大跨径混凝土桥梁的试验方法.docx

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大跨径混凝土桥梁的试验方法

大跨径混凝土桥梁的试验方法

（最终建议）

Ⅰ总则

适用范围

本建议主要涉及公路和城市道路的各种大跨径钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁的非破坏性试验，适用于新建的、改建的、修复的和旧有的各种大跨径混凝土桥梁的试验与观测。

本建议将跨径大于40米的梁式桥、跨径大于60米的拱式桥定为大跨径混凝土桥梁。

但各国可根据实际情况，自行确定大跨径的界限。

大跨径混凝土桥梁的主要特点

（1）施工比较艰巨，施工阶段结构受力状况复杂多变，有时远比建成后的营运状态不利。

（2）恒载在总荷载中所占比重随跨径增大而提高。

（3）鉴于其投资高，更换困难，必须确保其长期处于良好的营运状态。

试验与观测的基本目的

（1）为保证大跨径混凝土桥梁的施工安全和工程质量及时地提供观测资料。

（2）为保证桥梁运营的可靠性，检验桥梁结构的承载能力及其工作状况，

（3）检查桥梁结构的真实工作状况，为改进桥梁结构及其设计方法积累科学依据。

试验与观测的分类

（1）施工观测；

（2）现场荷载试验，包括静力和动力荷载试验；

（3）长期观测。

可根据工程提出的问题，实行其中一类或几类的试验与观测。

试验计划大纲的内容

可根据工程提出试验计划大纲，其主要内容为：

（1）试验要求：

目的、类型、项目和依据的标准。

（2）试验结构的技术资料：

原有的设计、计算与施工的基本资料，结构现状（包括存在的问题和缺陷），必要的理论验算数据。

（3）加载方案：

最大荷重、加载设备和加载图式。

（4）观测方案：

观测内容、测点布置、量测方法与仪器，要求达到的测试精度。

（5）试验程序：

加、卸载程序与观测程序，试验终止条件。

（6）试验筹备工作：

材料和仪器设备数量、费用、进度时间表和试验日期。

（7）试验人员的组织和分工：

使总指挥和各部分人员明确职责，并相互保持良好的联络。

（8）安全措施：

包括试验期间人身、结构物、试验加载设备和仪器设备等的安全措施。

与本专题共它分题的关系

大跨径混凝土桥的观测与试验的一般规则宜与本科研专题的有关分题的建议相适应。

Ⅱ施工观测

施工观测的任务

施工观测为指导施工及时提供必要的科学依据，是任何大跨径桥梁为保证施工安全和工程质量的一项必需实行的工作。

2．2构件的检验

构件在制造过程中的检验包括：

材料的物理力学性能、构件尺寸的偏差、预应力张拉工艺和构件运输中有否损伤等，均应按设计要求和施工规程进行评定。

施工设备的检验

（1）通常由工厂定型生产的施工设备，按产品使用技术条件进行检验。

（2）用万能杆件拼装的承重设备。

（例如各种大型吊装设备、挂兰和托架等），尤其是未按定型体系拼装的这类设备，在投入使用前，必须施加倍最大施工荷载，并使之在最不利工作状况下试运行，观测其最不利部位和连接部分的变位、应力、压屈稳定和定性等，以检验其是否符合使用要求。

试运行荷载一般应分级加到最大检验荷载值。

（3）为施工专门设计制作的承重设备（例如拱架和各种支架等），通常不可能在使用前进行最大施工荷载的试验，则要求在使用过程中精心观测其结构最不利部位的变位和应力。

2．4结构施工观测的内容

2．4．1定位测量

结构构件在安装过程中，须随时观测构件轴线控制点的座标变化，随时纠正纵向和横向偏位，使其不超过容许偏移量。

以保证施工准确就位。

2．4．2结构施工变位的观测

（1）在各施工阶段，均须观测主要承重构件的挠度和水平位移的变化。

（2）在结构体系逐步转换为设计体系的各施工阶段，应观测结构的挠度变化。

（3）超静定结构在施工最后阶段进行撤换支座、调整支座标高或调整施工应力时，须观测结构的标高和挠度变化。

（4）桥梁墩台和桥塔结构在上部结构施工阶段，应在观测上部结构变位的同时，观测其水平位移和沉降。

（5）观测温度、收缩和徐变等对施工结构变位的影响。

2．4．3结构施工应力（或应变）的观测

在必要的情况下，在观测结构施工变位的同时，应在观测结构施工控制截面的应力（或应变）的连续变化，必须考虑对混凝土的早期收缩、徐变和温度影响的补偿或修正方法（参见条和条）。

2．4．4观测构件裂缝的出现和扩展状况。

2．4．5结构施工变化和应力（或应变）的最大容许值，应由设计部门根据施工程序设计进行计算，事先提供给施工技术主管部门和施工观测人员。

2．4．6在可能的场合，可利用施工荷载对已建成的主要结构部分进行一次荷载试验，以了解其实际工作状况。

例如设有挂梁的T型刚构、悬臂梁和斜拉桥等，当等安装的挂梁在已建成的桥跨上运送时，可观测该桥跨结构的挠度和应（或应变）的变化曲线。

2．5施工观测资料的整理

施工观测资料应该当场整理出来，并及时报告主管人员，使其成为指导施工的依据。

当发现结构的变位或裂缝有异常情况时。

尤须及时报告，以研究对策。

该部分资料应包含在施工技术文件里，以提供桥梁验收阶段和以后检验阶段参考。

2．6施工观测报告的编制

报告的内容应完整，记载应详细。

除了简述设计与施工方面的有关基本资料外，还须包括以下内容：

（1）观测的时间、气候条件和混凝土的龄期、强度等。

（2）观测结果与施工各阶段计算值的比较。

（3）施工中出现问题的处理。

（4）记载必要的现场状况、照片和图表。

Ⅲ现场荷载试验

A、一般规则

现场荷载试验的任务

检验结构的静力和动力性能及其工作质量，并给以评价。

3．2荷载试验的类型

3．2．1按工程检验性质，分为：

（1）验收荷载试验：

检验结构承载能力是否符合设计要求，以确定能否交付正常使用。

一般为基本荷载试验。

（2）鉴定荷载试验：

确定结构容许承载能力的界限。

3．2．2按试验荷载的性质，分为：

（1）静力荷载试验：

根据工程检验的要求，确定最大试验荷载量。

（2）动力荷载试验：

测定结构的动力特性。

3．2．3按最大试验荷载量，分为：

（1）基本荷载试验：

最大试验荷载为设计标准规定的荷载（包括标准规定的动力系数或荷载增大系数的因素）。

（2）重荷载试验：

最大试验荷载大于基本荷载。

（3）轻荷载试验：

最大试验荷载小于基本荷载，但为了充分反映结构的整体工作和减小量测的误差，要求试验荷载不小于基本荷载的倍。

3．3实行荷载试验的对象

（1）新建的大跨径混凝土桥梁，一般均须进行验收荷载试验。

对于独特设计比如采用新材料、新工艺或新结构的新建桥梁，必须实行验收荷载试验。

（2）改建的、加固的或修复的桥梁，为检验工程效果。

因根据结构验算荷载和使用要求，实行验收的或鉴定的荷载试验。

（3）缺乏设计与施工技术资料的旧桥，或难于采用计算方法评定其能否承受预定的增大荷载的旧桥，为判断它们的容许承载能力，实行鉴定荷载试验。

（4）对设计或施工质量有疑问的桥梁和遭受某种程度损坏的桥梁，为选定适当的工程措施而实施鉴定荷载试验。

试验荷载的数量按降低后的承载能力计算确定。

（5）验证结构设计理论的实验性桥梁，为了测定结构的影响线或影响面、刚度和动力特力特性等，可实行轻荷载试验。

（6）对于一般的大跨径混凝土桥梁，采用普通的竖向活荷载进行动力试验，检查其动力特性，作为静力荷载试验的补充。

对于设计中动力问题突出的特大跨径桥梁（例如地震区、沿海飓风区、考虑流冰或船舶撞击的桥梁），需要实行专门的动力试验。

试验桥梁的混凝土龄期

要求在结构的主要承重构件的混凝土龄期达到设计强度后进行。

加载试验前的准备工作

结构物的详细调查

（1）查明结构物的实际技术状况：

包括结构的总体尺寸、杆件截面尺寸、各部分的高程、行车道路面的平整度、墩台顶面标高和平面位置、支座位置、材料的实际物理力学性能等。

（2）查明上下部结构物的裂缝、缺陷、损坏和钢筋锈蚀状况，并在试验过程中随时注意观察其变化。

检查支座有无锈蚀和损害状况。

（3）在加载试验过程中和试验结束后，也要对受加载影响较大的部位进行详细的检查。

桥址情况调查：

包括桥上和两端线路技术状况，线路容许车速、桥下净空、水深和通航情况、线路交通量、桥址供电情况等，椐以选择合适的加载方式、测量手段和安全措施。

加载装置的准备：

试验荷重的分级称重和加载位置的放样等。

测量系统的准备：

标定传感器、搭设辅助脚手架、安置仪表和进行测点编号等。

现场布置与组织：

观测设施、安全措施、电源、封闭交通时间和试验人员的分工等。

检查后的计算和分析

如果经检查发现结构的尺寸超过规定的误差，或材料质量没有达到设计要求，须按照结构的实际状况重新进行静力或动力分析。

计算在试验荷载作用下检测部位的变位和应力（或应变）数值。

测量要求

在现场荷载试验的短时间里，也必须注意日照和昼夜温度变化对结构物及测量数据的影响。

根据不同的测量方法和条件，建议采用以下措施，以减小温度的影响：

选择昼夜温差小的季节，并安排在阴天或夜间（深夜至黎明前）近乎恒温的条件下进行试验。

选择气象条件较稳定的日期进行试验。

这要求事先从当地气象站取得可靠的天气预报资料，并在加载试验前，即在无荷载作用下至少记录24小时的气温变化，并采用与试验程序相同间隔的时间对所有测点进行读数，以此修正加载试验时各测点的测量数据。

在试验过程中可采用连续观测读数、分段计算每个荷载阶段读数增量的方法，（假设加载短时间内结构温度场近乎不变）。

此法也使用于持续时间较长的施工观测。

布置适量的温度测点（如热敏电阻或热电偶等），在每次观测其它测点的同时，测量结构温度场的变化，通过结构温度位移和温度应力场的计算，把测量数据中的温度影响成分分离出来。

埋设与测点相同的以传感器制备的无应力试件。

在加载试验中，每次观测应力测点的同时，观测无应力计的变化，以此修正其它测量数据。

此法只能补偿结构均匀变化和均匀收缩的影响。

测量仪器的精度，静态测定时应选用不大于预计测量值的5%，动态测定时应选用不大于预计量测最大值的10%。

测量的基准点，如仪表架、水准观测站及标尺等，必须牢固可靠；连同测量仪器，均应予以防护，避免日照、风雨、振动和周围干扰。

B、静力荷载试验

静力荷载试验的效率

最大试验荷载量按条确定。

静力试验荷载效率表示为：

上式中：

—试验荷载作用下，检测部位变位或力的计算值；

S—设计标准活荷载作用下，检测部位变位或力的计算值（不计动力系数）；

δ—设计取用的动力系数。

鉴于活载内力（或变形）在总内力（或变形）中的比值大跨径混凝土桥比中小跨径混凝土桥为小，为达到测试精度，其η值的下限宜高于中小跨径。

基本荷载试验：

重荷载试验：

（只在特殊情况下进行重荷载试验，其上限值根据检验要求确定）

轻荷载试验：

静力荷载试验的加载设备

静力试验荷载可由一系列正常行驶的车辆荷载组成。

当试验所用的车辆规格不符合设计标准车辆荷载图式时，可根据桥梁设计控制截面的内力影响线，换算为等代的试验车辆荷载（包括动力系数和人群荷载的影响）。

静力试验荷载也可用放置重物、水箱和施工机械等加载装置替代车辆荷载，但应严格避免加载系统参与结构作用。

测定结构影响线和影响面时，可采用移动方便的轻型集中荷载设备；如果桥下具备设置平衡重或锚杆的条件，可用液压千斤顶加载。

静力荷载试验的布置

按结构计算或检测的控制截面的最不利工作条件布置荷载，使控制截面达到最大试验效率。

静力荷载的分级

为了获得结构试验荷载与变位关系的连续曲线和防止结构意外损坏，试验荷载至少划分为4级，逐级施加，直到最大值。

基本荷载（等于或接近设计荷载）一般分为4级。

超过基本荷载部分，其每级加载量比基本荷载的每级加载量减小一半。

每次卸载量可为加载量的二倍，或全部荷载一次卸完。

采用车辆荷载试验时，试验荷载可分为：

空车、计算初级荷载的倍、设计车辆静载和设计车辆静载乘以动力系数。

静力试验的加载方式

根据加载设备条件，可采用下列两种方式：

（1）单次逐级递加到最大荷载，然后逐级递卸到零级荷载。

此种方法适合于加载装置不便移动，需要用辅助加载设备在原位加载的场合。

当然车辆荷载也可以采用此法。

（2）每次加载后均卸载到零级荷载，且每次加载量逐级增加，直到最大荷载，即为逐级递增的循环加载方法。

此法宜用于车辆荷载，但要求每次加载时，荷载必须准确就位，卸载时车辆退出结构试验影响区，车速不大于5公里/小时。

静力荷载的持续时间

每次加载或卸载的持续时间取决于结构变位达到稳定标准所需要的时间。

要求在前一荷载阶段内结构变位相对稳定后，才能进入下一个荷载阶段。

同一级荷载内，结构在最后5分钟内的变位增量小于前一个5分钟内变位增量的15%，或小于所用测量仪器的最小分辨值，则认为结构变位达到相对稳定。

静力试验的读数

全部测点在加载开始前均进行零级荷载的读数。

以后每次加载或卸载后立即读数一次；并在结构变位稳定后进入下一级荷载前再读数一次。

只有结构变位最大的测点，需每隔5分钟读数一次，以观测结构变位是否达到稳定。

静力试验的终止条件

结构控制截面的变位、应力（或应变）和裂缝的扩展，如果在未加到预计的最大试验荷载前，提前达到或超过设计标准的容许值，应立即停止继续加载。

静力试验的观测内容

检验桥梁承载能力的静力荷载试验，至少观测以下内容：

（1）结构的最大挠度和扭转变位（包括上、下游两侧挠度差及水平位移）。

（2）结构控制截面最大应力（或应变），包括混凝土表面和最外缘主筋的应力。

（3）活动支座和结构连结部分的变位。

（4）受试验荷载影响的所有支点的沉降、墩台的位移与转角。

（5）桁架结构支点附近杆件及其它细长受压杆件的稳定性。

（6）裂缝的出现和扩展，包括初始裂缝的出现，裂缝的宽度、长度、间距、位置、方向和性状，以及卸载后的闭合状况。

3．16．2如果荷载试验具有检验结构真实工作状况的目的，可增加以下点测内容：

（1）沿桥长轴线的挠度分布曲线。

要求在每个桥跨内布置不少于3个挠度观测点，并设支点下沉的观测点。

（2）结构构件的实际应变分布图形。

要求沿截面高度布置不少于5个应变测点（包括最边缘和截面突变处的测点在内）。

为量测混凝土内部应变和钢筋应变，需在施工中预埋相应的传感器。

（3）支点附近结构斜截面的主拉应力。

（4）梁的横隔板本身及其影响区的应力。

（5）检测控制截面的挠度和应力（或应变）的纵身和横向影响线。

（6）行车道板跨中和支点截面的挠度或应变影响面。

3．17几种主要桥梁体系的观测部位

3．17．1梁桥

（1）简支梁

主要：

跨中挠度和截面应力（或应变），支点沉降。

附加：

跨径四点的挠度、支点斜截面应力。

（2）连续梁

主要：

跨中挠度，跨中和支点截面应力（或应变），支点截面转角和支点沉降。

附加：

跨径

处的挠度和截面应力（或应变），支点斜截面应力。

（3）悬臂梁（包括T型刚构的悬臂部分）

主要：

悬臂端的挠度，固端根部或支点截面的应力和转角，墩顶的变位（水平与垂直位移、转角），T型刚构墩身控制截面的应力。

附加：

悬臂跨中挠度，牛腿部分局部应力。

拱桥

主要：

跨中、跨径

和

截面的挠度和应力，拱脚截面的应力，墩台顶的变位和转角。

附加：

跨径

截面的挠度和应力、拱上建筑控制截面的变位和应力。

刚架桥（包括框架、斜腿刚架和刚架—拱式组合体系）

主要：

跨中截面的挠度和应力，结点附近截面的应力、变位和转角，墩台顶的变位和转角。

附加：

柱脚截面的应力、变位和转角。

悬索结构（包括斜拉桥和上承式悬索吊桥）

主要：

刚性梁的最大挠度、偏载扭转变位和控制截面应力、索塔顶部的水平位移和挠度变位，塔柱底截面应力，钢索拉力，锚碇的上拔位移。

附加：

钢索与梁联结部位的挠度。

上述各种桥梁体系的主要部位是检验桥梁承载能力试验时必须观测的部位。

静力试验的资料整理

（1）根据量测数据，计算各测点的弹性变形值（

）、残余变形值（

）和总的变形值（

）。

计算中必须扣除由于墩台支点变位和温度变化引起的数值。

得到

（2）各测点的变位（或应变）与荷载的关系曲线。

（3）各级荷载下裂缝的扩展与分布图。

（4）各荷载阶段弹性变位（或应变）曲线。

（5）各荷载阶段构件截面弹性应力（或应变）图。

（6）检测截面的变位（或应变）随荷载位置变化的影响线或影响面。

以上

（1）、

（2）、（3）项资料是评价桥梁结构承载能力的基本资料、其余是验证结构真实工作性能的补充试验资料。

静力试验结果的评定标准

评定试验结果所采用的计算理论值，系按试验前查明结构实际尺寸、材料性能和静力条件等计算的理论值。

量测结构试验效率最大部位的结果满足余下全部条件，可认为桥梁是满意的。

（1）量测的弹性变形或力值（Se）与试验荷载作用下和理论计算值（

）的比值：

式中α、β值可参考下表所列值：

当

时，需要查明结构弹性工作效率偏低的原因，重新检查的尺寸、材料性能、静力计算图式、试验荷载效率、荷载称重和量测仪器的正常工作等，排除原因后再试验一次，以保证试验结果的可靠性。

α1、α、β值表

承重结构

β

η≤

η=

η=

η=

η≥

预应力混凝土与组合结构

钢筋混凝土与圬工结构

*η为中间数值时，α值可直线内插。

（2）量测的残余变形值（

）与量测的总变形值（

）的比值：

第一次试验要求：

上式及下列各式中的α1值可参考上表所列值。

若试验结果不满足，且为

则需要进行第二次重复试验。

第二次试验要求：

若试验结果仍不满足，即

，则需要进行第三次重复试验。

第三次试验要求：

如果第三次试验结果满足上述要求，为了最后确定结构的可靠性，还必须进行动力荷载试验。

如果试验中采用逐级递增的循环加载方式（见条），上表所列α1值应乘以倍。

（3）裂缝是评定混凝土结构承载能力及其耐久性的主要标志之一，主要评定受力裂缝的出现和扩展的状态。

试验荷载作用下裂缝宽度不应超过设计标准的许可值，并且卸载后应闭合到小于容许值的

。

原有的其它裂缝（施工的、收缩的和温度裂缝），受载后也不应超过标准容许宽度。

结构出现第一条裂缝的试验荷载大于理论计算初裂荷载的90%。

（4）量测结构的最大变形或力的总值（

）不应超过设计标准的容许值。

静力荷载试验结果不满足上述任何一项条件，则认为桥梁结构不符合要求。

必须查明原因，并采取适当的措施（如减低通行载重量或进行必要的加固等，必要时规定进行定期检测和长期观测）。

C、动力荷载试验

动力荷载试验的目的

动力荷载试验的目的在于研究公路桥梁的动力性能，该性能是判断桥梁营运状况和承载能力的重要指标之一。

比如，动力系数是确定车轴荷载对桥梁动力作用的重要技术参数，直接影响到桥梁设计安全与经济性能。

桥梁过大的振动或从心理学来说人们很敏感的振动，可引起乘客和行人的不舒适。

桥梁自振频率处于某些范围时，可由外荷载（包括行驶车辆、行人、地震、风载、海浪冲击等）引起共振的危险。

动力试验的项目

测定桥梁结构在动力荷载作用下的受迫振动特性，如动力系数、频率、振幅、加速度和振型等。

测定桥梁结构的自振特性，如结构的自振频率和阻尼特性等。

应在结构相互连结的各部位布置测点，例如悬臂梁与挂梁、上部结构与下部结构、行车道梁与塔索等的相互连接处。

测定动荷载本身的动力特征，如动力荷载（包括车辆制动力、振动力、起振机出力、释放或撞击力等）的大小、频率及作用规律。

动力荷载大小可通过安装在动力荷载设备底架连结部分的荷重传感器直接量测记录，或以测定荷载运行的加速度（或减速度）与质量的乘积来确定。

疲劳性能试验：

一般只在实验室对桥梁构件进行疲劳试验。

在现场，只对准备拆除的桥梁进行疲劳试验，但对现有桥梁进行营运车辆荷载作用下的疲劳性能进行长期观测。

动力试验荷载的分类

检验桥梁受迫振动特性

（1）通常采用接近运营条件的汽车，列车或单辆重车以不同车速通过桥梁，要求每次试验时车辆在桥上的行驶速度保持不变；或在桥梁动力效应最大的检测位置进行刹车（或起动）试验。

（2）进行特殊科学实验项目的桥梁进行模拟船舶撞击桥墩、汽车撞击防护构造和弹药爆炸等冲击荷载试验。

（3）桥梁在风力、流冰撞击和地震力等动力荷载作用下的动力性能试验，只宜在专门的长期观测中实现。

测定桥梁自振特性的激振荷载

（1）在预定急振位置，汽车后轮越过一根高5～10厘米的有坡面的横木，车轮落下后立即停车。

（2）车辆通过桥梁后的余振。

（3）撞击或冲击荷载（如落锤、火箭发射器等）。

（4）突然卸载（如释放）。

（5）运转频率可调节的起振机（可测定不同振型的频率）。

（6）对于频率低、柔性大的桥梁可用有节奏行进的人群作为荷载。

疲劳试验荷载室内试验可采用液压脉冲装置，现场试验可采用起振机。

动力试验荷载的布置

检验桥梁动力系数的试验，汽车荷载按结构计算横向最不利条件运行，其他模拟动力荷载按研究课题的要求布置。

测定桥梁自振特性的激振荷载，通常布置在结构变位最敏感的部位，即集中荷载作用下结构变位最大的位置。

动力试验记录的资料

（1）记录桥梁垂直向、水平和扭转振动位移、应力（或应变），速度和加速度的时程波形曲线。

（2）每次试验记录的波形曲线必须同时记录对应的动力试验荷载参数（重量、速度、加速度或减速度、振动频率等），车辆进桥和出桥的标记，记录仪器的参数（记录带的速度、时标、衰减比例尺、仪器率定系数、零振幅基线等）。

3．25动力试验资料的整理

3．25．1桥梁受迫振动特性的资料，包括：

（1）动力试验荷载效率

式中：

—动力试验荷载（按静力重量考虑）作用下检测部位的变形或力的计算数值；

S—意义同条。

（2）动力系数

式中：

——动力荷载引起检测部位的实测最大动力变形或力值（即最大波峰值）；

——静力荷载引起同一检测部位的实测最大静力变形或力值

；

——与

相应的最小值，即同一周期的波谷值。

（3）结构受迫振动频率、振幅与加速度。

加速度可用仪器直接测出，也可按公式

（

）求得，

式中f——受迫振动频率（

），

A——振幅（厘米）

（4）振型。

可将结构分成若干段，在各分界点安放测振仪器，在同一瞬间求出各测点的振幅和相位差，即可绘出振型。

（5）动力系数与车速的关系曲线。

（6）动力系数与受迫振动频率的关系曲线。

（7）车速与受迫振动频率的关系曲线。

（8）卸载后（车辆出桥后）的结构自振频率。

3．25．2桥梁自振特性的资料，包括：

（1）结构自振频率

（或周期

）。

当激振荷载对结构振动具有附加质量影响（如用汽车或落锤激振）时，应采用下列近似公式求得振周期：

式中：

—自振周期，

；

—有附加质量影响的实测周期；

，f为有附加质量影响的实测频率；

—结构在激振处的换算质量；

—附加质量。

结构的换算质量可用两个不同重量的突加荷载依次源程序振，分别测定自振周期性为

和

；其附加质量分别为

和

，可用上列关系式求得换算质量

：

（2）结构的阻尼特性

平均衰减系数

：

式中：

m——波数；

——m个波所需的时间；

T——阻尼振动的周期。

和