一种分级消能自复位装配式墩柱的制作方法

1.本发明涉及结构工程技术领域，尤其涉及一种分级消能自复位装配式墩柱。


背景技术：

2.目前，虽然关于装配式墩柱构造已经有了很多成果，这些墩柱结构通过阻尼器消耗地震能量且通过预应力钢筋提供弹性恢复力。但是单一的阻尼器耗能机制效果不明显，在墩柱遭遇不同类型、不同级别的灾害时无法实现分级消能，在大震或超大震作用下无法更换结构损伤构件来快速修复。
3.因此，亟需一种可实现分级消能和快速修复的分级消能自复位装配式墩柱结构。


技术实现要素：

4.本发明提供一种分级消能自复位装配式墩柱，当墩柱结构遭遇不同类型、不同级别的灾害时，可根据结构变形状态提供分级消能，且具有震后可快速装卸修复的特点，实现高性能装配。
5.本发明提供一种分级消能自复位装配式墩柱，包括：柱体，所述柱体的底端设有球形部；底座，所述底座设有容纳所述球形部的弧槽，所述弧槽与所述球形部之间设有第一摩擦垫件；消能机构，分别对称设置于所述柱体的两侧，所述消能机构包括第一连接板、第二连接板、盖板、第一紧固件和第二紧固件，所述第一连接板的上部通过第一连接构件与所述柱体的外壁相连，所述第二连接板间隙设置于所述第一连接板的正下方，且所述第二连接板的下部固定于所述底座上，所述第一连接板的下部和所述第二连接板的上部夹设于两块所述盖板之间，所述盖板与所述第一连接板之间设有第二摩擦垫件，所述第二摩擦垫件延伸至所述盖板与所述第二连接板之间，且所述盖板上设有若干竖向分布的第一长槽孔和第二长槽孔，所述第一紧固件经所述第一长槽孔贯穿所述第二摩擦垫件及所述第一连接板紧固连接，所述第二紧固件经所述第二长槽孔贯穿所述第二摩擦垫件及所述第二连接板紧固连接。
6.根据本发明提供的一种分级消能自复位装配式墩柱，所述柱体包括可拆卸连接的上节段柱体和下节段柱体。
7.根据本发明提供的一种分级消能自复位装配式墩柱，所述上节段柱体通过第二连接构件与所述下节段柱体相连，所述第二连接构件包括第一预埋件、第二预埋件和第三紧固件，所述第一预埋件预埋于所述上节段柱体的底部且外延至所述上节段柱体的外部，构造出第一连接部，所述第二预埋件预埋于所述下节段柱体的顶部且外延至所述下节段柱体的外部，构造出第二连接部，所述第三紧固件贯穿所述第一连接部和所述第二连接部紧固连接。
8.根据本发明提供的一种分级消能自复位装配式墩柱，还包括自复位机构，所述自复位机构包括：无粘结预应力筋、第一锚具和第二锚具，所述无粘结预应力筋竖向设置于所述下节段柱体的中心孔道内，且所述无粘结预应力筋的上端通过所述第一锚具与所述第二
预埋件相连，所述无粘结预应力筋的下端通过所述第二锚具连接于所述底座的底部。
9.根据本发明提供的一种分级消能自复位装配式墩柱，所述上节段柱体的底部设有用于容纳所述第一锚具的第一容纳腔，且所述第一预埋件设有用于所述第一锚具安装的安装孔，所述底座的底部设有用于容纳所述第二锚具的第二容纳腔。
10.根据本发明提供的一种分级消能自复位装配式墩柱，所述第一连接构件包括第三预埋件、第三连接板和连接件，所述第三预埋件预埋于所述下节段柱体的内壁上且外延至所述下节段柱体的外部，构造出若干第三连接部，所述第三连接部通过第四紧固件与所述第三连接板的第一端相连，所述第三连接板的第二端经所述连接件与所述第一连接板的上部相连。
11.根据本发明提供的一种分级消能自复位装配式墩柱，还包括承台，所述底座通过第三连接构件连接于所述承台上，所述第三连接构件包括第四预埋件，所述第四预埋件预埋于所述承台内，所述第四预埋件连接有若干第五紧固件，所述第五紧固件延伸至所述承台的上方与所述底座相连。
12.根据本发明提供的一种分级消能自复位装配式墩柱，所述承台的中部设有凹槽，所述底座设置于所述凹槽内，所述底座的顶部设有外缘部，所述外缘部搭设于所述承台上且通过所述第五紧固件相连。
13.根据本发明提供的一种分级消能自复位装配式墩柱，所述第二连接板的下部通过若干第六紧固件固定于连接耳座内，所述连接耳座通过所述第五紧固件固定于所述底座上。
14.根据本发明提供的一种分级消能自复位装配式墩柱，所述连接耳座的两侧分别设有若干加劲肋，且所述加劲肋位于相邻两个所述第六紧固件之间。
15.本发明提供的一种分级消能自复位装配式墩柱，通过设置第一摩擦垫件和消能机构，当墩柱结构遭遇不同类型、不同级别的灾害时，可根据结构变形状态提供分级消能，且具有震后可快速装卸修复的特点，实现高性能装配。
16.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明提供的分级消能自复位装配式墩柱的整体结构示意图；
19.图2是图1的a-a面剖视图；
20.图3是图1的b-b面剖视图；
21.图4是图3的c-c面剖视图；
22.图5是图1的d-d面剖视图；
23.图6是本发明提供的消能机构的结构示意图；
24.图7是本发明提供的消能机构的侧视图；
25.附图标记：
26.1、上节段柱体；101、第一容纳腔；2、下节段柱体；201、球形部；3、底座；301、第二容纳腔；302、外缘部；4、第一摩擦垫件；5、消能机构；501、第一连接板；502、第二连接板；503、盖板；504、第一紧固件；505、第二紧固件；506、第二摩擦垫件；507、第一长槽孔；508、第二长槽孔；6、第一连接构件；601、第三预埋件；602、第三连接板；603、连接件；604、第三连接部；605、第四紧固件；606、第一抗剪螺栓；7、第二连接构件；701、第一预埋件；702、第二预埋件；703、第三紧固件；704、第一连接部；705、第二连接部；706、第二抗剪螺栓；801、无粘结预应力筋；802、第一锚具；803、第二锚具；804、中心孔道；9、承台；10、第三连接构件；1001、第四预埋件；1002、第五紧固件；1003、第三抗剪螺栓；11、第六紧固件；12、连接耳座；13、加劲肋。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
30.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
31.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
32.根据本发明的实施例，参照图1、图4和图5所示，本发明提供的分级消能自复位装
配式墩柱主要包括：柱体、底座3和消能机构5。其中，柱体的底端设有球形部201；底座3设有容纳球形部201的弧槽，弧槽与球形部201的弧度相匹配，以使球形部201可以完全嵌入弧槽内，且弧槽与球形部201之间设有第一摩擦垫件4。应当理解的是，当在地震作用下，球形部201与弧槽可以发生相对转动，并且通过在两者间填充第一摩擦垫件4，这样可以放松两者接触面之间的约束，产生小的滑移与转动，相比传统的墩柱结构，本发明通过该设置减小了应力集中的现象，保护了两者的接触面。第一摩擦垫件4的具体类型不做特别限制，在本示例中，第一摩擦垫件4为橡胶垫件。
33.参照图1、图6和图7所示，消能机构5分别对称设置于柱体的左右两侧，每个消能机构5包括第一连接板501、第二连接板502、盖板503、第一紧固件504和第二紧固件505。其中，第一连接板501的上部通过第一连接构件6与柱体的下部外壁相连，第二连接板502具有间隙地设置于第一连接板501的正下方，具体的，第二连接板502与第一连接板501在竖直方向上齐平设置，便于安装左右两侧盖板503，且第二连接板502的下部固定于底座3上。
34.并且，第一连接板501的下部和第二连接板502的上部夹设于两块盖板503之间，每侧盖板503与第一连接板501之间分别设有第二摩擦垫件506，第二摩擦垫件506延伸至盖板503与第二连接板502之间。也可以理解为：本发明设有两个第二摩擦垫件506，两个第二摩擦垫件506分别设置于两块盖板503的内侧，且每侧第二摩擦垫件506的上部位于盖板503与第一连接板501之间，第二摩擦垫件506的下部位于盖板503与第二连接板502之间。
35.盖板503上设有若干竖向分布的第一长槽孔507和第二长槽孔508，以使耗能更充分；第一长槽孔507位于盖板503的上部，每个第一长槽孔507内设有第一紧固件504，第一紧固件504经第一长槽孔507贯穿第二摩擦垫件506的上部及第一连接板501的下部进行连接，实现两块盖板503与第一连接板501的紧固；第二长槽孔508位于盖板503的下部，每个第二长槽孔508内设有第二紧固件505，第二紧固件505经第二长槽孔508贯穿第二摩擦垫件506的下部及第二连接板502的上部进行连接，实现两块盖板503与第二连接板502的紧固。
36.第一连接板501、第二连接板502和盖板503均采用钢材，第一紧固件504和第二紧固件505的具体数量、类型和设置方式可根据具体工况进行调整，只要可以起到紧固的作用即可。在本示例中，第一紧固件504和第二紧固件505分别为一排三列设置，第一长槽孔507和第二长槽孔508相应设置，且第一紧固件504和第二紧固件505为紧固螺栓，第一长槽孔507和第二长槽孔508的长度略大于紧固螺栓的宽度。
37.进一步的，第一连接板501的下端边缘和第二连接板502的上端边缘分别设有倒角，以减小在设防烈度地震作用过程中两者的接触面积，便于转动，提高消能效果。
38.本发明实施例通过设置第一摩擦垫件4和消能机构5，当墩柱结构遭遇不同类型、不同级别的灾害时，可根据结构变形状态提供分级消耗不同等级的地震能量，且具有震后可快速装卸修复的特点，实现高性能装配。
39.根据本发明的实施例，柱体包括可拆卸连接的上节段柱体1和下节段柱体2，本发明将墩柱分为上下两个部分，便于震后更换部分柱体，无需整体更换，节约成本且快速修复。本发明墩柱柱体的上节段柱体1和下节段柱体2均采用钢筋混凝土工厂预制而成，且本发明实施例采用方形墩柱，但需要明白本发明也可用于其他不同形状的墩柱结构。
40.在一个实施例中，如图1、图2和图4所示，上节段柱体1通过第二连接构件7与下节段柱体2可拆卸连接，第二连接构件7主要包括第一预埋件701、第二预埋件702和第三紧固
件703。其中，第一预埋件701预埋于上节段柱体1的底部且外延至上节段柱体1的外部，构造出第一连接部704，第二预埋件702预埋于下节段柱体2的顶部且外延至下节段柱体2的外部，构造出第二连接部705，第三紧固件703贯穿第一连接部704和第二连接部705紧固连接，从而实现上节段柱体1和下节段柱体2的装配。具体的，第一预埋件701和第二预埋件702均采用钢板，第三紧固件703为高强螺栓，高强螺栓以2
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3的排列方式分别布置于第一连接部704和第二连接部705的四周，以提高紧固性；并且第一预埋件701和第二预埋件702上分别预埋若干第二抗剪螺栓706，第二抗剪螺栓706以3
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3的排列方式布置于第一预埋件701和第二预埋件702的四周，以分别增强第一预埋件701与上节段柱体1及第二预埋件702与下节段柱体2的紧固性。此外，在墩柱上节段柱体1和下节段柱体2内按照具体工况的受力要求，根据配筋率配以一定数量的纵筋和箍筋，以提高墩柱整体强度。
41.根据本发明的实施例，如图4所示，本发明分级消能自复位装配式墩柱还包括自复位机构，主要包括：无粘结预应力筋801、第一锚具802和第二锚具803。其中，无粘结预应力筋801竖向设置于下节段柱体2的中心孔道804内，且无粘结预应力筋801的上端通过第一锚具802与第二预埋件702相连，无粘结预应力筋801的下端通过第二锚具803连接于底座3的底部。本发明可以通过无粘结预应力筋801在地震时提供一个弹性恢复力，减少地震对结构的破坏。相较于目前传统大多数装配式墩柱构造采用较长的无粘结预应力筋且大都是锚固在墩柱顶端到承台底部之间，强震过后只能将墩柱整体更换，无粘结预应力筋装卸繁琐，造成巨大的修复成本。本发明通过将无粘结预应力筋801连接至下节段柱体2上且设置在中心孔道804内，即在柱体下部地震作用集中的部位加入无粘结预应力筋801，使自复位更容易，并且震后只需更换部分柱体，同时缩短了无粘结预应力筋801的长度，可快速更换无粘结预应力筋801。因此，本发明通过该设置节约了材料和成本且便于装卸。
42.并且，上节段柱体1的底部设有用于容纳第一锚具802的第一容纳腔101，且第一预埋件701设有用于第一锚具802安装的安装孔，底座3的底部设有用于容纳第二锚具803的第二容纳腔301，通过上述结构设置，可以便于第一锚具802和第二锚具803的装配。
43.根据本发明的实施例，参照图1、图3-图7所示，位于墩柱左右两侧的第一连接构件6主要包括第三预埋件601、第三连接板602和连接件603。其中，第三预埋件601预埋于下节段柱体2的内壁上且外延至下节段柱体2的外部，构造出若干第三连接部604，左右两侧的第三连接部604分别为两对连接耳板，第三连接板602呈横向设置，每对连接耳板内伸入第三连接板602的第一端并通过第四紧固件605连接，第三连接板602的第二端经连接件603与消能机构5的第一连接板501的上部相连。具体的，第三预埋件601和第三连接板602采用钢板，连接件603采用角钢，第三连接板602与消能机构5的第一连接板501采用直角角钢相连，并且同侧相邻两块第三连接板602采用凹形角钢连接，以提高第三连接板602的连接稳定性。此外，第三预埋件601内嵌于下节段柱体2的一面上设有4
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6排列的第一抗剪螺栓606，以提高第三预埋件601与下节段柱体2的紧固性。本发明通过第一连接构件6向消能机构5传输地震能量。
44.根据本发明的实施例，如图1和图4所示，本发明分级消能自复位装配式墩柱还包括承台9，底座3通过第三连接构件10连接于承台9上，第三连接构件10左右分布于消能机构5的下方，第三连接构件10包括第四预埋件1001，第四预埋件1001预埋于承台9内的上方位置，且第四预埋件1001的顶部连接有若干第五紧固件1002，第五紧固件1002延伸至承台9的
上方与底座3连接，第四预埋件1001的底部预埋若干第三抗剪螺栓1003，以增强第四预埋件1001与承台9的紧固性。在本示例中，第四预埋件1001采用钢板，第五紧固件1002为紧固螺栓。
45.具体的，承台9的中部设有凹槽，底座3设置于凹槽内，底座3的顶部设有外缘部302，外缘部302搭设于承台9上，第五紧固件1002贯穿外缘部302通过螺母紧固。
46.根据本发明的实施例，如图6和图7所示，第二连接板502的下部设置于连接耳座12内，连接耳座12的左右两侧设有若干第六紧固件11，第六紧固件11为紧固螺栓，用于将第二连接板502固定于连接耳座12内，且第五紧固件1002贯穿底座3的外缘部302及连接耳座12的底部，通过螺母将连接耳座12固定于底座3上。
47.并且，连接耳座12的两侧分别设有若干加劲肋13，且加劲肋13位于相邻两个第六紧固件11之间，将第六紧固件11隔开，以提高连接耳座12的稳定性和抗扭性能。
48.基于上述实施例，本发明墩柱结构的施工方式主要包括以下方面。
49.(1)承台9采用现浇的施工方式，但要注意在现浇快要成型时按照一定的尺寸要求预埋好第三连接构件10，使用模具保证底座3的放置位置，保证第四预埋件1001在成型时不产生偏位，第五紧固件1002和底座3顺利拼接。
50.(2)底座3采用工厂预制，底座3的弧槽根据设计尺寸预制，使其和下节段柱体2底端的球形部201在拼接时接触良好，在底座3的底部按照第二锚具803尺寸预留内凹的第二容纳腔301放置第二锚具803，并在底座3的外缘部302上按照第五紧固件1002的位置和数量预制相应的孔洞，此外，在底座3上设置连接耳座12。
51.(3)上节段柱体1采用工厂预制，在预制时需要在上节段柱体1的底部连接处安置好第一预埋件701，还要按照第一锚具802尺寸，在第一预埋件701的中部留有安装孔以放置第一锚具802，并且在上节段柱体1的底部按照第一锚具802尺寸预留内凹的第一容纳腔101放置第一锚具802，使得施工现场拼装顺利进行。
52.(4)下节段柱体2采用工厂预制，并预留安装无粘结预应力筋801的中心孔道804，且在预定的位置埋置好第一连接构件6，同时在第一预埋件701相对的位置设置第二预埋件702，另外根据设计尺寸将下节段柱体2的底端通过半球状模具浇筑成球形部201，并在制作拼装的过程中保证球形部201、第一摩擦垫件4、底座3和承台9相互之间接触良好；同时保证本发明装配构件的连接均为螺栓干式连接，无需湿式连接作业，装卸方便快捷。
53.因此，本发明将整个分级消能自复位装配式墩柱从上而下分成了四段，这样可以在工厂提前预制，到达施工现场可以快速进行装配组装，当遇到罕遇地震时，出现震损构件时可以及时更换，快速恢复结构的消能承载功能，解决了维修困难且工程量大的难题。
54.下面继续对本发明分级消能自复位装配式墩柱的分级消能自复位工作原理进行描述，本发明的分级消能自复位装配式墩柱在遭遇不同类型、不同级别的灾害时，可根据结构变形状态提供多级刚度、承载力和变形能力。具体而言，本发明的分级消能自复位装配式墩柱结构会依次进入以下四个工作阶段，达到分级消能。
55.(1)弹性阶段
56.车辆正常行驶过程或风荷载作用下，底座3与下节段柱体2要发生相对转角位移产生的弯矩小于由第一摩擦垫件4的最大静摩擦力、无粘结预应力筋801的自身刚度、第二摩擦垫件506的最大静摩擦力和第一紧固件504及第二紧固件505的最大静摩擦力四者共同提
供的抵抗弯矩，下节段柱体2与底座3之间不会发生相对转动，各部件构件都处于弹性无损伤阶段，构造刚度和承载力由无粘结预应力筋801、第一摩擦垫件4和第二摩擦垫件506三者共同提供。
57.(2)摩擦耗能阶段
58.多遇地震作用下，底座3与下节段柱体2发生相对转角位移产生的弯矩达到第一摩擦垫件4的滑动摩擦力、无粘结预应力筋801的自身刚度、第二摩擦垫件506的滑动摩擦力和第一紧固件504与第二紧固件505上下滑动的滑动摩擦力四者共同提供的抵抗弯矩，下节段柱体2相对底座3开始转动，消能机构5中第一连接板501与盖板503开始相对地上下剪切运动，期间通过第一摩擦垫件4的摩擦、第一紧固件504及第二紧固件505在长槽孔上下的摩擦、第二摩擦垫件506与第一连接板501、第二连接板502和盖板503的滑动摩擦共同消耗地震能量，同时自复位机构中无粘结预应力筋801提供弹性恢复力减轻结构地震响应，构造承载力由第一摩擦垫件4、第二摩擦垫件506、第一紧固件504及第二紧固件505的滑动摩擦力、无粘结预应力筋801的弹性恢复力共同提供。
59.可以理解的的是，本发明上述弹性阶段和摩擦耗能阶段，所有部件均处于弹性无损伤状态。
60.(3)屈服耗能阶段
61.设防烈度地震作用下，底座3与下节段柱体2要发生相对转角进一步增大，消能机构5的第一连接板501向下移动与第二连接板502抵触在一起，且第一连接板501在横向压力作用下出现钢材屈服现象，第一连接板501屈服使得转向一侧的盖板503进入限位状态，可控制结构在大震作用下的响应。消能机构5的刚度由盖板503的横向刚度提供，构造的消能能力由第一摩擦垫件4、第二摩擦垫件506与第一连接板501、第二连接板502和盖板503共同提供，同时自复位机构中无粘结预应力筋801提供弹性恢复力减轻结构地震响应，构造的承载力由第一摩擦垫件4、第一连接板501及第二摩擦垫件506、盖板503和无粘结预应力筋801五者共同提供。该阶段下，除第一连接板501、第二连接板502外，其余部件仍处于弹性无损伤状态，在地震后可通过更换第一连接板501、第二连接板502实现结构的快速修复。
62.(4)滞回耗能阶段
63.罕遇地震作用下，底座3与下节段柱体2要发生相对转角进一步增大，第一连接板501屈服使得转向的一侧盖板503在横向压力作用下也出现钢材屈服现象，消能机构5的刚度下降，由盖板503屈服后的横向刚度提供。由于盖板503屈服后具有优良的滞回耗能特征，构造耗能能力由第一摩擦垫件4、第一连接板501和第二连接板502、第二摩擦垫件506和盖板503共同提供，同时自复位机构中无粘结预应力筋801提供弹性恢复力减轻结构地震响应，承载力由第一摩擦垫件4、第一连接板501和第二连接板502、第二摩擦垫件506、盖板503和无粘结预应力筋801六者共同提供。在该阶段下，除第一连接板501、第二连接板502和盖板503外，其余部件仍处于弹性无损伤状态，在地震后可通过更换第一连接板501、第二连接板502和盖板503实现结构的快速修复。
64.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。