冲击和振动

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冲击和振动/2014年/文章

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体积 2014年 |文章的ID 602825年 | https://doi.org/10.1155/2014/602825

Zhong-ye田,Meng-lin卢, 行波共振和简化分析方法对大跨度对称斜拉桥在地震行波激励”,冲击和振动, 卷。2014年, 文章的ID602825年, 12 页面, 2014年 https://doi.org/10.1155/2014/602825

行波共振和简化分析方法对大跨度对称斜拉桥在地震行波激励

学术编辑器:为了董
收到了 2014年6月12日
修改后的 2014年10月18日
接受 2014年10月22日
发表 2014年12月31日

文摘

大跨度斜拉桥的地震反应一致激励和行波激励下的纵向方向,分别计算。数值结果表明,桥梁的地震峰值响应不同视波速降低显著。因此,必须考虑行波效应的大跨度桥梁的抗震设计。桥梁的地震峰值响应不随视波速单调变化由于行波共振。一种新的行波激励方法,可以简化multisupport激发过程分为两个支持激励过程。

1。介绍

由于不断增长的经济和技术的发展,大跨度斜拉桥在数量和跨度的长度增加,例子包括Tatara大桥,1999年建于日本主要跨度890米,苏通大桥桥,建于2008年中国主要跨度1088米,和Russky岛大桥建于2012年俄罗斯主要跨度1104米。抗震性能的评估变得尤为重要对于这些类型的结构,他们之间的距离多个支持点很好,有时甚至超过地震波长。因此,一个统一的激励评价方法是不合适的,必须考虑行波效应1]。许多学者进行了研究这些结构的抗震性能。参考文献(2- - - - - -8]研究了大跨度斜拉桥的地震反应特性在统一的激励和multisupport作用,分别。勒姆等人做研究用随机振动方法(9- - - - - -12]。研究人员还探索有效的斜拉桥抗震控制策略(13- - - - - -16和实验测试进行了17,18]。方法获取地震来源扮演非常重要的角色为研究斜拉桥的安全性能,李董和在这一领域进行了原始的工作(19- - - - - -23]。他们优化和简化了传感器位置坐标的解析解声发射/微震的源位置坐标。他们还开发了一种新的定位方法利用纵波和横波到达未知速度系统消除监控系统的位置误差引起的波速的测量偏差。这些研究结果可用于斜拉桥的地震反应分析监测地震的位置。

但研究之间的关系结构的地震反应和明显的波速是不够的。本文通过比较之间的高速公路桥梁的地震反应下的行波和统一的作用,下大跨度斜拉桥的地震响应特征进行了行波激励和发展一种新的行波激励方法,可以简化multisupport激发过程分为两个支持激励过程。

2。有限元程序

2.1。运动方程

斜拉桥是假定为一个线性和集中质量系统 不受约束的自由度 支持的自由度。阻尼力被认为是相对速度成比例(24,25]。这样一个系统的运动方程进行 支持运动沿纵向方向可以用下面的矩阵形式24]: 在哪里 , , 质量、阻尼和刚度矩阵与无约束的自由度,分别; , , 矩阵与支持相关的自由度; , , 自由度耦合矩阵与两组; , , 指的是 向量的绝对加速度、速度和位移的不受约束的自由度; , , 指的是 规定支持向量的加速度、速度和位移;和 向量的反应部队支持的自由度。

通常响应分解为pseudostatic和动态组件(24,25];也就是说, pseudostatic组件, 的解决方案(1没有的惯性和阻尼的条件 在这 表示矩阵的影响。用(2)和(3)(1),而忽略了阻尼力乘以 因为他们通常远小于同侧上的惯性力量,获得响应的动态组件的微分形式 multisupport加速度激励 在(1)是 地震加速度激励在哪里 th支持 。如果只在纵向地震激励方向被认为是, ,在那里 是指地面运动的历史的时候, 表示之间的水平距离 第一站, 是明显的表面波速度, 成为支持的数量。

2.2。的描述和支持作用的桥梁

我们考虑一个公路大桥高程如图1。这座桥是一个大跨度的斜拉桥结构与双塔楼,双电缆飞机,和总长度2088米。邻近码头和塔之间的距离是100米,100米,300米,1088米,300米,100米,100米从左到右。倒y形的主塔高300.4米。扁平流线型的钢箱主梁宽度为35.4 m用于甲板横梁。纵向坡度为1.5%,主要跨在于圆曲线 m。甲板横梁连接码头和塔通过使用滑动支持和动态阻尼器,用于限制额定旅行在纵向方向,从而使浮动系统的桥梁。采用高强度平行钢丝电缆。采用有限元法和梁单元用于模拟桥墩,塔,甲板横梁。link元素用于模拟电缆。梁单元是线性、双节点和三维的。它有六个自由度的每个节点和基于得票率最高梁理论。link元素是线性、双节点和三维,在每个节点有三个平移自由度。这座桥是10622自由度离散成2050元素。

9套地震加速度数据作为激励的分析,这些都是获得的具体工程的地震安全性评价的网站。三组标记为 , , 在50年超越概率2%;三组标记为 , , 在100年的超越概率2%,和其他三组标记为 , , 在100年的概率超过10%。加速度的时间步的历史都是0.02秒。运动在每一个支持和波的传播都假定为在纵向方向。

数据2,3,4,5,6,7傅里叶振幅谱和加速度反应谱 , ,

3所示。桥的自然振动分析模型

这座桥进行了自由振动分析的第一个14固有频率如表所示1


订单 频率 特征

1 0.0656 纵向浮
2 0.1004 甲板梁的横向对称弯曲
3 0.1779 甲板梁的垂直对称弯曲
4 0.2195 甲板梁的垂直反对称弯曲
5 0.2819 甲板梁的横向反对称弯曲
6 0.3083 垂直对称弯曲甲板梁+纵向弯曲的塔在相反的方向
7 0.3718 垂直反对称弯曲甲板梁+塔纵向弯曲的方向相同
8 0.4175 垂直对称弯曲甲板梁+纵向弯曲的塔在相反的方向
9 0.4663 横向弯曲的塔在同一个方向
10 0.4678 横向弯曲的塔在相反的方向
11 0.4692 垂直反对称弯曲甲板梁+塔纵向弯曲的方向相同
12 0.5066 垂直对称弯曲甲板梁+纵向弯曲的塔在相反的方向
13 0.5214 甲板梁的扭转和横向对称弯曲
14 0.5534 甲板梁的垂直反对称弯曲

4所示。桥的地震反应的数值分析

研究行波效应的影响在桥的地震反应,五的视波速值 是:500米/秒,1000米/秒,2000米/秒,3000米/秒,5000米/秒;此外,统一的激励也可以观察到为例,在哪里 。文献[26]表明,行波共振效应存在于大跨度拱桥的地震响应特定的值获得的视波速。这种现象是否存在大跨度双塔楼地震响应的斜拉桥,采用三个额外的视波速值:1712 m / s, 1100 m / s,和900 m / s;下面提供了理论基础。

如果我们假设纵向支持激励相同的频率的正弦波 结构的固有频率,然后正弦波的波长 , 表示波速度和表面明显 结构的固有频率,分别。在波长均匀纵向激励的情况下,相当于 ,这意味着支持运动的两个主要的塔是反对称的;因此,对称的地震响应模式的结构不会兴奋。但是,在纵向行波激励的情况下,如果一个特定的表面视波速可以使主跨度 ,那么支持运动的两个主要塔将大小相等,方向相反,形成纵向对称励磁的两座塔楼。如果 th模式形状是对称的,那么它会被兴奋和其他对称模式,仍将处于共振状态,从而最大化其模态响应。

基于桥的自由振动分析,我们知道,8日,12日和26日模式是对称的。数据8,9,10显示模式的形状和表2显示了主跨度之间的关系,结构固有频率、视波速、波长。


模式 明显的表面波速度
= 1712 m / s = 1100 m / s = 1000 m / s = 900 m / s
订单 特征 (赫兹) (m) / (m) / (m) / (m) /

8 在纵向方向对称 0.41747 2395年 0.45 2156年 0.50
12 在纵向方向对称 0.50662 2171年 0.50 1974年 0.55
26 在纵向方向对称 0.78681 2176年 0.50

我们称这种现象为行波共振。在一个特定的视波速,对称结构的跨度达到足够接近不可或缺的多个半波激发的波,但如果和激励的频率的频率结构模式之一。当励磁和模式都是对称的或反对称,模式达到共振状态及其对结构的响应的贡献最大化。

当谐振的频率模式是在地面运动的主要频率之内,贡献最大化现象将更为重要。它可能增加或减少的结构响应取决于定位组合模态叠加,结果会随不同的地面运动。

结构地震响应可能会达到一个极端的价值,甚至是最大值和最小值,在特定的表面波速度由于行波共振。因此,重要的重要性应该被附加到这个现象。

4.1。桥的地震反应

我们检查的高峰值以下结构响应:横截面轴力、弯矩和剪切力在码头的底部 , , ,主塔 (见图1),用 , , , , , , , , , , , ;塔的连接节点之间的相对位移 梁和节点塔的底部 ,用 ;顶部和底部之间的相对位移有限元的节点,这是塔的底部 ,被称为 ;顶部和底部之间的相对位移节点塔 和塔的顶部节点的绝对加速度 ,被称为

显然比较下结构地震反应的高峰值一致激励和行波激励,我们定义行波效应影响系数 ,在那里 表示行波激励下的峰值响应, 是指统一的激励下的峰值响应。如果 是一个正数,那么结构响应增加当考虑行波效应;如果不是,那么它会降低。

结果表明,结构地震反应类似的模式不同荷载下的九个不同的地震加速度数据。由于本文篇幅所限,只有励磁下的结果 , , 列出(见表3,4,5);然而,结论是基于所有的计算结果。


表面波速度(米/秒) 5000年 3000年 2000年 1712年 1100年 1000年 900年 500年

−2.7 −3.8 −2.8 −2.4 −3.9 −4.6 −6.0 −8.5
−19.2 −20.8 −15.0 −12.1 −14.1 −15.9 −16.8 −17.4
−6.5 −12.2 −17.9 −19.5 −14.5 −11.1 −7.3 −18.3
−4.6 −9.4 −14.5 −16.1 −12.9 −10.3 −7.0 −18.8
−3.4 5。1 4.6 −1.2 −12.8 −3.6 5。5 −13.4
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
−12.4 −23.9 −26.5 −22.9 −17.3 −17.5 −17.7 −18.2
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
4.9 7.8 9.4 10.7 17.9 19.1 18.9 1。4
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
5。4 12.5 21.2 26.3 38.8 40.0 39.8 −8.9
−6.9 −12.8 −18.6 −19.9 −14.7 −11.3 −7.1 −18.4
3.3 5。1 4.1 2.3 −5.6 −7.4 −8.5 6.7


表面波速度(米/秒) 5000年 3000年 2000年 1712年 1100年 1000年 900年 500年

0.1 −0.1 −1.4 −2.5 −5.9 −7.2 −8.7 −11.4
−11.5 −15.9 −10.0 −3.9 −4.2 −12.7 −18.2 0.4
−8.8 −15.6 −21.2 −21.8 −19.1 −18.2 −17.9 −17.9
−6.4 −12.3 −18.1 −19.6 −18.4 −17.7 −17.2 −17.1
−1.9 −12.2 −29.3 −21.5 −6.6 −8.2 0.4 −25.2
0.0 0.0 0.0 0.0 −0.1 −0.1 −0.1 −0.1
0.0 0.0 −1.0 0.0 0.0 0.0 0.1 0.1
8.9 13.9 15.1 9.3 10.2 10.2 15.3 −14.8
0.0 0.1 0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
−4.8 −5.5 0.8 1。5 −8.2 −13.2 −20.0 −7.5
0.0 0.1 0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 −0.1
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 −0.1
9.2 26.3 48.1 55.2 51.2 42.8 29.4 23.6
−9.4 −16.2 −21.3 −22.0 −19.0 −18.2 −18.2 −18.0
0.1 1。7 −3.7 −10.7 −12.5 −13.7 −15.5 −14.7


表面波速度(米/秒) 5000年 3000年 2000年 1712年 1100年 1000年 900年 500年

−1.3 −1.3 −1.3 −1.5 −2.8 −3.2 −3.9 −13.4
1。3 3.4 14.3 17.1 15.9 13.5 12.1 9.8
2.3 −0.9 −5.1 −7.5 7.5 9.3 8.9 7.5
−0.4 −2.4 −5.5 −6.3 2.0 3.9 4.4 6.6
−10.9 −16.0 −11.1 −5.2 2.2 7.0 7.8 −13.9
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 −0.1
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1
−15.6 −12.1 18.0 29.5 22.0 9.6 −5.4 −9.0
0.0 0.0 0.0 −0.1 −0.2 −0.2 −0.2 −0.3
0.0 0.0 0.0 0.0 −0.1 −0.1 −0.1 −0.2
4.3 9.2 11.1 9.7 10.7 11.6 14.1 6.3
0.0 0.0 0.0 −0.1 −0.1 −0.1 −0.2 −0.3
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1
21.0 33.6 42.9 44.3 28.2 18.4 15.6 13.2
3.7 0.2 −7.2 −4.8 9.4 11.1 10.8 7.7
3.1 3.9 5。0 1。6 7.9 8.7 8.7 8.7

结果表明,反应考虑行波效应明显不同于那些在统一的激励。例如,让我们比较结果的情况下 m / s与统一的激励:激励下 , 增加19.1%, 减少了11.3%, 增加40%。和励磁下的 , , , 放大了18.4%、11.1%和8.7%,分别。这些反应危及结构安全,应给予足够的关注在大跨度斜拉桥的抗震设计。

然而,桥的地震反应并不总是遵循相同的变化规律的减少明显的表面波速度。反应可能会放大一套地面运动激励下的但是可能会减少在另一组的激励。甚至当输入是肯定的,有些反应可能是相同的,有些人可能会被放大,其他人可能会减少。例如,横截面弯矩和剪力响应底部的皮尔斯几乎没有受到波通道效应,因为桥是一个浮动的系统(见部分2.2)。节点的纵向位移响应每个码头上几乎完全依赖于码头支持运动本身;如果只有地面运动保持不变,那么节点不会改变的纵向位移和弯矩和剪切力也不会。反应的时间历史会稍微翻译,因为支持运动的起始时间随视波速(见图11)。另外一个例子, 减少的激发下吗 当波通道效应被认为是,但它是放大的激发下 米/秒和500 m / s。文献[27)画了另一个大跨度斜拉桥模型分析时相似的结论。

至于行波共振,从表中我们可以看到3通过5众多结构峰值响应达到极值、最大值或最小值,当 m / s, 1100米/秒,1000米/秒,或900 m / s。使表达清晰和明显的,我们图的响应数据共振现象是显而易见的。数据12,13,14基于结果的激励下 , , ,分别。图中的虚线反映统一的激励下,结果显示不同视波速的影响趋势。

基于数据2通过7,我们可以看到0.50662赫兹(12桥的固有频率)是主要的频率范围内 和0.41747赫兹(8号桥)的固有频率接近的范围;因此,当共振现象明显 米/秒,1000米/秒,或900 m / s的激发下 。为 ,8日和12日固有频率超出了占主导地位的频率范围,但26日固有频率(0.78681赫兹)范围内;因此,当共振现象 m / s比当更加引人注目 附近1000米/秒。

5。简化的历史分析方法

当只考虑地震激励的大跨度飘浮体系斜拉桥纵向方向图所示1,即纵向位移响应的节点在每个码头,横截面弯矩和剪切力响应的码头只有码头支持运动的影响,与地震波的旅行时间无关。然而,其他结构地震反应的结果输入地震波和行波从一个主塔。因此,我们可以忽略的旅行时间从最左边墩从右边离开塔,塔最右边码头和只考虑波通过时间从左向右塔塔。下面使用两个不同的行波激励方法,讨论通过时间的影响之间的码头和塔结构地震反应。

5.1。激励方法1:完整的旅行时间激发

这种方法通常采用现行实践时间之间的地震波旅行时每一对相邻的支持。运动是表示支持 ,如图15: , ,在那里 表示地面运动和 的纵向坐标吗 支持。

5.2。激励方法2:集团统一的激励

左边的旅行时间从最左边墩塔,从最右边塔码头被忽略。我们分配三个离开码头和左左塔集团和利用统一的激励方法。三个正确的码头和正确的塔被分配到正确的组和也暴露于统一的激励。只有两个塔之间的旅行时间,如图16:

5.3。的比较结果

我们定义的相对误差 比较峰地震反应计算的两种不同的激励方法, 指的是峰值响应计算使用激励方法2和方法1,分别。

17显示了时间的历史 的激励下 米/秒和1000 m / s。我们可以看到,产生的时间历史两种激励方法几乎都是一样的,除了轻微的翻译由于动作的起始时间支持。

6,7,8列表下的地震峰值响应两种激励的方法。结果表明,两种激励方法导致几乎相同的反应,与最大相对误差的绝对值在0.08%。因此可以接受使用分组均匀激励在实践中而不是完整的旅行时间激励方法。


反应 情况下
= 5000 m / s = 3000 m / s = 1000 m / s
激励方法1 激励方法2 (%) 激励方法1 激励方法2 (%) 激励方法1 激励方法2 (%)

(m) 0.620 0.620 0.00 0.613 0.613 0.00 0.608 0.608 0.00
(米/秒2) 1.835 1.835 0.00 1.798 1.798 0.00 1.910 1.909 −0.05
(毫米) 2.450 2.450 0.00 2.300 2.300 0.00 2.330 2.330 0.00
(厘米) 4.759 4.759 0.00 4.522 4.522 0.00 4.476 4.477 0.02
(105N) 2.451 2.451 0.00 2.666 2.666 0.00 2.446 2.444 −0.08
(104kN⋅米) 10.669 10.668 −0.01 10.670 10.667 −0.03 10.670 10.672 0.02
(106N) 2.275 2.274 −0.04 2.275 2.274 −0.04 2.275 2.275 0.00
(105N) 5.267 5.265 −0.04 4.573 4.571 −0.04 4.959 4.958 −0.02
(104kN⋅米) 11.153 11.153 0.00 11.153 11.153 0.00 11.151 11.152 0.01
(106N) 2.378 2.378 0.00 2.378 2.378 0.00 2.378 2.378 0.00
(106N) 1.767 1.767 0.00 1.816 1.816 0.00 2.005 2.005 0.00
(104kN⋅米) 11.804 11.804 0.00 11.804 11.804 0.00 11.802 11.803 0.01
(106N) 2.466 2.466 0.00 2.466 2.466 0.00 2.465 2.466 0.04
(106N) 3.096 3.096 0.00 3.303 3.303 0.00 4.113 4.114 0.02
(106kN⋅米) 1.149 1.149 0.00 1.076 1.076 0.00 1.095 1.095 0.00
(107N) 0.994 0.994 0.00 1.011 1.011 0.00 0.891 0.891 0.00


反应 情况下
= 5000 m / s = 3000 m / s = 1000 m / s
激励方法1 激励方法2 (%) 激励方法1 激励方法2 (%) 激励方法1 激励方法2 (%)

(m) 0.727 0.727 0.00 0.725 0.725 0.00 0.674 0.674 0.00
(米/秒2) 2.734 2.734 0.00 2.599 2.599 0.00 2.698 2.697 −0.04
(毫米) 3.100 3.100 0.00 2.870 2.870 0.00 2.780 2.780 0.00
(厘米) 5.874 5.873 −0.02 5.506 5.506 0.00 5.165 5.165 0.00
(105N) 3.945 3.945 0.00 3.531 3.532 0.03 3.692 3.693 0.03
(105kN⋅米) 1.243 1.243 0.00 1.243 1.243 0.00 1.242 1.243 0.08
(106N) 2.698 2.698 0.00 2.699 2.698 −0.04 2.699 2.699 0.00
(105N) 6.751 6.750 −0.01 7.061 7.061 0.00 6.832 6.831 −0.01
(105kN⋅米) 1.280 1.280 0.00 1.281 1.281 0.00 1.280 1.280 0.00
(106N) 2.856 2.856 0.00 2.856 2.856 0.00 2.854 2.855 0.04
(106N) 2.071 2.071 0.00 2.056 2.056 0.00 1.889 1.889 0.00
(105kN⋅米) 1.354 1.354 0.00 1.355 1.354 −0.07 1.354 1.354 0.00
(106N) 2.965 2.965 0.00 2.966 2.966 0.00 2.964 2.965 0.03
(106N) 3.885 3.885 0.00 4.493 4.493 0.00 5.079 5.079 0.00
(106kN⋅米) 1.461 1.461 0.00 1.352 1.352 0.00 1.319 1.319 0.00
(107N) 1.501 1.501 0.00 1.526 1.526 0.00 1.294 1.294 0.00


反应 情况下
= 5000 m / s = 3000 m / s = 1000 m / s
激励方法1 激励方法2 (%) 激励方法1 激励方法2 (%) 激励方法1 激励方法2 (%)

(m) 0.676 0.676 0.00 0.676 0.676 0.00 0.663 0.663 0.00
(米/秒2) 1.881 1.881 0.00 1.919 1.919 0.00 2.106 2.105 −0.05
(毫米) 2.190 2.190 0.00 2.120 2.120 0.00 2.340 2.340 0.00
(厘米) 4.182 4.182 0.00 4.098 4.099 0.02 4.361 4.361 0.00
(105N) 2.628 2.628 0.00 2.476 2.478 0.08 3.155 3.154 −0.03
(105kN⋅米) 1.060 1.060 0.00 1.060 1.060 0.00 1.060 1.060 0.00
(106N) 2.361 2.361 0.00 2.361 2.361 0.00 2.361 2.362 0.04
(105N) 4.878 4.879 0.02 5.081 5.081 0.00 6.336 6.332 −0.06
(105kN⋅米) 1.003 1.003 0.00 1.003 1.003 0.00 1.001 1.001 0.00
(106N) 2.283 2.283 0.00 2.283 2.283 0.00 2.281 2.283 0.09
(106N) 2.099 2.099 0.00 2.198 2.198 0.00 2.246 2.246 0.00
(105kN⋅米) 1.054 1.054 0.00 1.054 1.054 0.00 1.053 1.053 0.00
(106N) 2.379 2.379 0.00 2.379 2.379 0.00 2.380 2.380 0.00
(106N) 4.369 4.369 0.00 4.827 4.827 0.00 4.275 4.275 0.00
(106kN⋅米) 1.036 1.036 0.00 1.001 1.001 0.00 1.110 1.110 0.00
(106N) 9.952 9.952 0.00 10.025 10.025 0.00 10.489 10.487 −0.02

结果表明,只有波通过时间从一个主塔的其他需要考虑大跨度飘浮体系斜拉桥纵向行波激励下。集团统一的激励方法可以大大减少工作量与一个可接受的错误。

6。结论

大跨度浮动系统的地震反应双塔楼对称斜拉桥纵向一致激励和行波激励下计算,和三个主要结论是通过比较的结果。(我)反应,考虑行波效应明显不同于那些在统一运动的支持。反应可能被放大的激发下一套地面运动但减少另一组的激发下。甚至当输入是肯定的,有些回答可能保持不变,有些人可能会被放大,其他人则降低。为了保证桥梁的安全,行波效应应给予足够的关注在大跨度斜拉桥的抗震设计。(2)桥的地震反应不改变单调的视波速的行波共振。反应可能会获得一个极端值,甚至是最大值和最小值,在特定的表面波速度。这种现象更加显著的模式的频率共振状态时是在地震波的主要频率范围内。(3)当只考虑纵向方向的地震激励对大跨度斜拉桥浮动系统,我们可以忽略的旅行时间从最左边墩从右边离开塔,塔最右边码头和只考虑波通过时间从左向右塔塔。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号91315301)和国家重点实验室的理论基础,中国科技部(批准号SLDRCE08-A-07)。这些支持是感激地承认。

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