張文華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

東平水道特大橋(85+286+85) m雙拱肋鋼桁拱設(shè)計

張文華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

東平水道特大橋主橋為(85+286+85) m雙拱肋鋼桁拱橋,該橋式上拱肋延伸至邊墩支承,下拱肋支承在主墩上,上下拱肋用桁架聯(lián)接,邊跨不是梁,仍是拱,通過拱上立柱支撐橋面,邊中跨比僅為0.3。橋面系采用帶水平K撐的正交異性板結(jié)構(gòu)。該橋式結(jié)構(gòu)和帶水平K撐的鋼橋面系在國內(nèi)均是首次應用,豐富了鐵路橋梁結(jié)構(gòu)類型,拓寬了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計思路,整個體系受力層次分明、簡單明確。

鐵路橋；雙拱肋；鋼桁拱；水平K撐；橋面系；設(shè)計

1 工程概況

東平水道特大橋位于貴廣、南廣鐵路廣州樞紐，是貴廣、南廣鐵路的重點控制工程之一，主橋跨越Ⅱ級航道東平水道。橋址處東平水道河流正寬約191 m，線路法線與水流方向夾角約為23°，與既有武廣高鐵東平水道特大橋(99+242+99) m四線連續(xù)鋼桁拱橋相鄰并行，兩橋相鄰兩線鐵路線間距為18 m。結(jié)合地形、地貌，行洪安全，通航順暢，同時考慮到經(jīng)濟、施工、美觀等因素，新設(shè)計主橋的總長度、總高度應與既有主橋基本一致，以保持兩主橋相互協(xié)調(diào)，節(jié)省工程投資。經(jīng)比選分析，確定貴廣、南廣鐵路跨東平水道特大橋主橋采用(85+286+85) m雙拱肋鋼桁架拱橋方案進行設(shè)計(圖1)。為保證拱橋順利合龍，邊跨采用支架法施工，中跨采用拱上吊機懸拼法施工[1-3]。鋼桁拱節(jié)點的桿件最大質(zhì)量達55 t，用鋼量總計14 070 t。

圖1 東平特大橋主橋立面(單位：cm)

主要技術(shù)標準：客貨共線；中-活載；客車行車速度200 km/h；雙線有砟軌道；線間距5.3 m；橋上平坡；直線。

2 橋型方案優(yōu)化

與傳統(tǒng)連續(xù)鋼桁拱不同，本橋式為曲弦剛性拱和柔性系桿的新型鋼桁拱結(jié)構(gòu)，上拱肋延伸至邊墩支承，下拱肋支承在主墩上，上下拱肋通過桁架聯(lián)接，邊跨不是梁仍是拱，通過拱上立柱支撐橋面，邊中跨比僅為0.3。該方案橋式新穎，體系受力層次分明、簡單明確，優(yōu)點在于：(1)邊跨短，邊跨剛度好，梁端轉(zhuǎn)角小，更能適應高速鐵路高速行車的要求；(2)橋長短，全橋經(jīng)濟性好，并且能與既有武廣客運專線東平橋相互協(xié)調(diào)。與初步設(shè)計邊跨采用平弦鋼桁梁的傳統(tǒng)連續(xù)鋼桁拱相比，橋長縮短約0.16 km，節(jié)約橋梁結(jié)構(gòu)用鋼2 300多t。初步設(shè)計與施工設(shè)計橋式布置分別見圖2、圖3。初步設(shè)計方案與施工設(shè)計方案具體計算結(jié)果分別見表1、表2。

圖2 初步設(shè)計1/2主橋橋式布置(單位：cm)

圖3 施工設(shè)計1/2主橋橋式布置(單位：cm)

計算結(jié)果中活載ZK活載靜活載撓跨比靜活載撓跨比梁端轉(zhuǎn)角/rad支座噸位/kN主橋結(jié)構(gòu)用鋼量/t邊跨1/27881/307015000次邊跨1/24661/26981.4‰2000016375中跨1/24661/247495000

表2 施工設(shè)計優(yōu)化(85+286+85) m鋼桁拱橋主要計算結(jié)果

3 結(jié)構(gòu)總體布置

鋼桁拱橋孔跨為(85+286+85) m，桁寬15 m，軌面至主桁下弦中心高度1.656 m，軌面至邊支座頂高度26.168 m， 軌面至中支座頂高度21.415 m，除邊跨第一個節(jié)間8.25 m外，其余節(jié)間長度11 m，邊跨8個節(jié)間，中跨26個節(jié)間，全長457.5 m。邊跨梁端為鋼結(jié)構(gòu)門式墩，由兩根高為24 m的立柱與橫梁構(gòu)成，立柱之間、立柱與橫梁體內(nèi)均灌注壓重混凝土；主橋拱上立柱及其兩立柱之間提供了大量的壓重空間，與鋼梁相連的24 m預應力混凝土簡支T梁架在門式墩橫梁上，從而解決了邊支座負反力與施工期間抗傾覆穩(wěn)定的問題。拱頂桁高9 m，拱頂至橋面高度54 m，內(nèi)拱肋矢高64 m，矢跨比1∶4.47；外拱肋矢高78 m，矢跨比1∶5.85。拱肋上、下弦桿分別采用不同的圓曲線。兩拱趾之間設(shè)鋼箱系桿，以承受拱肋產(chǎn)生的巨大水平推力。拱肋與系桿之間采用吊桿連接，最長吊桿45 m。主桁采用整體節(jié)點，三角形桁式[4-7]。

4 構(gòu)造

4.1 主桁

上拱肋采用箱形截面，內(nèi)高1 200 mm，內(nèi)寬1 000 mm，桿件板厚16～40 mm，腹板、翼板均在中部設(shè)置加勁肋。

下弦及系梁采用箱形截面，內(nèi)高1 600 mm，內(nèi)寬1 000 mm，桿件板厚16～44 mm，翼板在中部設(shè)置加勁肋，腹板設(shè)置2個加勁肋，截面總共6個加勁肋。

下拱肋采用箱形截面，內(nèi)寬1 000 mm，邊跨部分下拱肋內(nèi)高800 mm，中跨部分內(nèi)高由拱頂至拱腳1 000～1 800 mm，桿件板厚16～52 mm，翼板在中部設(shè)置加勁肋，腹板設(shè)置2個加勁肋，截面總共6個加勁肋。

吊桿采用八邊形截面，內(nèi)寬1 000 mm，內(nèi)高根據(jù)吊桿由短到長800～1 200 mm，板厚16 mm，箱形吊桿與主桁節(jié)點采用四面對接的方式連接；邊吊桿由于長度短，面外彎矩引起的應力較大，板厚加大至32 mm，采用內(nèi)寬、內(nèi)高均為1 000 mm的箱形截面。

腹桿采用H型截面與箱形截面，為節(jié)約材料及改善桿件的局部穩(wěn)定，壓桿采用箱形截面，拉桿采用H形截面；H形截面與主桁節(jié)點采用三面拼接，箱形截面采用四面對接的方式連接；腹桿內(nèi)寬1 000 mm，內(nèi)高800 mm。

4.2 橋面[8-10]

4.2.1 總體布置

鋼橋面由橋面板、橫梁、橫肋、縱梁、縱肋、橫梁端頭及水平K撐7個部分組成，其中鋼橋面板全橋縱向連續(xù)，橫向與主桁下弦不直接連接，橋面板焊接在兩橫向中心距為9.4 m的縱梁上，縱向基本3、8 m分段焊接；一個節(jié)間長度范圍內(nèi)，在兩道橫梁支點上伸出4個橫梁端頭，將橋面與主桁節(jié)點相連；為減小橫梁端頭面外彎矩以及分擔其豎向傳力，每個橫梁端頭左右兩邊各設(shè)置1個工字形斜桿-水平K撐，連接主桁節(jié)點與橫肋與縱梁的交點；鋼橋面頂板配置MMA防水體系。橋面結(jié)構(gòu)采用兩片主桁，桁間距15 m，線間距5.3 m，如圖4、圖5所示。

圖4 橋面橫向布置(單位：cm)

圖5 帶水平K撐橋面平面布置(單位：cm)

4.2.2 橫梁及橫肋

邊跨第一節(jié)間橫梁間距8.25 m外，其余橫梁間距11 m。采用倒T形截面，內(nèi)高1 600～1 683 mm，腹板厚16 mm，底板寬740 mm，厚24 mm，腹板與縱梁腹板焊接，底板與縱梁底板焊接。兩道橫梁之間設(shè)3道橫肋，間距2 750 mm，采用倒T形截面，內(nèi)高1 600～1 683 mm，腹板厚14 mm，底板寬580 mm，厚20 mm，腹板與縱梁腹板焊接，底板與縱梁底板焊接。

4.2.3 縱梁及縱肋

兩片主桁內(nèi)側(cè)沿縱向各設(shè)置1道縱梁，橫向中心距9.4 m?？v梁采用箱形截面，內(nèi)高1 600 mm，腹板厚14 mm，頂?shù)装搴?8 mm、寬900 mm，大于腹板中心距340 mm，便于與橋面其他桿件相連。

兩道縱梁之間，鋼橋面板下設(shè)置了14道U肋和2道I肋，其中I肋設(shè)置在跨中位置。U肋高度300 mm，厚8 mm，間距600 mm，I肋高度150 mm，厚16 mm?？v肋全橋連續(xù)，遇橫梁、橫肋腹板則開孔穿過。

4.2.4 橫梁端頭及水平K撐

橫梁端頭采用變高度的工字形截面，與橋面相連一端腹板高度1 600 mm，與主桁節(jié)點相連一端腹板高度2 100 mm，腹板厚28 mm，上下翼板寬740 mm，厚28 mm；為減小橋面縱向變形，主桁下弦節(jié)點處設(shè)置水平K撐，水平K撐也采用變高度工字形截面，與縱梁與橫肋交點相連的一端腹板高度1 600 mm，與主桁節(jié)點相連一端腹板高度2 100 mm，腹板厚14 mm，上下翼板寬420 mm，厚28 mm。

4.3 縱向聯(lián)結(jié)系

縱向平聯(lián)采用交叉式結(jié)構(gòu)，包括上拱肋平聯(lián)及下拱肋平聯(lián)，為保證列車通過上、下拱肋橋面以上的第一個節(jié)間不設(shè)平聯(lián)。

縱向平聯(lián)采用H形截面的桿件，基本尺寸為翼板寬420 mm，總高420 mm，翼板厚16～32 mm，腹板厚12～24 mm；中支座處拱肋平聯(lián)采用翼板寬600 mm，總高為600 mm的H形截面，翼板厚36 mm，腹板厚28 mm。

4.4 橫聯(lián)

本橋隔節(jié)間設(shè)置橫聯(lián)，其中橫聯(lián)包括3部分：(1)邊跨橋面以下部分上弦與上、下拱肋滿布橫聯(lián)；(2)邊跨橋面以上部分下弦與上拱肋間及部分中跨半框橫聯(lián)；(3)中跨上、下拱肋間滿布橫聯(lián)。

橫聯(lián)采用桁式結(jié)構(gòu)，形式受通車凈空要求以及構(gòu)造的影響，第(2)部分布置成半框式，第(1)、(3)部分布置滿框式，橫聯(lián)的基本截面為H形截面，外高420 mm，翼板寬400 mm，腹板厚12 mm，翼板厚16 mm，局部加厚腹板和翼板，特別位置加寬翼板與加高腹板。

4.5 梁端部門式墩

兩邊跨梁端各設(shè)置1道門式墩結(jié)構(gòu)，每道門式墩由兩根立柱、立柱之間橫梁及壓重混凝土構(gòu)成，與鋼梁相連的雙線混凝土T梁架在門式墩橫梁上。立柱中心線高24 m，橫向15 m，箱形截面，內(nèi)寬×內(nèi)高3 000 mm×3 000 mm，板厚24 mm，豎向設(shè)置環(huán)向加勁肋，16 mm加勁隔板將立柱分成9個腔體。橫梁采用箱形截面，內(nèi)寬×內(nèi)高3 000 mm×2 000 mm，板厚24 mm，16 mm加勁隔板將橫梁分成3個腔體，每個腔體內(nèi)均設(shè)置環(huán)向加勁肋；立柱與橫梁體內(nèi)灌注壓重混凝土，橫梁上下立柱間區(qū)域也灌注壓重混凝土。

5 鋼梁制造

5.1 焊接

本橋采用的整體節(jié)點和鋼橋面板有焊接工作量大，焊接接頭類型多，焊接變形大的特點。焊接的質(zhì)量與桿件的組裝精度是控制工程質(zhì)量的關(guān)鍵點。焊接選用的焊接材料，結(jié)構(gòu)中各種接頭形式的焊接工藝應根據(jù)設(shè)計要求，進行焊接工藝評定。鋼板焊接接頭的力學性能：(1)屈服強度不低于基材的標準值，且不宜高于基材實際強度100 MPa，若對接接頭焊縫屈服強度超過基材實際強度100 MPa，可按韌強比KV2/R≥0.13驗收；若角焊縫屈服強度超過基材實際強度100 MPa，可按韌強比KV2/R≥0.10驗收；(2)延伸率不低于基材的標準值，Q370qD鋼材之間的焊接接頭低溫沖擊功不低于47 J(-20 ℃)，Q420qE之間的焊接接頭低溫沖擊功不低于47 J(-40 ℃)。

為了控制焊接變形，焊接的板件應留有足夠的焊接收縮量，并應嚴格控制線能量的輸入。鋼橋面板的拼接應采用雙面焊接或帶陶瓷襯墊的單面焊雙面成型工藝，以保證焊縫熔透并打磨勻順。同一截面上的拼縫、縱橫向焊縫、相鄰焊縫應按規(guī)定相互錯開。橋面板的縱、橫向工地焊縫應控制鋼板間的板縫不超過工藝規(guī)定值。桿件隔板、加勁肋的角焊縫不得在主要板件上咬邊。所有的對接焊縫均應順應力方向打磨勻順，角接焊縫在不均勻處須打磨勻順。對不同板厚的對接焊應加工成不大于1∶8的斜坡過渡，鋼板焊接的圓弧端部應打磨勻順。鋼梁的焊縫尤其是坡口熔透焊，應按規(guī)范的要求，經(jīng)過嚴格的探傷檢查。T形接頭根據(jù)接頭板的厚度，確定是否開V形坡口和相應尺寸。

制造中必須注意優(yōu)化焊接工藝，嚴格執(zhí)行經(jīng)評定審批的焊接標準及焊接工藝、探傷及機工的精度要求，以確保質(zhì)量。箱形桿件焊接最后一塊水平板前，應對各焊縫進行嚴格檢查，所有弧坑及超限的缺陷都必須修磨平整，還應防止端隔板開裂。鋼梁制造中應把有效提高整體節(jié)點的焊接疲勞強度、減小殘余應力和應力集中作為工廠加工過程中始終如一的目標，堅持必要的錘擊處理和平緩的過渡，盡可能把應力集中系數(shù)降到最低。

5.2 特殊拼接部位

橫聯(lián)斜桿與主桁節(jié)點多采用插入方式連接，設(shè)計中桿件外高與節(jié)點板內(nèi)高相等，制造時需根據(jù)加工工藝確定相應公差，保證桿件順利插入，間隙適中。

橋面縱梁上翼板厚28 mm，橋面板厚僅16 mm，上水平板需刨成1∶8的斜坡與橋面板焊接。

5.3 主節(jié)點板

主桁節(jié)點板的平面尺寸較大，制造時應盡量采用整板，沿弦桿的主要受力方向，應與鋼板的軋制方向相同，拼接板沿桿件的方向也應是鋼板的軋制方向。鋼板如需對接時，接縫應距離其他焊縫、圓弧起點、高強度螺栓拼接板端等部位100 mm以上。

5.4 試拼裝及運輸保護

全部構(gòu)件需進行平面輾轉(zhuǎn)試拼裝，以確保結(jié)構(gòu)的空間尺寸能夠吻合。

本橋橫聯(lián)桿件大多采用插入方式與節(jié)點連接，對應連接板較薄，與主桁桿件焊連后呈單板懸挑狀態(tài)，為了在運輸過程中不致被損壞，需采用臨時加固措施。

6 結(jié)構(gòu)計算分析

6.1 平面模型與空間模型結(jié)果比較分析

平面模型與空間模型計算分析均采用Midas程序進行。空間模型考慮了聯(lián)結(jié)系與橋面系參與主桁整體受力，在主力作用下，其計算的下弦與系梁的軸向內(nèi)力僅為平面模型軸向內(nèi)力計算值的60%，其余主桁桿件內(nèi)力空間模型均比平面模型中的內(nèi)力略小。由于空間模型模擬聯(lián)結(jié)系與橋面，橋面系有剛度較大的縱梁及數(shù)量眾多的加勁U肋及I肋參與主桁下弦及系梁受力，更接近于實際受力，最終確定下弦與系梁、橋面系及聯(lián)接系檢算采用空間模型計算內(nèi)力值進行，主桁檢算采用平面分施工階段模型計算內(nèi)力值進行。

平面計算邊跨最大靜活載撓度22.8 mm，撓跨比1/3 760，梁端轉(zhuǎn)角0.595‰；中跨最大靜活載撓度132.9 mm，撓跨比1/2 152?？臻g計算由于縱向聯(lián)結(jié)系及橋面參與受力，剛度略大，邊跨最大靜活載撓度18 mm，撓跨比1/4 663，中跨最大靜活載撓度116 mm，撓跨比1/2 458。

因為平面模型未考慮橋面系參與下弦及系梁整體軸向受力，而實際受力中，由于橋面系縱梁、U肋及I肋通過橫梁、K撐與下弦節(jié)點相連，跟隨系梁軸向變形，相對于平面模型結(jié)果，拱軸線略高，拱腳間距略小，節(jié)點縱向位移在恒載、活載、溫度效應及支點沉降作用下，平面模型計算結(jié)果均大于空間模型計算結(jié)果?？紤]到空間模型計算的縱橋向位移值更符合實際，因此伸縮縫選型及支座預偏量設(shè)置時設(shè)計均采用空間模型計算結(jié)果。

6.2 結(jié)構(gòu)動力分析6.2.1 結(jié)構(gòu)自振特性

根據(jù)建立的動力計算模型，對主跨286 m鋼桁拱橋的自振特性進行了計算，計算中考慮了橋墩及基礎(chǔ)剛度的影響，橋梁的前10階自振頻率見表3。

表3 主跨286 m鋼桁拱橋前10階自振頻率

6.2.2 動力特性及列車走行性分析

建立車-橋一體空間計算模型，對設(shè)計方案進行了列車-橋梁時變系統(tǒng)空間振動響應計算。計算中軌道不平順采用德國低干擾軌道譜模擬軌道不平順，計算列車選取德國ICE3高速旅客列車、國產(chǎn)高速旅客列車和日本500系高速旅客列車分別進行計算，計算最高速度按橋梁設(shè)計運營速度和列車設(shè)計運營速度的較小值選取(以下稱為計算速度段)，并按照慣例外延20%左右(外延20%部分以下稱為檢算速度段)，具體計算工況如下：列車分別以100、120、140、160、180、200、220、240 km/h通過橋梁，采用德國低干擾軌道譜進行計算。

動力分析結(jié)果表明：(1)286 m鋼桁架拱橋具有良好的動力特性及列車走行性，在列車運營速度不超過240 km/h(橋梁設(shè)計運營速度120%)時，列車的行車安全性滿足要求，乘坐舒適度均達到“良好”標準以上；(2)能否保證列車在設(shè)計速度以內(nèi)運行的安全性和舒適性，鋼桁拱橋的剛度在此不起控制作用，主要由列車本身的動力學性能以及線路不平順標準等其他因素控制。

7 主要技術(shù)特點

7.1 新型雙拱肋鋼桁拱

與傳統(tǒng)的邊跨采用平弦鋼桁梁的連續(xù)鋼桁拱不同，本橋式方案為鋼桁拱，上拱肋延伸至邊墩支承，下拱肋支承在主墩上，上下拱肋用桁架聯(lián)接，邊跨不是梁，仍是拱，通過拱上立柱支撐橋面，邊中跨比僅為0.3。

7.2 橋面系采用帶水平K撐結(jié)構(gòu)形式

橋面采用帶水平K撐的正交異性板橋面系結(jié)構(gòu)，主桁節(jié)點與橫梁端部兩側(cè)的邊縱梁之間通過水平K撐連接，每個橫梁端頭左右兩邊各設(shè)置1個工字形斜桿——K撐，兩端分別連接主桁節(jié)點和橫肋與縱梁的交點。利用橋面板、邊縱梁及水平K撐組成的縱向力傳遞體系，可有效地將橋面制動力等縱向水平力傳遞到主桁節(jié)點上，從而替代傳統(tǒng)的制動撐，節(jié)約鋼材，動力性能更優(yōu)，適應高速行車的要求，大大方便運營、養(yǎng)護及維修。水平K撐構(gòu)造簡單，受力傳力明確，較好地解決了橋面系縱向水平力傳遞積累問題，同時確保了鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性能。橋面系與主桁僅在主桁節(jié)點處相連，既發(fā)揮了正交異性板鋼橋面整體性好的優(yōu)點，也簡化了主桁下弦桿的受力。

7.3 橋面采用新型甲基丙烯酸甲酯(MMA)耐磨防水保護層

本橋在鋼橋面系上取消鋪設(shè)混凝土橋面板，直接采用鋪設(shè)3 mm厚甲基丙烯酸甲酯(MMA)耐磨防水保護層。鋼橋面系上采用的甲基丙烯酸甲酯(MMA)樹脂涂料，具有獨特的性能特點：不需要混凝土保護層，且能在混凝土或鋼材表面直接施工，耐磨、耐久性好，流淌性固化，施工方便、周期較短，便于檢查和修補等。采用甲基丙烯酸甲酯(MMA)樹脂涂料作為鋼橋面防水層，可取消混凝土保護層，既可以節(jié)省混凝土保護層的工程費用，又可有效減輕橋面系的質(zhì)量，這對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)尤其重要。

8 結(jié)語

東平水道特大橋(85+286+85) m雙拱肋鋼桁拱橋為國內(nèi)鐵路第一座大跨度雙拱肋鋼桁拱橋，邊中跨比僅為0.3，解決了以往連續(xù)鋼桁梁拱橋邊跨跨度長、剛度小的難題，具有短邊跨，橋長短，邊跨剛度好的優(yōu)點。該橋在國內(nèi)橋面系設(shè)計中首次采用帶水平K撐的正交異性板結(jié)構(gòu)，橋面系與主桁僅在主桁節(jié)點處相連，既發(fā)揮了正交異性板橋面整體性好的優(yōu)點，也簡化了主桁下弦的受力，妥善地解決了橋面系結(jié)構(gòu)縱向水平力傳遞積累的難題，并且確保了結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性能。動力分析結(jié)果表明，主跨286 m鋼桁拱橋具有良好的動力特性及列車走行性，能保證列車在設(shè)計速度以內(nèi)運行的安全性和舒適性。該方案橋式新穎，豐富了鐵路橋梁結(jié)構(gòu)類型，拓寬了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，整個體系受力層次分明、簡單明確，且能與既有武廣客運專線東平橋相互協(xié)調(diào)。該橋已于2014年12月26日正式通車。

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Design of Dongping Waterway Grand Railway Bridge with (85+286+85)m-span Steel Trussed Arch and Double Arch Ribs

ZHANG Wen-hua

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

The main bridge of Dongping grand railway bridge is a (85+286+85) m-span with double arch rib connected by steel truss arch bridge. The upper arch rib of the main bridge extends to the side pier bearings and the lower arch rib is supported on the middle piers. The upper and the lower arch ribs are connected by truss structures. The side spans of the main bridge are arch structures, which support bridge deck system with arch columns. The ratio of side span to middle span is only 0.3. The bridge deck system is an orthotropic plate structure with horizontal K-shape supports. The bridge structure and the bridge deck system are the first application in China, which add more choices to railway bridge structure and design. The structure is well designed, simple and clear in force bearing.

Railway Bridge; Double arch fib; Steel trussed arch; Horizontal K-shape support; Bridge deck System; Design

2015-06-15

張文華(1967—)，男，高級工程師，1990年畢業(yè)于西南交通大學橋梁工程專業(yè)，工學學士，E-mail：ZWH888@126.com。

1004-2954(2015)12-0040-05

U448.22+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.010