大跨度桥梁抗震设计实用方法

第

卷第年

期月

土

木

工

程

学

报人

大跨度桥梁抗震设计实用方法叶爱君摘的基础上名

胡世德同济大学”

范立础,

要

本文是为了配合

“

城市桥梁抗震设计规范,

的制订而进行的。

目的在于给桥梁工程师们提供一个

能参照执行的大跨度桥梁抗震设计方法,。

以及可靠实用的辅助工具,

在总结学科组多年的研究成果和实践经验,

根据两水平的抗震设计方法和能力设计思想月略软件,

发展了大跨度桥梁抗震设计实用方法。。

并开发了相应,

的辅助工具软件

最后

,

介绍了一个大跨度桥梁抗震设计的实例实用方法延性

根据本文的抗震设计方法

并借助

桥梁工程师们即可自行进行大跨度桥梁的抗震设计大跨度桥梁抖仪拭十

关键词文章编号

抗震设计谈

减隔震

中图分类号

文献标识码

伪程师们提供一个能参照执行的大跨度桥梁抗震设计方

引

言

法和可靠实用的辅助工具

,

使他们能自行进行大跨度

桥梁的抗震设计随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展,

。

对交通线的依赖性越来越强,

,

而一旦地震使交通,

大跨度桥梁抗震设计实用方法“

线遭到破坏

可能导致的生命财产以及间接经济损失。

也将会越来越巨大

近二十余年来

全球发生了多次】,

小震不坏中震可修大震不倒的分类设防抗震,,,

”

破坏极大的地震

,

如

州年美国震等,

川示

地震年美国助皿周地震以及年日本阪神大地。

设计思想已广为接受也已被有些规范采用美国应用技术委员会完成了一个科研项目,

。

年一

,

,

而且损失一次比一次惨重

几次大地震一再显,

查阅了世界各国的公路工程抗震设计规范并提出了’改进美国公路桥梁抗震设计规范的若干建议〔〕其中。,

示了桥梁工程遭到破坏的严重后果

也一再显示了对。

桥梁工程进行正确抗震设计的重要性交通运输的枢纽工程的影响,,

大跨度桥梁是,

最主要的建议是要采用两水平的抗震设计方法即,,

投资大

,

对国民经济有着重大

即要求结构在两个概率水平的。。,

因此,

,

进行正确有效的抗震设计。

确保其抗

地震作用下分别达到两个不同的性能标准现行的日

展

安全性具有更加重要的意义目前

本规范已采用这一方法可以预见两水平的抗震设计方法不久将会被各国的抗震设计规范所采用作者所在学科组在上海南浦大桥的抗震设计中首次在国内,

。

国内外现有的绝大多数桥梁工程抗震设计,

规范

,

只适用于中等跨径的普通桥梁,

如美国人铭的适用范

规范围为巧

和我国公路工程抗展设计规范日本困为,

提出了两水平的抗展设计方法之后又采用该方法对,

。

,

超过适用范围的大跨。

仓余座大桥以及城市高架桥立交桥进行了抗震设计

、

,

度桥梁的抗震设计桥梁相比地显,,,

则无规范可循。

与中等跨径普通,

积累了很多科研成果和实践经验另一方面,

。

大跨度桥梁的地展反应比较复杂、

相应

能力设计思想已越来越广泛地被国内。

抗震设计也比较复杂、

如高阶振型的影响比较明。

外专家学者所接受,

能力设计思想要求在一座桥梁内,

以及需要考虑多点激振和行波效应

非线性因素

桩土

一

一

结构相互作用等闭。,

各种复杂的因此大跨,

部建立合理的强度级配以保证地震破坏只发生在预定的部位而且是可控制的川具体来说要选择理。,

度桥梁的抗震设计目前还比较困难

国内大部分设计

想的塑性铰位置并进行仔细的配筋设计以保证其延性抗震能力坏验而不利的塑性铰位置或破坏机制。

单位对桥梁抗震缺乏研究劳,

只能请专业研究人员代,

脆性破

这是很不正常的

。

只有工程师们亲自参与抗震设

则要通过提供足够的强度加以避免,

计

,

才能将抗震设计融人桥梁设计的各个阶段。

达到

本文在总结学科组历年的研究成果和实践经并查阅大量国外资料的基础上,,,,

预期的抗震设计效果收稿日期以兀日刀

本文的研究目的

,

就是要给工

根据两水平的。

抗震设计方法

以及能力设计思想发展了大跨度桥梁抗震设计实用方法’其流程图见图本文认为

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大跨度桥梁抗震设计实用方法

土

木

工

程

学

报

年

大跨度桥梁抗震设计、

抗震概念设计

延性抗震设计

减

隔震设计

塑性铰区横向钢筋设计

抗震能力分析

初步概念设计建立简单

的计算模式动力特性分析地震反应估算改设案方计修

地震输入确定定设防标准确定地震危险性分析场地地震反应分析尸,

正常使用极限状态抗弯验算尸

可修复破坏极限状态

抗弯验算尸地震波输人采用名义强度

抗剪强度验算算尸地震波输人采用极限强度

地震波输人采用名义强度

非线性时程反应分山浏一、一盛 )八

非线性时程反应分

抗震薄弱部位分析确定

尸

概率地震波一组各

月工产沪、引碑

是

缪

想的抗震

参住

落确定设计用尸,

引结尸

地震波

魂在方改设计方案。

束

图

大跨度桥梁抗震设计方法

大跨度桥梁的抗震设计应分两个阶段进行

案设计阶段进行抗震概念设计震结构体系震设计,,

,

选择一个较理想的抗,

延性抗展设计

在初步或技术设计阶段进行延性抗必。

桥梁的延性抗震设计应分两个阶段进行于预期会出现塑性铰的部位进行仔细的配筋设计

对

并根据能力设计思想进行抗震能力验算

要时要进行减隔震设计提高结构的抗震能力

对整个桥梁结构进行抗震能力分析验算安全性。

,

确保其抗震。

抗展概念设计地震灾害告诉我们对结构抗震设计来说比“,

这两个阶段可以有反复、

,

直到通过抗震能力

“

概

验算

或者进行减

隔震设计以减小地震反应,

念设计

”

计算设计

”

塑性铰区横向钢筋设计

以杂性异能,

更为重要

。

由于地震动的不确定性和复

横向钢筋不仅约束混凝土且要保证纵向钢筋不压溃屈曲国规范相当不足,

保证截面的延性因此。,

,

而

再加上结构计算模型的假定与实际情况的差

。

塑性铰区的横,

使

“

计算设计,

”

很难有效地控制结构的抗震性“

向钢筋配置要同时满足这两个要求规范较一致,

在这一方面。

我

。

因而

不能完全依赖“,

计算”。

”。

结构抗震性能的,

可参考国外规范进行

如美国

决定因素是良好的案设计阶段定方案的取舍,

概念设计

因此

在桥梁的方,

和欧洲规范

对体积含箍率的规定比

不能仅仅根据功能要求和静力分析就决还应考虑桥梁的抗震性能。,

特别是欧洲规范对横向约束纲筋的配置有非。

尽可能选、

常详细的规定

择良好的抗震结构体系

桥梁结构抗

震能力验算特别要重视上,

在进行抗震概念设计时

下部结

桥梁结构抗震能力验算的任务是通过非线性时程

构连接部位的设计部位的设计,

,

桥墩形式的选取

过渡孔处连接。

分析以及正确的抗震验算的抗震安全性应,

,

确保整体结构与薄弱部位

以及塑性铰预期部位的选择,

。

因此

,

首先要确定抗震设防的两个水,

为了保证所选定的结构体系在桥址的场地条件下

准及对应的地震输人

再分别计算出结构的地震反,

确实是良好的抗震体系性分析和地震反应估算

须进行简单的分析,

动力特

并根据两个水准地震作用下结构的性能要求,

验

然后结合结构设计分析结。

算结构的抗弯强度及弯曲延性剪切强度,

还要特别验算结构的。

构的抗震薄弱部位

,

并进一步分析是否能通过配筋或最后,

确保不出现剪切脆性破坏

构造设计保证这些部位的抗震安全性析结果综合评判抗震结构体系的优劣

根据分

地震输人确定抗震设防标准

,

决定是否要修

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大跨度桥梁抗震设计实用方法

第拼卷

第

期

叶爱君等大跨度桥梁抗震设计实用方法

国内外各规范中基本烈度相当于

年基准期年。。

与此相对应的受压边缘混凝土极限压应变下式计算图￡、

。。

可采用

超越概率的地震烈度,

,

其重现期为,

在确

定大跨度桥梁的设防标准时既要将大跨度桥梁与普通建筑物区别对待又要兼顾经济性本文参考文献【取为

《

【」

,

建议大跨度桥梁的抗震设防标准年基准期,

几。

其中

,

。。

为钢筋达到最大拉应力时的应变。

是约

①遭遇概率水平为的地震时,

超越概率几小时后即超越概率,

束钢筋的体积含筋率力。二

是约束混凝土的峰值压应

要求桥梁震后只需简易整修,

方是约束箍筋的最大拉应力与

可正常使用

进行正常使用极限状态的抗震验算

对应的截面极限塑性转角定义为「〕,

②遭遇概率水平为或年基准期。

年基准期超越概率,

而桥梁结构在

地震波作用下发生的塑性转角定义,

的地震时

要求桥梁

为

。

如果

」则仍然满足要求、

,

,

否则

,

只能发生可修复的破坏

进行可修复破坏极限状态的

要修

改延性设计或进行减能力分析验算。

隔震设计

,

重新进行抗震

抗震验算

地震输人在进行大跨度桥梁的地震反应分析时通常要进,

抗剪强度验算根据能力设计思想,

在强震作用下,

,

为了依靠墩,

行地震危险性分析提供相应于两个设防水准,

尸

,

柱塑性铰的塑性变形能力耗散能量

必须保证在塑性这就要求对。

尸

的人工地震波考虑到土动力特性参数比较复杂,

。

,

铰区或结构的其它部位绝不出现剪切破坏

在地震危险性分析中所应用的一些主要参数均有一定区间因此地震危险性分析必须提供。,

墩柱的剪切强度要大于墩柱可能承受的最大剪力应于塑性铰处截面可能达到的最大弯曲强度

一,

组人工地震

波以供比较分析将所得的几组地震波分别作为地震输人对桥梁结构进行时程反应分析选取能激起结构,

为了求出墩柱可能承受的最大剪力水平为

,

在输入概率,

的地震波进行非线性地震反应分析时,

钢,

最大反应的那一组地震波作为结构的地震输人正常使用极限状态抗震验算

,

。

筋和混凝土的强度要采用极限强度度,

而不是名义强

。

钢筋和混凝土的极限强度可分别取寿

正常使用极限状态是桥梁在震后只需简易整修

几

二

欢

〕,

其中九关

,

,

,

分别为钢筋的屈服强度。

几小时后即可正常使用的临界状态在预期会出现塑性铰的部位量的塑性变形土不发生剥落,,

。

在中震作用下,

,

和混凝土的圆柱体标准强度

结构可以屈服,

产生小

墩柱可能承受的最大剪力定义为口墩柱的抗,

但要满足两个条件裂缝宽度较小。

保护层混凝经简易修复就可在进行抗震验算巧阁。。

剪强度则,

延性系数的函数,

定义为、

,

如口

,

则否

墩柱的抗剪强度满足要求要修改设计或进行减。

不会发生剪切破坏隔震设计,

,

正常使用

,

通常认为不超过

重新进行抗震

时

,

可以取截面受压边缘混凝土的最大压应变为,

能力分析验算

而受拉钢筋的最大拉应变为,

由此

,

桥梁减、、

、

隔及设计、、

可得到结构允许的塑性转角

定义为〔〕,

减隔震技术是简便经济先进的工程抗震手段可,,

。

而桥梁结构在尸地震波作用下的地

震反应以通过非线性地震反应分析程序获得,

减隔震体系通过增大结构主要振型的周期使其落在地震能量较少的范围内或增大结构的能量耗散能力来达到减小结构地震反应的目的、、

如结构已屈,

服

,

产生的塑性转角定义为,

。

如果

〔〕。

。

在进行抗震设计时,,

,

则仍然满足要求减、

否则

,

要修改延性设计或进而作

要根据结构特点和场地地震波的频率特性通过选用

隔展设计

,

重新进行抗震能力分析验算

合适的减隔震装置相应参数以及设置方案合理分配结构的受力和变形。

可修复破坏极限状态抗弯验算可修复破坏极限状态是桥梁在震后经过表面修

一方面应将重点放在提高吸,,,

收能量能力从而增大阻尼和分散地震力上不可过分追求加长周期,

复缝

,

仍然可以正常使用的临界状态发生保护层混凝土的严重剥落,,

。

在大震作用下。

,

。

另一方面应选用作用机构简单的减。,

、

允许桥梁结构发生显著破坏,

如产生较宽的弯曲裂

隔震体系并在其力学性能明确的范围内使用减结构过,,

但是

,

不允许,,

、

隔震设计的效果。

同样需要进行非线性地震、

发生横向约束钢筋的断裂

和纵向钢筋的压溃屈曲。

反应分析来验证

因此

,

对经过减,

隔震设计的桥梁。

核心混凝土要保持完整

不需置换

可以说

横向钢。

依然要进行抗震能力分析验算、

如果验算不通

筋开始发生断裂是桥梁墩柱可修复与否的临界条件

则应修改减

隔震设计

重新进行抗震能力分析

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大跨度桥梁抗震设计实用方法

土

木

工

程

学

报,

年

验算

,

直到满足要求为止

。

双薄壁墩

墩身为

的实体矩形截面

。

主墩基础为每墩

笋

钻孔灌注桩,

。

大跨度桥梁抗展设计的辅助工具震分析综合程序由前述可见,

桥梁抗

抗展概念设计连续刚构桥的主梁与墩刚结概念设计时,

写

因此

,

在进行抗震。

重点应放在塑性铰位置的选取上。

对于

大跨度桥梁抗震设计的技术关键在,

桥梁结构复的析,,

,

通常希望塑性铰出现在便于检查和易于修

于根据给定的地震输人做地震反应分析

并进行抗震

并且经过特殊配

筋的墩柱处图

验算

,

评估桥梁结构的抗震安全性,

。

本文采用图,

所示的计算模式进行地震反应分为其中两个,

为此

本文专门开发了一个桥梁抗震分析综合程。

并画出内力反应包络图

。

根,

序邢分析,

该程序主要包括三大模块。,

即地震反应,

据内力反应包络图与结构设计图纸

可以判断出预期

抗震验算及后处理模块,

地震反应分析模块可。

会产生塑性铰的部位设计得到保证,

抗震薄弱部位,

为墩柱根部

以根据用户的选择

进行桥梁结构的动力特性分析

而这一部位的抗震安全性

完全可以通过正确的配筋。

反应谱分析

以及线性和非线性时程反应分析

其各

故无需修改设计方案

中

,

时程反应分析可以考虑影响大跨度桥梁结构地震,

反应的各种因素

包括多点激振一一

,

分块阻尼问题。,

,

朋朋哪

种非线性因素以及桩土结构相互作用等

抗震验算自动进。

模块可以根据输人数据及地震反应分析结果

行墩柱的抗弯强度处理模块作为直观的三维计算模式、

、

弯曲延性和抗剪强度验算有效的辅助手段,,

而后图

、

可以显示结构,

桥梁结构动力计算图式

振型

地震反应包络图

反应时程。

曲线

,

还具有振型及地震反应的三维仿真显示功能

延性抗展设计塑性铰区横向钢筋设计

大跨度桥梁抗展设计实例某大桥为跨径组合为应力混凝土连续刚构桥。

由上已知

,

该桥预期的塑性铰区在墩柱根部。

,

需

对其进行仔细的配筋设计加的预,

图,

为设计单位提供的主。

墩截面配筋图延性,

,

箍筋的纵向间距为巧如图。。

为了提高,

该桥桥面宽,

主梁

本文进行加强箍筋设计

所示

箍筋的

采用单箱单室预应力混凝土箱梁

主墩为钢筋混凝土

纵向间距减为

一

、

、

洲

一一

、

、广一一一

、

,

注

轴力

出平面弯矩

图

横向地震作用下的内力反应包络图

净口叱

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口

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二

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墩壁中心线

只汽

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,

,

,

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二

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…

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二

「

门

‘

二

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月

门『丁

图

墩柱截面配筋图

设计单位提供

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大跨度桥梁抗震设计实用方法

第

卷

第

期

叶爱君等大跨度桥梁抗震设计实用方法

十叫一洲

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才

乃品

姗

图

墩柱截面配筋图

加强箍筋

抗震能力验算本文仅以可修复破坏极限状态为例在态,

行抗震能力分析验算。

,

确保桥梁整体结构和抗震薄弱,

部位的安全性意,

。

如果延性抗震设计的结果不能令人满、

尸

地震波作用下。

,

墩底截面进人塑性工作状。

则要进行减

隔震设计。

以减小地震反应,

。

最大塑性转角列于表,

同时,

,

表

也列出了截尸

在进行大跨度桥梁抗震设计时一个方便有效的辅助工具参考既。

玲

程序是

面的极限转角、

由表中数据可见。

该桥在

地震波

作用下仍是安全的和减

没有必要进行进一步的延性设计

文

献币以王,

隔展设计衰

墩底最大塑性转角极限塑性转角塑性转角

咖极限塑性转角角,

甲功

九巧,

图,

输人方向

塑性转角角

近

气〕纵桥向横桥向一一一

〕一

范立础编著花加无

桥梁抗震,

上海,

同济大学出版社二

,

陌俪,,

。

山‘臾

一

一

朗

,

助朋

,

注

方向为纵桥向

,

方向为横桥向

。

叶爱君

大跨度桥梁抗震设计,

博〔士学位论文〕上海一

结

论,

同济大学交通部公路规划设计院范北京日本规范

日《抖,

公路工程抗震设计规耐震设计篇,

人民交通出版社道路桥示方书段川加川留

叭

同解说花颐

卯罗,

本文在查阅大量国内外资料的基础上平的抗震设计方法和能力设计思想梁抗震设计实用方法。,

根据

两水仆吐

发展了大跨度桥

该方法认为大跨度桥梁的抗震,

如叨

。戏

训叮

朗

川

设计应分两个阶段进行设计,

即抗展概念设计和延性抗震、

山范立础

以小旧

刃戌

扭,

人

刊,

巧叭,

,

必要时还应进行减,

隔震设计

。

桥梁抗震概念

压访幼。卜,

巧

下

旧

设计的任务是震结构体系。

通过概念设计选择一个比较理想的抗,

方红

大跨桥梁的抗震设计

结构工程师

桥梁延性抗震设计是在第一阶段设计的

增刊中国建筑科学研究院京

一,

建筑抗震设计规范

北

基础上

,

对塑性铰区进行仔细的横向钢筋设计【」

并进贬价

中国建筑工业出版社

阳

洲万几

弧粥乙入交

咖

诬

诚肠嘀妞

玩户川

而招

记

此叮犯切叮,

花一

丽妙甲初

即

户加

卿初

,

胎

朋

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大跨度桥梁抗震设计实用方法

土此拍

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程

学

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叩记阮

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岭。

,

蒯

,

记

司。

戏祀

司

,

耐、

。

叶爱君胡世德范立础

博士教授教授“

,

讲师、

。

主要从事桥梁结构的振动与抗震研究

通讯地址,

伪、

上海四平路

号同济大学桥梁工程系悬索桥的抗震分析方法、

,

博士生导师博士生导师”

长期从事桥梁结构的振动与抗震研究。

对拱桥

梁桥

斜拉桥。

、

计

算模式,

抗震性能等进行了系统研究。,

著名桥梁与结构工程专家‘

,

桥梁抗震学科的主要学术带头人

现任土木工程防灾国家重点实。

验室学术委员会常务副主任七五

并兼任中国土木工程学会桥梁与结构工程分会理事长等职务

近

年主持和承担了

攻关项目

,

,、五

”

国家攀登

计划

国家自然科学基金会重大项目的多项课题

。

中国土木工程学会名杏理事

、

著名岩土工程学家

黄文熙院士逝世清华大学教授黄文熙教授在南京大学、

、

中国科学院院士黄文熙先生因病于年月日出生于上海。

年,

月,

日

时

分在北京逝世。

,

享年。

岁

。

以刃

早年留学美国

年归国任教于原中央大学水利系兼任南京水利实验处处长,

解放后

,

先后

南京工学院和华东水利学院。

现河海大海

任教授

年任清华大学教

授

,

兼任中

国水利水电科学研究院副院长黄文熙教授年加人中国共产党,

曾当选为第三届全国人民代表大会代表,

第二

、

第三届全国政协委员,

年被选为中国科学院技术科学部委员岩编《土工程学报》委会主任工结构的教育及研究工作,,

院士

曾先后担任中国水利学会和中国水力发电学会副理事长中国土木工程学会土力学及基础工程分会理事长,

中国土木工

程学会和中国力学学会荣誉会员和名誉理事。

黄文熙教授是我国土力学及岩土工程学科的主要莫基人之一。。

水曾任《利学报》和长期从事岩土工程和水

为我国水利水电事业作出了卓越的贡献

年他在国内首开土力学课程建立了国内大学的第一个土工实验室

早在

年代初他创造了框架设计的新,

—地基沉降于地基中应力分布的新的计算方法在先提出了用有效应力原理来解释砂土液化机理巨大的影响,

的计算方法

框架力矩直接分配法

年他着手研究拱坝结构分析的新方法,,

年代中期黄文熙建议用振动三—进行砂土的动力特性试验轴仪“”。,,

格栅法

只

一

年他创建了,,

并首

年代他领导建立了清华弹塑性模型,

这些成果在国内外都产生。

。

年代他看到我国在土工模型试验方面与国际先进水平的巨大差距亲自率团到国外考察后又多方奔,

走呼吁终于在我国建立了不同规模的土工离心模型试验装里对我国岩土工程的发展起到了巨大推动作用了渗水力模型试验支持对旁压仪的理论研究对土工合成材料的应用和研究工作寄予极大的热忱,,

他还推动,

。

黄文熙教授注重工程实践

,

在水利水电工程中引进和推广了许多先进技术和工艺,

。

如砂井预加固软土地基压法、

用反滤法和减压井防止渗透破坏

用补偿地基原理建造不用桩基的水闸。

,

用就地浇注混凝土防渗墙防止地基的渗透

等

。

他推动和支持水中填土坝和水坠坝这一具有中国特色的筑坝技术。

他还积极参与了黄

淮

、

海和大西南

、

三峡等

国家重大工程的咨询工作

黄文熙教授执教印余年

,

培养了一大批高水平的学生。。

,

他的学生助手不少已经成为院士“

、

博士导师和知名的专”

家学者论文。

,

活跃

在水利水电和岩土工程的各条战线上,

黄文熙教授工作勤恳他治学严谨,,

效率极高,

他在,

年

岁时还在《利学报》发表题为上水。

拱坝抗屈折稳定初探有长者之风。,

的

对于理论推导

试验结果要求反复校核他一身正气,

他为人宽厚坦诚。

,

谦虚平和,

,

不遗余力地,

提携后进

具有很强的人格感召力。

。

高风亮节、

,

敢于提出不同见解

敢于坚持正确意见

黄文熙教授为我国的岩土工程学科作出了巨大的位杰出的导师我们将永远怀念黄文熙先生

不可磨灭的贡献

他的逝世使我们失去了一面旗帜。

痛失了一

我们将以我们的努力工作和团结奋斗告慰黄先生在天之灵

黄文熙教授永垂不朽本刊编辑部

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