馬 健， 彭運(yùn)動(dòng)， 高 飛， 王思啟

(1. 華中科技大學(xué) a.土木工程與力學(xué)學(xué)院； b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室， 湖北 武漢 430074；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100055 )

配置HRB500E鋼筋混凝土梁柱組合體抗震性能研究

馬 健1， 彭運(yùn)動(dòng)2， 高 飛1， 王思啟1

(1. 華中科技大學(xué) a.土木工程與力學(xué)學(xué)院； b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室， 湖北 武漢 430074；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100055 )

HRB500E是我國(guó)新開(kāi)發(fā)的一種高強(qiáng)抗震鋼筋，目前國(guó)內(nèi)對(duì)其工程應(yīng)用研究還處于起步階段。關(guān)于配置HRB500E的鋼筋砼梁柱組合體的抗震性能還缺乏相關(guān)的試驗(yàn)研究，因此，本文參照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)了4個(gè)鋼筋砼梁柱組合體足尺試件，其中2個(gè)配置HRB500E，另2個(gè)配置HRB335，并對(duì)這些試件進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗(yàn)。對(duì)配置HRB500E的試件在裂縫發(fā)展、破壞形態(tài)、滯回特性、耗能、延性和剛度退化等方面與等體積配置HRB335的試件作了對(duì)比分析。結(jié)果表明:配置HRB500E的鋼筋砼梁柱組合體與配置HRB335的鋼筋砼梁柱組合體存在著類似的破壞現(xiàn)象，同時(shí)兩者均具有良好的延性。但配置HRB500E的鋼筋砼梁柱組合體有更高的承載力、變形能力和耗能能力，表現(xiàn)出了良好的抗震性能。

高強(qiáng)抗震鋼筋； 梁柱組合體； 低周往復(fù)加載； 抗震性能

高強(qiáng)鋼筋與普通鋼筋相比強(qiáng)度高，能減少鋼筋使用量。若能推廣使用，既能通過(guò)高強(qiáng)度來(lái)提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，又能帶來(lái)一系列的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。據(jù)測(cè)算，以HRB400替代目前大量使用的HRB335鋼筋的省鋼率約12%～14%；以HRB500取代HRB400鋼筋可再節(jié)約5%～7%；在高層或大跨度建筑中應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋效果更明顯，約節(jié)省鋼筋用量30%[1，2]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)高強(qiáng)鋼筋的生產(chǎn)應(yīng)用雖在逐年提高，但進(jìn)展緩慢。截至2011 年，400 MPa 及以上鋼筋產(chǎn)量?jī)H占鋼筋總產(chǎn)量的 48.3%，不到一半。其中，400 MPa 占比 39.8%；500 MPa 占比 8.1%；600 MPa 占比 0.4%[3]。

HRB500級(jí)高強(qiáng)鋼筋已寫進(jìn)我國(guó)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中。我國(guó)目前生產(chǎn)的HRB500 高強(qiáng)鋼筋的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、冷彎及反彎等力學(xué)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而強(qiáng)屈比在1.21～1.28之間波動(dòng)，即個(gè)別爐次還有未達(dá)到抗震性能的要求[5]。

我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)之一，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)越來(lái)越成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。對(duì)于大量建筑所采用的鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，其梁柱組合體是決定結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵部件[6]。重慶大學(xué)白紹良、傅劍平的研究生團(tuán)隊(duì)對(duì)按照我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的配置HRB500鋼筋的梁柱組合體的抗震性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)配置HRB500的鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)顯示出了較差的抗震性能，主要表現(xiàn)在延性難以滿足要求，粘結(jié)退化較嚴(yán)重[7～9]。

鑒于此，我國(guó)科研人員專門針對(duì)結(jié)構(gòu)抗震開(kāi)發(fā)了一種新型的高強(qiáng)抗震鋼筋HRB500E。但其能否在實(shí)際工程中大量推廣使用，還有待于各方面的工程試驗(yàn)研究。

因此，本文重點(diǎn)對(duì)配置HRB500E鋼筋砼梁柱組合體進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)研究，主要與配置HRB335鋼筋砼梁柱組合體在裂縫發(fā)展、破壞形態(tài)、滯回特性、延性系數(shù)、能量耗散和剛度退化等方面進(jìn)行對(duì)比分析。研究成果可為推廣HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋在我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供相關(guān)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋和普通鋼筋HRB335進(jìn)行材料拉伸試驗(yàn)，其力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。由表可見(jiàn)HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋和普通鋼筋HRB335均具有良好的塑性和延性，且HRB500E的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度明顯高于HRB335，體現(xiàn)了其高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C50，采用的是商品混凝土。根據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]規(guī)定，對(duì)混凝土試塊進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定其實(shí)際抗壓強(qiáng)度，混凝土立方體軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值fcu0和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值fc0見(jiàn)表2。

表1 鋼筋材料力學(xué)性能指標(biāo)

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值 MPa

1.2 試件設(shè)計(jì)

依據(jù)我國(guó)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]和GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)試件。所有試件柱截面為400 mm×400 mm，梁截面為300 mm×400 mm。SP1和SP2全部鋼筋采用HRB500E，SP3和SP4全部鋼筋采用HRB335。所有試件梁縱筋直徑為16 mm，梁、柱箍筋直徑均為10 mm，柱縱筋直徑為20 mm。試件具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示?？紤]等體積配筋下鋼筋強(qiáng)度為單一變量時(shí)，試件

表3 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

注：軸壓比λ=N/(fcbjhj)，其中N為柱頂軸壓力；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；bj為框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的截面有效驗(yàn)算寬度；hj為框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的截面高度。

圖1 試件SP1配筋/mm

SP1和SP3形成對(duì)比，試件SP2和SP4形成對(duì)比。圖1為SP1配筋詳圖，其它試件配筋參照SP1，變化之處在于核心區(qū)配箍數(shù)量和鋼筋類型。

1.3 試驗(yàn)加載方案

參照J(rèn)GJ 101-96《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》[12]，本試驗(yàn)采用梁端加載模式，加載示意圖如圖2所示。首先，對(duì)柱頂施加恒定的軸力N；然后，在梁的自由端，采用上下兩個(gè)千斤頂施加反對(duì)稱低周往復(fù)荷載來(lái)模擬水平地震作用時(shí)構(gòu)件的受力和變形情況。即正向加載時(shí)在梁左端施加向下的力，在梁右端施加向上的力；反向加載時(shí)在梁左端施加向上的力，在梁右端施加向下的力。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)裂縫觀測(cè)儀、力傳感器及動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 試件加載示意

試驗(yàn)采用荷載-位移雙控制的加載方式。試件梁縱向鋼筋屈服前，采用荷載控制。以預(yù)估的梁受拉主筋屈服時(shí)外加荷載Py的±30%、±60%和±90%來(lái)施加往復(fù)循環(huán)荷載，每級(jí)荷載下進(jìn)行2次循環(huán)。試件梁縱向鋼筋屈服之后，采用位移控制。以屈服位移Δy的整數(shù)倍來(lái)控制加載，以±Δy、±2Δy、±3Δy……作為控制位移，每級(jí)位移進(jìn)行2次循環(huán)。當(dāng)滯回環(huán)峰值荷載下降到最大荷載的85%以下時(shí)，停止加載，加載制度詳見(jiàn)圖3。

圖3 加載制度

2 組合體試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.1 試驗(yàn)加載中裂縫發(fā)展對(duì)比

由于裂縫發(fā)展是一個(gè)連續(xù)變化過(guò)程，本文沒(méi)有詳細(xì)描述發(fā)展歷程。為了方便試件裂縫發(fā)展的對(duì)比分析，本文選取了試件加載歷程中混凝土保護(hù)層脫落前幾個(gè)特殊加載時(shí)刻的最大裂縫寬度，詳見(jiàn)表4。從表中可以看出：SP1在每一級(jí)加載結(jié)束時(shí)刻，梁端最大裂縫寬度均小于SP3，而核心區(qū)裂縫的出現(xiàn)要早于SP3。從SP2和SP4的對(duì)比中，可以發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象?？梢?jiàn)，在等體積配筋情況下，配置HRB500E的鋼筋混凝土梁柱組合體在裂縫的發(fā)展速度和塑性鉸的形成速度上比配置HRB335的鋼筋混凝土梁柱組合體要稍慢，而對(duì)核心區(qū)的相對(duì)保護(hù)能力上要略微偏弱。此現(xiàn)象形成的主要原因在于HRB500E鋼筋的屈服應(yīng)變大于HRB335鋼筋的屈服應(yīng)變，梁端縱向受力鋼筋達(dá)到屈服的時(shí)間要略長(zhǎng)，在相同的柱端彎矩放大系數(shù)下，梁端塑性鉸的形成速度故而要稍慢，進(jìn)而對(duì)核心區(qū)的相對(duì)保護(hù)能力上要略微偏弱。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高核心區(qū)配箍率，防止核心區(qū)出現(xiàn)通裂剪切裂縫。

表4 裂縫觀測(cè)記錄 mm

注：- 表示未出現(xiàn)裂縫;Wmax表示最大裂縫寬度。

2.2 破壞形態(tài)對(duì)比

試件均發(fā)生梁端彎曲破壞，如圖4所示。四個(gè)試件梁端塑性鉸均產(chǎn)生在距柱面400 mm內(nèi)，由于按照“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則，柱有良好的強(qiáng)度未發(fā)生破壞。SP1核心區(qū)出現(xiàn)較多細(xì)微裂縫，但未發(fā)生核心區(qū)剪切破壞，抗剪強(qiáng)度良好，而試件SP3的核心區(qū)僅邊緣出現(xiàn)少許裂縫。SP2核心區(qū)出現(xiàn)少許交叉斜裂縫，而SP4核心區(qū)未出現(xiàn)裂縫。

圖4 試件破壞形態(tài)

采用HRB500E鋼筋的SP1和SP2試件在節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)了較多的斜向開(kāi)裂，而采用HRB335鋼筋的SP3和SP4試件斜向開(kāi)裂較少或基本沒(méi)有的原因作者認(rèn)為有如下3點(diǎn)：(1)剪壓比對(duì)構(gòu)件的延性、耗能能力、強(qiáng)度和剛度有明顯的影響，剪壓比越大傳至節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪力越大，限制剪壓比，可使箍筋用量不至于過(guò)多，同時(shí)，也可以有效防止裂縫過(guò)早出現(xiàn)，減輕混凝土碎裂程度。本文中，四個(gè)試件均是加載至破壞，配置HRB500E的試件(SP1、SP2)核心區(qū)剪壓比(0.16)均明顯大于配置HRB335試件(SP3、SP4)的核心區(qū)剪壓比(0.11)；(2)梁端塑性鉸的形成對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)具有一定的保護(hù)作用，HRB500E鋼筋的屈服應(yīng)變大于HRB335鋼筋的屈服應(yīng)變，在相同的柱端彎矩增大系數(shù)條件下，配置HRB335試件(SP3、SP4)的梁端縱向受力鋼筋達(dá)到屈服的時(shí)間要早一些，故塑性鉸較配置HRB500E的試件(SP1、SP2)形成的早一些，避免了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)過(guò)早過(guò)多的出現(xiàn)裂縫；(3)由于HRB500E鋼筋的強(qiáng)度比較高，鋼筋屈服時(shí)與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力就比較高，粘結(jié)應(yīng)力過(guò)高，就會(huì)加快節(jié)點(diǎn)梁筋的粘結(jié)退化，促使節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變，由以“桁架機(jī)構(gòu)”為主過(guò)早的向以“斜壓桿機(jī)構(gòu)”為主轉(zhuǎn)變，加快了節(jié)點(diǎn)斜壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力。

總體來(lái)說(shuō)，配置HRB500E鋼筋的梁柱組合體與等體積配置HRB335鋼筋的梁柱組合體有著類似的破壞形態(tài)。表明鋼筋混凝土梁柱組合體在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，用HRB500E等體積替代HRB335鋼筋在破壞形態(tài)上沒(méi)有發(fā)生變化。

2.3 滯回曲線與骨架曲線的對(duì)比

結(jié)構(gòu)在低周反復(fù)荷載作用下的荷載-位移曲線是其抗震性能的綜合反映，它全面的記錄了試件從彈性、彈塑性到塑性直到破壞的全過(guò)程，是分析結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)[13]。滯回曲線如圖5所示，滯回曲線所圍成的面積都較大，原因在于4個(gè)試件均發(fā)生的是梁端塑性鉸破壞，耗能能力很好。從直觀角度評(píng)價(jià)，SP3的滯回曲線比SP1的略微飽滿，SP4和SP2的滯回飽滿度相當(dāng)。但SP1滯回曲線所圍成的面積大于SP3的，表現(xiàn)出了更高的耗能能力，這主要是由于其更高的承載力和變形能力。SP2的承載力和變形能力也都明顯高于SP4。根據(jù)GB 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]，取每一級(jí)循環(huán)第一次加載的峰值點(diǎn)所連成的包絡(luò)線即為試件的骨架曲線。 骨架曲線如圖6所示，從SP1與SP3骨架曲線的對(duì)比中，可以發(fā)現(xiàn)，它們的走勢(shì)基本相同，在屈服荷載前基本重合，但SP1的承載能力和變形能力明顯大于SP3的。從SP2與SP4骨架曲線的對(duì)比中，我們也可以發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。

圖5 試件的滯回曲線

圖6 試件骨架曲線

通過(guò)以上滯回曲線與骨架曲線的對(duì)比分析，可見(jiàn)，配置HRB500E的鋼筋混凝土梁柱組合體在承載能力、變形能力、總耗能能力等方面要大于等體積配置HRB335鋼筋的混凝土梁柱組合體。

2.4 延性系數(shù)對(duì)比

延性也是反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件非線性變形能力的一個(gè)指標(biāo)，是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件抗震性能的一個(gè)重要因素[15～17]。構(gòu)件的延性包括了位移延性和其塑性耗能的能力。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性通常用延性系數(shù)表示，位移延性系數(shù)的定義為：μΔ=Δu/Δy，其中Δy和Δu分別為試件的屈服位移和極限位移(取滯回環(huán)峰值荷載下降到最大荷載的85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移)。

通過(guò)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出各試件的延性系數(shù)，具體如表5所示。對(duì)比SP1和SP3，延性系數(shù)SP3略大于SP1，但兩系數(shù)非常接近；同樣，對(duì)比SP2和SP4，也是延性系數(shù)SP4略大于SP2。采用HRB500E鋼筋的SP1和SP2試件的延性系數(shù)略小于采用HRB335鋼筋的SP3和SP4試件的原因主要在于HRB500E鋼筋的屈服應(yīng)變大于HRB335鋼筋的屈服應(yīng)變，在相同的條件下，采用HRB500E鋼筋的SP1和SP2試件的屈服位移大于采用HRB335鋼筋的SP3和SP4試件的屈服位移，這會(huì)影響構(gòu)件的延性。

總體來(lái)說(shuō)，配置HRB500E試件的延性系數(shù)比配置HRB335試件的略低一點(diǎn)，但非常接近；此外，四個(gè)試件的延性系數(shù)均大于5。因此，配置HRB500E的混凝土梁柱組合體與等體積配置HRB335的混凝土梁柱組合體均具有很好的延性。

表5 試件延性系數(shù)

2.5 累積滯回耗能對(duì)比

構(gòu)件的累積滯回耗能即為構(gòu)件滯回曲線所包圍而成的面積。本文將構(gòu)件的累積滯回耗能表示成與Δ/Δy相關(guān)的曲線形式，其中Δ、Δy分別為梁端位移和屈服位移。如圖7所示，圖中各特征點(diǎn)為屈服位移的整數(shù)倍，與加載制度相對(duì)應(yīng)。從圖中可知，4Δy前SP1與SP3的累積耗能基本相同，但是接近極限破壞形態(tài)時(shí)，SP1的累積耗能明顯高于SP3。SP2的累積滯回耗能曲線在6Δy前一直低于SP4的，但兩條曲線非常接近。6Δy后，SP4達(dá)到破壞狀態(tài)，停止加載，而SP2還有一定的承載能力和耗能能力?？梢?jiàn)配置HRB500E的鋼筋混凝土梁柱組合體比配置HRB335的鋼筋混凝土梁柱組合體的總耗能能力強(qiáng)，且在相同Δ/Δy下，兩者的累積滯回耗能相當(dāng)。

圖7 試件累積滯回耗能曲線

2.6 剛度退化對(duì)比

結(jié)構(gòu)的退化性質(zhì)反映了結(jié)構(gòu)積累損傷的影響，是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要組成部分。本文用剛度退化系數(shù)β=Ki/K1來(lái)判斷組合體剛度退化的快慢。Ki為第i級(jí)循環(huán)加載的第一個(gè)滯回環(huán)的峰值荷載與對(duì)應(yīng)位移的比值[18]。如圖8所示,縱坐標(biāo)為剛度退化系數(shù)，橫坐標(biāo)為Δ/Δy。SP1的剛度退化比SP3要慢，且同等位屈比下剛度SP1>SP3；同樣，SP2的剛度退化比SP4要慢，且相同Δ/Δy下剛度SP2>SP4?？梢?jiàn)，配置HRB500E的鋼筋混凝土梁柱組合體剛度退化比配置HRB335的要慢，有助于結(jié)構(gòu)的抗震性能的提高。

圖8 試件剛度退化曲線

3 結(jié) 論

對(duì)配置HRB500E鋼筋混凝土梁柱組合體試件與等體積配置HRB335鋼筋的混凝土梁柱組合體試件在裂縫發(fā)展、破壞形態(tài)、滯回特性、剛度退化、能量耗散及延性系數(shù)等方面分別進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1) 配置HRB500E的鋼筋混凝土梁柱組合體在開(kāi)裂荷載、通裂荷載、極限荷載、變形能力、總耗能能力等方面要大于等體積配置HRB335的鋼筋混凝土梁柱組合體；但在裂縫的發(fā)展速度和塑性鉸的形成速度上比配置HRB335的鋼筋混凝土梁柱組合體要稍慢一點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)保護(hù)能力要弱一點(diǎn)。用HRB500E等體積替代HRB335以提高安全儲(chǔ)備時(shí)，可適當(dāng)提高核心區(qū)配箍率，防止組合體核心區(qū)產(chǎn)生通裂剪切裂縫；

(2) 配置HRB500E的鋼筋混凝土梁柱組合體與等體積配置HRB335的鋼筋混凝土梁柱組合體的延性系數(shù)接近，且均具有很好的延性；

(3) 配置HRB500E的鋼筋混凝土梁柱組合體剛度退化比等體積配置HRB335的梁柱組合體要慢，有助于結(jié)構(gòu)的抗震性能的提高；

(4) HRB500E在鋼筋混凝土梁柱組合體中表現(xiàn)出了良好的抗震性能。

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Study of the Seismic Behavior of Concrete Beam-column Sub-assemblages Reinforced with HRB500E Steel Bars

MAJian1,PENGYun-dong2,GAOFei1,WANGSi-qi1

(1. a.School of Civil Engineering and Mechanics; b.Hubei Key Laboratory of Control Structure,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2.China Highway Planning and Design Institute Consultants, INC, Beijing 100055, China)

At present, the research of HRB500E, a new kind of high strength seismic reinforcement, is very limited. No experimental studies yet reported in the literature have investigated the seismic behavior of RC beam-column joint. In this paper, a total of four full-scale specimens of concrete beam-column sub-assemblages were fabricated, instrumented and tested under cyclic low-frequent loading. Among them, two specimens were reinforced with HRB500E, while the others were reinforced with HRB335. The crack development, collaTPe mode, hysteretic characteristics, energy dissipation, ductility and stiffness degradation obtained from experiment were analyzed. The results show that concrete beam-column sub-assemblages reinforced with HRB500E have a similar collaTPe mode with those reinforced with HRB335. In addition, all of the specimens, regardless of their different kinds of reinforcement, have a good ductile behavior. Furthermore, specimens reinforced with HRB500E have a higher bearing capacity, deformation capacity and energy dissipation, which indicate that they have a better seismic performance.

high strength seismic reinforcement; beam-column sub-assemblages; cyclic and low-frequent loading; seismic performance

2014-06-03

2014-10-20

馬 健(1990-)，男，湖北荊州人，碩士研究生，研究方向?yàn)殇摻罨炷亮褐?jié)點(diǎn)的抗震性能(Email：757287025@qq.com)

國(guó)家自然科學(xué)基金(51378233)；貴州省“十二五”重大科技專項(xiàng)( 黔科合重大專項(xiàng)[2011]6014)

TU375

A

2095-0985(2014)04-0038-06