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1、道路规划与几何设计,同济大学交通运输学院,本章主要内容（4次课）：一、纵断面设计的一般要求（1）二、纵坡及坡长设计（1）三、爬坡车道（1）四、合成坡度（1）五、竖曲线（2）六、纵断面设计方法及表达（3）七、视觉分析及平纵组合（4）,第四章纵断面设计,设计任务：1.纵断面设计，2.拉坡设计，设计成果：1.纵断面设计图，2.竖曲线表,沿着道路中心线竖直剖切开然后展开即为道路路线纵断面，主要反映路线的起伏、纵坡以及与原地面的填挖情况，纵断面设计就是要根据汽车的动力特性、道路等级和自然地形，研究道路起伏的坡度和长度，以便达到安全迅速、经济合理以及舒适的目的。,一、纵断面设计的一般要求,1、满足设计标准
2、2、尽量避免使用极限值3、纵断面和地形协调4、填挖平衡5、满足最小填土高度和排水要求6、桥头和交叉口处应该平缓7、考虑通道和农田的要求,二、纵坡及坡长设计,1、最大纵坡,最大爬坡能力（满载）,D可以查动力特性图（是V的函数）或者按照公式计算(P24，2-18）,2、海拔对纵坡的影响,海拔大于3000米按照表格折减，不小于4%,3%4%的最大纵坡适合于高速公路和一级公路以较高行车速度行驶当高速公路受地形条件或其他特殊情况限制时经技术经济论证最大纵坡可增加1%。8%9%的最大纵坡适合于设计速度为30km/h 的三级公路以及设计速度为20km/h 的四级公路上低速行驶。5%6%7%的最大纵坡适合于8
3、0km/h 60km/h 40km/h 的设计速度。,最大纵坡的总结：A，城市道路为公路按设计车速的最大纵坡-1。B，大、中桥4%C，非机动车 2.5%，2.5%时有坡长限制（表4-12）。D，隧道3%E,海拔：公路：2000m以上，i8%。3000m以上，比正常值减13%。F，高寒冰冻：公路：i8%，城市道路：i6%,3、理想最大纵坡和不限坡长的最大纵坡,V2称容许速度，i2称为不限坡长纵坡。,V1低速路为设计车速，高速路为载重车的最高速度，这是理想状态，i1称为理想最大纵坡。实际上情况并非如此，V1降低，i1可以增加,例4-1,4、最小纵坡,为使道路上行车快速、安全和通畅，希望道路纵坡设计
4、的小一些为好。但是在挖方、低填方路段以及其它横向排水不畅路段，为保证排水需要，均应设置不小于0.3%的最小纵坡，一般使用0.5%。当必须设置平坡（0%）或小于0.3%的纵坡时，其边沟应做纵向排水设计。,5、坡长限制,大于i1为陡坡，汽车减速行驶，初速为V1，终速不低于V2，大于i2的纵坡要限制其长度。（1）最小坡长的限制.行车平顺，避免台阶式起伏。.方便司机换档。.设置竖曲线要求，美观.,(2)最大坡长限制 当汽车在坡道上行驶，车速下降到最低容许速度时所行驶的距离称为最大坡长限制。.上坡时，汽车的动力性能。.下坡的行车安全。大于5%有坡长限制，大于限制坡长应设3%的缓坡。其长度应大于最小坡长。
5、,例4-2,6、缓和坡段,大于限制坡长应设3%的缓和坡段，其长度应大于最小坡长。,7、平均纵坡,某段路线高差与水平距离之比。i平=H/L（%）(1）作用：.衡量纵断面线型质量。.可供放坡定线参考。(2）规定.越岭线高差200500m时，i平5.5%为宜。.越岭线高差500m时，i平5.0%为宜。.任何连续3km内，i平5.5%。.要考虑公路等级影响。,三、爬坡车道,1.定义陡坡路段为载重车上坡行驶所设置的专用附加车道。2.设置条件公路：.高速、一级公路纵坡长度受限制路段（i4%）.V下降到（表4-15）。城道：.快速路及V60km/h的主干道，i5%的路段。.大车V下降，8050、6040.由
6、于上坡路段混入大型车辆的干扰降低适行能力时。.经综合分析认为设置爬坡车道比降低纵坡经济合理时。爬坡车道宽3.5m。,3.爬坡车道横断面设计,P81图4-9,4.爬坡车道横坡设计,P81表4-16,5.爬坡车道平面设计,P82图4-10，表4-17,四、合成坡度,路线在平曲线上的最大坡度纵坡与超高横坡组合后形成的最大坡度，其方向即流水方向。,汽车行驶在道路弯道上，除受坡度阻力外，还受曲线阻力。如果纵坡大而曲线半径小时，由于离心力作用会给汽车行驶造成危险。为防止汽车沿合成坡度方向滑移，应将超高横坡与纵坡的合成坡度控制在一定的范围之内。目的就在于尽可能的避免急弯和陡坡的不利组合，防止因合成坡度过大而
7、引起的横向滑移和行车危险，保证车辆在弯道安全而顺适的行驶。在陡坡与小半经平曲线相重叠时，在条件许可的情况下，以采用较小的合成坡度为宜。在冬季路面有积雪、结冰的地区，自然横坡较陡峻的傍山路段以及非汽车交通比率高的路段，合成坡度必须小于8%，表4-18和表4-19。,在路线的平面和纵坡设计基本完成以后，检查合成坡度。如果超过最大容许合成坡度时，可减少纵坡或者加大平曲线半径以减小横坡，或者两方面同时减小。,无论纵坡还是横坡采用最大值，允许另一方采用不大于2%的缓坡，同时最小合成坡度不宜小于0.5%。在超高过渡的变化处，合成坡度不应设计为0%，当合成坡度小于0.5%时，则应采取综合排水措施，保证路面排
8、水通畅。,用合成坡度临界图或者公式验算最大允许合成坡度。,作业4-3,五、竖曲线,纵断面上两纵坡线交点称为变坡点。在变坡点处，为保证行车安全、顺适以及视距而设置的纵向曲线即是竖曲线。竖曲线可以采用二次抛物线或圆曲线，几乎没有差别，但在设计和计算上二次抛物线比圆曲线方便，但仍以竖曲线半径来表示。,1.竖曲线的要素计算,（1）二次抛物线的基本公式,几个参数：前坡，后坡，坡差,（2）竖曲线要素计算,设计高程计算：,对于凸曲线，设计标高=未设竖曲线时的标高-y对于凹曲线，设计标高=未设竖曲线时的标高+y,X,X,本书的方法,h,以前的方法,X,X,2.竖曲线的限制因素,竖曲线的设计受众多因素的限制，其
9、中有三个限制因素决定着竖曲线的最小半径或最小长度。（1）缓和冲击汽车行驶在竖曲线上时，产生径向离心力。这个力在凹形竖曲线上是增重，在凸形竖曲线上是减重。这种增重与减重达到某种程度时，旅客就会有不舒适的感觉，同时对汽车的悬挂系统也有不利影响，所以确定竖曲线半径时，对离心加速度要加以控制。,（2）时间行程不过短汽车从直坡道行驶到竖曲线上，尽管竖曲线半径较大，如其长度过短，汽车倏忽而过旅客会感到不舒适。因此，应限制汽车在竖曲线上的行程时间不过短，最短应满足3s行程。,（3）满足视距的要求汽车行驶在凸形竖曲线上，如果半径太小，会阻挡司机的视线。为了行车安全，对凸形竖曲线的最小半径或最小长度应加以限制。
10、当汽车行驶在凹形竖曲线上时，也同样存在视距问题。对地形起伏较大地区的道路，在夜间行车时，若竖曲线半径过小，前灯照射距离近，影响行车速度和安全。在高速公路及城市道路上有许多跨线桥、门式交通标志及广告宣传牌等，如果它们正好处在凹形竖曲线上方，也会影响驾驶员的视线。,3.凸曲线最小半径,凸曲线最小长度应以满足视距为主。,（1）LSt（竖曲线长度视距）,（2）LSt（竖曲线长度视距）,按视距,按冲击,作为控制,4.凹曲线最小半径（前灯）,凹曲线最小长度应以满足两种视距要求，前灯和跨线桥的要求。,（1）LSt（竖曲线长度视距）,（2）LSt（竖曲线长度视距）,作为控制,5.凹曲线最小半径（跨线桥）,（1
11、）LSt（竖曲线长度视距）,（2）LSt（竖曲线长度视距）,作为控制,竖曲线最小半径分为一般值和极限值，极限值是汽车在纵坡变更处行驶时为了缓和冲击和保证视距所需的最小半径的计算值。该值在受地形等特殊情况约束时方可采用竖曲线半径一般值是竖曲线最小半径极限值的1.5-2.0 倍。,P77，表4-13，P79，表4-14,6.最小竖曲线长度,最短应满足3s行程,例4-3,作业4-2,六、纵断面设计方法及表达,1.纵断面设计的一般要求,纵断面的设计要求为：保证行车的平顺、安全及汽车运输的经济，使道路建筑费最低，路基和构造物具有足够的稳定性。纵断面设计的具体要求包括：（1）应满足纵坡及竖曲线的各项规定（
12、最大纵坡、坡长限制、坡段最小长度、竖曲线最小半径及竖曲线最小长度等）。（2）纵坡应均匀平顺。纵坡尽量平缓、起伏不宜过大和频繁；变坡点处尽量设置大半径竖曲线，尽量避免极限纵坡值；缓和段配合地形布设腴口处纵坡尽量放缓；越岭线应尽量避免设置反坡段（升坡段中的下坡损失）。（3）设计标高的确定应结合沿线自然条件如地形、土壤，水文、气候等因素综合考虑。（4）纵断面的设计应与平面线形和周围的景观相协调，即应考虑人体视觉心理上的要求，按照平竖曲线相协调及半径的均衡，来确定纵断面的设计线。,（5）应争取填挖平衡，尽量移挖作填，以节省土石方量，降低工程造价。（6）依路线的性质要求，适当照顾当地民间运输工具、农业机
13、械、农田水利等方面的要求。（7）城市道路的纵坡设计及设计标高的确定，还应考虑沿线两侧街坊地坪标高及保证地下管线最小覆土深度要求。一般应使侧石顶面标高低于两侧街坊或建筑物的地坪标高,2.纵断面设计要点,纵断面设计的主要内容是根据道路等级、沿线自然条件和构造物控制标高等，确定路线合适的标高、各坡段的纵坡度和坡长，并设计竖曲线。基本要求是纵坡均匀平顺、起伏和缓、坡长和竖曲线长短适当、平面与纵面组合设计协调、以及填挖经济、平衡。这些要求虽在选、定线阶段有所考虑，但要在纵面设计中具体加以实现。,（1）关于纵坡极限值的运用根据汽车动力特性和考虑经济等因素制定的极限值，设计时不可轻易采用应留有余地。在受限制
14、较严，如越岭线为争取高度、缩短路线长度或避开艰巨工程等，才有条件地采用。好的设计应尽量考虑人的视觉、心理上的要求，使驾驶员有足够的安全感、舒适感和视觉上的美感。一般讲，纵坡缓些为好，但为了路面和边沟排水，最小纵坡不应低于0.3%0.5%。（2）关于最短坡长坡长是指纵断面两变坡点之间的水平距离。坡长不宜过短，以不小于计算行车速度9秒的行程为宜。对连续起伏的路段，坡度应尽量小，坡长和竖曲线应争取到极限值的一倍或二倍以上，避免锯齿形的纵断面，以使增重与减重变化不致太频繁，从路容美观方面也应以此设计为宜。,（3）各种地形条件下的纵坡设计平原、微丘地形的纵坡应均匀平缓，注意保证最小填土高度和最小纵坡的要
15、求。丘陵地形应避免过分迁就地形而起伏过大，注意纵坡应顺适不产生突变。山岭、重丘地形的沿河线应尽量采用平缓纵坡，坡长不应超过限制长度，纵坡不宜大于6%，注意路基控制标高的要求。越岭线的纵坡应力求均匀，尽量不采用极限或接近极限的坡度，更不宜在连续采用极限长度的陡坡之间夹短的缓和坡段。越岭路线一般不应设置反坡。山脊线和山腰线除结合地形不得已时采用较大纵坡外，在可能条件下纵坡应缓些。（4）关于竖曲线半径的选用竖曲线应选用较大半径为宜。当受限制时可采用一般最小值，特殊困难方可用极限最小值。坡差小时应尽量采用大的竖曲线半径。有条件时，宜按视觉要求的最小竖曲线半径进行设计。,（5）关于相邻竖曲线的衔接相邻两
16、个同向凹形或凸形竖曲线，特别是同向凹形竖曲线之间，如直坡段不长应合并为单曲线或复曲线，避免出现断背曲线，这样要求对行车是有利的。相邻反向竖曲线之间，为使增重与减重间和缓过渡，中间最好插入一段直坡段。若两竖曲线半径接近极限值时，这段直坡段至少应为计算行车速度的3s行程。当半径比较大时，亦可直接连接。,3、纵断面设计步骤,（1）准备工作：纵坡设计（俗称拉坡）之前在厘米绘图纸上，按比例标注里程桩号和标高，点绘地面线，填写有关内容。同时应收集和熟悉有关资料，并领会设计意图和要求。（2）标注控制点：控制点是指影响纵坡设计的标高控制点。如路线起、终点，越岭哑口，重要桥涵，地质不良地段的最小填土高度，最大挖
17、深，沿溪线的洪水位，隧道进出口，平面交叉和立体交叉点，铁路道口，城镇规划控制标高以及受其它因素限制路线必须通过的标高控制点等。山区道路还有根据路基填挖平衡关系控制路中心填挖值的标高点，称为“经济点”。（3）试坡：在已标出“控制点”、“经济点”的纵断面图上，根据技术指标、选线意图，结合地面起伏变化，本着以“控制点”为依据，照顾多数“经济点”的原则，在这些、点位间进行穿插与取直，试走出若干直坡线。对各种可能坡度线方案反复比较，最后定出既符合技术标准，又满足控制点要求，且土石方较省的设计线作为初定坡度线，将前后坡度线延长交会出变坡点的初步位置。,（4）调整：将所定坡度与选线时坡度的安排比较，二者应基
18、本相符，若有较大差异时应全面分析，权衡利弊，决定取舍。然后对照技术标准检查设计的最大纵坡、最小纵坡、坡长限制等是否满足规定，平、纵组合是否适当，以及路线交叉、桥隧和接线等处的纵坡是否合理，若有问题应进行调整。调整方法是对初定坡度线平抬、平降、延伸、缩短或改变坡度值。（5）核对：选择有控制意义的重点横断面，如高填深挖、地面横坡较陡路基、挡土墙、重要桥涵以及其它重要控制点等，在纵断面图上直接读出对应桩号的填、挖高度，用“模板”在横断面图上“戴帽子”，检查是否填挖过大、坡脚落空或过远、挡土墙工程过大、桥梁过高或过低、涵洞过长等情况，若有问题应及时调整纵坡。在横坡陡峻地段核对更显重要。（6）定坡：经调
19、整核对无误后，逐段把直坡线的坡度值、变坡点桩号和标高确定下来。（7）设置竖曲线：拉坡时已考虑了平、纵组合问题，此步根据技术标准、平纵组合均衡等确定竖曲线半径，计算竖曲线要素。,4、纵断面设计注意事项,（1）设置回头曲线地段，拉坡时应按回头曲线技术标准先定出该地段的纵坡，然后从两端接坡，应注意在回头曲线地段不宜设竖曲线。（2）大、中桥上不宜设置竖曲线，桥头两端竖曲线的起、终点应设在桥头10m以外，参考图5-2-2。（3）小桥涵允许设在斜坡地段或竖曲线上，为保证行车平顺，应尽量避免在小桥涵处出现“驼峰式”纵坡，见图5-2-3。（4）注意平面交叉口纵坡及两端接线要求。道路与道路交叉时，一般宜设在水平
20、坡段，其长度应不小于最小坡长规定。两端接线纵坡应不大于3%，山区工程艰巨地段不大于5%。（5）拉坡时如受“控制点”或“经济点”制约，导致纵坡起伏过大，或土石方工程量太大，经调整仍难以解决时，可用纸上移线的方法修改原定纵坡线。,七、视觉分析及平纵组合,为保证汽车行驶的安全与舒适，应把道路平、纵、横三面结合作为立体线形来分析研究。平面与纵面线形的协调组合将能在视觉上自然地诱导司机的视线，并保持视觉的连续性。,1平、纵线形组合设计,当计算行车速度大于或等于 60km小时，必须注重平、纵的合理组合；而当计算行车速度小于或等于 40km小时，首先应在保证行驶安全的前提下，正确地运用线形要素规定值（最大、
21、最小值），在条件允许情况下力求做到各种线形要素的合理组合，并尽量避免和减轻不利组合。平、纵线形组合设计是指在满足汽车运动学和力学要求前提下，研究如何满足视觉和心理方面的连续、舒适、与周围环境的协调和良好的排水条件。,1、平、纵组合的设计原则（1）应在视觉上能自然地引导驾驶员的视线，并保持视觉的连续性。任何使驾驶员感到茫然、迷惑或判断失误的线形，必须尽力避免。在视觉上能否自然地诱导视线，是衡量平、纵线形组合的最基本问题。（2）注意保持平、纵线形的技术指标大小应均衡。它不仅影响线形的平顺性，而且与工程费用相关。对纵面线形反复起伏，在平面上却采用高标准的线形是无意义的。反之亦然。（3）选择组合得当的
22、合成坡度，以利于路面排水和行车安全。（4）注意与道路周围环境的配合。它可以减轻驾驶员的疲劳和紧张程度，并可起到引导视线的作用。,2、平曲线与竖曲线的组合（1）平曲线与竖曲线应相互重合，且平曲线应稍长于竖曲线这种组合是使平曲线和竖曲线对应，最好使竖曲线的起终点分别放在平曲线的两个缓和曲线内，即所谓的“平包竖”。图5-5-1为平曲线与竖曲线相互重合的透视形状。这种立体线形不仅能起诱导视线的作用，而且可取得平顺而流畅的效果。对于等级较高的道路应尽量做到这种组合，并使平、竖曲线半径都大一些才显得协调，特别是凹形竖曲线处车速较高，二者半径更应该大一些。,（2）平曲线与竖曲线大小应保持均衡。平曲线和竖曲线
23、其中一方大而平缓，那么另一方就不要形成多而小。一个长的平曲线内有两个以上竖曲线，或一个大的竖曲线含有两个以上平曲线，看上去非常别扭，图5-5-2即为上述两种组合的透视形状。根据德国计算统计，若平曲线半径小1000m，竖曲线半径大约为平曲线半径的1020倍时，便可达到均衡的目的。（3）暗、明弯与凸、凹竖曲线。暗弯与凸形竖曲线及明弯与凹形竖曲线的组合是合理的，悦目的。对暗与凹、明与凸的组合，当坡差较大时，会给人留下舍坦坡、近路不走，而故意爬坡、绕弯的感觉。此种组合在山区难以避免，只要坡差不大，矛盾也不很突出。（4）平、竖曲线应避免的组合。平、竖曲线重合是一种理想的组合，但由于地形等条件限制，这种组
24、合往往不是总能争取到的。如果平曲线的中点与竖曲线的顶（底）点位置错开不超过平曲线长度的四分之一时，仍然可以获得比较满意的外观。但是，如果错位过大或大小不均衡就会出现视觉效果很差的线形。,要避免使凸形竖曲线的顶部或凹形竖曲线的底部与反向平曲线的拐点重合。二者都存在不同程度的扭曲外观；前者会使驾驶员操作失误引起交通事故；后者虽无视线诱导问题，但路面排水困难，易产生积水。小半径竖曲线不宜与缓和曲线相重叠。对凸形竖曲线诱导性差，事故率较高；对凹形竖曲线路面排水不良。计算行车速度40km/h的道路，应避免在凸形竖曲线顶部或凹形竖曲线底部插入小半径的平曲线。前者失去引导视线的作用，驾驶员须接近坡顶才发现平
25、曲线，导致不必要的减速或交通事故；后者会出现汽车高速行驶时急转弯，行车不安全。为了便于实际应用，把平曲线与竖曲线的组合形象地表示为图5-5-3所示。竖曲线的起终点最好分别放在平曲线的两个缓和曲线内，其中任一点都不要放在缓和曲线以外的直线上，也不要放在圆弧段之内。若平、竖曲线半径都很大，则平、竖位置可不受上述限制；若做不到平、竖曲线较好的组合，宁可把二者拉开相当距离，使平曲线位于直坡段或竖曲线位于直线上。,3、直线与纵断面的组合平面的长直线与纵面的直坡线配合，对双车道道路超车方便，在平坦地区易与地形相适应，但行车单调乏味，易疲劳。直线上一次变坡是很好的平、纵组合，从美学观点讲以包括一个凸形竖曲线
26、为好，而包括一个凹形曲线次之；直线中短距离内二次以上变坡会形成反复凸凹的“驼峰”和“凹陷”，看上去线形既不美观也不连贯，使驾驶员的视线中断。因此，只要路线有起有伏，就不要采用长直线，最好使平面路线随纵坡的变化略加转折，并把平、竖曲线合理地组合。但要避免驾驶员一眼能看到路线方向转折两次以上或纵坡起伏三次以上。,4、平、纵线形组合与景观的协调配合道路作为一种人工构造物，应将其视为景观的对象来研究。修建道路会对自然景观产生影响，有时产生一定破坏作用。而道路两侧的自然景观反过来又会影响道路上汽车的行驶，特别是对驾驶员的视觉、心理以及驾驶操作等都有很大影响。平、纵线形组合必须是在充分与道路所经地区的景观
27、相配合的基础上进行。否则，即使线形组合满足有关规定也不一定是良好设计。对于驾驶员来说，只有看上去具有滑顺优美的线形和景观，才能称为舒适和安全的道路。对计算行车速度高的道路，平、纵线形组合设计与周围景观配合尤为重要。道路景观工程包括内部协调和外部协调两方面。其中内部协调主要指平、纵线形视觉的连续性和立体协调性；而外部协调是指道路与两侧坡面、路肩、中间带、沿线设施等的协调以及道路宏观位置。实践证明，线形与景观配合应遵循一下原则：,（1）应在道路的规划、选线、设计、施工全过程中重视景观要求。尤其在规划和选线阶段，比如对风景旅游区。自然保护区、名胜古迹区、文物保护区等景点和其它特殊地区，一般以绕避为主
28、。（2）尽量少破坏沿线自然景观，避免深挖高填。比如沿线周围的地貌。地形、天然树林。池塘。湖泊等。纵面尽量减少填挖；横面设计要使边沟造型和绿化与现有景观相适应，弥补必要填挖对自然景观的破坏。（3）应能提供视野的多样性，力求与周围的风景自然地融为一体。充分利用自然风景区如孤山、湖泊、大树等，或人工建筑物如水坝、桥梁、高烟囱、农舍等，或在路旁设置一些设施，以消除单调感，并使道路与自然密切结合。（4）不得已时，可采用修整、植草皮、种树等措施加以补救。（5）条件允许时，以适当放缓边坡或将其变坡点修整圆滑，以使边坡接近于自然地面形状，增进路容美观。（6）应进行综合绿化处理，避免形式和内容上的单一化，将绿化
29、视作引导视线、点缀风景以及改造环境的一种技术措施进行专门设计。,2用透视图来检查线形设计及组合情况,透视图法是根据道路的平面线形、纵断面线形及道路的横断面设计资料，绘制出驾驶人员在不同桩号处注视前方道路时映入眼帘的透视图，以此来判断路线平纵线形是否协调，道路与景观的配合是否适当，曲线之间的连接是否平顺，道路的走向是否清楚，通视条件是否良好等。如果检查中发现线形有缺点时，应对设计作某些修改，使施工后的道路空间线形达到较为完美的程度。透视图有一般有路线概略透视图、包含适当地形及地物的全景透视图和经过渲染处理的真实感的透视图，这些透视图的作用各不相同，绘制的难易程度也不相同，随着计算机技术的发展，原
30、本是很困难的工作也可以很轻松地完成。,1、路线概略透视图这种透视图只绘出道路中心线和路基路面的边线，一般有五根线，这种透视图绘制简单迅速，目前一般CAD系统均应具备此功能，主要是在进行平、纵、横设计时实时检查使用，虽然简单但可以有效解决平纵组合方面的问题，所以线位透视图也成为高等级公路初步设计中的重要的文件之一。,2、全景透视图如果将道路两侧的地形绘制出来，就形成了全景透视图，不仅能反映道路线形的优劣，而且可以检查与周围景观的配合情况，随着数字地形模型的应用，道路全景透视图的绘制已经比较方便了，图为一公路的全景透视图。,3、真实感的透视图这种透视图的制作难度较大，需要先建立模型，再进行渲染而成，主要应用于方案评价和汇报，图为一公路的具有真实感的透视图。,
