一种连续钢桁梁预拱度设置方法及连续钢桁梁 |
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申请号 | CN202310009600.3 | 申请日 | 2023-01-04 | 公开(公告)号 | CN116226972B | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
申请人 | 中铁大桥勘测设计院集团有限公司; | 发明人 | 何东升; 喻济昇; 徐伟; 郑建超; 周子明; 姚璐; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及 桥梁 工程技术领域,具体涉及一种连续 钢 桁梁预拱度设置方法及连续钢桁梁。该方法包括以下步骤:根据设计预拱度曲线,计算每根 弦杆 的第一制造长度调整量,划分无内 力 起拱杆件和带内力起拱杆件;将无内力起拱杆件引起的 节点 竖向位移进行线性相加,得到无内力预拱度曲线;根据设计预拱度曲线和无内力预拱度曲线,得到带内力预拱度曲线;以确定带内力起拱方式下每根杆件的第二制造长度调整量;根据起拱 前杆 件设计长度、无内力起拱杆件的第一制造长度调整量和第二制造长度调整量,确定每根弦杆的最终制造长度。能够解决 现有技术 中采用对边 支点 起顶的方式会引起主梁线形的变化,并可能引起安装过程中杆件内力过大的问题。 | ||||||
权利要求 | 1.一种连续钢桁梁预拱度设置方法,其特征在于,包括以下步骤: |
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说明书全文 | 一种连续钢桁梁预拱度设置方法及连续钢桁梁技术领域背景技术[0002] 钢桁梁预拱度设置根据受力方式的不同,通常分为带内力起拱和无内力起拱两种。带内力起拱的特点是形成预拱度的过程中,杆件产生附加内力,主要措施是通过调整下弦杆或上弦杆杆件的制造长度,在主桁杆件强制安装过程中,内力发生重分配,线形发生变化,形成预拱度。无内力起拱的特点是形成预拱度的过程中,杆件基本不产生附加内力,主要措施是通过首先确定叠加预拱度后的上弦杆(或下弦杆)节点的位置,然后通过放样确定下弦杆(或上弦杆)节点的位置。 [0003] 实际工程中两种起拱方式均有采用,常规钢桁梁的预拱度设置通常采取以上两种方式中的任意一种。带内力起拱方式只需要改变上弦杆或下弦杆杆件的长度,并且通常是通过调整拼接板实现,简化了杆件的制造,但当杆件中的安装内力过大时,需要增加额外的顶拉设施。无内力起拱方式由于每根杆件长度和角度不同,制造难度增大。如专利CN111709066A中公布了带内力起拱方式确定预拱度的一种方法;专利CN111428296B中公布了无内力起拱方式确定预拱度的一种方法。 [0004] 对于一些如边中跨比非常小的连续钢桁梁的特殊情况,为消除边墩支座的负反力,比较经济的措施是成桥时对边支点起顶,但起顶会引起主梁线形的变化,并可能引起安装过程中杆件内力过大的情况。 发明内容[0005] 针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种连续钢桁梁预拱度设置方法及连续钢桁梁,能够解决现有技术中采用对边支点起顶的方式会引起主梁线形的变化,并可能引起安装过程中杆件内力过大的问题。 [0006] 为达到以上目的,本发明采取的技术方案是: [0007] 一方面,本发明提供一种连续钢桁梁预拱度设置方法,包括以下步骤: [0008] 根据设计预拱度曲线,按带内力起拱的方式计算每根弦杆的第一制造长度调整量,根据第一制造长度调整量划分无内力起拱杆件和带内力起拱杆件; [0009] 根据无内力起拱杆件的第一制造长度调整量,依次确定无内力起拱杆件引起的节点竖向位移,进行线性相加得到无内力预拱度曲线; [0010] 根据设计预拱度曲线和无内力预拱度曲线,得到带内力预拱度曲线; [0011] 根据带内力预拱度曲线,确定带内力起拱方式下每根杆件的第二制造长度调整量; [0012] 根据起拱前杆件设计长度、无内力起拱杆件的第一制造长度调整量和第二制造长度调整量,确定每根弦杆的最终制造长度。 [0013] 在一些可选的方案中,所述的设计预拱度曲线根据以下步骤获得: [0014] 以主梁设计线形作为初始状态,建立有限元模型,分别计算钢桁梁在恒载和活载作用下的竖向位移,反向得到恒载预拱度曲线; [0015] 计算1/2静活载作用下的竖向位移,反向得到1/2静活载预拱度曲线; [0016] 按最不利荷载组合下边支点不出现负反力的原则,计算边支点起顶量和起顶产生的钢桁梁竖向位移,反向得到顶升预拱度曲线; [0017] 将恒载预拱度曲线、1/2静活载预拱度曲线和顶升预拱度曲线叠加,得到设计预拱度曲线。 [0018] 在一些可选的方案中,所述的按带内力起拱的方式计算每根弦杆的第一制造长度调整量,根据第一制造长度调整量划分无内力起拱杆件和带内力起拱杆件,包括: [0019] 将有限元模型保留两个中支点的约束,形成静定结构,并增加相应支点处竖向位移为0的约束条件,计算得到每根弦杆的第一制造长度调整量; [0020] 判断每根弦杆的第一制造长度调整量是否设定大于设定长度调整量,若是,则划分为无内力起拱杆件,若否,则划分为带内力起拱杆件。 [0021] 在一些可选的方案中,所述的根据无内力起拱杆件的第一制造长度调整量,依次确定无内力起拱杆件引起的节点竖向位移,进行线性相加得到无内力预拱度曲线,包括: [0022] 断开弦杆 ,将弦杆 对应节点 两侧的桁架作为刚片,使两侧桁架绕节点 转动相对转动角度 ,并使弦杆 的长度变为预拱度施加前设计长度 加上其第一制造长度调整量 ; [0023] 基于几何关系,根据腹杆长度和弦杆 调整后长度,确定转动角度 ; [0024] 根据转动角度 ,确定弦杆 对应节点 两侧节点的竖向位移,以及无内力起拱杆件两侧腹杆的角度; [0025] 将所有无内力起拱杆件引起的节点竖向位移进行线性相加,得到无内力预拱度曲线。 [0026] 在一些可选的方案中,所述的基于几何关系,根据腹杆长度和弦杆 调整后长度,确定转动角度 ,包括: [0027] 基于几何关系,确定腹杆长度、弦杆 调整后长度与转动角度 的关系:; [0028] 求解 ,得到; [0029] 其中, 为腹杆 的设计长度, 为腹杆 的设计长度, 为腹杆与 之间的施加预拱度前设计夹角, 为两侧桁架绕节点 转动的相对转动角度,为弦杆 在预拱度施加前设计长度, 为弦杆 的第一制造长度调整量, 为节 点 到弦杆 的垂直距离。 [0030] 在一些可选的方案中,所述的根据转动角度 ,确定弦杆 对应节点 两侧节点的竖向位移,包括: [0031] 当弦杆 位于两个中支点之间时: [0032] 根据第一侧桁架的绕对应一侧支点的旋转角度为 ,得到弦杆 引起第一侧桁架上第j个节点的竖向位移 ; [0033] 根据第二侧桁架的绕其对应一侧支点的旋转角度为 ,得到弦杆 引起另一侧桁架上第j个节点的竖向位移 , [0034] 其中, 为第一侧桁架上到节点 的距离, 为第二侧桁架到节点 的距离,为节点 到所在桁架支点的距离。 [0035] 在一些可选的方案中,所述的根据转动角度 ,确定弦杆 对应节点 两侧节点的竖向位移,还包括: [0036] 当 弦 杆 位 于 两 个 中 支 点 跨 外 的 悬 臂 端 时 :根 据 公 式,确定节点 两侧桁架上第j个节点的竖向位移 ; [0037] 其中, 为节点 到节点 的距离。 [0038] 在一些可选的方案中,根据公式 ,确定带内力预拱度曲线 ,其中,为设计预拱度曲线, 为无内力预拱度曲线。 [0039] 在一些可选的方案中,根据公式 ,确定第i根弦杆的最终制造长度 ,其中,为预拱度施加前设计长度, 为弦杆 的第一制造长度调整量,为带内力预拱度曲线对应带内力起拱方式下第i根杆件的第二制造长度调整量。 [0040] 另一方面,本发明还提供一种连续钢桁梁,其预拱度采用上述任一项所述的连续钢桁梁预拱度设置方法设置。 [0041] 与现有技术相比,本发明的优点在于:本方案根据设计预拱度曲线,按带内力起拱的方式计算每根弦杆的第一制造长度调整量,根据第一制造长度调整量划分无内力起拱杆件和带内力起拱杆件;根据无内力起拱杆件的第一制造长度调整量,依次确定无内力起拱杆件引起的节点竖向位移,进行线性相加得到无内力预拱度曲线;根据设计预拱度曲线和无内力预拱度曲线,得到带内力预拱度曲线;根据带内力预拱度曲线,确定带内力起拱方式下每根杆件的第二制造长度调整量;根据起拱前杆件设计长度、无内力起拱杆件的第一制造长度调整量和内力预拱度曲线对应带内力起拱方式下每根杆件的第二制造长度调整量,确定每根弦杆的最终制造长度。该预拱度设置方法根据第一制造长度调整量划分无内力起拱杆件和带内力起拱杆件,将无内力起拱杆件引起的节点竖向位移,进行线性相加得到无内力预拱度曲线,方便安装和制造,综合考虑了杆件安装和制造两方面的影响因素,综合了无内力起拱和带内力起拱两种方式各自的优点,适用性非常强。附图说明 [0042] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0043] 图1为本发明实施例中连续钢桁梁预拱度设置方法的流程图。 [0044] 图2为本发明实施例中连续钢桁梁立面布置图。 [0045] 图3为本发明实施例中连续钢桁梁恒载预拱度曲线图。 [0046] 图4为本发明实施例中连续钢桁梁1/2静活载预拱度曲线图。 [0047] 图5为本发明实施例中连续钢桁梁顶升预拱度曲线图。 [0048] 图6为本发明实施例中连续钢桁梁设计预拱度曲线图。 [0049] 图7为本发明实施例中连续钢桁梁用带内力起拱实现预拱度时的杆件轴力分布图。 [0050] 图8为本发明实施例中连续钢桁梁用带内力起拱实现预拱度时的杆件弯矩分布图。 [0051] 图9为本发明实施例中连续钢桁梁提出的无内力起拱时的参数示意图。 [0052] 图10为本发明实施例中连续钢桁梁提出的A5A6杆件无内力起拱时的结构示意图。 [0053] 图11为本发明实施例连续钢桁梁无内力起拱部分的预拱度曲线图。 [0054] 图12为本发明实施例连续钢桁梁带内力起拱部分的预拱度曲线图。 [0055] 图13为本发明实施例中连续钢桁梁采用提出的预拱度设置方法时的杆件轴力分布图。 [0056] 图14为本发明实施例中连续钢桁梁采用提出的预拱度设置方法时的杆件弯矩分布图。 具体实施方式[0057] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。 [0058] 以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。 [0059] 如图1所示,一方面,本发明提供一种连续钢桁梁预拱度设置方法,包括以下步骤: [0060] S1:根据设计预拱度曲线,按带内力起拱的方式计算每根弦杆的第一制造长度调整量,根据第一制造长度调整量划分无内力起拱杆件和带内力起拱杆件。 [0061] 在一些可选的实施例中,设计预拱度曲线根据以下步骤获得: [0062] S11A:以主梁设计线形作为初始状态,建立有限元模型,分别计算钢桁梁在恒载和活载作用下的竖向位移,反向得到恒载预拱度曲线 。 [0063] S12A:计算1/2静活载作用下的竖向位移,反向得到1/2静活载预拱度曲线 。 [0064] S13A:按最不利荷载组合下边支点不出现负反力的原则,计算边支点起顶量和起顶产生的钢桁梁竖向位移,反向得到顶升预拱度曲线c3。 [0065] S14A:将恒载预拱度曲线、1/2静活载预拱度曲线和顶升预拱度曲线叠加,得到设计预拱度曲线。 [0066] 具体地,设计预拱度曲线为 。 [0067] 按带内力起拱的方式计算每根弦杆的第一制造长度调整量,根据第一制造长度调整量划分无内力起拱杆件和带内力起拱杆件,包括: [0068] S11B:将有限元模型保留两个中支点的约束,形成静定结构,并增加相应支点处竖向位移为0的约束条件,计算得到每根弦杆的第一制造长度调整量。 [0069] 本例中,按带内力起拱的方式计算上弦杆(或下弦杆)的制造长度调整量 ,计算方法可采用影响矩阵法,也可以采用其他方法,边界条件为仅保留两个中支点的约束,去掉其他支点的约束,形成静定结构,并增加相应支点处竖向位移为0的约束条件。计算得到每根弦杆的第一制造长度调整量 。 [0070] S12B:判断每根弦杆的第一制造长度调整量是否设定大于设定长度调整量,若是,则划分为无内力起拱杆件,若否,则划分为带内力起拱杆件。 [0071] 本例中,计算出来的每根弦杆的第一制造长度调整量 代入到有限元模型中进行杆件安装分析,确定最大安装内力。 [0072] 由拼缝间顶拉条件确定的杆件容许安装内力。安装内力超过杆件容许安装内力,或杆件制造长度调整量超过设定限值的杆件起拱方式设为无内力起拱,其他杆件采用带内力起拱。本例中,为优选方便,可按第一制造长度调整量是否设定大于设定长度调整量作为判断条件。设定长度调整量为50mm。 [0073] S2:根据无内力起拱杆件的第一制造长度调整量,依次确定无内力起拱杆件引起的节点竖向位移,进行线性相加得到无内力预拱度曲线。 [0074] 在一些可选的实施例中,步骤S2包括: [0075] S21:断开弦杆 ,将弦杆 对应节点 两侧的桁架作为刚片,使两侧桁架绕节点 转动相对转动角度 ,并使弦杆 的长度变为预拱度施加前设计长度 加上其第一制造长度调整量 。 [0076] 本例中,边界条件为仅保留两个中支点的约束,去掉其他支点的约束,形成静定结构。弦杆 为某根设置无内力起拱弦杆。 [0077] S22:基于几何关系,根据腹杆长度和弦杆 调整后长度,确定转动角度 。本例中,(角度以使 增大为正) [0078] 在一些可选的实施例中,步骤S22包括: [0079] S221:基于几何关系,由三角形边长,确定腹杆长度、弦杆 调整后长度与转动角度 的关系: 。 [0080] S 2 2 2 :求 解 ,得 到。 [0081] 在 求 解 时 ,由 于 ,略 去 二 阶 小 量 后 ,即 看 得 :。 [0082] 其中, 为腹杆 的设计长度, 为腹杆 的设计长度, 为腹杆与 之间的施加预拱度前设计夹角, 为两侧桁架绕节点 转动的相对转动角度,为弦杆 在预拱度施加前设计长度, 为弦杆 的第一制造长度调整量, 为节 点 到弦杆 的垂直距离。 [0083] S23:根据转动角度 ,确定弦杆 对应节点 两侧节点的竖向位移,以及无内力起拱杆件两侧腹杆的角度。 [0084] 在一些可选的实施例中,步骤S23包括: [0085] A:当弦杆 位于静定结构两个中支点之间时: [0086] 根据第一侧桁架的绕对应一侧支点的旋转角度为 ,得到弦杆 引起第一侧桁架上第j个节点的竖向位移 ; [0087] 根据第二侧桁架的绕其对应一侧支点的旋转角度为 ,得到弦杆 引起另一侧桁架上第j个节点的竖向位移 ; [0088] 其中, 为第一侧桁架上到节点 的距离, 为第二侧桁架到节点 的距离,为节点 到所在桁架支点的距离。 [0089] 本例中,第一侧桁架和第二侧桁架分别为节点 左右两侧的桁架刚片。且定义为支点外悬臂端为负,支点内为正。 [0090] B:当 弦杆 位于 两个 中支 点跨 外的 悬臂 端时 :根 据公 式,确定节点 两侧桁架上第j个节点的竖向位移 ;其中, 为节 点 到节点 的距离。定义为支点外悬臂端为负,支点内为正。 [0091] S24:将所有无内力起拱杆件引起的节点竖向位移进行线性相加,得到无内力预拱度曲线。 [0092] 依次对每根需要无内力起拱的杆件采用相同的步骤,在求出每一无内力起拱杆件引起所有节点的竖向位移后,得到整个桁架无内力起拱时的竖向位移,任一节点的竖向位移为 ,组成无内力预拱度曲线 。 [0093] 另外,腹杆的长度不变,调整量 不等于0的弦杆两侧腹杆夹角,即无内力起拱杆件两侧腹杆的角度为 。 [0094] S3:根据设计预拱度曲线和无内力预拱度曲线,得到带内力预拱度曲线。 [0095] 本例中,根据公式 ,确定带内力预拱度曲线 ,其中,为设计预拱度曲线, 为无内力预拱度曲线。 [0096] S4:根据带内力预拱度曲线,确定带内力起拱方式下每根杆件的第二制造长度调整量。 [0097] 本例中,利用影响矩阵法,带内力预拱度曲线对应带内力起拱方式下每根杆件的第二制造长度调整量。 [0098] S5:根据起拱前杆件设计长度、无内力起拱杆件的第一制造长度调整量和第二制造长度调整量,确定每根弦杆的最终制造长度,和无内力起拱杆件两侧腹杆的角度。 [0099] 本例中,根据公式 ,确定第i根弦杆的最终制造长度 ,其中,为预拱度施加前设计长度, 为弦杆 的第一制造长度调整量, 为带内力预拱度曲线对应带内力起拱方式下第i根杆件的第二制造长度调整量。 [0100] 下面给出一种更加具体的实施例: [0101] 图2所示的连续钢桁梁跨径组成为54+182+79m,边中跨比为0.30,远小于常规边中跨比范围0.6 0.8,边支点出现了非常大的负反力,拟通过边支点的顶升予以消除。经计算,~E0支点处需顶升20cm,E27支点处需顶升5cm。 [0102] 恒载预拱度曲线 、1/2静活载预拱度曲线 、顶升预拱度曲线 分别如图3 5所~示。三者预拱度曲线组合形成设计预拱度曲线 如图6所示。用带内力起拱的方式实现全部预拱度时,杆件轴力、弯矩分布分别如图7和图8所示,中支点附近杆件受力最大,杆件轴向压力最大为2065.7kN,面内弯矩最大为8312 kN·m,经分析,此时杆件安装困难,需采取额外的顶拉措施。 [0103] 将内力大的弦杆 、 通过无内力起拱的方式确定预拱度。参数取值如图9所示。以弦杆 为例,计算示意图如图10所示,说明计算过程。上弦杆 对应的节点号 ,设预拱度前,弦杆 设计长为 m,弦杆 制造长度调整量mm,腹杆 设计长为 m,腹杆 设计长为 m,腹杆 与 的夹角为 rad,节点 到杆件 的垂直距离 m。断开弦杆 ,节点 两侧的桁架作为刚片,两个桁架刚片绕节点 转动,使弦杆 的长度变为 m,得 rad。弦杆 位于上述 静定结构两个支点跨外,右片刚片为静定结构,无位移。左片刚片上节点 的竖向位移为,其中 为节点 到节点 的距离。端支点 处预拱度值为 54000×35/12000=157.5mm。 [0104] 同理,弦杆 制造长度调整量 mm,引起两侧腹杆 与的夹角为 之间角度 rad,端支点 处预拱度值为 mm。 [0105] 对上述两根弦杆 、 无内力起拱的主梁竖向位移求和,得到整个桁架无内力起拱部分的竖向位移,组成无内力预拱度曲线 ,如图11所示。 [0106] 带内力起拱部分的预拱度曲线为 ,如图12所示。按步骤201中的方法确定带内力起拱方式中每根杆件的制造长度调整量 。将无内力起拱部分和带内力起拱部分的杆件调整量叠加,确定弦杆的最终制造长度调整量为 ,腹杆的长度不变,调整量 不等于0的弦杆两侧腹杆夹角为 。 [0107] 由此确定引起的杆件轴力、弯矩分布分别如图13和图14所示,可见中支点附近杆件内力大幅减小,轴力减小为750.8kN,面内弯矩减小为1163.4kN·m,有利于杆件拼装。同时仅两根弦杆 、 采用了无内力起拱,杆件的制造业相对简单。 [0108] 第二方面,本发明还提供一种连续钢桁梁,其预拱度采用上述任一所述的连续钢桁梁预拱度设置方法设置。 [0109] 综上所述,本方案根据设计预拱度曲线,按带内力起拱的方式计算每根弦杆的第一制造长度调整量,根据第一制造长度调整量划分无内力起拱杆件和带内力起拱杆件;根据无内力起拱杆件的第一制造长度调整量,依次确定无内力起拱杆件引起的节点竖向位移,进行线性相加得到无内力预拱度曲线;根据设计预拱度曲线和无内力预拱度曲线,得到带内力预拱度曲线;根据带内力预拱度曲线,确定带内力起拱方式下每根杆件的第二制造长度调整量;根据起拱前杆件设计长度、无内力起拱杆件的第一制造长度调整量和内力预拱度曲线对应带内力起拱方式下每根杆件的第二制造长度调整量,确定每根弦杆的最终制造长度和无内力起拱杆件两侧腹杆的角度。预拱度设置方法,根据第一制造长度调整量划分无内力起拱杆件和带内力起拱杆件,综合考虑了杆件安装和制造两方面的影响因素,综合了无内力起拱和带内力起拱两种方式各自的优点,适用性非常强。另外,本发明提出的无内力起拱方法不同于现有技术。现有技术是根据预拱度值通过实际放样确定每个节点的位置,再用直线将每个节点连接起来,导致设置预拱度前后每根杆件的长度和杆件间的角度都有变化,制造难度大。本发明提出的方法是将对应有调整量的杆件两侧桁架作为刚片处理,刚片内的桁架长度及角度等相对关系与设置预拱度前保持一致,并且提出了每个节点竖向位移及转角的计算公式,通过公式可直接计算出竖向位移,并不需要实际放样。可见,本发明提出的方法简单、高效,降低了设计、制造和安装难度。 [0110] 在本申请的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。 [0111] 需要说明的是,在本申请中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0112] 以上所述仅是本申请的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 |