR值.这样就可查规范中的曲线图,得到下垫层和上垫层厚度.下垫
27、层材料可采用粒料,?水泥土,水泥结合料等;上垫层材料一般宜用结合料,但当荷载数大于510个标准轴时,需要采用贫混凝土,密级配的沥青碎石等.砂垫层采用干净的纯砂,其中粉砂和粘土的含量不大于3%,同时留在5毫米筛上的重量不得多于l0%.砂垫层要铺成统一高程,它不仅能起到填平朴齐并使小块间产生咬合作用,而且还能扩散荷载.面层高强度混凝土小方块厚度一般为80毫米.块体应该是耐久的,能抵抗冰冻和盐分等的腐蚀.细骨料应能保证块体不致很快磨损,但又不宜太光滑.铺面平整度的要求是3米最大偏差不得超过l0毫米,相邻块体间的高差应小于2毫米.存在问题是随着混凝土块料铺面的迅速发展,各国学者开展了大量的试验研究和理
28、论分析工作,在结构设计方法方面,目前有经验法,当量厚度法,半经验半理论法和力学分析法.我国刚刚开始在集装箱堆场上使用高强度混凝土小块做铺面结构,应及早开始研究对这类铺面承受荷载的机理,影响其使用性能的因素和结构设计方法,从而制定出施工设计规范.(四).其它类型的铺面结构随着集装箱运输的不断发展,各国集装箱堆场铺面采用的结构型式也逐渐多样化,有独立基础轨道梁结构,予制钢筋混凝土板,碎石铺面等.三.结束语我国开始兴建集装箱码头的时间不长,需要不断地总结经验,并应根据不同的工艺要求,结合当地的地质条件等因素,综合考虑,确定铺面结构型式.在满足使用功能的条件下,尽量节省材料,方便施工,降低造价,因地制
29、宜,选择经济合理的铺面结构.集装箱堆场铺面所承受的荷载比公路路面承受的荷载要大得多,特别是箱脚荷载,施荷面积很小而压强很大.而且集装箱堆场的作业条件又很特殊,集装箱多为定点堆放,装卸机械则是在固定的区域行走.另外,集装箱堆场又常常修建在软弱地基上,容易产生很大的沉降和不均匀沉降,因之造成铺面板的破坏.过去,常常借用公路路面设计方法进行堆堆铺面设计,由于两者存在着较大差别,因而存在不少问题有待解决.本文的目的在于第一希望从事港口集装箱堆场的设计者,注意交流设计经验,试验成果,开展这个课题的探讨;第二更重要的是希望有关领导部门重视这项工作,及早组织收集资料,开展基础理论研究,制定符合集装箱堆场铺面
30、的结构设计方法,使设计施工有章可循.我们做的工作不多,还存在不少问题,希望大家指正.最后,感谢傅长宏高级工程师提供了不少资料.参考文献1.日本道路协会日本沥青路面规范人民交通出版社1980.2.日本港口设施技术标准人民交通出版社1980.3俞颖集装箱码头铺面的设计水运工程1984.12,1985.1.2.3.4膊长宏,陆继楷集装箱堆场的设计方法及其在软基上的结构型式港工技术通讯19805.5.孙立军混凝土块料铺面结构分析同济大学1988.26l石小平集装箱堆场混凝土铺面结构设计方法土木工程1988.5.7.李世华浅谈港区道路路面及码头铺面工程水运工程1988.9.(上接39页)而下游海滩坡度在最大冲刷点以内的沉船掩护区内,由缓(45.)变陡(67.),开敞区内的海滩坡度为45.下游海岸的海滩高程,自沉船起的2.0米逐渐向开敞区附近过渡到3.0米.5.连岛坝形成,沉船为一非完全输沙障碍.沿岸漂沙绕行沉船外侧向下游海岸输送,从此下游海岸接受上游海岸泥沙的充填而冲刷减弱,且日趋夷平,从而达到新的岸线与动力条件相平衡,撮终沉船上下游岸线处于动态平衡之中6.鉴于沉船连岛坝规模较小,而冬季又出现较大的长周期大浪.故当波高大于4.0米时,连岛坝将被断开,大浪过后约20天左右,被断开的连岛坝可再次的塑造完成.注:参考文献(略)
