汕头海湾大桥主孔悬索桥设计构思及新技术因素杨进.docx
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汕头海湾大桥主孔悬索桥设计构思及新技术因素杨进
汕头海湾大桥主孔悬索桥
设计构思及新技术因素
杨进
摘要:
本文介绍我国正在建设中的第一座现代悬索桥的结构设计概况。
桥梁位于强风、强震地域。
文章发表时间为1994年底
关键词:
设计条件、总体布置、预应力混凝土箱形加劲主梁、主塔,主缆锚碇、抗震
1前言
汕头海湾大桥的主桥采用悬索桥的桥式是我国广大的工程技术人员为全方位发展我国的建桥技术的一次有力的举措。
前此,有关斜拉桥技术,已在国内发展到逐臻完善和成熟。
而对于现代悬索桥技术,国外已领先我们数十年,汕头海湾大桥的兴建,决定采用悬索桥方案,作为该项领域内追赶世界先进水准的起步,显示了决定者的卓见和果断。
现代悬索桥在国外千米左右的大跨度已不胜枚举,不仅只是跨度大,而是表现出在技术上和工业能力上的高水平。
以汕头海湾大桥的自然环境和地形条件,既不能以跨度大又无法在常规技术中去争得在悬索桥中的世界席位。
为此,我们决心从加劲梁的用材和截面选型方面下手,推出全流线截面外形,双向预应力混凝土薄壁箱结构,给悬索桥以一个独特的技术形像。
与之相适应,在多项结构细节的处理方面,也以不泥于常规的做法,揉入一些技术新因素。
悬索桥采用重的梁体结构,容易给人一个直观的感觉,即是主缆多耗了材料。
但是对于深知工程条件之艰难的工程师,则不能不从把握全局而权衡得失。
汕头海湾桥正在长年不息的大风口上,我们缺乏在此种环境下采用大跨度柔性长桥的实践经验,加大主缆的重力刚度和增强梁体的自稳性,是在设计之初所可能采取的一项预为之计的考虑。
2工程条件
汕头海湾大桥位于汕头湾海港的东面门户位置。
主孔悬索桥从主航道跨过,其左侧是妈屿岛主峰,右侧为广澳山矶头,航道部门要求主孔跨径不得小于400m,净空高度在平均高潮位
以上46m。
本桥按汽车专用路一级与城市主干道一级相结合的双功能桥梁设计。
桥上设计车速:
60km/h;
设计荷载标准:
汽车--超20级六车道设计,挂车--120验算;
设计基本风速:
V10=47m/s,即离地(或水面)10m高、频率1/100、10分钟平均最大风速。
设计针对长大跨度桥梁的特殊性,计算风压值时考虑了结构物的长度、高度、结构阻风面的形状以及所处的地形、地理条件等因素,并进行了修正,而且还在数年前于桥面高程处设立了风观测站。
抗震设防设计按“小震不坏,中震可修,大震不倒”的原则进行,由地震专业部门所做的桥址小区地震危险性分析得出:
在100年使用期内超越频率为10/100的情况下,基岩面最大设计计算加速度值为0.2229g,以此作为罕遇的大地震进行控制。
悬索、主梁的设计线型及几何尺寸按标准气温为+20℃时的条件确定。
根据区域的海洋性气候的温度变化幅度,桥梁结构体系温度按±15℃计算,主缆、吊索与主梁、主塔的结构温差以±10℃计。
图1
3总体设计
本桥的结构体系为三跨双铰预应力钢筋混凝土箱形加劲梁的悬索桥,共总体布置见图1。
悬索桥的主孔跨度为452m,两边孔跨度均为154m。
主孔主缆的矢跨比为1/10,边孔主缆的垂跨比为1/29.6。
主缆无应力束长1029.6m左右,全桥对称布置。
边孔主缆以切线方向穿过设置在边墩上方的摆柱直至散束鞍座后呈放射状进入锚室,边墩后方采用较长的拉缆布置,其目的在于利用两岸的岩包锚固主缆。
锚体为嵌入式构造,巧妙地利用了岩体自重、力学性能,增大了主缆锚碇的安全度。
混凝土锚体内埋有预先调整定位的工字形截面钢制锚杆,主缆钢丝束锚头与伸露在锚体前壁的锚杆相连接。
主孔加劲梁的计算跨度为444m,两侧边孔加劲梁的计算跨度为150m,每间隔6m布置一对吊索。
在通过主塔处,边孔与主孔加劲梁间8m的过渡空档设置了与全桥结构体系相适应的特殊结构段。
主桥总长760m,主梁立面轴线处在两端为3.5%的纵坡和中部衔接8000m半径的凸形竖曲线上。
主塔为三层门式框架结构,塔高95.1m,设有上、中、下三道横梁。
塔柱纵、横方向的长细比按满足经验公式的匹配要求确定,以保证主塔框架的空间稳定性。
塔柱、横梁均采用中空截面。
桥面净宽24.20m,中间带1.30m,两侧各布置三条机动车道。
本桥为半漂浮结构体系。
混凝土箱形加劲梁在主塔以及边墩处均由竖向的拉压支座予以支承,纵桥向由设置在塔柱内侧的阻尼设施提供正常使用状态下的纵向水平弹性约束。
当受地震惯力作用时,梁体产生较大的纵向漂移,梁端撞在设置在边孔梁端处的橡胶缓冲垫块上,可将剩余能量产生的惯力传递至两岸桥台。
当加劲梁受横向水平力作用而产生水平方向挠曲时,上述的支承体系可任其转动而不具约束效应,其反力则由设置在主塔处的特殊结构段以及边墩上的横向挡块予以传递。
图2
4预应力混凝土箱形加劲梁
加劲主梁采用单箱三室预应力混凝土薄壁箱形结构,混凝土标号为60号。
梁体截面的外轮廓为似橄榄的流线型状,中点梁高2.2m,两侧边腹板高0.9m,上翼缘做成与路面横坡一致的坡面,下梁缘为半径76.88m的圆弧形,梁体投影宽度为24.72m,见图2。
对应于梁上的吊点,在纵向每隔6m设置一道实体主横梁,其间设空腹式副横梁,构成上缘桥面板为3m跨径的连续板。
图3
主孔加劲梁分73块,各边孔加劲梁分24块,全桥共计121块节段(亦称吊装单元)。
加劲梁在工地预制,每预制节段长5.7m,重约170t。
吊装上桥后,通过预埋在预制节段内的钢件,以高强度螺栓连接(见图3)。
形成铰结状态后再调整加劲主梁的几何线型。
梁段的湿连接通过空腹式副横梁的现浇而一并完成,使预制节段的对接既方便又可靠。
加劲主梁为双向预应力体系。
其横向预应力:
在主横梁下方梗胁范围配有4束9-7φ5高强度钢匀线,R
=1700MPa,采用QM锚具;在主横梁下翼缘两侧板内设分布性预应力筋,采用Uφj-15无粘结钢绞线,R
=1860MPa。
主梁在纵向预应力:
在箱梁的上翼缘板内配置7-7φ5体内高强度钢绞线预应力束和在箱梁的下翼缘板的顶面配置7-7φ5体外高强度钢绞线预应力束,其预应力度的调配既根据主梁弯矩包络图的情况,又结合结构体系在整体上的相互作用而加以定量。
由于采用了预应力混凝土箱形加劲梁,使悬索桥从整体上获得了较大的重力刚度,从而提高了整桥的抗风动力性能。
主孔加劲梁最大竖向挠度1.17m,挠跨比1/386;最大横向挠度0.48m,挠跨比1/942。
与国外已建成而具代表性的悬索桥相比(见表1),在桥高风劲的环境下,采用混凝土加劲主梁使桥梁具有更为良好的稳定性能。
表1
桥名
主孔跨度
L(m)
最大竖向挠度δv(m)
δv/L
最大横向挠度δh(m)
δh/L
金门桥
1280
3.29
1/390
8.44
1/152
福斯桥
1005
4.11
1/244
7.01
1/143
关门桥
712
2.44
1/292
3.87
1/184
因岛桥
770
2.33
1/330
7.08
1/109
大鸣门桥
876
2.90
1/302
9.09
1/96
大岛桥
660
1.81
1/309
1.00
1/660
汕头桥
452
1.17
1/386
0.48
1/942
图4
在主塔范围内,主跨与边跨加劲梁间设置了一个特殊结构段,见图4。
它的功能即保持了主梁在竖向的双铰性质,又在平面上形成弱的连续,从而解决了桥梁在纵向与水平两个方向的匀顺过渡问题。
其细节安排为:
桥面部分采用竖向刚度甚小的钢筋混凝土桥面板过渡,能适应两端加劲梁的转动变形,实现边跨与主跨间桥面的匀顺过渡。
在桥面板下部设有以钢结构构成的平面桁架,以连接两侧的主梁。
平面桁架的竖向刚度很小,对主梁不构成约束,但水平的横向刚度相对较大,使主梁具有一定的连续性。
在平面桁架的中间设有横桥向的钢板梁,其上翼缘通过抗剪栓针与钢筋混凝土桥面板固结,使平面桁架在传递纵、横向水平力及受弯曲时,具有足够的面外屈曲稳定性能。
图5
5钢筋混凝土主塔
主塔全高95.10m,塔柱内侧净宽24.20m,外侧边到边为31.20m,见图5。
塔柱为“D”型空心截面,顺桥向宽6m,横桥向宽3.5m,其直边的壁厚中心与塔顶主缆鞍座中心线相重合。
上、中、下三道横梁均采用矩形空心截面,在其顶、底板内均设有24φ5的高强度预应力钢丝束,以抵抗横梁与塔柱结点处的正负弯矩。
塔柱底部设有2m高的实体段,以缓和空心塔柱与实体承台结合部位的突变,实体段以上6m范围内,为塔柱壁厚渐变段,由此向上塔柱以一等截面直至塔顶,每根塔柱的顶端设置一个总重约50多吨的铸钢鞍座。
主塔是悬索桥重要的承重构件,其顶部承受主缆传下来的巨大反力,主塔承受轴向力和弯曲,并且还要承受直接作用于塔本身及主缆、主梁的风力以及温度应力、地震力等各种组合荷载。
主塔的塔底一般固定在刚度较大的基础上,塔顶依靠主缆形成弹性支承。
塔柱在纵向具有较好的可挠曲性,从而使塔根及其基础结构在运营中或地震时的反作用抗弯负担减至最小。
主塔受力分析模式:
顺桥纵向忽略横梁的作用仅计塔柱,按塔底固结,塔顶为弹性铰支承;横桥向则视为塔柱底固结的多层框架体系,进行内力分析。
由上、下游主缆拉力差引起的主塔结构扭转不控制设计。
主塔混凝土标号为50号,按钢筋混凝土构件设计。
目前国内对主塔这类高耸重结构物的设计尚无可循规范,本设计仍以容许应力法进行计算。
因恒载引起的塔柱轴线方向的压缩变形在施工中按高度的比例进行高度补偿,受收缩徐变影响,塔柱牛腿高程的变化可用支座垫板厚度予以调整。
为慎重与稳妥起见,设计时对一些要害部位如塔顶主缆鞍座底部混凝土受巨大集中力作用,局部承压除按常规检算和局部加强外,还用空间有限元程序分析了鞍座下方混凝土应力及分布状况;主塔根部除受巨大轴力外还承受较大的弯矩,除常规检算外,还对塔柱底部8m高范围内进行了混凝土应力场的分布分析并进行相应的钢筋配置。
图6
6主缆
本桥的2根主缆长约1029.6m、整圆后直径560mm、采用PWS方法编制。
每根主缆由110股预制平行钢丝束组成,钢丝束排列以及钢丝束断面见图6。
关于编制主缆用的预制平行钢丝束的制作精度,根据主缆施工所采取的标志法的要求,钢丝束拖拉铺设时应以钢丝束某个标记点(本桥为N1点)对准主塔鞍座圆弧中心的垂线处,再采取措施使钢丝束与主塔鞍座间不再产生相对移动,此点称为不动点,成为今后调整两侧钢丝束线型的基点。
因此应确保钢丝束N1点至两端锚头支承面间的制束精度,比照国外类似规模桥梁的主缆制作精度以及考虑到我国现有制束能力的实际情况,N1点至两端锚头支承面间的钢丝束长度(L左、L右)相对误差应小于1/10000。
图7所示的m为主跨中点标记点,N1~L4,S1~L4均为控制线型而设置的定位、测量用的标记点。
图8
图7
根据大量测量统计出的规律:
极限误差大于三倍中误差的偶然误差的概率为0.3%。
实际上大于三倍中误差的偶然误差很少出现,若钢丝束的制作允许误差用△允=3m(m为和差函数的中误差)表示,那么据此本桥钢丝束标记点间的长度相对误差应控制在1/15000之内。
主缆设计的另一特点就是在边墩上方设置了竖向支承主缆用的摆柱结构,见图8。
该结构只对主缆因活载、温度等所产生的竖向位移有约束作用,在成桥时于无应力条件下安装就位。
采取此措施,其目的在于抑制主缆的过大竖向位移,以减少加劲主梁以及端吊索在活载下的内力变化幅度。
另外,该结构的设置对较长的边跨主缆在横向提供了一个抗风的支撑点。
图9
7吊杆
本桥的吊杆由骑跨在夹箍上的镀锌钢丝绳构成,下端用冷铸锚头与安置在加劲梁吊耳上的连接器相连接。
连接器是由大直径螺杆与承托板组成,螺杆的下端用球面垫块承托吊耳,在梁上承载而发生变位时,可保螺杆仍然是轴向受拉状态。
在承托板上方用螺帽将螺杆固定。
螺杆上伸出的螺纹长度,容许对吊杆的长度作适度的调整。
出于对混凝土梁在制造精度上的偏差和横向施加预应力后的变形幅度难于预计,因而在吊杆设计中给以容许作长度调整的预留措施。
见图9。
图10
图11
每一吊杆实际上是由四根下垂的φ45毫米的钢丝绳构成,纵横向的中心距离均为380毫米,用定位夹加以固定。
吊杆对称于预制节段的中心位置,横向中距25.20米。
每个梁有4个临时吊点,在横向与主吊点十分贴近,使梁段在吊装运输过程中,不改变梁结构的基本受力状态。
在纵向以2米的间隔对称于主吊点进行布置,以保证梁节段的平稳起吊。
8主鞍座及散索鞍座
本桥的两种鞍座均为全铸钢结构。
主鞍座分别由上座体和下座板两个部件组成。
考虑到运输和起吊上塔顶的设备能力,上座体在纵向分成两块,单件设计重量19吨,上到塔顶后再以高强度螺栓合成整件。
上、下座体的接触面上,在出厂前已涂好防锈蚀和减低面摩擦的材料,可确保在施工暴露期间不发生锈斑和摩阻系数在最低的限值。
此举若能在本桥施工中达到预期的效果,将为今后减低鞍座复位的摩阻力,提供了一项既简单又节省的方法。
这一方法的引用,乃借助于机械行业有关技术成果的启示。
新方案应用于实际,因为是首次实物试验,为了确保可靠起见,本设计在塔顶靠岸一侧,仍然设立了水平起顶托架,备有足够水平推动力的千斤顶。
托架用预应力钢绞线张紧固定,以平衡水平反力。
这也是一项最为简化的设计,与看到的现有的某些工程有关该项设计相比,无论在制造上和经济上都比本桥的设计要复杂和昂贵得多。
本桥的散索鞍座在上下座体之间安放了可活动的盆式橡胶支座,代替了传统上所采用的辊轴式摇臂,亦使构造大为简化和费用降低。
本桥的主缆在散索鞍处的竖向折角较小,分角线的法向合力不算太大,因而为采用现有可用规格的盆工橡胶支座提供了条件。
盆式橡胶支座中的橡胶,处在非紫外光照射所及的环境下,是否就无老化变脆的问题?
我们没有实践的资料可凭。
为此本设计在散索鞍的上座体上面留有可供起顶进行支座更换的细节,以防万一发生问题。
见图10、11。
9锚碇及主缆锚固
本桥设计在总体布置上已注意到使锚碇位于地形有利的位置。
为此将锚体设计成U形而嵌入山体岩石之中。
在锚碇上方为连接两端引桥的实体路基段,路面在该处变宽而增加了体量,使下卧的锚碇获得了额外的有效压重,从而节省了大量的锚体混凝土。
在锚体混凝土内埋入一簇钢结构拉杆,后端连接背梁承托在锚后,前端伸出锚前壁而与主缆的束股相连接。
为了确保各拉杆在空间的位置稳定,另设有钢结构立体构架给以定位和支承。
本桥对于锚拉杆设计在选材上的考虑,着眼于焊接质量易于把握和杆件截面能够厚实而又不浪费材料,决定采用
A3钢和在工地以精制螺栓为接头的连接来实现上述目的。
见图12、13。
图13
图12
10主塔基础
基础结构的良好刚性和传力路线的直捷是确保主塔结构工作稳定的一个关键。
本桥以此为准构思了下述的基础方案。
此塔处一般水深约13米,上、下游岩面分别在24米和18米的水深之下,岩面上又覆盖约8~4米厚的淤泥层。
南塔处一般水深约8米,上、下游岩面最高点分别在18米~15米水深处。
基本岩性均为花岗岩。
在不算太大的基础平面范围内,岩层风化深度极不均匀,新鲜岩的高程相差较大。
为了适应主塔结构的传力特点和新鲜层基岩高低悬殊的情况,本桥采用了基本上接近低桩承台的结构。
承台为门形刚架,横梁截面5m×11m,立柱截面7m×11m。
立柱下方为6根直径2.2米的嵌岩体。
立柱外壳与钢结构单壁套箱,下沉到水下稳定层后,通过清基将封底混凝土筑到坚实的层面上,然后抽水干施工立柱混凝土形成将群桩捆绑聚集的实体结构,横梁基本上在水面以上,采用劲性钢骨梁浇注混凝土,最终完成门形承台结构的建造。
本方案用最小的工程量,做成了具有较好刚性的桩结构基础。
这一不同常规的设计,已经施工的实践而证明其在技术上的成功,同时,为了防止立柱钢外壳受海水的腐蚀,经业主促成,进行了阳极保护的处理。
见图14。
图14
我们认为,对于悬索桥的主塔这样一个重载高佻的结构,在岩面高差较大各桩压力长度悬殊不一的情况下,如果采用常见的高耸于水面的高桩承台桩基础,受力后不仅桩力不匀而更将导致扭转变形,能否适用是很可疑虑的问题。
11桥面连续性和梁端约束
图15
为使桥面在梁端的匀顺过渡以保证行车的舒适,在预留于主塔处的8米长的梁间空档,设立了一段两端以无轴力钢筋铰与主梁相连的柔性过渡板。
板为钢筋混凝土结构,下方以横向钢托梁支承,使其结构厚度得以缩小而保证柔性的要求。
当梁端发生转角时即促使板弯曲而调节其折角变形,让车轮得以顺利通过。
本桥的加劲梁由于是预应力混凝土结构,显然既不宜于又无办法采用一般方式的吊拉支座。
特别是在纵向预应力的施加以及徐变、收缩等问题,均要求梁端在纵向的自由放松。
为此,本设计采用在主塔前后伸出上下一对牛腿,再以正反对置的两个盆式橡胶支座将梁端加以夹持,仅控制其在竖方向上的位移,在纵向和横向均没有约束。
见图15。
对于梁上横向风力的传递,在边跨的端部通过侧向支座传达到边墩上。
在主塔处通过连接在前后加劲梁间的水平风桁架,由置于塔侧壁的支座传给主塔。
风桁架的横向水平刚度,远比箱梁截面的水平横向刚度要小得多,其间的匹配的关系,经过试算而优选得出。
其受风的负反力,而加大主塔对横向风力的负担。
三孔梁跨在水平方向上的主跨比例约为0.35,如果在水平方向保持全连续体系而不加削弱,梁在出现横向水平荷载时,都将使主塔要额外加大负担,有鉴于此,设计对梁与梁之间的结合问题,作出了如上的精心安排。
也许有人要问,能否不加连接?
那么梁上的横向水平力如何传给主塔,将会形成在结构上难于处理而更为复杂化。
12抗震设计
本桥对有关抗震方面的设计是基于以吸收和缓解的方式加以考虑,而不是采取以结构强度绝对满足的简单概念出发。
国家对于重大结构物的抗震有三条原则,即前已述及的“小震不坏,中震可修,大震不倒”。
首先根据国家地震部门所提供的有关本桥的“地震危险性分析报告”中的资料及数据,以在100年使用期内,超越概率10%与之相应的基岩加速度峰值0.2229g为罕遇的灾害性大震,其重现期大致为1000年。
以在50年使用期内,超越概率10%与之相应的基岩加速度峰值0.1776g为中震,其重现期大致为500年,实际已是很为接近于大震了。
小于以上数值,可能经常出现的,均属小震之内。
本桥的抗震分析按照我国现行的反应谱方法进行计算。
反应谱曲线在广东省地震局为本桥所做的“地震危险性分析报告”中给出。
曲线在4秒以后无走向,也就是说在自振周期超出4秒后即无数据可循,按其趋势自行延伸并非良策。
为此在计算分析中,取用的自振周期到4秒为止,以确定B值。
在罕遇的灾害性大地震的情况,当a=0.2229g时,分别按纵向、45度向和横向均以100%的震强进行检算,最大的地震反应力为横方向,但是主塔根部所承受的地震弯矩与轴向力组合,发生的截面应力仍在弹性范围之内,主塔是安全的。
地震所触发的的灾害是一个复杂的过程,理论上难于作出可靠的模拟。
本桥在设计中有鉴于此,在细节的处理上作出了缓解地震反应强度的措施,以确保主塔的绝对安全。
在地震发生的情况下采用顺桥向其瞬间反应强度相当于a=0.1776g时,加劲梁与主塔约束连接的钢索即会破断。
剩余的能量使全梁纵飘,由于受边孔引桥端部所设缓冲垫的限位而受阻,发生的冲撞力则传至岸上桥台的胸墙,而胸墙则是按额定的冲剪极限设计的,它的破坏将使能量消失使桥梁结构得以缓解而无恙。
如为来自横桥向,上述的反应强度(即a=0.1776g)出现时,梁间连接的水平桁架的节点将被破坏而解体,塔上的侧向支承体系不复存在,三孔加劲梁与主塔分离而横飘并吸收剩余的能量,不再以原有的态势危及主塔的安全。
横飘的幅度并非是无限的,因为纵向约束的钢索并未破断而成为制约横向运动的阻尼。
由于上述构造措施的采取,关于重梁结构而导致地震惯力加大的不利因素,并没有使设计难办,同时却拓宽了抗震设防的思路。
13风洞试验
本桥在设计阶段的风洞实验是做得较为全面的,成果的科学性是没有多大的疑义的。
除了主梁节段的截面流态实验证实了设计造型的正确外,同时还实验证实了全桥整体模型的风振情况,在远大于实桥设计风速的情况下,桥梁没有发生危险的振动,稳定性甚为良好。
梁段在施工各阶段吊挂在主缆上分别作了两种情况的吹风实验,一种是梁段间有临时连接,一种是各梁段无连接独立悬挂,均表现出很好的稳定性,重梁的自稳效果在一定程度上有所体现。
本桥还特别对施工猫道做了无抗风索的吹风实验。
结果显示,在实际施工时的风速条件下,猫道结构不至于被吹翻破坏,适当增加横向天桥即可以有效地降低猫道的横向位移量。
在猫道下方加设反吊桥的抗风缆,结构上有两种意义,一是抗翻转,二是保持猫道有一定的刚度。
本桥在施工中,将吸收试验的成果,在猫道下方不设较麻烦的抗风系,另设斜拉式风缆,以维持其有一定的刚度和在稳定性上提供安全保险。
14结束语
本桥最大特征是采用了预应力钢筋混凝土箱形加劲梁,在一些细节处理方面,突破了传统的办法,特别是主梁横截面采用匀顺的流线形,其导风动力性能十分优越,此点已在风洞试验中,无论是节段模型或全桥模型均有良好的表现。
但是混凝土结构也带来一些施工上的问题。
其施工难度远非钢结构加劲梁可比,特别是梁部安装问题,诸如加劲主梁在空中的连接和风振所形成的干扰程度、主梁线型的控制和纵向预应力束的安装与施加、二期恒载的调整以及混凝土徐变的影响问题,尽管在前述的设计中已有多方的考虑,但实践中难以预见的因素很多,尚在进一步探讨和完善。
汕头海湾悬索桥是我国开始发展现代悬索桥的起步之作,设计与施工均无直接的国内经验可供参考和依循。
而今桥梁已在现场初具眉目,接下来的施工安装工作,特别是主梁的安装连接,纵向预应力束的穿束均会有一些难点,能否如所预期取得成果,尚须作一番大的努力。
在设计的全过程中,想到了种种问题,也解决了种种问题。
总算为我国发展悬索桥,撞开了局面。
究竟在那些方面有所收获和在那些方面失误,请全国同行们多予以指教和评论。