摘 要：為研究銹蝕箍筋混凝土柱外包型鋼加固后的抗剪承載能力，設(shè)計9根不同箍筋間距的混凝土柱，對其中7根混凝土柱通電加速銹蝕箍筋，采用水泥基灌漿料或環(huán)氧樹脂膠作為外包型鋼加固柱的填充物，加固處理后進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗；以箍筋間距、箍筋銹蝕率和填充物為變量，綜合運(yùn)用試驗研究與理論分析方法對其破壞形態(tài)和抗剪承載性能進(jìn)行分析；基于混凝土柱極限抗剪承載力計算模型，引入外包型鋼有效利用系數(shù)，建立外包型鋼加固銹蝕箍筋混凝土柱斜截面抗剪承載力計算模型。結(jié)果表明：在低周往復(fù)荷載作用下柱底形成塑性鉸、柱底加固型鋼連接處失效，箍筋間距和箍筋銹蝕率等因素共同影響其抗剪承載力；相同箍筋間距及銹蝕率下采用水泥基灌漿料與環(huán)氧樹脂膠對外包型鋼與混凝土柱協(xié)同工作性能一致；加固后外包型鋼對核心區(qū)混凝土約束能力的提升，顯著提高了混凝土柱的抗剪承載力。研究可為外包型鋼加固銹蝕箍筋混凝土柱采用水泥基灌漿料作為填充物提供實(shí)踐指導(dǎo)，為抗剪承載力計算、耐久性分析提供理論參考。

關(guān)鍵詞：混凝土柱；箍筋銹蝕；抗剪承載力；外包型鋼加固；抗震性能

中圖分類號：TU 375.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2025）01-0161-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2025.0115

Model of shear bearing capacity of corroded stirrup concrete

column strengthened with section steel

LI Qiang CAO Tengfei¹，CHEN Shaojie¹，YAN Peilin³，WANG Yong1，LIU Xiaoyan¹

（1.College of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Institute of Building structure Inspection and reinforcement，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

3.Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting

Co.，Ltd.，Shanghai 200120，China）

Abstract：In order to study the shear bearing capacity of corroded stirrup concrete columns strengthened with encased steel，nine concrete columns with different stirrup spacing were designed，seven of which were electrified to accelerate the corrosion of stirrups，and cement-based grouting material or epoxy resin adhesive was used as the filler of the columns strengthened with encased steel.After the reinforcement，the low-cycle reciprocating load test was carried out.Taking stirrup spacing，stirrup corrosion rate and filler as variables，the failure mode and shear bearing capacity were analyzed by experimental research and theoretical analysis.Based on the calculation model of ultimate shear capacity of concrete columns，the effective utilization coefficient of encased steel was introduced，and the calculation model of shear capacity of inclined section of reinforced concrete columns with corroded stirrups strengthened by encased steel was established.The results show that the plastic hinge is formed at the bottom of the column under low cyclic loading，and the failure of the steel connection at the bottom of the column is strengthened.The shear bearing capacity is affected by the spacing of stirrups and the corrosion rate of stirrups.Under the same stirrup spacing and corrosion rate，the cement-based grouting material and epoxy resin glue are consistent with the cooperative working performance of the encased

steel and concrete columns.After the reinforcement，the shear bearing capacity of the encased steel itself and its improvement of the concrete restraint capacity in the core area

significantly improved the shear bearing capacity of the concrete column.The research could provide practical guidance for the use of

cement-based grouting material as filler in corroded stirrup reinforced concrete columns strengthened with encased steel，as well as theoretical reference for the calculation of shear capacity and durability analysis.

Key words：concrete column；stirrup corrosion；shear capacity；external steel reinforcement；seismic performance

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)的破壞原因按重要性遞減的順序是：鋼筋銹蝕、寒冷地區(qū)的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用^[1]。鋼筋銹蝕不僅會導(dǎo)致自身截面面積減小^[2]和力學(xué)性能的降低^[3]，而且會造成混凝土保護(hù)層銹脹開裂甚至脫落^[4]，既嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用壽命^[5-6]，又降低了混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力。

混凝土柱作為重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件^[7-8]，箍筋銹蝕后抗剪承載力不足是導(dǎo)致其破壞的主要原因，而采用外包型鋼進(jìn)行加固，施工簡單、工期短，加固后具有較好的抗剪承載性能^[9]，但目前針對外包型鋼加固銹蝕箍筋混凝土柱抗剪承載性能的研究還較少。

對銹蝕箍筋混凝土柱抗震性能研究已有階段成果。其中李強(qiáng)研究銹蝕箍筋混凝土柱的抗震性能時，以箍筋銹蝕率、直徑和間距為變量進(jìn)行研究，結(jié)果表明箍筋銹蝕對核心混凝土的約束降低，導(dǎo)致混凝土抗震性能減弱，隨著箍筋銹蝕率的增大，柱的破壞位移減小，相同銹蝕率箍筋間距越小，柱的抗剪承載力越大^[10]；SHU對銹蝕箍筋混凝土柱抗震性能進(jìn)行研究，當(dāng)配箍率相同時，隨著箍筋銹蝕率的增大，其破壞模式由延性彎曲破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變^[11]；楊光等考慮箍筋間距與銹蝕率對混凝土柱抗震性能影響規(guī)律的研究，認(rèn)為當(dāng)箍筋銹蝕率小于15%時，其承載力略有提升，當(dāng)銹蝕率大于30%時，其各項抗震指標(biāo)均下降幅度逐漸增大^[12-14]，因此箍筋的銹蝕率、間距等因素對核心混凝土的約束性能影響較大^[15-20]；李強(qiáng)對外包型鋼與CFRP等加固銹蝕箍筋混凝土柱抗震性能進(jìn)行分析，認(rèn)為采用外包型鋼加固后其抗震性能指標(biāo)提升最大，破壞特征點(diǎn)明顯滯后于完好試件，破壞特征主要以剪切破壞為主^[21]；鄧明科等采用高延性混凝土和灌漿料加固鋼筋混凝土柱，抗剪承載能力和變形能力都得到顯著提高^[22]；盧亦焱等對外包角鋼與碳纖維布復(fù)合加固混凝土柱進(jìn)行了抗剪試驗研究，復(fù)合加固法能夠較好地約束混凝土的橫向變形，顯著提升斜截面承載能力和延性性能^[23]；張闖等對碳纖維布加固混凝土柱抗剪承載性能進(jìn)行分析，隨著箍筋銹蝕率的增大碳纖維布的利用率下降^[24]。

混凝土柱箍筋銹蝕率與箍筋間距是影響混凝土柱抗震性能的重要因素^[25]，而外包型鋼可以協(xié)同銹蝕箍筋加強(qiáng)對核心混凝土的約束，進(jìn)而增強(qiáng)銹蝕柱整體抗震性能與抗剪性能。外包型鋼加固混凝土柱填充物大部分采用環(huán)氧樹脂膠黏劑，但其耐久性能受環(huán)境等因素影響較大，導(dǎo)致加固結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)不能同壽命^[26-27]。因此，設(shè)計試驗以箍筋銹蝕率、箍筋間距和外包型鋼與混凝土之間的填充物種類作為變量，使用外包型鋼進(jìn)行加固處理，通過低周往復(fù)荷載試驗對其破壞形態(tài)和抗剪承載力進(jìn)行分析；在混凝土柱極限抗剪承載力計算模型基礎(chǔ)上，引入外包型鋼有效利用系數(shù)，建立外包型鋼加固銹蝕箍筋混凝土柱抗剪承載力計算模型，為相關(guān)的工程設(shè)計和耐久性分析提供理論參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

1.1.1 試件設(shè)計

試驗共設(shè)計9根試件，2根試件作為對照組，其余7根均箍筋銹蝕后進(jìn)行外包型鋼加固處理，外包型鋼和混凝土柱之間使用環(huán)氧樹脂膠或水泥基灌漿料作為填充物（表1）。

柱與基礎(chǔ)2部分共同組成倒“T”型試件，柱截面尺寸200 mm×200 mm，基礎(chǔ)截面尺寸350 mm×450 mm，混凝土保護(hù)層厚度為15 mm（圖1），箍筋與縱筋交接處粘貼絕緣膠布，防止通電過程中縱筋發(fā)生銹蝕。

1.1.2 材料力學(xué)性能試驗

混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C30級，預(yù)留6個標(biāo)準(zhǔn)試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d后實(shí)測軸心抗壓強(qiáng)度值為36.6 MPa，鋼筋抗拉強(qiáng)度試驗值見表2。

1.1.3 箍筋加速腐蝕試驗概況

試件箍筋銹蝕采用人工通電加速箍筋銹蝕^[28]，試件制作時摻入濕鹽沙，銹蝕時浸泡在鹽溶液內(nèi)，更貼近自然狀態(tài)下鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕^[29]。選取質(zhì)量濃度為5%的鹽溶液，混凝土柱箍筋通電銹蝕電流密度選取為500 μA/cm²，通過控制通電時間達(dá)到設(shè)計銹蝕率。在試驗結(jié)束后將試件破除，取出箍筋進(jìn)行稱重計算出平均箍筋質(zhì)量損失率（表3），即箍筋銹蝕率。

1.1.4 加固方案

因水泥基灌漿料具有抗侵蝕能力，并且經(jīng)濟(jì)環(huán)保，能夠使加固結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)同壽命等優(yōu)點(diǎn)，為探究該填充物能否替代傳統(tǒng)膠黏劑，故選擇水泥基灌漿料和環(huán)氧樹脂膠作為混凝土柱與外包型鋼之間的填充物。

試件采用外包型鋼進(jìn)行加固，箍板中心位于箍筋處，且箍板中心間距與箍筋間距相同。箍板采用Q235級鋼材，屈服強(qiáng)度為301 MPa，截面尺寸為4 mm×50 mm×200 mm。加固時首先對銹蝕試件和鋼材進(jìn)行表面處理，打磨其接觸面及四周去除銹蝕產(chǎn)物和雜質(zhì)；然后進(jìn)行外包型鋼安裝，角鋼與混凝土之間緊貼，角鋼與箍板的豎向焊接接縫應(yīng)符合規(guī)范要求；灌膠填縫，使用環(huán)氧樹脂膠或水泥基灌漿料將型鋼與混凝土之間的縫隙填滿，嚴(yán)格遵守黏合劑配合比要求；最后進(jìn)行質(zhì)量檢查，室內(nèi)常溫下養(yǎng)護(hù)3天，檢查試件灌注質(zhì)量，采用小錘輕敲鋼材表面，檢查鋼板與混凝土之間的有效密實(shí)度。

1.2 試件測點(diǎn)布置

試件測點(diǎn)布置（圖2），試件四角處縱筋從根部向上每間隔200 mm布置一個應(yīng)變片，在同一截面高度處對稱布置，同一試件內(nèi)共粘貼12個縱筋應(yīng)變片，粘貼完后并用環(huán)氧樹脂膠將應(yīng)變片嚴(yán)密包裹防水處理。

待箍筋銹蝕完成后鑿出受力方向兩側(cè)箍筋，打磨除銹后粘貼應(yīng)變片，對應(yīng)箍筋間距為70 mm、90 mm分別粘貼8、6個應(yīng)變片；外包型鋼兩側(cè)鋼帶粘貼應(yīng)變片方式與箍筋相同。每根試件安置5個位移傳感器，分別在柱墩、加載點(diǎn)和從柱底間距為200 mm安置3個位移計。在試驗過程中觀察并記錄裂縫出現(xiàn)與發(fā)展、應(yīng)變及位移數(shù)據(jù)。

1.3 試驗加載方案

試驗采用MTS低周往復(fù)加載系統(tǒng)，加載裝置如圖3所示。先對試件豎向加載，達(dá)到200 kN（軸壓比為0.3）后保持不變，再用水平作動器距基礎(chǔ)梁上部950 mm處施加往復(fù)荷載。試驗采用位移控制加載，水平位移小于10 mm時，每級幅值遞增為2 mm，每級加載循環(huán)一次；水平位移大于等于10 mm時，每級幅值遞增為10 mm，每級加載循環(huán)3次；當(dāng)水平荷載降至峰值荷載的70%時，完成本級循環(huán)后停止試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗過程及破壞形態(tài)

由于各試件的破壞過程基本一致，以試件S-1為例介紹試件破壞過程。在加載至3 mm時，試件底部第1，2根箍筋達(dá)到屈服應(yīng)變，試件表面未發(fā)現(xiàn)明顯異樣；加載至6 mm時，水平荷載為70 kN，在受拉側(cè)柱腳第1至第3箍板之間產(chǎn)生的橫向裂縫，受壓側(cè)產(chǎn)生豎向裂縫，裂縫細(xì)而密且有向上發(fā)展的趨勢；加載至10 mm時，底部角鋼與混凝土柱之間的環(huán)氧樹脂膠開裂，側(cè)面底部第2至第4箍板之間出現(xiàn)斜裂縫；加載至20 mm時，底部錨固角鋼焊縫開裂，側(cè)面出現(xiàn)新裂縫，裂縫發(fā)展逐漸延伸加寬；當(dāng)加載至25 mm時，達(dá)到峰值荷載，峰值荷載為98 kN；當(dāng)加載至40 mm時，側(cè)面第1，2箍板之間產(chǎn)生交叉斜裂縫，正面錨固角鋼上部混凝土保護(hù)層脫落；加載至60 mm時，四周底部錨固角鋼上部混凝土脫落，底部錨固角鋼外鼓失效，東側(cè)底部第1箍板外鼓，試驗停止。試件的破壞位置及破壞形態(tài)（表4）。

試件S-1、S-4、S-5的箍筋銹蝕率相對較小，對核心區(qū)混凝土的約束相對較高，柱底未形成明顯的交叉斜裂縫，最終發(fā)生彎剪破壞；其他箍筋銹蝕率較大，對核心區(qū)混凝土約束性能減弱明顯，在黏接劑開裂時，柱底開始呈現(xiàn)交叉斜裂縫，當(dāng)?shù)撞繖M向箍板與豎向角鋼焊縫失效時，試件發(fā)生突然剪切破壞。

箍筋間距和銹蝕率相同的試件，使用環(huán)氧樹脂膠或水泥基灌漿料為填充物的試件破壞過程及破壞形態(tài)相同，認(rèn)為這2種填充物對外包型鋼與混凝土柱協(xié)同工作性能的影響一致。

2.2 抗剪性能分析

各試件的屈服點(diǎn)位移、峰值點(diǎn)荷載和位移、極限點(diǎn)位移和延性系數(shù)（表5）。

相較于未加固未銹蝕試件，各銹蝕箍筋試件加固后的峰值荷載、破壞位移和延性系數(shù)均得到提高；箍筋間距70 mm的試件，與對照試件S-8相比，試件S-1、S-2、S-3的峰值荷載分別提高15%、13%、12%，延性性能分別提高73%、50%、56%；箍筋間距90 mm的試件，與對照試件S-8相比，試件S-4、S-5、S-6、S-7的峰值荷載分別提高39%、38%、23%、29%，延性性能分別提高85%、88%、64%、64%。說明采用外包型鋼加固不僅有效彌補(bǔ)了箍筋銹蝕柱抗剪承載力的退化，而且還提高了抗剪承載力，箍筋間距越大銹蝕率越小，提升幅度越顯著。

對比相同箍筋間距的試件，箍筋間距為70 mm的試件，與未加固未銹蝕試件S-8相比，隨著箍筋銹蝕率的增大，試件S-1、S-2峰值荷載分別提高15%、13%；箍筋間距為90 mm，采用環(huán)氧樹脂的試件，與對照試件S-9相比，隨著箍筋銹蝕率的增大，試件S-4、S-6峰值荷載分別提高39%、23%，采用水泥基灌漿料的試件，隨著箍筋銹蝕率的增大，試件S-5、S-7峰值荷載分別提高38%、29%。說明箍筋間距相同時，各加固試件隨箍筋銹蝕率的增大，峰值荷載下降越??；箍筋間距及銹蝕率相同時，外包型鋼與混凝土柱之間的水泥基灌漿料和環(huán)氧樹脂膠為填充物對其基本無影響。

采用內(nèi)插法對比相同箍筋銹蝕率的試件，當(dāng)箍筋銹蝕率與試件S-1相同時，隨著箍筋間距增大，試件S-1、S-4峰值荷載分別提高15%、34%；當(dāng)箍筋銹蝕率與試件S-2相同時，隨著箍筋間距的增大，試件S-2、S-6、S-7的峰值荷載分別提高13%、24%、21%。即箍筋銹蝕率相同時，各加固試件隨著箍筋間距的增大，各加固試件峰值荷載下降越小；箍筋銹蝕率相同時，2種填充物對試件的抗剪承載能力基本無影響。

各加固試件的抗剪承載性能與延性性能均優(yōu)于未加固未銹蝕試件，采用水泥基灌漿料與環(huán)氧樹脂膠對其各項性能影響不顯著；外包型鋼可充分發(fā)揮對核心混凝土的約束作用，提高銹蝕箍筋混凝土柱的抗剪承載性能，箍筋間距越大銹蝕率越小，加固柱抗剪承載力提升幅度越大，認(rèn)為采用外包型鋼加固因箍筋銹蝕混凝土柱能有效提高其抗剪承載性能。

3 斜截面承載力

3.1 斜截面承載力計算分析

外包型鋼加固法是使用角鋼和箍板外包在構(gòu)件表面，型鋼與混凝土柱之間使用環(huán)氧樹脂膠等進(jìn)行填充，從而使外包型鋼與原結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，充分發(fā)揮外包型鋼的抗剪承載能力。對外包型鋼加固銹蝕箍筋混凝土柱的抗剪承載力進(jìn)行分析，認(rèn)為加固后抗剪承載力可分為混凝土、箍筋和外包型鋼提供的抗剪承載力。

3.2 斜截面承載力計算模型

對混凝土柱抗剪承載力計算時，采用HalilSezen的極限抗剪強(qiáng)度計算模型^[30]，混凝土柱抗剪承載力計算公式為

Vc=0.5fc0a/d1+P0.5fc0Ag 0.8Ag

（1）

式中 Vc為混凝土抗剪承載力，kN；a為柱的反彎點(diǎn)高度，mm；d為混凝土截面有效高度，mm；P為柱的軸向荷載，kN；Ag為柱的截面面積，mm²；fc0為混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa。

因箍筋銹蝕對其截面面積與力學(xué)性能的影響顯著，故在對箍筋抗剪承載力計算時，考慮銹蝕對其截面面積的影響和力學(xué)性能的退化^[31-32]，銹蝕箍筋抗剪承載力計算公式為

Vs=（1－ηs）AufycdS

（2）

其中，fyc為銹蝕后的箍筋屈服強(qiáng)度計算式為

fyc=1－1.196ηs1－ηsfy0

（3）

式中 ηs為箍筋截面面積損失率，%；fy0為箍筋屈服強(qiáng)度，MPa；fyc為銹蝕后箍筋屈服強(qiáng)度，MPa；Vs為箍筋抗剪承載力，kN；Au為箍筋截面面積，mm²；S為箍筋間距，mm。

箍筋截面面積損失率ηs的計算公式為

ηs=0.013+0.987η，η≤10%

0.061+0.939η，10%＜η≤20%

0.129+0.871η，20%＜η≤30%

0.199+0.810η，ηgt;30%

（4）

式中 η為箍筋質(zhì)量損失率，%。

外包型鋼加固后試件的最大抗剪承載力分為未加固試件承受的剪力VRC，max與外包型鋼實(shí)際提供的抗剪承載力Vf，骨架曲線剪力分配情況如圖4所示。

加固后試件的最大抗剪承載力與未加固試件的最大抗剪承載力不能同時達(dá)到，外包型鋼加固后的實(shí)際提高的抗剪承載力計算公式為

Vf=VTotal，Δ－VRC，max

（5）

式中 Vf為外包型鋼實(shí)際提高的抗剪承載力，kN；VTotal，Δ為外包型鋼加固試件實(shí)際抗剪承載力，kN；VRC，max為未加固試件實(shí)際抗剪承載力，kN。

文獻(xiàn)[17]外包型鋼理論抗剪承載力計算式為

Vsp=AsphspfySsp

（6）

式中 Vsp為外包型鋼理論承載力，kN；Asp為箍板截面面積，mm²；hsp為箍板長度，mm；fy為鋼材屈服強(qiáng)度，MPa；Ssp為箍板中心間距，mm。

由于外包型鋼加固實(shí)際提高的抗剪承載力小于外包型鋼理論抗剪承載力剪力，考慮箍筋銹蝕對外包型鋼提供抗剪承載力的影響，外包型鋼有效利用系數(shù)kb，sp計算公式為

kb，sp=Vf/Vsp

（7）

式中 kb，sp為外包型鋼有效利用系數(shù)。

建立外包型鋼有效利用系數(shù)與箍筋質(zhì)量損失率kb，sp-η之間的關(guān)系如圖5所示。

外包型鋼有效利用系數(shù)隨著箍筋質(zhì)量損失率的增大而減小，且下降速率逐漸減小。擬合程度R²=0.995，有效利用系數(shù)計算公式為

kb，sp=exp20.0η2－11.9η

（8）

故外包型鋼的抗剪承載力計算公式為

Vb，sp=kb，spAsphspfySsp

（9）

式中 Vb，sp為外包型鋼抗剪承載力，kN。

引入外包型鋼有效利用系數(shù)，外包型鋼加固銹蝕箍筋混凝土柱抗剪承載力計算模型為

VTotal=Vc+Vs+Vb，sp

（10）

式中 VTotal為外包型鋼加固銹蝕箍筋混凝土柱抗剪承載力，kN。

3.3 斜截面承載力驗證

對各外包型鋼加固銹蝕箍筋混凝土抗剪承載力試驗值Vy與理論計算值VTotal進(jìn)行分析（表6）。試驗值與理論計算值的平均比值為1.007，方差為0.001 2，試驗值與理論計算結(jié)果吻合度較好。說明建立的計算模型可用于外包型鋼加固箍筋銹蝕混凝土柱抗剪承載力的評估計算，為箍筋銹蝕混凝土柱外包鋼加固設(shè)計提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）外包型鋼加固可充分發(fā)揮其對核心混凝土的約束作用，減緩柱腳塑性鉸區(qū)的形成，不僅可以彌補(bǔ)因銹蝕箍筋造成的抗剪承載力退化，而且得到了提高；當(dāng)箍筋間距相同時，其抗剪承載力提高12%～39%，箍筋間距越大銹蝕率越小，其提升幅度越顯著。

2）當(dāng)箍筋間距及銹蝕率相同時，外包型鋼與混凝土柱之間的水泥基灌漿料和環(huán)氧樹脂膠填充物對加固柱的破壞過程和形態(tài)基本一致，抗剪承載力提高13%（S-2）和12%（S-3）、39%（S-4）和38%（S-5）、23%（S-6）和29%（S-7），延性性能提高50%（S-2）和56%（S-3）、85%（S-4）和88%（S-5）、64%（S-6）和64%（S-7），可使用水泥基灌漿料代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠黏劑，具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、加固結(jié)構(gòu)可與原結(jié)構(gòu)同壽命等優(yōu)點(diǎn)，可為工程實(shí)踐提供參考。

3）引入外包型鋼有效利用系數(shù)，建立外包型鋼加固銹蝕箍筋混凝土柱抗剪承載力計算模型，試驗值與理論計算值的平均比值為1.007，方差為0.001 2，該模型能夠準(zhǔn)確計算其抗剪承載力，可為外包型鋼加固銹蝕箍筋混凝土柱的抗剪承載力計算提供理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：李克永）