不同軸壓比凍融RC剪力墻抗震性能試驗(yàn)

鄭山鎖，董晉琦，榮先亮，張藝欣，董立國(guó)

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不同軸壓比凍融RC剪力墻抗震性能試驗(yàn)

鄭山鎖，董晉琦，榮先亮，張藝欣，董立國(guó)

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055)

通過(guò)人工氣候快速凍融技術(shù)仿真混凝土結(jié)構(gòu)所處的凍融環(huán)境，制作4榀剪跨比為2.14的RC剪力墻試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，繼而采用懸臂梁式加載方案對(duì)其進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)，以研究軸壓比變化和凍融循環(huán)作用對(duì)RC剪力墻承載能力、變形能力、強(qiáng)度衰減、初始剛度、剛度退化以及耗能能力等抗震性能指標(biāo)的影響規(guī)律．結(jié)果表明：相同軸壓比下，經(jīng)凍融循環(huán)作用后的RC剪力墻試件加載破損更加嚴(yán)重，其初始剛度、水平承載能力、變形能力和耗能能力均有不同程度的退化，同時(shí)，強(qiáng)度衰減幅度、剛度退化速率、不同受力狀態(tài)下的剪切變形及其占總變形的比例均有不同程度的增大；凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨軸壓比的增加，RC剪力墻試件破壞時(shí)裂縫分布范圍、墻頂水平承載能力、初始剛度、強(qiáng)度衰減幅度以及剛度退化速率均逐漸增大，而變形能力、耗能能力、不同受力狀態(tài)下的剪切變形、屈服狀態(tài)下剪切變形占總變形的比例逐漸降低，在峰值狀態(tài)下則逐漸增大并逐漸成為主要變形．綜合考慮凍融損傷參數(shù)與軸壓比對(duì)RC剪力墻峰值荷載與極限位移的影響，通過(guò)多參數(shù)擬合得到了考慮凍融損傷的RC剪力墻峰值荷載與極限位移計(jì)算式．該研究可為嚴(yán)寒地區(qū)以剪力墻為主要抗側(cè)力構(gòu)件的在役高層建筑結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估提供參考．

RC剪力墻；軸壓比；凍融循環(huán)；擬靜力加載；抗震性能

RC剪力墻作為RC框剪、剪力墻、框筒等結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)中．軸壓比是影響RC剪力墻承載能力、變形能力等抗震性能指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)．近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就軸壓比變化對(duì)RC剪力墻抗震性能的影響開(kāi)展了大量研究[1-4]，其中，Li等[1]、Su等[2]分別對(duì)不同軸壓比下低矮和高RC剪力墻試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨軸壓比的增加，不同剪跨比RC剪力墻的承載力都逐漸增加，但延性及耗能能力逐漸降低；Kuang等[5]的統(tǒng)計(jì)分析表明，隨軸壓比的增加，不同截面形式RC剪力墻試件的延性普遍降低，且剪跨比大于1.5時(shí)，延性下降尤為明顯；陳勤等[6]建立了以彎曲變形為主的RC剪力墻靜力彈塑性分析宏模型，并探討了軸壓比變化對(duì)RC剪力墻受力性能的影響，發(fā)現(xiàn)軸壓比超過(guò)一定范圍后，RC剪力墻承載力隨軸壓比的增大顯著減弱；劉成清等[7]通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬研究了軸壓比變化對(duì)RC剪力墻抗震性能的影響，并建立了墻肢軸壓比限制的理論計(jì)算公式．

然而，需要指出的是，上述研究對(duì)象均為完好RC剪力墻，并未涉及凍融損傷后RC剪力墻．已有研究表明，凍融循環(huán)作用將使混凝土材料產(chǎn)生物理?yè)p傷，導(dǎo)致其力學(xué)性能及其與鋼筋間的黏結(jié)性能發(fā)生不同程度的退化[8-11]，進(jìn)而嚴(yán)重影響RC構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和抗震性能．鑒于此，Xu等[11]、鄭捷等[12]、Yang等[13]、秦卿等[14]分別對(duì)凍融損傷后RC框架柱、框架節(jié)點(diǎn)、剪力墻進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，研究表明，凍融損傷后上述各類(lèi)RC構(gòu)件的抗震性能均發(fā)生了不同程度的退化．此外，鄭山鎖等[15]還就軸壓比變化對(duì)凍融RC剪力墻抗震性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但其研究對(duì)象為以剪切破壞為主的低矮RC剪力墻試件，而對(duì)彎剪破壞形式的高RC剪力墻并未涉及．

鑒于此，本文擬采用人工氣候快速凍融技術(shù)來(lái)仿真實(shí)際凍融環(huán)境，制作了4榀剪跨比為2.14的RC剪力墻試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，探討凍融循環(huán)作用后軸壓比變化對(duì)以彎剪破壞為主的RC剪力墻構(gòu)件抗震性能的影響，以期為嚴(yán)寒地區(qū)帶剪力墻的高層建筑結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估提供參考．

1?試驗(yàn)概況

1.1?試件設(shè)計(jì)與制作

以軸壓比和凍融循環(huán)次數(shù)為變化參數(shù)，參考國(guó)家規(guī)程和規(guī)范[16-18]，按1∶2縮尺比例，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了4榀兩端帶暗柱約束區(qū)且尺寸及配筋均相同的一字型RC剪力墻試件．各試件均采用配合比相同(中砂∶細(xì)石∶水泥∶水=980∶810∶400∶95)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50(根據(jù)材性試驗(yàn)得其立方體抗壓強(qiáng)度cu、彈性模量c、軸心抗壓強(qiáng)度c分別為55.08MPa、35335.71MPa、40.50MPa)的混凝土澆筑．各剪力墻試件具體設(shè)計(jì)參數(shù)和編號(hào)見(jiàn)表1．各類(lèi)鋼筋力學(xué)性能由材性試驗(yàn)測(cè)得，具體參數(shù)見(jiàn)表2．試件尺寸和配筋如圖1所示．

表1?RC剪力墻試件參數(shù)

Tab.1?Parameters of RC shear wall specimens

注：軸壓比是指試驗(yàn)軸壓比，其計(jì)算式為=/(c)，其中c為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度平均值，由材性試驗(yàn)測(cè)得；為由液壓千斤頂施加在剪力墻上的豎向荷載；為剪力墻截面面積.

表2?鋼筋的力學(xué)性能

Tab.2?Mechanical properties of reinforcements

圖1?RC剪力墻試件尺寸及配筋

1.2?人工氣候快速凍融試驗(yàn)方案

室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)方法多為“慢凍法”與“快凍法”[19]，然而，處于嚴(yán)寒地區(qū)的RC剪力墻構(gòu)件極少出現(xiàn)完全“氣凍水融”和“水凍水融”的情況，且本文設(shè)計(jì)墻體試件尺寸較大，因而無(wú)法完全參考上述凍融試驗(yàn)方法對(duì)所設(shè)計(jì)試件進(jìn)行凍融試驗(yàn)，因此，為更好地模擬實(shí)際凍融環(huán)境，本文采用人工氣候快速凍融技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的RC剪力墻試件進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，并通過(guò)控制試驗(yàn)室的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然環(huán)境下凍融循環(huán)過(guò)程的模擬，人工氣候環(huán)境溫度參數(shù)設(shè)定如圖2所示，具體凍融方案見(jiàn)文獻(xiàn)[12]．其中，各試件的設(shè)計(jì)凍融循環(huán)次數(shù)見(jiàn)表1．

圖2?人工氣候環(huán)境參數(shù)

1.3?加載及量測(cè)方案

快速凍融試驗(yàn)完成后，采用懸臂梁式加載方式對(duì)各RC剪力墻試件進(jìn)行擬靜力加載，加載裝置見(jiàn)圖3.首先由液壓千斤頂施加軸向荷載至設(shè)定軸壓比后保持不變，然后采用力與位移混合控制施加水平荷載至墻體明顯失效或墻頂水平荷載低于0.85倍峰值荷載時(shí)停止加載，相應(yīng)加載制度如圖4所示．其中，軸向壓力與水平往復(fù)荷載通過(guò)布置在墻頂?shù)呢Q向壓力傳感器和水平拉壓傳感器分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)．

此外，通過(guò)粘貼在鋼筋表面的電阻應(yīng)變片及布置在試件外部的位移計(jì)分別量測(cè)墻體塑性鉸區(qū)箍筋、縱筋應(yīng)變，墻頂、墻底水平側(cè)移以及塑性鉸區(qū)剪切變形等，其中墻體外部測(cè)點(diǎn)布置如圖3(b)所示．

圖3?加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置示意

圖4?加載制度示意

2?試驗(yàn)現(xiàn)象

各試件破壞過(guò)程相似，具體表現(xiàn)為：加載低于以暗柱受拉縱筋屈服對(duì)應(yīng)的墻頂水平荷載時(shí)，試件處于彈性階段．剪力墻暗柱受拉區(qū)混凝土首次出現(xiàn)水平裂縫時(shí)墻頂水平荷載達(dá)80～131kN，且隨水平往復(fù)加載的增大，墻體暗柱區(qū)新生多條水平裂縫，并不斷斜向下開(kāi)展、延伸，形成多條不同傾角的彎剪斜裂縫且寬度不斷增加．當(dāng)墻頂水平荷載達(dá)125～180kN時(shí)，墻體暗柱受拉縱筋屈服，試件進(jìn)入彈塑性階段，同時(shí)水平加載由荷載控制改為位移控制．隨墻頂水平位移的增加，原有裂縫繼續(xù)延長(zhǎng)、加寬并貫通．當(dāng)墻頂水平位移達(dá)8～17mm時(shí)，墻頂荷載達(dá)峰值，水平分布筋屈服，試件進(jìn)入破壞階段．隨墻頂水平位移的繼續(xù)增加，已有斜裂縫迅速發(fā)展，寬度繼續(xù)增加，同時(shí)墻體底部受壓區(qū)混凝土破碎面積逐漸增加，墻頂水平荷載迅速下降，試件破壞．由此可見(jiàn)，不同設(shè)計(jì)參數(shù)下各試件破壞模式均為彎剪型破壞，各試件最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖5．

圖5?試件破壞形態(tài)

此外，在加載過(guò)程中，由于凍融循環(huán)次數(shù)和軸壓比的不同，各試件又表現(xiàn)出不同的破壞特征，具體表現(xiàn)為：相對(duì)完好試件SW-1，凍融損傷試件SW-3底部出現(xiàn)沿縱筋的黏結(jié)滑移裂縫，且其開(kāi)裂、屈服、破壞時(shí)的墻頂水平位移較小，墻體裂縫寬度較大，最終破壞時(shí)損壞顯著加重．凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，較高軸壓比試件的水平裂縫出現(xiàn)較晚即彎曲裂縫出現(xiàn)滯后，交叉主裂縫的寬度和傾角較大，但其發(fā)展速度較慢，破壞時(shí)裂縫分布范圍較大．由此可見(jiàn)，凍融循環(huán)、較高軸壓比將對(duì)RC剪力墻試件破壞過(guò)程產(chǎn)生顯著的不利影響．

3?試件抗震性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1?滯回曲線

對(duì)比各試件墻頂水平位移-荷載滯回曲線(見(jiàn)圖6)發(fā)現(xiàn)，各試件滯回性能相似．具體表現(xiàn)為：暗柱受拉縱筋屈服前，其滯回曲線近似呈一條斜直線，無(wú)加卸載剛度退化與殘余變形．暗柱受拉縱筋屈服后，隨墻頂水平位移的增加，試件加卸載段剛度逐漸退化，滯回環(huán)包圍的面積及卸載后殘余變形逐漸增加且滯回曲線出現(xiàn)一定程度的捏縮．峰值后，隨墻頂水平位移的增加，試件加卸載段剛度退化更加顯著，卸載后殘余變形進(jìn)一步增大，滯回環(huán)變得不再穩(wěn)定，承載力迅速下降．此外，由于凍融的不均勻性[20]以及初始加載的方向性等原因，使得正、負(fù)向滯回曲線呈現(xiàn)出較為明顯的不對(duì)稱(chēng)分布．

圖6?試件滯回曲線

不同參數(shù)對(duì)滯回性能的影響如下：①相對(duì)于完好試件SW-1，凍融損傷試件SW-3的峰值荷載及相同墻頂水平位移下滯回環(huán)的豐滿(mǎn)程度較低，但峰值荷載后墻頂水平荷載的下降速度較快，滯回曲線的屈服平臺(tái)消失；②凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨軸壓比的增大，相同墻頂水平位移下試件滯回環(huán)的豐滿(mǎn)程度逐漸減小，但試件的峰值荷載以及達(dá)峰值荷載后墻頂水平荷載的下降速度逐漸增加，滯回曲線的屈服平臺(tái)逐漸消失.

3.2?骨架曲線及特征點(diǎn)參數(shù)

基于上述滯回曲線得到各試件骨架曲線對(duì)比如圖7所示，進(jìn)而根據(jù)平均骨架曲線得出各試件骨架曲線特征點(diǎn)參數(shù)值列于表3，同時(shí)采用位移延性系數(shù)為指標(biāo)衡量試件的塑性變形能力，其計(jì)算式如下：

(1)

表3?骨架曲線特征參數(shù)

Tab.3?Characteristic parameters of skeleton curve

圖7?試件骨架曲線

3.3?強(qiáng)度衰減

由圖可見(jiàn)，小屈服位移倍數(shù)時(shí)，強(qiáng)度衰減幅度較小，這主要是由于暗柱縱筋并未完全屈服以及試件裂縫發(fā)展并不明顯所致．隨屈服位移倍數(shù)的增加，墻體底部受壓區(qū)混凝土破碎面積逐漸增加，試件有效受力面積逐漸減小[23]，致使強(qiáng)度衰減幅度逐漸增大．相對(duì)完好試件SW-1，凍融損傷試件SW-3的強(qiáng)度衰減幅度較大，脆性特征表現(xiàn)相對(duì)明顯．凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，大軸壓比試件的強(qiáng)度衰減幅度較大．

3.4?剛度退化

剛度是構(gòu)件或結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要因素，構(gòu)件在低周循環(huán)荷載作用下的剛度采用割線剛度[16]表示，其表達(dá)式為

圖8?強(qiáng)度衰減曲線

(2)

各試件割線剛度隨墻頂水平位移變化曲線見(jiàn)圖9．由圖看見(jiàn)，凍融循環(huán)作用后試件SW-3的初始剛度低于完好試件SW-1的(反映了混凝土材料受凍融循環(huán)的影響，即凍融循環(huán)降低了混凝土彈性模量c[10])，且其剛度退化速率更大，這主要是由于凍融循環(huán)造成試件內(nèi)部微裂縫增多且發(fā)展加快所致．凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，由于軸壓力抑制了試件水平裂縫的開(kāi)展，導(dǎo)致大軸壓比試件的初始剛度較大；且隨墻頂水平位移的增大，-效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，致使大軸壓比試件的剛度退化速率較大．

圖9?割線剛度退化曲線

3.5?耗能能力

3.5.1?能量耗散系數(shù)

(3)

根據(jù)式(3)求得各試件屈服和峰值狀態(tài)下的能量耗散系數(shù)，見(jiàn)圖11．可以看出：凍融損傷試件SW-3屈服狀態(tài)下的能量耗散系數(shù)大于完好試件SW-1的，這主要是由于凍融循環(huán)增大了試件殘余變形所致；峰值狀態(tài)下試件SW-3的能量耗散系數(shù)則低于完好試件SW-1的．此外，凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨軸壓比的增大，各試件屈服和峰值狀態(tài)下的能量耗散系數(shù)逐漸減小，即軸壓比的增大削弱了試件耗能能力．

圖11?能量耗散系數(shù)

3.5.2?累積耗能

各試件累積耗能隨循環(huán)加載次數(shù)變化曲線如圖12所示．可以看出：加載前期，相對(duì)于完好試件SW-1，相同循環(huán)加載次數(shù)下凍融損傷試件SW-3的累積耗能較大(主要是由于凍融損傷試件較完好試件的殘余變形增大所致)，而第10次循環(huán)加載后，其累積耗能低于完好試件SW-1的，且兩試件累積耗能之差隨循環(huán)加載次數(shù)的增加而增大，最終破壞時(shí)，SW-3的累積耗能較SW-1降低了38.8%．凍融循環(huán)次數(shù)及循環(huán)加載次數(shù)相同時(shí)，累積耗能隨軸壓比的增大呈降低趨勢(shì)，且降低趨勢(shì)逐漸減??；最終破壞時(shí)，試件SW-3的累積耗能較試件SW-2下降了21.5%，試件SW-4的累積耗能較試件SW-3下降了48.8%，這主要是由于軸壓比增大使得試件水平承載力及延性下降，試件破壞提前所致．

圖12?累積耗能曲線

3.6?剪切變形分析

(4)

(5)

圖13?剪切變形計(jì)算示意

3.7?凍融RC剪力墻峰值承載力與極限位移修正模型

由第3.1節(jié)和第3.2節(jié)剪力墻試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：軸壓比和凍融循環(huán)次數(shù)是影響凍融RC剪力墻峰值承載能力與極限變形能力的主要因素，因此，本文結(jié)合課題組試驗(yàn)結(jié)果[14]，以相對(duì)動(dòng)彈性模量為凍融損傷指標(biāo)，定量表征混凝土凍融損傷程度，建立了混凝土凍融損傷參數(shù)表達(dá)式[24]，進(jìn)而綜合考慮凍融損傷參數(shù)與軸壓比對(duì)RC剪力墻峰值荷載(極限位移)的影響，并以各凍融損傷試件所對(duì)應(yīng)完好試件為基準(zhǔn)，對(duì)凍融損傷RC剪力墻峰值荷載(極限位移)進(jìn)行歸一化處理，通過(guò)多參數(shù)擬合，考慮邊界條件得到考慮凍融損傷影響的RC剪力墻峰值荷載(極限位移)修正系數(shù)計(jì)算式為

表4?特征點(diǎn)剪切變形

Tab.4?Shear deformation of characteristic points

試件編號(hào)屈服點(diǎn)峰值點(diǎn) /10-3/%/10-3/% SW-10.403.8505.1023.25 SW-20.687.1710.1641.87 SW-30.656.3509.7944.69 SW-40.565.9906.8955.74

式中：(，)為峰值荷載修正系數(shù)；(，)為極限位移修正系數(shù)；為軸壓比；為凍融損傷參數(shù)．

4?結(jié)?論

(1) 經(jīng)凍融循環(huán)后，RC剪力墻試件的承載能力、變形能力、耗能能力均有不同程度的退化，強(qiáng)度衰減幅度和剛度退化速率增大．

(2) 凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨軸壓比的增大，RC剪力墻試件的承載能力逐漸增加，變形能力及耗能能力逐漸下降，強(qiáng)度衰減幅度及剛度退化速率逐漸增大，且峰值承載能力的提高幅度逐漸降低，塑形變形能力的下降幅度逐漸增大．

(3) 經(jīng)凍融循環(huán)作用后，RC剪力墻試件屈服和峰值狀態(tài)下的平均剪應(yīng)變以及剪切變形占總變形的比例均有所增加；凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨軸壓比的增大，RC剪力墻試件屈服和峰值狀態(tài)下的平均剪應(yīng)變逐漸減小，且剪切變形占總變形的比例在屈服狀態(tài)下逐漸下降，峰值狀態(tài)下逐漸增大，剪切變形逐漸成為主要變形．

(4) 綜合考慮凍融損傷參數(shù)與軸壓比對(duì)RC剪力墻峰值承載力與極限變形的影響，通過(guò)多參數(shù)擬合建立了考慮凍融損傷影響的RC剪力墻峰值承載力與極限變形修正系數(shù)計(jì)算式．

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Experiment on the Seismic Behavior of Freeze-Thaw RC Shear Walls with Different Axial Compression Ratios

Zheng Shansuo，Dong Jinqi，Rong Xianliang，Zhang Yixin，Dong Liguo

(School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China)

The freeze-thaw cycle test of four RC shear wall specimens with the shear span ratio of 2.14 was carried out by simulating the actual freeze-thaw environment of concrete structure with artificial climate rapid freeze-thaw technology. Then a quasi-static loading test was carried out using a cantilever beam loading scheme to investigate the influence of both freeze-thaw cycles and axial compression ratio on the seismic behavior of RC shear wall，that include bearing capability，deformation capacity，strength degradation，initial stiffness，stiffness degradation，and energy-dissipating capacity．The results reveal that the RC shear wall specimens subjected to freeze-thaw cycles suffered more serious damage than the intact specimen with the same axial compression ratio．Their initial stiffness，horizontal bearing capacity，deformation capacity，and energy dissipation capacity all showed different degrees of degradation．In addition，the strength attenuation amplitude，rate of stiffness degradation，shear deformation under different stress states，and ratio of shear deformation to total deformation under different loading conditions increased to varying degrees．When the number of freeze-thaw cycles is the same，with the increase in axial compression ratio，the crack distribution range，horizontal bearing capacity，initial stiffness，strength attenuation amplitude，and rate of stiffness degradation of RC shear wall specimens gradually increased，while the deformation capacity，energy dissipation capacity，and the shear deformation under different stress states decreased．The ratio of shear deformation to total deformation gradually decreased in the yield state，but it gradually increased and became the main deformation in the peak state．Considering the influence of freeze-thaw damage parameterand axial compression ratioon the peak load and ultimate displacement of RC shear wall，the calculation formula of RC shear wall peak load and ultimate dislacement correction factor that accounts for the influence of freeze-thaw damage was established by using multi-parameter fitting．This research can provide a reference for performance evaluation of in-service high-rise building structures using shear walls as the main lateral load resisting system in severely cold areas．

RC shear wall；axial compression ratio；freeze-thaw cycle；pseudo-static loading；seismic performance

10.11784/tdxbz201809026

TU375.4

A

0493-2137(2019)07-0690-09

2018-09-10；

2018-11-17.

鄭山鎖（1960—??），男，博士，教授，zhengshansuo@263.net.

榮先亮，rxl021@126.com.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAJ08B03)；國(guó)家自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(51678475)；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017ZDXM-SF-093)；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(18JC020).

the National Science and Technology Support Program(No.2013BAJ08B03)，the National Natural Science Foundation of China(No.51678475)，the Key Research and Development Programs in Shanxi，China(No.2017ZDXM-SF-093)，the Industrialization Project of Shanxi Provincial Education Department(No.18JC020).

(責(zé)任編輯：樊素英)