美国古桥保护法规、策略及关键技术分析

张劲泉，蒋瑞年，程寿山，钟福玲

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2.美国新墨西哥州立大学，拉斯克鲁塞斯 美国 88003)



美国古桥保护法规、策略及关键技术分析

张劲泉1，蒋瑞年2，程寿山1，钟福玲2

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2.美国新墨西哥州立大学，拉斯克鲁塞斯 美国 88003)

为了挽救和保护数量日益减少的古桥，世界各国，特别是发达国家制订了严格的法规和政策，并致力于适合古桥修复的关键技术研发。我国的古桥由于年代久远，整体状况已变得十分脆弱。为了帮助我国管理和工程技术人员有效地保护和修复古桥，本文考察和总结了美国古桥保护和修复的法规、政策、指南、关键技术及事例分析，包括其在系统级和项目级上的计划目标和工作重点，介绍了美国在古桥保护中如何确定古桥的历史性特征及如何平衡现代工程技术标准与保留古桥历史性特征的策略、技术和方法，并分析了各类典型古桥保护的技术对策。最后在总结美国古桥保护体系和技术对策的基础上，分析了我国古桥保护的急迫性并提出了相应的对策。

桥梁工程；对策；综述；古桥保护；美国

0 引言

古桥是人类历史文化遗产的一个重要组成部分。近年来因交通增长和环境变化等因素，古桥的数量正快速减少，引起了各国，特别是发达国家的高度关注。古桥不但是其所在地区和国家的宝贵建筑和文化财富，也是全人类的共同财富。古桥不但保留了当时的文化特征，也蕴藏着宝贵的建筑设计和施工智慧。各国都普遍认识到保护好古桥使之流传下去的重要性，这不仅事关当代，更是对下一代的责任和义务。因为古桥通常含有丰富的文化特征和复杂的建筑、几何和结构信息，加之缺乏设计和施工记录，所以在其修复技术和工艺上极具挑战性。为了达到保护、加固和恢复古桥的目的，首先要对其历史性特征，包括结构、环境、地理、建筑特征以及人文特性进行充分了解。

中华民族历史悠久，虽然历经战争破坏和自然灾害，众多古桥得以幸存下来，成为各个历史时期的载体。古桥是人类不可再生、不可取代的资源，然而，因其饱受时间长河的侵蚀，大多变得脆弱，因此，我国交通运输和文物保护部门具有维护和修复古桥的重大责任。本文考察了美国古桥保护、养护及修复的政策、法规、策略、关键技术和实例分析，通过对比，提出了我国对古桥保护和修复的紧迫性及其相应对策。

1 古桥的定义、法规及政策

美国建国历史相对短暂，古建筑数量较少，因此对古建筑的保护尤其重视。美国原则上把60年以上的建筑列为历史性建筑加以保护。对于古桥，虽然没有全国统一的定义，但基本上按照60年的标准，有些州更为严格，如印第安纳州规定1965年之前建的桥梁都是古桥。除按照建造年代来定义古桥外，其他具有历史性意义的桥梁也列为古桥，如成为区域性地标的桥梁、先驱性桥梁(如第一座预应力混凝土桥梁)以及具有特别工艺和材料的桥梁等。

美国1966年的国家文物保护法补充条款、1966年交通运输法案的第4f章节、以及国家环境保护法列出了美国古桥维护和翻新的程序和相关规定。在普遍加强历史性桥梁保护的同时，美国实行了国家古桥登记制度，凡是列入国家古桥名录的桥梁都受到国家法律的保护，有专门的养护和修复计划，并且接受文物部门的监督和管理[1]。多年来尽管国家古桥保护法案要求对古桥进行有效保护，但各州及地方政府在具体实施时有其偏向和灵活性，结果是由于各种不同的处理方式导致美国的古桥数量日益减少，其中一个突出的问题是古桥历史及几何特征和现代工程技术标准的冲突。为了帮助州和地方政府更有效地保护和修复古桥， 1991年的景区道路计划和1995年的国家公路法案允许州政府和联邦公路局共同针对单一古桥的特点开发灵活的古桥设计标准，在满足安全性的前提下，允许古桥保持低于现代工程技术规范要求的几何线形和承载能力标准，以更好地平衡交通通行和文化保护之间的需求。此外，美国一直大力推广环境敏感设计理念，探索从更广泛的视角加大对古桥的保护力度[2]。

为了有效地协调桥梁工程技术标准和古桥保护之间的矛盾，美国制订了许多古桥保护和维护政策，并收集和整理了大量的事例分析，在全国范围内交流。现有古桥维护规范没有充分协调工程技术和安全与古桥特征保护的问题，很多情况下如果要达到桥梁的工程技术和安全标准，就无法保留古桥现有外形和原始材料；而要维持古桥的现有风格，就难以满足现代交通和安全标准。以往有关部门大多采取全拆或全留的政策，导致许多古桥被拆除，用现代桥梁取代。目前美国正致力于开发和实施能够兼顾两者的技术和方法。

除了政策和实践经验，古桥维护人员也需要必要的工具、指南和技术参考资料，以及各部门和人员之间的广泛交流。政府部门的管理人员、设计工程师、文化资源专家以及古迹保护专家都应在保护古桥的共同目标下积极参与规划和项目设计，开发共享资源。

古桥保护的3个目标是：

(1)就地维护并继续开放交通；

(2)就地维护不再开放交通，改为其他目的，如步行道、自行车道、或旅游景点；

(3)搬移古桥到其他位置恢复和保留。

美国州公路和运输工作者协会(AASHTO)在其环境保护中心下成立了古桥保护分会，并制订了古桥维护改建决策指南。美国联邦公路局和各州交通运输厅都设有古桥保护委员会，其工作重点是解决古桥保护和现代桥梁技术标准的矛盾。美国交通部门正大力推进各州在古桥维护方面的交流，包括完善古桥数据库、最佳实践总结，和推广各种政策、标准、手册和指南。美国古桥保护的主要经验教训是：许多措施其实难度并不大，但却没有得到推广。这些措施包括在决策早期就让文化资源专家参与进来，建立各方人员互信，认真研究和引入最佳实践方案等[3]。

2 系统级和项目级的古桥保护措施

美国在古桥保护上分系统级和项目级两个层级开展工作。系统级层面上的工作包括针对整个古桥保护制订行业政策及实施措施，包括政策、规范、手册、指南等的开发以及资金保证和确定投资优先次序，以及公众宣传和教育等；项目级则是针对单个桥梁确定工程设计和维护养护方案。

系统级的工作包括[1,3-5]:

(1)确定可用资源，包括确定资金来源，制订指南、标准、政策等；

(2)收集和总结最佳工程实践经验，开发古桥修复维护和现代工程技术标准的平衡设计方法，包括安全和使用等；

(3)进行实例分析，研究古桥维护和修复的成功方法和措施；

(4)加强信息交流、协商、新材料和修复新技术的开发等。

系统级的一个重要任务是建立一个完善的古桥管理机制，包括以下工作：

(1)资产和资源管理：采用现代资产和资源管理的方法建立正规的古桥管理计划、协议以及管理流程。

(2)完善古桥管理计划：包括准则、考虑因素、目标、各方协调、周围环境以及根据桥梁类型、尺寸和位置可能的处置方案等。

(3)系统级桥梁维护修复计划：参照联邦和州的古桥维护和修复指南来进行决策，分析每座古桥的周围环境，制订维护方案，确定古桥修复和养护的优先计划。

(4)评估方法：对桥梁现状和可能的维护方案进行评估，包括保留现状、维修、加宽、加固、功能转换(如转为人行桥或挪移到别处保存)等。

(5)成本预算：确定各种维护修复方案的成本。

(6)处置方案准则：开发决策准则，对各种桥型的最佳维护方案进行研究，综合考虑文化价值、安全和成本等因素。

(7)设计指南：开发各种桥型的修复设计指南，包括各种可能的备选方案。

(8)系统数据管理：系统收集和保存古桥的数据，包括其状况，几何参数，承载能力，交通，事故历史，维护、修复和改建成本等。

(9)开发和完善古桥维护手册，包括对每种桥型的特殊养护指南。

项目级管理包括对每座古桥所作的管理计划，包括其状况、重要性、成本以及处置方案等。项目管理考虑古桥为公路/桥梁系统的一部分，同时也是文化资源计划的一部分，因此需要多方面专家的参与。项目级管理的内容包括以下部分[1, 4]：

(1)多方参与机制：由各行业专家和管理人员组成管理小组进行全程管理，包括文化资源专家、公共关系和宣传专家、环境专家等。

(2)确定管理范围：确定对桥梁进行维护、功能改变、搬迁或改建以及其他处置方案。

(3)历史价值评估：评估和宣传古桥的历史价值、周围自然和社区环境、桥梁的特色、必须保留或需要修复的材料和设计特色。

(4)桥梁状况、交通和特别设计方案评估：桥型、技术状况、承载能力、地震风险、交通数据、事故历史等。

(5)成本比较：对各种处置方案的成本进行评估，包括修复、加固、翻新等。

(6)公众宣传：向公众介绍古桥的情况，通过网络和新闻媒介向公众介绍古桥的维护和修复项目，包括其目的、进度等，征求公众的意见和建议。

(7)桥梁日常养护：建立完善的古桥养护计划，特别要注意保护桥梁的历史文化特色。

(8)技术创新：开发和总结创新技术，开展技术和经验交流。

(9)交通运行风险评估：如果保持古桥的特征而使桥梁达不到最新设计标准，可能影响交通运行，因此应该对这方面的问题进行评估。

成功的古桥管理和维护计划是多方合作的结果。有些州是通过立法和合约建立非常正规的合作机制，而另一些州则采取比较简单的合作方式。

教育是古桥保护的一个非常重要的环节，在系统级和项目级都必须加以重视。常采用的方式包括[1,4-5]：

(1)古桥工程研讨会，探讨设计方案的灵活性和变通的工程实践方案。

(2)古桥知识研讨会，教育工程人员有关古桥的历史文化价值，以及古桥在公众心目中的地位。

(3)历史文物学家和桥梁工程技术人员的联合研讨会，相互学习和探讨，加强合作。

(4)古桥维护和修复经验交流会，介绍古桥维护和修复的标准和要求，以及古桥工程的申报过程。

(5)公众宣传，包括向公众、大学和中小学学生介绍古桥的价值和维护技术等。

3 古桥修复决策中考虑的因素

各地政府和桥梁管理部门在进行决策时需要考虑许多因素，典型的问题包括：古桥什么时候需要修复，到什么程度古桥才不适合修复，什么情况下可以提高古桥技术等级，采用什么措施才不会影响古桥的历史文化特征，修复古桥的措施是否全面等。在考虑一般桥梁的修复或改建方案时，对于大型桥梁，一般优先考虑修复，因为拆除重建的成本太高；但对于中小型桥梁，更趋向于拆除重建。这一决策思维对于古桥来说必须改变。在进行古桥维护和修复决策时，应综合考虑以下4个方面[6-7]：

(1)全面了解古桥历史文化特征：了解构成古桥的特色和历史文化特征的因素。

(2)古桥的结构和功能分析：平衡和兼顾古桥的运营功能和其历史和环境特征。

(3)历史和环境分析：全面收集古桥的历史和环境数据，分析其相关特征。

(4)定量决策参数的确定：分析古桥修复的最佳方式，建立寿命周期决策模型。

3.1 古桥历史性特征分析

全面了解古桥的历史性特征是有效保护古桥的第一步。美国国家古桥注册评估方法列出了参选国家古桥时应该考虑的因素，包括其施工工艺、设计和材料特点等。了解使一座桥梁具有历史性价值的特征，才能在修复方案设计时有的放矢，对这些特征进行有效的保护。应该按照古桥的历史重要性对其进行等级划分，在等级划分时应综合考虑多方面因素，如是否采用了独特的设计、是否是某一桥型的先驱、公众对该桥梁的关注度、以及是否为地域标志性建筑等[8-9]。

针对桥梁构件的替换对其历史性特征影响，就每一座桥梁而言，其构件的重要性也不全一样的，如石拱桥，其拱的重要性就比较显著，如果要加宽石拱桥，用现代材料加宽石拱就会使原桥失去其历史性特征。图1是建于1908年的亚特兰大最古老的钢筋混凝土拱桥，具有非常重要的技术和历史性意义，被列入美国国家古桥名录[1,4]。这座桥梁加宽的一个重点是要保留原桥拱的特征。具体的做法是将原拱上的填料挖掉，在拱背上对拱进行加强，然后用悬臂梁加宽桥面，这样做就保留了原拱的特征，同时提高了桥梁的通行能力和安全性。历史学家和文物保护专家应该和工程技术人员共同确定古桥各个构件的历史性特征，确定各构件的重要性以及修复方案。通用原则是尽量不要拆除原结构部件，而是考虑添加部件，因为部件拆除了就不易甚至不能恢复了。

图1 亚特兰大最古老的钢筋混凝土拱桥的修复Fig.1 Rehabilitation of ancient reinforced concrete arch bridge in Atlanta

以下是需要保护的历史性构件的一些特征[1, 4,7]：(1)独特的技术和工艺设计及细节；(2)独特的桥型和材料现代桥型的先驱者，如第一座预应力混凝土桥等；(3)砖石桥的材料和组合、黏结材料及细节；(4)拱圈和拱肩墙；(5)历史古桥的栏杆。

3.2 古桥结构和功能分析

结构和功能分析的对象包括桥梁上下部结构的状况，水道的通畅和通过能力、冲刷、承载能力，以及几何尺寸和安全性。一个重要的原则是必须找出引起桥梁损坏的原因，这样才能对症下药。以下是在考虑古桥修复方案时必须考虑的一些问题[1,7-10]。

(1)混凝土桥，普遍存在的问题是开裂，钢筋锈蚀引起的混凝土剥落、冻融、收缩和徐变、水汽渗透，混凝土保护层厚度不够等。应考虑的问题包括：损坏的部件或材料是否可以用同类材料取代而不影响桥梁的外观，在咸湿的环境下是否可以安装阴极保护，是否能为下部结构安装护套，损坏的桥面板是否可以拆除和翻新，能否安装一个新的防水或排水系统，能否给拱桥安装一个荷载分担构件，能否更换破损的预应力索等。

(2)铁桥/钢桥，普遍问题是生锈或腐蚀造成构件截面减小。应考虑的问题包括：损坏的部件是否可以用同类材料取代而不影响桥梁的外观，损坏的部件是否可以通过添加和锚固其他构件来加强，是否可以通过添加构件来辅助损坏部件，共同承受荷载，涂层是否能够阻止构件的进一步锈蚀，是否可采用附属结构体系，如后张预应力，来加强现有结构等。

(3)砖石桥，普遍问题包括开裂，周期性冻融、水汽渗透引起的挪位，植物引起的构件移动，酸侵蚀，灰浆接缝损坏等。此外，砖石也会产生剥落和表面腐蚀。应考虑的问题包括：石拱面墙和拱圈是否可以拆下来重砌，是否可以安装防水或排水系统，是否可以重新勾缝，是否可以安装一个隐含构件来分担桥拱荷载等。

(4)木桥，主要问题是防火、腐烂、虫害、木质衰坏等。应考虑问题包括：损坏或腐蚀的部件是否可以用同类材料取代而不影响桥梁的外观，是否可以安装一个有效的排水系统，是否可以采取防护措施来阻止构件的腐蚀等。

(5)水道的抗洪能力和冲刷，主要问题是水道排水能力不足引起的冲刷。应考虑的问题包括：是否可以垫高下部结构和提升上部结构，是否可以泵送材料来填充桥墩下的空洞，是否可以安装水道底面保护层，是否可以在桥面下浇注混凝土底部支撑，是否能够在基础下或周围打桩来加固基础，是否能改变水道等。

3.3 古桥承载能力评估

在评估古桥承载能力时，首先要得到材料的强度。因为材料性能随时间可能已经产生变化，所以要做一些试验来验证，有时采用有限元来进行分析。交通荷载可以根据桥梁所在地区的实际车辆荷载来确定，不一定用设计荷载。许多情况下古桥都达不到现代标准要求的承载能力，或是因为材料和构件已经损坏，或是因为古桥设计时的规范要求低于现代标准。可以考虑加固古桥的构件来提高其承载能力，或通过采用轻质材料来取代原桥面材料以降低桥梁的自重，或考虑限制通行车辆的荷载标准。解决承载能力的通用方法可以考虑以下问题：能否用轻质材料取代现有桥面以降低桥梁恒载，能否用碳纤维薄膜包裹现有构件来加强其承载能力，能否在现有构件上添加材料，如钢杆或钢板来补强构件，能否更换损坏的构件或构件截面，能否建一座平行桥梁来分担车辆交通，能否对桥梁限载或降低桥梁道路等级等。

对拱桥来说，可具体考虑用轻质材料取代现有填料以降低桥梁重量，或通过添加荷载分担构件来分担或全部承担车辆荷载；对桁架和纵横梁桥梁，可考虑能否替换现有的梁体结构。

3.4 古桥的功能性和安全性分析

功能性和安全性分析要考虑通行车辆的情况、车道宽度、横向和纵向净空、防撞护栏等。分析要结合现场的实际情况，不能只采用现代规范参数来控制。在安全性分析中，要参考历史交通事故数据；另一考虑是引道宽度和桥梁宽度是否一致，如果桥梁宽度比引道窄，就要考虑加宽桥梁。有些州生产了仿古栏杆，既能到达现代防撞标准，同时也不改变古桥的外观。

美国联邦公路局提出了6个古桥修复决策中应该避免的问题：(1)工程方案不能体现工程技术的合理性；(2)工程项目的需求和目的不合理；(3)项目导致的严重安全和运营问题；(4)项目对其他资源、设施、社区或环境产生严重的负面影响；(5)工程造价或寿命周期维护成本过高；(6)项目会产生特别的、难以处理的问题。

美国在进行古桥修复决策的一般原则是，如果修复古桥的成本不超过新建一座同样规模的桥梁，并且古桥修复后能够再使用25年以上，那么就要优先考虑修复古桥，而不是重建一座新桥。修复方案必须考虑养护成本，不能修复后还需要进行繁琐的养护[11]。

4 我国古桥保护的迫切性及对策

中国的古桥多年来缺乏系统化的保护和管理，其结果是古桥的数量急剧减少、整体健康状况堪忧。有文献估计我国目前真正意义上的古桥数量已经不足一万座，并且现存的古桥因年久失修，大多变得非常脆弱。全国甚至省及地方政府对现有古桥都没有一个系统全面的记录，更缺乏一个全面的古桥维护和修复计划。美国的古桥和我国的相比，在年代、工艺、文化和技术内涵上，都不在一个层次，但其对古桥保护的力度和系统性，让我们认识到我们在古桥保护上的不足。古桥是祖先留下的珍贵的财富，但这笔财富正在快速消失。因此，保护古桥的形势非常迫切，建议尽快在以下方面采取措施。

(1)通过立法对古桥进行系统性的保护

古桥是我国文物的重要组成部分，我国虽然颁布、施行《文物保护法》和《文物保护法实施条例》，以及部分地方政府已颁布《古桥保护管理办法》。但是鉴于古桥在人们生活、交通运输和传统文化中的特殊性和重要性，应尽快制订完整的全国性的中国古桥保护法规，完善保护机制，以法律的形式规定负责古桥保护的部门及公众的职责和义务，成立专门的古桥保护、评估和修复机构。按照国家、省、市及地方政府对古桥进行分级和划分，落实古桥保护责任单位或者责任人。立法也包括落实古桥保护的资金来源，预防对古桥的潜在危害，以及确定对破坏古桥行为的处罚等。

(2)对古桥进行全面普查，建立古桥数据库和管理系统

按照现代资产管理技术尽快对古桥进行全国范围内的普查，全面了解我国古桥的现状，建立古桥数据库和管理系统。数据库包括古桥的动态信息，包括修建年度、结构、材料、水文地理环境、交通量以及相关的文化和历史性特征。数据库还应记录古桥的修复历史，包括修复时间，修复工程详细记录，以及修复后产生的结构、安全性及承载能力变化等。

(3)开发古桥养护和修复指南

古桥的养护和修复工艺和新建桥梁不同，古桥没有原始的设计图纸和施工记录，并且造型和工艺复杂。为了保持古桥的原有历史性特征，必须采用与现代桥梁施工不同的途径和方法。为了指导各地的古桥修复工作，有必要全面总结已有的古桥修复和养护经验和教训，在此基础上开发古桥养护和修复指南，对各种不同材料和桥型的古桥的特点及修复工艺提出建议。

(4)开展古桥宣传和教育活动，提高公众的古桥保护意识

古桥是整个民族的共同财富，应该通过广泛的宣传和教育活动使公众认识到古桥的价值以及保护古桥的迫切性和重要性。可以考虑在中小学教科书中列入古桥的内容，在新闻报导中增加对古桥的介绍，开展古桥科普活动、古桥专项旅游和夏令营等；也应考虑建立中国古桥博物馆及展示基地，申报古桥世界非物质文化遗产等。

(5)古桥修复关键技术开发

古桥技术和工艺独特，许多古桥修造技术具有跨时代的创造性。在古桥的修复过程中，必须对古桥的历史性特征、结构和施工工艺、材料及文化内涵进行充分了解，盲目采用现代施工技术可能对古桥的原有结构和特征产生破坏。因此，有必要开发适用于古桥修复的关键技术，如古桥全寿命监测、安全性和耐久性评估，自然环境对古桥的影响，古桥特征和现代技术标准的平衡，以及通过近景摄像和激光扫描等先进技术建立古桥三维模型等，也可考虑开发古桥修建年代鉴定技术，为古桥的申遗提供依据。

[1] Parsons Brinckerhoff, Inc. Best Practices and Lessons Learned on the Preservation and Rehabilitation of Historic

Bridges [R]. Washington, D.C.: American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) Standing Committee on the Environment, 2012.

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[3] NEUMAN T R, SCHWARTZ M, CLARK L. et al. A Guide to Best Practices for Achieving Context Sensitive Solutions, NCHRP Report 480 [R]. Washington, D.C.: Transportation Research Board, 2002.

[4] HARSHBARGER J P, MCCAHON M E, PULLARO J, et al. Guidelines for Historic Bridge Rehabilitation and Replacement [R]. Washington,D.C.: American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) Standing Committee on the Environment, 2007.

[5] CHAMBERLIN W P. Historic Bridge Preservation Practices [R]. Washington, D.C.: Transportation Research Board, 1999.

[6] The SRI Foundation. Case Studies on the Rehabilitation of Historic Bridges [R].Washington, D.C.: American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), 2011.

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[8] CHAMBERLIN W P. Historic Bridges: Criteria for Decision Making: NCHRP Synthesis of Highway Practice No.101 [R]. Washington, D.C.: Transportation Research Board, 1983.[9] DELONY E, KLEIN T H.. Historic Bridges: a Heritage at Risk, a Report on a Workshop on the Preservation and Management of Historic Bridges [R]. Washington, D.C.: SRI Foundation, 2003.

[10]STEIN W J, NEUMAN T R. Mitigation Strategies for Design Exceptions, FHWA Report FHWA-SA-07-011[R]. Washington, D.C.: Federal Highway Admini- stration, 2007.

Analysis of Laws, Policies and Key Technologies for Ancient Bridge Preservation in USA

ZHANG Jin-quan1, JIANG Rui-nian2, CHENG Shou-shan1, ZHONG Fu-ling2

(1.Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China;2.New Mexico State University, Las Cruces 88003, USA)

In order to rescue and preserve the declining ancient bridges, countries all over the world, especially the developed countries, have established strict laws and policies, and have been developing the technologies suitable for ancient bridge preservation. Due to the old age of the ancient bridges in China, their overall situation has become very fragile. To help Chinese administrators and engineers to effectively preserve and repair ancient bridges, the laws, policies, guidelines, key technologies, and case studies in USA for ancient bridge protection and rehabilitation are investigated and reviewed, including the planning objectives and the key emphasis in work at the system and project levels. The strategies, technologies and methods for determine the historical characteristics of ancient bridge and for balancing the modern engineering standards and preservation of the historic features of ancient bridges are introduced, and the technical countermeasures for preservation of all kinds of typical ancient bridge are analysed. On the basis of the above analyses, the urgency for the ancient bridge preservation in China is analysed and the corresponding countermeasures are proposed.

bridge engineering; countermeasure; review; ancient bridge preservation; USA

2015-11-05

张劲泉(1963)，男，江苏泰州人，研究员.(jq.zhang@rioh.cn)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.09.008

U445.6

A

1002-0268(2016)09-0046-06