偏心荷載作用下扣件式鋼管滿堂支承體系承載性能研究

陸 征 然，　郭 　 超，　溫 永 欽，　陳 志 華，　劉 　 彤，　曹 　 碩

( 1.吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春　130118；

2.沈陽建筑大學(xué) 管理學(xué)院， 遼寧 沈陽　110168；

3.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽　110168；

4.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津　300072 )

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偏心荷載作用下扣件式鋼管滿堂支承體系承載性能研究

陸 征 然1,2，郭 超*3，溫 永 欽1，陳 志 華4，劉 彤2，曹 碩2

( 1.吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春130118；

2.沈陽建筑大學(xué) 管理學(xué)院， 遼寧 沈陽110168；

3.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽110168；

4.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津300072 )

摘要：如何準(zhǔn)確地對(duì)扣件式鋼管滿堂支承體系的穩(wěn)定承載力進(jìn)行計(jì)算是亟待解決的一個(gè)技術(shù)難題．現(xiàn)有的各種滿堂支承體系承載力計(jì)算方法中，均沒有考慮由于扣件的偏心連接而導(dǎo)致水平桿與立桿不在同一平面內(nèi)的情況以及滿堂腳手架通過水平桿將上部荷載偏心傳遞給立桿的影響(以上兩種偏心情況統(tǒng)稱為偏心荷載)．在分析滿堂支承體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了考慮偏心荷載作用下的滿堂支承體系數(shù)值計(jì)算模型．通過對(duì)大量不同搭設(shè)參數(shù)下的滿堂支承體系分別進(jìn)行是否考慮偏心荷載影響的非線性有限元模型分析及2個(gè)滿堂腳手架的原型試驗(yàn)，證實(shí)了偏心荷載這一因素對(duì)扣件式鋼管滿堂支承體系承載性能的影響．所提出的計(jì)算模型合理、安全，可為今后滿堂支撐架及滿堂腳手架的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考．

關(guān)鍵詞：滿堂支撐架；滿堂腳手架；扣件；偏心荷載；承載性能；有限元分析

0引言

我國(guó)建筑事業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是大跨度結(jié)構(gòu)的大規(guī)模建設(shè)，使得在施工過程中滿堂支承體系搭設(shè)的跨度大、高度高，承受較大的上部荷載，如交通建設(shè)中的各種大跨度連續(xù)梁橋、城市高架橋的混凝土墩臺(tái)、箱梁、大跨度空間結(jié)構(gòu)的施工等．這些工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行，對(duì)于滿堂支承體系的設(shè)計(jì)和施工都提出了很高的要求．然而，一方面，作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)物，它的重要性往往被人忽視；另一方面，由于對(duì)此體系的構(gòu)造因素及荷載作用形式與承載性能之間的關(guān)系尚缺乏詳細(xì)的了解，導(dǎo)致了近些年來滿堂支承體系倒塌事故頻發(fā)[1-5]．

滿堂支承體系是在縱、橫方向，均由不少于3排立桿與水平桿、水平剪刀撐、豎向剪刀撐通過扣件連接而構(gòu)成的承力體系．按照立桿受力形式的不同，滿堂支承體系可分為滿堂支撐架和滿堂腳手架，兩者立桿的受力方式參考文獻(xiàn)[6-8]．

扣件式鋼管滿堂支承體系的縱、橫向水平桿與立桿均通過直角扣件連接，水平桿與立桿的軸線不在同一平面內(nèi)，兩者之間存在一定的偏心距．此外，按照搭設(shè)要求，主節(jié)點(diǎn)連接處的不同方向桿件之間仍然需要保持一定的距離，這也使得上部荷載在向下傳遞的過程中存在偏心情況．滿堂腳手架中的荷載首先施加在水平桿上，再通過扣件的連接傳遞給立桿，與滿堂支撐架頂部荷載通過上部可調(diào)頂托傳遞給立桿相比，其荷載的施加方式上同樣存在偏心情況[9-10]．本文將以上列舉的幾種偏心情況統(tǒng)稱為偏心荷載，這種偏心荷載很可能是導(dǎo)致立桿失穩(wěn)進(jìn)而引發(fā)整體支承系統(tǒng)倒塌的原因之一．然而，在過去的研究和計(jì)算理論中往往忽視這一因素，而且在我國(guó)國(guó)家規(guī)范中尚未有任何相關(guān)的規(guī)定[11]．

本文在文獻(xiàn)[12]的直角扣件半剛性試驗(yàn)以及文獻(xiàn)[13-14]的13個(gè)滿堂支撐架原型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮扣件的偏心連接以及滿堂腳手架中荷載的偏心施加，對(duì)工程中常用的大量不同搭設(shè)參數(shù)下的滿堂支承體系進(jìn)行考慮初始缺陷的非線性有限元分析，并進(jìn)行2個(gè)不同搭設(shè)參數(shù)下的滿堂腳手架原型試驗(yàn)，深入地研究此類結(jié)構(gòu)體系在偏心荷載作用下的承載性能．

1計(jì)算參數(shù)選取

在有限元計(jì)算中，鋼管外徑取48 mm，壁厚3.5 mm，按照文獻(xiàn)[12]中所進(jìn)行的鋼管材料性能試驗(yàn)，鋼材的彈性模量2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度235 MPa，極限強(qiáng)度374 MPa，密度7.8×103kg/m3，泊松比0.3，采用彈簧單元combin14模擬扣件的半剛性性質(zhì)，彈簧剛度的取值參考文獻(xiàn)[12]中對(duì)于直角扣件剛度性質(zhì)的研究成果．

首先，對(duì)滿堂腳手架整體模型進(jìn)行特征值屈曲分析．然后，將從特征值屈曲分析中所得第一階失穩(wěn)形態(tài)按照一定比例作為初始缺陷加入模型中，并賦予材料非線性性質(zhì)，進(jìn)行下一步的非線性屈曲分析．所添加的初始缺陷數(shù)值符合《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 130—2011)中對(duì)滿堂腳手架搭設(shè)中允許偏差的規(guī)定數(shù)值．此外，由于滿堂腳手架的縱、橫向水平桿與立桿之間利用直角扣件連接，其軸線不在同一水平面上，力的傳遞存在偏心，取偏心距為53 mm．同時(shí)，在縱、橫向水平桿與立桿相交處的主節(jié)點(diǎn)，按照規(guī)范的搭設(shè)要求，兩個(gè)不同方向上水平桿件之間的垂直距離取為150 mm．

2偏心荷載作用下滿堂腳手架承載性能的有限元分析

2.1扣件偏心的影響分析

(1)不考慮扣件偏心影響

采用beam188三維梁?jiǎn)卧M滿堂腳手架中的所有桿件，該單元基于Timoshenko梁結(jié)構(gòu)理論，并能考慮剪切變形的影響．在直角扣件連接處以及縱、橫向水平桿與立桿相交的主節(jié)點(diǎn)處，不考慮由于直角扣件的連接所導(dǎo)致的各桿件間的偏心影響，采用以下方式建立計(jì)算模型：在空間中的同一坐標(biāo)位置建立3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別用Nvi、Nhi、Nli表示，如圖1所示，其中，Nvi是立桿中的單元節(jié)點(diǎn)(設(shè)立桿延伸方向?yàn)閦軸方向)，Nhi、Nli分別為橫、縱向水平桿中的單元節(jié)點(diǎn)(設(shè)橫向水平桿延伸方向?yàn)閤軸方向，縱向水平桿延伸方向?yàn)閥軸方向)．對(duì)3個(gè)節(jié)點(diǎn)在所有方向上的平動(dòng)自由度以及繞立桿的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度采用耦合約束，在由直角扣件連接的兩根桿件能夠產(chǎn)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)的平面內(nèi)，兩節(jié)點(diǎn)之間通過加入彈簧單元combin14以模擬直角扣件提供有限轉(zhuǎn)動(dòng)約束的半剛性性質(zhì)．根據(jù)在文獻(xiàn)[13]所進(jìn)行的原型試驗(yàn)過程中觀察到的現(xiàn)象，立桿頂部的邊界條件可以視為自由，底部視為鉸接．

圖1　不考慮扣件偏心時(shí)有限元分析中節(jié)點(diǎn)建立

對(duì)于滿堂腳手架頂部荷載的施加方式，考慮偏心的影響：在滿堂腳手架頂部形心處建立一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，作為主控節(jié)點(diǎn)，在頂層水平桿上欲施加荷載的區(qū)域內(nèi)(在實(shí)際工程中為通過搭設(shè)腳手板使之受荷的區(qū)域)的各節(jié)點(diǎn)與主控節(jié)點(diǎn)之間通過增設(shè)剛度較大的beam188梁?jiǎn)卧M(jìn)行連接，這樣，施加在主控節(jié)點(diǎn)上的荷載就能傳遞到頂層水平桿上，通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了滿堂腳手架中荷載的偏心施加．采用上述方法，建立的有限元模型如圖2所示．

圖2　不考慮扣件偏心時(shí)滿堂腳手架的有限元模型

從之前對(duì)設(shè)置了剪刀撐的滿堂支撐架的研究成果中可以發(fā)現(xiàn)，剪刀撐的設(shè)置對(duì)搭設(shè)參數(shù)不同的滿堂支撐架承載性能的影響程度有所不同，為了使得偏心荷載對(duì)此體系承載性能的影響單獨(dú)顯現(xiàn)出來，這里僅對(duì)不同搭設(shè)參數(shù)下的無剪刀撐扣件式鋼管滿堂腳手架進(jìn)行了非線性有限元分析，其單根立桿的穩(wěn)定承載力計(jì)算結(jié)果PFEA1如表1所示．

表1　不同搭設(shè)參數(shù)下滿堂腳手架的承載力

(2)考慮扣件偏心影響時(shí)

依然采用beam188三維梁?jiǎn)卧M滿堂腳手架中的所有桿件．考慮到在直角扣件連接處，立桿及縱、橫向水平桿不在一個(gè)平面內(nèi)的真實(shí)情況，采用以下方式建立計(jì)算模型：在空間某一位置上，沿z軸方向(立桿延伸方向)依次建立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別用Nvhi和Nvli表示，如圖3所示，兩節(jié)點(diǎn)間距離為150 mm，Nvhi、Nvli均為立桿中的單元節(jié)點(diǎn)．沿y軸方向(縱向水平桿的延伸方向)將節(jié)點(diǎn)Nvhi偏移53 mm，建立橫向水平桿上的單元節(jié)點(diǎn)Nhi，沿x軸方向(橫向水平桿的延伸方向)將節(jié)點(diǎn)Nvli偏移53 mm，建立縱向水平桿上的單元節(jié)點(diǎn)Nli．為了描述直角扣件的半剛性特征，在橫向水平桿單元節(jié)點(diǎn)Nhi與立桿單元節(jié)點(diǎn)Nvhi之間，加入一個(gè)繞y軸扭轉(zhuǎn)的彈簧單元combin14約束兩節(jié)點(diǎn)的相對(duì)扭轉(zhuǎn)，其他方向上的自由度均采用耦合約束．

同理，在縱向水平桿單元節(jié)點(diǎn)Nli與立桿單元節(jié)點(diǎn)Nvli之間，加入一個(gè)繞x軸扭轉(zhuǎn)的彈簧單元combin14約束兩節(jié)點(diǎn)的相對(duì)扭轉(zhuǎn)，其他方向上的自由度也均采用耦合約束，邊界條件及荷載偏心施加的模擬方式與不考慮扣件偏心時(shí)相同．采用上述方法建立的有限元模型如圖4所示．

對(duì)不同搭設(shè)參數(shù)下的無剪刀撐扣件式鋼管滿堂腳手架進(jìn)行了考慮初始缺陷的非線性有限元分析，單根立桿的穩(wěn)定承載力計(jì)算結(jié)果PFEA2如表1所示．

圖3　考慮扣件偏心時(shí)有限元分析中節(jié)點(diǎn)建立

圖4　考慮扣件偏心時(shí)滿堂腳手架的有限元模型

從表1中可以看出，在滿堂腳手架上部荷載施加方式相同的情況下，考慮了直角扣件偏心影響計(jì)算所得的單根立桿的穩(wěn)定承載力比不考慮直角扣件偏心影響時(shí)要低，說明在滿堂腳手架的設(shè)計(jì)、計(jì)算中如果不考慮扣件偏心這一影響因素是不安全的．然而，兩者之間的差值大小隨著滿堂腳手架的搭設(shè)參數(shù)的不同而發(fā)生變化(從表1列出的d數(shù)值中可以看出)：當(dāng)步距較大時(shí)(如表中步距為1.8 m時(shí))，考慮扣件偏心這一因素時(shí)，所得的承載力要比不考慮時(shí)低很多，說明扣件偏心這一因素對(duì)滿堂腳手架承載力的不利影響在搭設(shè)步距較大時(shí)更加明顯．因此，在今后的滿堂腳手架的設(shè)計(jì)、計(jì)算中，應(yīng)當(dāng)考慮直角扣件偏心這一不利因素的影響，尤其是在搭設(shè)較大步距的腳手架時(shí)，應(yīng)將此不利因素對(duì)承載力的影響予以更加充分的考慮，以保證在實(shí)際使用中滿堂腳手架的安全、可靠．

按照表1中編號(hào)為2的腳手架搭設(shè)參數(shù)，采用不同計(jì)算模型得到的失穩(wěn)模式分別如圖5(a)、(b)所示．從圖中可以看出，沒有設(shè)置剪刀撐的滿堂腳手架失穩(wěn)時(shí)，均發(fā)生整體大波鼓曲破壞．但是，從兩張圖的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，采用不同的模型建立方式，兩者發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)的屈曲形狀略有不同．由于在滿堂腳手架中，上部荷載是通過頂部水平桿件向下傳遞的，使得立桿處于偏心受壓的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，再考慮扣件偏心影響(即通過扣件的連接向下層層傳遞荷載時(shí)依然存在偏心情況)，使得兩種偏心荷載的作用得到了疊加，當(dāng)滿堂腳手架失穩(wěn)時(shí)，從圖5(b)中可以看到，整根立桿從頂部至底部均發(fā)生較大的側(cè)向變形，比沒有考慮扣件偏心影響時(shí)立桿發(fā)生較大側(cè)向變形的區(qū)域(如圖5(a)所示)更大、更廣．因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)當(dāng)重視對(duì)于滿堂腳手架的剪刀撐采取從底部到頂部連續(xù)設(shè)置的構(gòu)造要求，以保證滿堂腳手架的整體安全．

圖5采用不同計(jì)算模型得到的無剪刀撐滿堂腳手架失穩(wěn)模式

Fig.5Failuremodesofthefullhallformworkscaffoldwithoutbridgingsreceivedfromdifferentcalculationmodels

2.2荷載偏心的影響分析

對(duì)大量不同搭設(shè)參數(shù)下的滿堂支承體系，分別進(jìn)行是否考慮荷載偏心以及扣件偏心兩種情況下的承載性能分析．當(dāng)不考慮荷載偏心時(shí)，在每根立桿頂部施加集中荷載(模擬滿堂支撐架的受荷方式)，單根立桿的穩(wěn)定承載力計(jì)算結(jié)果PFEA3、PFEA4如表2所示．

表2　不同搭設(shè)參數(shù)下滿堂支承體系的承載力

從表2中可以看出，無論是否考慮扣件偏心，當(dāng)將上部荷載偏心地施加在滿堂支承體系頂部水平桿上時(shí)(滿堂腳手架的受荷方式)，計(jì)算所得單根立桿的穩(wěn)定承載力都比將上部荷載直接施加在滿堂支承體系立桿頂端(滿堂支撐架的受荷方式)要低．這充分說明了滿堂支撐架與滿堂腳手架兩種結(jié)構(gòu)體系的承載性能具有顯著差異：滿堂腳手架由于上部荷載首先作用在水平桿上，進(jìn)而通過直角扣件的連接傳遞到立桿上，荷載向下存在偏心傳遞的情況，從而導(dǎo)致了其承載能力比在滿堂支撐架中上部荷載直接通過可調(diào)頂托傳遞給立桿的情況要低．因而，在實(shí)際工程中，即使搭設(shè)參數(shù)完全一樣，由于受力方式存在不同，如果直接將滿堂支撐架的設(shè)計(jì)及計(jì)算方法應(yīng)用于滿堂腳手架中，忽略荷載偏心這一影響因素，也是不安全的．

3偏心荷載作用下滿堂腳手架承載性能的試驗(yàn)研究

參照表1、2中的滿堂腳手架編號(hào)及搭設(shè)參數(shù)，選取編號(hào)為1和5的兩個(gè)腳手架，按照其搭設(shè)參數(shù)進(jìn)行了原型試驗(yàn)(見圖6、7)．試驗(yàn)中采用兩組高度超過10 m的反力架，利用8個(gè)液壓千斤頂，通過兩道分配梁，將千斤頂施加的集中荷載均勻地傳遞到滿堂腳手架的頂層水平桿上．2個(gè)滿堂腳手架的搭設(shè)參數(shù)及相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示．

從表3中可以看出，采用4種不同的滿堂腳手架有限元模型建立方式，計(jì)算所得的結(jié)果與原型試驗(yàn)結(jié)果相比，相差最多、承載力計(jì)算結(jié)果最不安全的就是不考慮偏心荷載的模型建立方式．而采用同時(shí)考慮兩種偏心荷載作用的模型建立方式，其計(jì)算結(jié)果最偏于安全．充分說明了考慮偏心荷載作用的重要性．試驗(yàn)過程中2個(gè)足尺模型失穩(wěn)時(shí)情況如圖8所示．從圖8中能夠看出，當(dāng)模型發(fā)生整體失穩(wěn)時(shí)，無剪刀撐滿堂腳手架出現(xiàn)沿剛度較弱方向的整體大波鼓曲現(xiàn)象，與如圖5所示的有限元計(jì)算所得的失穩(wěn)模式一致，證明了有限元計(jì)算過程的正確性．

圖6　編號(hào)1的滿堂腳手架搭設(shè)示意圖及現(xiàn)場(chǎng)照片

圖7　編號(hào)5的滿堂腳手架搭設(shè)示意圖及現(xiàn)場(chǎng)照片

表3　滿堂腳手架原型搭設(shè)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

圖8　滿堂腳手架原型試驗(yàn)失穩(wěn)照片

4結(jié)論

(1)在滿堂支承體系中，縱、橫向水平桿與立桿均通過直角扣件連接，各根桿件的軸線不在同一平面內(nèi)，荷載在向下層層傳遞的過程中存在偏心．此外，與滿堂支撐架不同的是，滿堂腳手架中的荷載首先作用在頂層水平桿上，再通過扣件的連接進(jìn)而將荷載傳遞給立桿，其荷載的施加方式也存在偏心．在滿堂腳手架的設(shè)計(jì)和計(jì)算中應(yīng)當(dāng)考慮以上兩種偏心因素(統(tǒng)稱為偏心荷載)對(duì)整體結(jié)構(gòu)承載性能的影響．

(2)對(duì)大量不同搭設(shè)參數(shù)下的扣件式鋼管滿堂腳手架分別進(jìn)行了是否考慮直角扣件偏心影響的兩種不同情況下的非線性有限元分析．從計(jì)算結(jié)果中可以看出，在采用相同的上部荷載施加方式的前提下，考慮直角扣件的偏心影響時(shí)，計(jì)算所得的單根立桿的穩(wěn)定承載力比不考慮直角扣件偏心影響時(shí)要低．并且，當(dāng)腳手架的搭設(shè)步距較大時(shí)，這一不利因素對(duì)結(jié)構(gòu)整體承載力的影響更為明顯．

(3)對(duì)大量不同搭設(shè)參數(shù)下的扣件式鋼管滿堂腳手架分別進(jìn)行了考慮上部荷載偏心施加與否的兩種不同情況下的非線性有限元分析．從計(jì)算結(jié)果中可以看出，考慮上部荷載偏心時(shí)，計(jì)算所得單根立桿的穩(wěn)定承載力比不考慮上部荷載偏心時(shí)要低，說明了滿堂支撐架和滿堂腳手架兩種結(jié)構(gòu)體系的受力方式存在差異，忽略上部荷載偏心而將滿堂支撐架的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法直接應(yīng)用于滿堂腳手架中是不安全的．

(4)參考滿堂腳手架的有限元模型搭設(shè)參數(shù)，進(jìn)行了其中兩個(gè)滿堂腳手架的原型試驗(yàn)，將有限元和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者吻合較好，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，考慮滿堂腳手架中偏心荷載作用時(shí)的有限元計(jì)算結(jié)果是最偏于安全的，充分說明了考慮偏心荷載作用的重要性，并且，有限元計(jì)算所得的滿堂腳手架失穩(wěn)形態(tài)與原型試驗(yàn)結(jié)果相符，均產(chǎn)生沿剛度較弱方向的整體大波鼓曲現(xiàn)象．

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Study of bearing capacity of fastener steel tubular full hall formwork support system under eccentric load

LUZheng-ran1,2,GUOChao*3,WENYong-qin1,CHENZhi-hua4,LIUTong2,CAOShuo2

( 1.School of Civil Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China；2.School of Management, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China；3.School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China；4.School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China )

Abstract：How to accurately calculate the bearing capacity of fastener steel tubular full hall formwork support system is currently an urgent technical problem to be solved. The existing calculation methods didn′t consider the situation that upright tube and horizontal tube were not in the same plane induced by eccentric connection of coupler, and the effect of eccentric transfer of upper load from horizontal tubes to upright tubes (The above two eccentric situations are totally named eccentric load). A series of numerical calculation models with consideration of eccentric load for full hall formwork support system are put forward based on the analysis of its structure features. Through the analysis of non-linear finite element models for full hall formwork support system in different geometric parameters with and without consideration of eccentric load and two full hall formwork scaffold prototype tests, the effect of eccentric load on the bearing capacity of fastener steel tubular full hall formwork support system is verified. The proposed calculation models are rational and safe, which can offer valuable reference for design of full hall formwork support and full hall formwork scaffold.

Key words：full hall formwork support; full hall formwork scaffold; coupler; eccentric load; bearing capacity; finite element analysis

作者簡(jiǎn)介:陸征然(1982-)，女，博士，副教授，E-mail:luzhengranglovel@126.com；郭 超*(1980-)，男，博士，副教授，E-mail:guochaoglovel@126.com.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51308255)；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(LJQ2014059)；沈陽建筑大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目；沈陽建筑大學(xué)學(xué)科涵育計(jì)劃資助項(xiàng)目(XKHY-62).

收稿日期：2015-05-25；修回日期: 2015-09-17．

中圖分類號(hào)：TU731.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.7511/dllgxb201601004

文章編號(hào)：1000-8608(2016)01-0020-08