穆祥纯
(北京市市政工程设计研究总院,北京100082)
众所周知,20世纪80年代中期以来,随着城市建设的蓬勃发展,我国各地相继兴建一大批城市道路和城市桥梁。经过一段时间的运营和维护,人们对城市桥梁桥面防水技术的研究逐渐提到议事日程上来。主要是城市桥梁桥面漏水对桥梁结构腐蚀十分严重(见图1),直接影响桥梁的正常使用寿命,并威胁到城市桥梁的安全,而业内对城市桥梁桥面防水工程缺乏统一的认识。此后的20 a来,国内许多设计和科研单位都在积极开展城市桥梁桥面防水技术的研究,但相当长时间内缺少相关的设计规范和技术规程。
进入21世纪以来,人们对此问题的科技研发有了突破性的进展。2010年7月1日由北京市市政工程设计研究总院主编、中国建筑防水材料工业协会、中国化学建筑材料公司苏州防水材料研究设计所、北京市市政科学技术研究所等单位组成的编制组,经过5 a的辛勤努力,共同编制了行业标准——《城市桥梁桥面防水工程技术规程》。该技术规程的正式颁布执行,是我国城市桥梁防水技术的一个显著进步和创新发展,也使今后城市桥梁桥面防水工程有章可循,将促进我国城市桥梁建设的健康发展。本文主要论述了21世纪前10a我国城市桥梁桥面防水技术和工程实践的创新发展情况,以期进一步引起人们对该领域的关注。
近20 a来通过对美国、加拿大、日本和西欧等发达国家进行城市桥梁建设专题考察,笔者了解到,西方国家对桥梁防水问题历来十分重视,均有相关的规范和技术规程。上述各国的相关规范、规程明确规定:城市和公路桥梁必须设置桥面防水层,并从结构类型、面层材料、防水技术、施工方法、设计年限、使用性能、维修费用等做了详尽的规定。
譬如,早在上世纪20年代,丹麦、美国堪萨斯州就开始在钢筋混凝土桥上采用原始的防水层;到了20世纪50年代,发达国家大规模开展公路和城市桥梁建设,其桥面防水层亦得到广泛的应用。欧洲20世纪70年代将防水粘结层应用在桥面铺装上。德国在欧洲起步较早,20世纪60~70年代采用防水层,初期在混凝土桥面板上,采用冷底子油铺沥青卷材,并于80年代采用软化点极高的塑性改性沥青卷材。英国1965年开始强制在钢筋混凝土桥设置防水系层。
美国1979年由联邦总审计长在呈送给国会的报告中,指出桥梁防水体系主要是保证混凝土耐久性,并认为设置防水层费用与效益比为1∶2.75。20世纪70年代中后期,丹麦、法国等大多数欧洲国家,加拿大和美国近半数的州都制定了桥面防水材料的标准和相关的设计施工规范。
与国外相比,我国对混凝土桥面防水研究相对滞后,桥面防水层设置不很明确。如1961版《公路桥涵设计规范》:1041条“ 钢筋混凝土桥的桥面上应否设置防水层和设置哪一种防水层(防水混凝土、粉粒式或中粒式沥青混凝土铺装、沥青贴式防水层),应根据桥梁结构类型跨径大小、当地气候条件和设置的必要性等具体情况而定。”20世纪60~70年代,各地曾出现过油毡、沥青诸类防水材料。1974版,《公路桥涵设计规范》:1.33条规定“钢筋混凝土桥面与铺装之间是否应设防水层,应视当地气温、雨量、桥梁结构和桥面铺装的型式结合当地具体情况而定。简支梁桥可采用与桥面一次浇注的防水性水泥混凝土铺装层。在沥青混凝土铺装层下可不设防水层。桥面在主梁受负弯矩作用处应设置防水层。”
20世纪80年代我国的城市和公路桥梁相关技术规范中对桥梁桥面防水的要求,也只是提及一般采用桥面柔性铺装防水系统,其防水材料和施工工艺主要参照建筑屋面及地下工程等,尚未形成一套适合于评价和选用桥梁桥面柔性铺装防水材料的试验手段和性能指标。譬如,1989版《公路桥涵设计规范》:1.7.4条规定“钢筋混凝土桥面板与铺装层之间是否要设置防水层,应视当地的气温、雨量、桥梁结构和桥面铺装的型式等具体情况确定。防水性水泥混凝土和沥青混凝土铺装层下可不设防水层,但桥面在主梁受负弯矩作用处应设置防水层。”而防水层主要采用阳离子乳化沥青的三油二布涂料、沥青油毛毡等材料。因此,由于我国大多数城市桥梁不做防水或防水不利造成桥梁出现桥面渗水、钢筋锈蚀、铺装层剥落、碱骨料反应、钢筋锈蚀而引起的混凝土胀裂等严重损坏问题,严重影响了桥梁的耐久性和正常使用寿命,以及行车的舒适性和安全性。
进入20世纪80年代后期,随着我国城市桥梁的大规模开展,不少桥梁工程采用了建筑防水卷材和阳离子乳化沥青涂料等防水材料,逐渐从单纯的屋面建筑防水材料发展到道桥运用的防水材料。特别是进入90年代(北京从首都机场开始),由于APP改性沥青聚脂防水卷材的出现,鉴于其耐高温,抗老化,抗硌破的优良性能并经过试验研究和施工后的破损试验,并做了新的改进,发展成一种特有的“道桥专用防水卷材”。此后,道桥专用防水卷材相继在北京三环、四环和五环等城市立交桥梁中得到推广应用,其它省市也借鉴此做法。与此同时相应聚合物改性沥青涂料也因其具有优良的耐热、耐腐、较好的粘贴性能,在南方地区广泛采用。例如上海南浦大桥等。应该说,近20 a来,防水卷材和防水涂料已经成为我国城市桥梁桥面防水层的主要材料。
笔者于2002年全国桥梁学术大会上撰写了一篇论文,针对城市桥梁桥面防水方面存在的问题,提出了以下相关建议:(1)亟需制定我国《城市桥梁防水工程设计规范》。针对当时不少设计人员对桥梁防水设计不够重视,对防水材料,特别是对一些新型防水材料缺乏全面系统了解的情况,在设计图纸上无细化的防水设计、无选材说明,往往造成设计上选材不当,降低了设计标准,影响桥梁使用寿命和耐久性。因此急需编写有关标准和规范,对设计人员提出具体的技术要求,以体现设计为前提、为龙头的指导思想。(2)改进我国桥梁防水结构设计。应充分认识到桥梁结构自身防水功能是解决桥面漏水问题的症结所在。要重视加强和提高混凝土自防水功能,从混凝土材料的选择和施工技术方面进行研究。要提高混凝土本身的密实程度,抑制和减少混凝土内部孔隙的产生,堵塞和杜绝渗水的通道,使外部水份无法渗入材料的内部。同时对混凝土外加剂也应进行系统的研究。如目前桥梁施工多采用早强剂,产生大量水化热,增加混凝土干缩裂及徐变带来次应力影响等,对此应予以充分的重视。(3)要重视桥梁结构耐久性研究。在我国沿海地区,空气中含氯化钠成分较高,同时北方城市冬天消除桥面积雪采取洒盐方式,当桥梁混凝土结构开裂后,内部钢筋容易受氯离子侵蚀。因此应从总体上提高混凝土的品质,积极采用高性能混凝土,以达到桥梁结构高耐久性、高强度的目的。在结构构造设计上要充分考虑桥梁耐久性要求,提高结构的防水性能,也应重视和增加对现有混凝土桥梁的维修养护工作。(4)要重视桥梁结构防水材料的研究。积极研制和开发适合桥梁结构防水的专用的材料,以适应桥梁工作环境。应具有较高的强度和优良的防水性、延伸性、抗裂性,能适应车辆荷载、温度变化等作用下产生的变形功能;要具有良好的耐热、耐寒性能,能适应较大的温度变化;要具有良好的粘接性、抗剪切性和抗疲劳性,能使防水材料与桥梁主梁混凝土和桥面铺装间有可靠的联接;还应满足防水施工工艺简单、便于掌握、造价适中、运输和储存方便,并能确保防水质量。
在国内许多专家、学者的大力呼吁和共同努力下,我国桥梁设计规范 (2004版《公路桥梁设计通用规范》JTG D60-2004 3.6.2条)明确规定,“桥面铺装应设防水层。”
2004年经原国家建设部标准定额司批准,《城市桥梁桥面防水工程技术规程》正式立项,该技术规程将开始编制,将包括“设计、施工、检测”等内容,自此关于是否设置城市桥梁桥面防水的争论划上一个句号,标志着我国该领域的技术发展迈向一个新的高度。
我国2008版《城市桥梁设计通用规范》9.2.1条规定“桥面铺装应设防水层。”这在我国城市桥梁建设发展史上具有里程碑的意义,亦反映了新世纪以来我国城市桥梁桥面防水技术在设计理念上的创新。
2010版的《城市桥梁桥面防水工程技术规程》,全面反映和吸收了近些年来我国城市桥梁桥面防水技术在设计理念,以及在防水技术和防水材料方面的科技研发和工程实践的创新成果。该《规程》明确了设置桥面防水层的原则;揭示了城市桥梁桥台防水的特点,以及《规程》适用的范围;规定了防水等级的划分。特别是对城市桥梁防水层材料选定作出了基本规定,明确了防水层的适用范围;并诠释了桥面防水应树立城市桥梁桥面防水系一个“系统”工程的理念,明确了该《规程》与其他规范、法规的关系。上述这些设计思想充分反映了近年来我国城市桥梁桥面防水技术在设计理念上的创新成果。
从《规程》编制组对近年来我国城市道路和桥梁大修工程的调研中发现,20世纪50~70年代建造的桥梁,70%的城市桥梁在使用期20~30a时就成为危桥,而且有水的部位损坏十分严重,因而“水”是影响桥梁耐久性的主要因素。其设计理念和技术路线主要反映在以下3点:
(1)水对钢筋和混凝土的腐蚀:水渗入混凝土裂缝后,由于水中含有大城市空气中的二氧化碳、二氧化硫,此类酸性化合物加速了碳化、酸化的过程,更由于北方化冰盐氯离子作用,引起钢筋表面的腐蚀反应,钢筋体积膨胀,导致混凝土开裂,保护层剥离,影响结构安全性和适用性。
(2)混凝土冻融循环破坏:水进入混凝土微孔中,正负温度交替作用,形成反复的冰胀压力,致使混凝土疲劳破坏,影响寿命。对于非冰冻地区,干湿交替水的作用,潮湿时水化物进入混凝土孔隙中生成的盐类溶液,当环境变干燥后浓度不断增加,最后饱和结晶产生晶体压力使混凝土破坏。
(3)混凝土碱骨料反应:这是混凝土的“癌症”,由于水的存在,再加上混凝土中的碱含量和活性骨料。三者既是这种“癌症”的必要条件又是充分条件,生成硅钙胶凝体后,因吸收水分使混凝土异常膨胀,破坏成粉末,无法修补。
从近年来对国内外城市桥梁损坏的实例可以看到桥面防水、排水的极端重要性,现对这方面的案例进行综合分析。
2.2.1 北京市二环路立交桥梁
2002年北京市二环路改造时,曾对全线46座桥梁进行普查、检测。这些上世纪80-90年代修建的桥梁最长服务年限仅23 a。大部分出现了桥面破损、凹凸不平、排水不畅、栏杆隔离带的混凝土剥落等病害,由于排水口和伸缩缝的破坏,水流渗透了附近的盖梁墩柱,梁端混凝土遭到破坏,主梁大多数出现水迹和石灰质冻结覆盖物。统计资料表明:(1)对主梁检测,混凝土开裂超过0.2~0.3mm的 20座,占43%;(2)钢筋中度锈蚀的6座,占13%;(3)钢筋严重锈蚀,引起主梁开裂变形,建议更换主梁重建的2座,占5%。
以上现象都是防水、排水不当造成的。
2.2.2 北方城市某立交桥梁1
北方城市某立交桥梁1系1980年修建,1999年改建,不到20 a使用期,改建时经权威部门检测:(1)上部结构:主梁漏水出现白斑,主横梁交叉开裂严重,伸缩缝漏水牛腿酥裂。(2)下部结构:墩顶竖向裂缝,根部融雪侵蚀,横向裂缝。(3)损坏等级:评定III级(损坏比较严重,需要补强),承载力旧桥折算系数0.85。结论:此桥“整体上不能长期使用”。
2.2.3 北方城市某立交桥梁2
1984年修建,1998年改建,使用期共14 a,经检测存在问题:(1)上部结构钢筋锈蚀、漏水,高强螺栓及垫圈生锈,削弱连接强度。(2)下部盖梁出现病态,表面腐蚀,水流经过之处,混凝土沿钢筋纵向出现裂缝,宽度0.2~2 mm,表面白色沉积外漏,碳化深度23~30 mm,含碱量 5.2~14.6,超过2~3倍。以上现象是由于盐水腐蚀和北方寒冷地区冻融所致。结论为:拆除重建。
2.2.4 国外桥梁损坏的案例
通过专题调研了解到,国外桥梁由于桥面防水层设置不利造成损坏的例子很多。譬如,德国总结了由于人为和自然界的7种原因造成破坏,引起桥梁的修建和翻修,涉及了较高的费用,设计和修复的费用达到1与10之比。德国很重视防水层的质量,防水层做好了,桥梁寿命延长了,桥梁外观改善了,行车舒适度也增加了。为了提高桥梁耐久性,德国人的经验是必须堵截水源,桥面“防水”、“排水”工程是重要的技术内容。因此德国ZTV-BEL-B和DIN工业标准,针对不同的路面材料和桥梁基面,规定可以采用特殊专用的SBS(适合铺设温度为150℃~160℃的沥青混凝土或沥青玛筛脂碎石混合料),或APP(适合铺设温度240~250℃的沥青粗集料路面材料)卷材辅以环氧树脂基层处理剂(钢结构和混凝土结构的基层处理材料略有不同)。德国联邦政府对桥面防水的严格控制,对生产企业的特许制等措施,保证了桥面防水质量的可靠性和耐久性(见图2)。
2002年初陆续发现,从本世纪开始,许多城市桥梁桥面防水层卷材在使用中相继出现了新的问题,如防水卷材“错动”现象,防水涂料桥面沥青铺装的“酥裂”等等。
(1)首先是2000年5月首都国际机场的航站楼2号桥拐弯道处,桥面沥青铺装出现多道严重的垂直裂缝。(2)其次是2002年8月,北京西四环,复兴路,紫竹院,丰台高架桥等处出现局部桥面铺装开裂,防水层错动,开裂位置都在重车道(外侧),或桥面下坡处,时间在高温、雨季前后。(3)最后是2003年5月发生在刚施工完不到1 a的北京六环路上,多座桥面发生裂缝,其规律、情况和北京四环路出现的问题相似。
究其原因主要是:
(1)外因:水平荷载较大,超载下坡区。
(2)内因:a.施工:混凝土基面平整度、粗糙度、干燥度、粘结度都很差,卷材按头铺设方法不对,抢工期、热熔施工不到位。b.设计:防水层局部相互连接差,桥面渗水排除措施不当等。
与此同时,全国各地也发生了桥面防水层病害事故,如南方某城市一座城市桥梁,为全长1 000m的特大桥,2003年9月施工完成,次年4~5月份,由于防水层引起桥面铺装全部损坏,造成经济损失全部费用达2 000万元。由于防水层出现了问题,由此带来的后果,不仅是经济上的损失,频繁的修复返工也对交通、桥梁使用带来不良的社会影响。
各地一系列事故引起了有关方面的广泛关注,如何总结经验教训,提高技术和管理水平,确保工程质量成为当务之急,工程界一致呼吁要规范好设计和施工,提高法制意识。因此2004年初,在中国建筑防水协会、国家建材防水材料质检中心建议下,北京市市政工程设计研究总院向建设部标准定额司申请编制行业标准《城市桥梁桥面防水工程技术规程》,并获得批准,由北京市市政工程设计研究总院主编,苏州防水材料研究所等5个单位参编。由设计、施工研究二十多个单位参加,全国范围内,除北京以外,还有广州、重庆、兰州、沈阳等城市,代表了东北、西北、西南和南方等各个地区,即我国各地区的同业专家、学者均有代表参与了该规程的编制工作。
3.2.1 揭示桥面防水的特点
从使用条件、施工条件和震动“疲劳”作用.来分析和确定桥面防水的特点:
(1)使用条件:针对桥梁处于动态的工作状态,行车荷载行使时除竖直向压力外,还有水平方向的制动力、离心力及下坡时轮载的水平分力作用到桥面上,当防水层受到较大的水平剪力,要求防水层具有较大的抗剪性能。
(2)施工条件:桥面防水层上有沥青混凝土铺装层,其施工时要高温摊铺、筑路机碾压,要求防水层有耐高温的能力和对压路机局部承压抗硌破的能力。
(3)震动“疲劳”作用:桥面车辆活载反复周期性的作用,因此桥面板结构的应力、变形、裂缝都是反复周期性变化的,在混凝土的裂缝边缘,会有“应力集中”现象,会使裂缝扩大和增加,造成“裂缝累积的损伤”,这就是混凝土的“疲劳”作用,这也决定了防水层的选择不同于静载为主的其他结构。因此,不能完全照抄“屋面工程技术规范”,只能独立制定。
3.2.2 确定桥面防水的适用范围
其适用范围为:
(1)桥面防水层其承受的车轮荷载为接触轮载;
(2)桥面铺装下为混凝土基面。
3.2.3 制定相应的防水对策
其防水对策主要包括:
(1)包括设计、施工和质量验收三个部分。
(2)应关注的重要内容:主要是防水等级的确定,材料的使用性能,基面层的要求,设计构造措施,施工检测内容。
(3)在《规程》明确规定了一条强制性条文(3.0.1条)“混凝土桥面铺装内应设防水层,桥面系应有完整的防水、排水系统。”
3.2.4 规定防水等级的划分
(1)按桥梁分类,道路等级,环境类别三个方面划分为I、II两个等级。
(2)对I、II类防水分别提出了不同的使用年限(15 a和10 a)和不同的使用要求。
3.2.5 制定桥面防水层选材的基本规定
(1)沥青混凝土铺装面层:采用防水卷材,防水涂料-柔性防水层,此类桥面铺装占90%以上。
(2)水泥混凝土铺装面层:采用渗透结晶型防水材料-刚性防水层,严禁使用卷材防水。
3.2.6 规定防水层的适用范围
(1)柔性防水层的适用范围,应符合行业标准,主要从环境条件防水等级及其他要求(3.0.4条)。(2)刚性防水层材料应符合相关行业标准(3.0.6-3.0.8条)
3.2.7 将桥面防水作为一个“系统”工程
主要的防水对策是:防-排水功能;设计-施工-监测-养护整体环节;关于材料通用性能:其应用性能应符合综合要求;防水材料-结构亦是“系统”的防水理念。
3.2.8 《规程》和其他规范、法规的关系
(1)该《规程》和《道桥用改性沥青防水卷材》JC/T974,《道桥用防水涂料》JC/T975标准是承上启下的作用。(2)与《公路桥涵设计通用规范》JTG/D60及《城市桥梁设计通用规范》(送审稿)相结合。(3)和国家有关节能、环保、消防、安全、卫生要求法律法规一致。(4)对新材料、新技术、新工艺按《建设工程勘察设计管理条例》(国务院293号令)第二十九条执行。
3.2.9 桥面防水系统设计
(1)桥面防水系统设计的内容主要包括;.防水系统总体布置、防水材料选用原则、关于防水卷材的抗剪性能、其他防水材料、防水层的厚度和结构细部构造等。
在桥面防水系统设计上,主要应包括以下内容:
a.防水等级、设防要求;b.防、排水设计;c.防水材料及其性能的确定;d.防、排水细部构造。
(2)在防水系统总体布置上应满足防-排水功能,以及设计-施工-监测-养护整体环节。
(3)防水材料选用原则:
a.桥梁结构型式:坡度、刚度、平面型式;b.环境条件、施工条件:有效温度、温度梯度、高温耐热、低温柔度、施工温度;c.材料选用要考虑材料性能的相容性和材料品质的优选性。
3.2.10 关于防水卷材的抗剪性能
经过大量的科研工作,如今对防水卷材的抗剪性能有了全新的认识:
(1)车辆荷载作用在桥面上,除了竖向力以外,还有水平方向的力,如制动力、离心力等。
(2)车辆的水平力是通过车轮与桥台之间的摩擦力传递到桥面铺装及防水层上的,根据摩擦定律:
a.水平力F作用下,其摩擦力大小和重量W与摩擦系数与f乘积成正比。
b.当水平力小于摩擦力时,物体不动为静摩擦,此时摩擦力等于水平力T=F
c.当水平力大于摩擦力时,物体滑动为动摩擦,此时摩擦力小于水平力,T≤W×f。因此可认为不管水平力大小,都可用一个最大的摩擦力值来包络。
(3)车辆荷载下,铺装和防水层的竖力情况用隔离体分析。
(4)用Ansys通用有限元软件分析:3×3块单元模型,在10 kN轮重作用于沥青面层上,着地面积 0.60×0.20,摩擦系数 f=0.50。
计算得出沥青铺装厚8 cm时的层间剪应力,城A荷载折算值为0.12 mPa,相当于防水卷材50℃时的抗剪强度。见图3、图4和图5所示。
3.2.11 防水卷材与防水涂料的性能对比
由于我国地域广阔,究竟在城市桥梁防水层中采用防水卷材还是防水涂料,或者采用其它形式的防水方式,近年来也不尽统一。但有一点是明确的,作为强制性条文已明确规定:“混凝土桥面铺装内应设防水层,桥面系应有完整的防水、排水系统。”图6为路面结构层示意图,表1反映了防水卷材与防水涂料的性能对比情况。
表1 防水卷材与防水涂料的性能对比表
近年来,我国一些防水材料的生产企业,秉承环保和低碳的理念,研制了适合我国道桥专用聚合物改性沥青防水涂料,其主要材料是以多种橡胶复合对沥青改性,涂膜干燥后保持橡胶的弹性,耐高温达180℃,低温可达-40℃,延伸率大于800%,能经受桥面长期荷载积水抗压要求,防止渗水造成桥梁结构的损坏,确保桥梁结构的使用寿命。同时根据施工的要求,研制出具有自主知识产权的配套施工设备,亦促进了城市桥梁桥面防水技术和工程实践。
综上所述,通过回顾和总结我国城市桥梁建设在21世纪前10 a,从基于创新设计理念出发,在城市桥梁桥面防水技术科技研发,以及工程实践创新发展的相关情况,越来越多的人们认识到,城市桥梁桥面防水与建筑屋面防水的最大不同之处是其特殊的动荷载及不利的外部工作环境,而桥梁防水不利将直接影响桥梁结构的安全性和使用寿命。近年来,围绕着新型防水卷材、桥面防水层厚度、结构细部构造设计和施工,以及桥面防水层特殊部位的处理,渗水口、渗水管的设置等研究正在抓紧进行,并有了新的进展;同时,在防水涂料的研究上,本着节能和环保的理念,不断研究出新的产品。
同时将更加关注我国城市桥梁防水技术的标准化建设、防水材料研究,研制出新产品应具有良好的耐热、耐寒性能,能适应较大的温度变化;具有良好的粘接性、抗剪切性和抗疲劳性;并使桥梁防水材料与桥梁主梁混凝土找平层、桥面铺装间具有可靠的联接;满足防水施工工艺简单、便于掌握、造价适中、运输和储存方便,确保桥面防水质量;进一步发挥科研、材料、设计、施工、管理等各方面的共同作用。这些必将推动我国城市桥梁桥面防水技术和工程实践的健康发展。
展望我国城市桥梁建设的前景,在21世纪第二个十年中,以武汉鹦鹉洲长江大桥、港珠澳特大桥和超大型跨海大桥——青岛海湾大桥等一大批现代桥梁的陆续兴建,标志着我国将续写桥梁建设更加辉煌的篇章。广大工程技术人员应进一步关注城市桥梁桥面防水技术和工程实践的发展趋势,推动祖国城市桥梁建设的健康和可持续发展,向世界桥梁建设强国的目标迈进。
本文得到沈中治、张捷和刘庆仁教授级工程师的帮助,谨表谢意!
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