突發(fā)！緊急！由于風(fēng)速大，虎門大橋出現(xiàn)搖晃。網(wǎng)友拍攝的現(xiàn)場視頻，可以看出橋面明顯起伏。為確保安全，2020年5月5日15時(shí)32分，交警已對虎門大橋進(jìn)行交通管制。

事實(shí)上，大橋“異?！倍秳?dòng)或晃動(dòng)的狀況時(shí)有發(fā)生——這是流體力學(xué)中重要的現(xiàn)象“卡門渦街”。比如，2010年，俄國南部伏爾加河的大橋就曾發(fā)生波浪狀的“離奇”搖晃，當(dāng)時(shí)好幾輛正行駛在橋上的車子也跟著不斷搖擺。

但是，真正讓人們意識到“卡門渦街”在建筑、橋梁、飛機(jī)制造設(shè)計(jì)以及船舶領(lǐng)域的重要影響，當(dāng)屬美國的塔科馬海峽吊橋事件——它既是現(xiàn)代橋梁建筑史上最為標(biāo)志性的災(zāi)難，也成為物理學(xué)和工程學(xué)的經(jīng)典研究案例。

據(jù)《商業(yè)內(nèi)幕》報(bào)道，美國華盛頓州的塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrows Bridge）建于1938-1940年間，是當(dāng)時(shí)僅次于金門大橋和喬治·華盛頓大橋的世界第三長吊橋。它的設(shè)計(jì)師萊昂·莫伊塞夫是美國20世紀(jì)二、三十年代懸索橋的領(lǐng)軍人物，也是全鋼制橋的早期推行者。

莫伊塞夫的“變形理論”廣負(fù)盛名，根據(jù)這個(gè)理論，橋梁長度越大，允許的變形也越大。正因?yàn)槿绱?，莫伊塞夫相信自己可以把懸索橋建得比以往更輕、更細(xì)、更長，這個(gè)想法在他對塔科馬海峽大橋的設(shè)計(jì)方案中得到了充分體現(xiàn)。

可令莫伊塞夫沒有想到的是，大橋吊裝完成后，只要有4英里/小時(shí)的“小風(fēng)”吹來，大橋主跨就會有輕微的上下起伏。甚至在建造過程中，工人就已經(jīng)注意到了這座大橋出現(xiàn)的晃動(dòng)現(xiàn)象。

1940年11月7日，技術(shù)人員在7：30測得風(fēng)速為38英里/小時(shí)，兩小時(shí)后增強(qiáng)至42英里/小時(shí)，而此時(shí)的塔科馬海峽吊橋，橋面波浪形起伏已達(dá)1米多。瘋狂的扭動(dòng)使得路面一側(cè)翹起達(dá)8.5米，傾斜達(dá)到45度。

最終，承受著大橋重量的吊索接連斷裂，失去了拉力的橋面就像一條發(fā)怒的蟒蛇在空中奮力掙扎。建成通車僅四個(gè)月后，120多米的大橋主體轟然墜入塔科馬海峽，激起了一大片煙塵。

據(jù)《福布斯》報(bào)道，塔科馬海峽吊橋倒塌后第二天，著名物理學(xué)家馮·卡門覺得此事不妥，便用一個(gè)塔科馬海峽吊橋模型進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果不出他所料，塔科馬海峽吊橋倒塌事件的元兇，正是“卡門渦街”引起的橋梁共振——

在必定的風(fēng)速規(guī)模內(nèi)，穿過大橋的氣流會周期性地產(chǎn)生兩串平行的反向旋渦，連續(xù)性的旋渦會對被繞的橋梁產(chǎn)生周期性浸染力，這種浸染力和大橋震動(dòng)的頻率接近時(shí)，就會產(chǎn)生共振。共振越強(qiáng)，大橋擺動(dòng)扭曲的幅度便會越大。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)之初，為了美觀和節(jié)省投資，莫伊塞夫使用過輕的物料，并將大橋從7.6米高的鋼桁架主梁降至2.4米高的鋼板梁，也是釀成災(zāi)難的原因之一。

但毫無疑問的是，塔科馬海峽吊橋?yàn)楹髞淼臉蛄涸O(shè)計(jì)與建造敲響了警鐘。畢竟，當(dāng)時(shí)的橋梁設(shè)計(jì)界尚未認(rèn)識到卡門渦街的嚴(yán)重危害，仍然是從傳統(tǒng)的橋梁承重等設(shè)計(jì)角度出發(fā)開展大橋的設(shè)計(jì)。此后的十年內(nèi)，橋梁空氣動(dòng)力和空氣彈性學(xué)出現(xiàn)并進(jìn)一步完善。

1950年，新建的塔科馬海峽吊橋在經(jīng)由嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)建造后通車運(yùn)營，道床厚度增至10米，并在路面上加入氣孔，使空氣可在路面上穿越，防止卡門渦街的產(chǎn)生。穩(wěn)穩(wěn)矗立于海峽之上的它，每日通車流量高達(dá)6萬車次，因此也被稱為“強(qiáng)壯的格蒂”。2007年，新的平行橋通車，行車線由兩條增至4條，是現(xiàn)今全美國第五長的懸索橋。

2020年5月4日下午，廣東虎門大橋發(fā)生異常抖動(dòng)，不少過往群眾表示整個(gè)大橋像波浪一樣“起起伏伏”地?fù)u晃，引發(fā)熱議。

隨后，大橋管理部門封閉了大橋。下午3點(diǎn)32分，交通管理部門對虎門大橋進(jìn)行了交通管制，提醒途經(jīng)車輛繞道行駛。

據(jù)了解，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙掩s赴現(xiàn)場。在綜合了哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)柳成蔭、肖儀清和顧磊等老師意見后，專家分析認(rèn)為，現(xiàn)場風(fēng)速達(dá)到8m/s左右，引發(fā)橋梁限幅渦振。

據(jù)悉，因?yàn)榛㈤T大橋正在維修施工中，橋面加了1.2米高的擋墻，從而破壞了斷面流線型引發(fā)渦振。目前，擋墻正在拆除。

橋梁渦振是一種兼有自激振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)特性的有限振幅振動(dòng)，它在一個(gè)相當(dāng)大的風(fēng)速范圍內(nèi)，可保持渦激頻率不變，產(chǎn)生一種“鎖定”(lock-on)現(xiàn)象。橋梁渦激共振的有限振幅計(jì)算是一個(gè)十分重要但又異常困難的問題，目前國內(nèi)外還沒有形成一套比較完整的橋梁渦振分析理論。

對此，我國著名橋梁結(jié)構(gòu)專家葛耀君稱，虎門大橋的震動(dòng)并不會對橋體的剛性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，也在安全范圍之內(nèi)。同時(shí)武漢大學(xué)土木建筑學(xué)院教授方正也表示，懸索橋在設(shè)計(jì)時(shí)會有一個(gè)抖動(dòng)的安全范圍，“肉眼可見的上下起伏，也是正常的，只要在一定范圍內(nèi)就不會影響行車安全”。

廣深北行61轉(zhuǎn)虎門大橋匝道全封閉，導(dǎo)致該路段行車緩慢1公里。

虎門大橋是廣東省境內(nèi)一座連接廣州市南沙區(qū)與東莞市虎門鎮(zhèn)的跨海大橋，是廣深珠高速公路網(wǎng)的主要組成部分，因其連接珠江兩岸，溝通深圳、珠海等重要城市，是廣東沿海地區(qū)的重要交通樞紐?；㈤T大橋于1992年動(dòng)工建設(shè)；1997年建成通車；1999年通過竣工驗(yàn)收。

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虎門大橋系國家重點(diǎn)工程，多項(xiàng)技術(shù)曾獲創(chuàng)新大獎(jiǎng)

投資近30億元的虎門大橋是國家重點(diǎn)工程，擁有多項(xiàng)國內(nèi)或國際先進(jìn)水平工程技術(shù)和工藝，是我國第一座真正意義上的大規(guī)?，F(xiàn)代化懸索橋，被認(rèn)為標(biāo)志著二十世紀(jì)中國橋梁建設(shè)的最高成就。

“盡管虎門大橋地處臺風(fēng)多發(fā)地帶，但是在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)充分考慮這一因素，抗風(fēng)系數(shù)肯定是很高的。眾所周知，橋梁安全最怕的是發(fā)生共振，但是這些因素在設(shè)計(jì)之初也都已經(jīng)充分考量并避免”。深圳移步設(shè)計(jì)公司建筑設(shè)計(jì)師賈永曾長期從事橋梁設(shè)計(jì)工作，他告訴科技日報(bào)記者，“虎門大橋到現(xiàn)在不過20年的時(shí)間，我國的橋梁大部分都會按百年規(guī)劃來設(shè)計(jì)，所以不太可能是設(shè)計(jì)缺陷”。

虎門大橋建設(shè)期間，我國的大跨徑現(xiàn)代懸索橋技術(shù)可以說是空白階段，沒有現(xiàn)成的施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范。諸如懸索橋的設(shè)計(jì)、抗風(fēng)穩(wěn)定、大型鑄件的制造、簿板超寬型加勁鋼箱梁的制作與焊接、大型施工專用設(shè)備、施工架設(shè)、施工控制等都需要靠中國團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)、解決。雖然中國早期曾有大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，但面對虎門大橋的更大跨徑，還需解決設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)輕型化帶來的某些關(guān)鍵技術(shù)。

從后來的情況來看，中國的工程師們很好地完成了設(shè)計(jì)和建造工作，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為虎門大橋在我國橋梁史上有特殊的地位，不僅因?yàn)樗匾牡乩砦恢?，更是因?yàn)槠浣ㄔO(shè)規(guī)模大，結(jié)構(gòu)新穎，受外界環(huán)境影響大，無論是設(shè)計(jì)還是施工均為國內(nèi)首次嘗試。正因?yàn)槿绱?，虎門大橋項(xiàng)目不僅獲得詹天佑土木工程大獎(jiǎng)，更有數(shù)項(xiàng)技術(shù)獲廣東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)和國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

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橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)不可或缺，但維護(hù)有好有壞

橋梁的安全，包括抗震和抗風(fēng)都是在設(shè)計(jì)和建造中的關(guān)鍵要素。一般情況下，橋梁有輕微的晃動(dòng)是正常的，但是如果幅度非常大就要引起注意。為了實(shí)時(shí)了解橋梁的安全要素，現(xiàn)代橋梁一般都有健康監(jiān)測與評估系統(tǒng)。這是一套軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，對橋梁的裂縫、航道、車流量等多方面情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，同時(shí)對大橋的環(huán)境溫度、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、震動(dòng)情況、移位情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警。

業(yè)內(nèi)人士告訴科技日報(bào)，虎門大橋也有一套這樣的監(jiān)測系統(tǒng)，通過對橋的連續(xù)位移實(shí)時(shí)監(jiān)測，了解橋梁結(jié)構(gòu)在各種作用下的實(shí)際受力狀態(tài)和工作狀況，評價(jià)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和在設(shè)計(jì)荷載作用下的工作性能。同時(shí)通過對監(jiān)測結(jié)果分析得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對大跨橋梁的安全實(shí)時(shí)監(jiān)測。

值得一提的是，這位業(yè)內(nèi)人士表示，建筑的監(jiān)測系統(tǒng)維護(hù)起來并不容易，一般十年左右軟硬件都需要更新，有些項(xiàng)目并不一定能及時(shí)置換更新，但他也強(qiáng)調(diào)，橋梁監(jiān)測是所有建筑中最為重要的，像虎門大橋這樣的重要樞紐監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該會保持良好運(yùn)轉(zhuǎn)。

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美國塔科馬海峽大橋曾被微風(fēng)摧毀

對于此次虎門大橋異常抖動(dòng)，一開始許多人認(rèn)為是當(dāng)時(shí)主橋風(fēng)速過大造成的。但也有當(dāng)?shù)孛癖姳硎井?dāng)時(shí)雖然風(fēng)挺大，卻也“沒有特別夸張”。

說起來，歷史上還真有風(fēng)不大，但橋晃塌了的案例發(fā)生。最著名的便是美國塔科馬海峽大橋在微風(fēng)中塌陷。

塔科馬海峽大橋是位于美國華盛頓州塔科馬的懸索橋。在施工時(shí)就曾發(fā)生過擺動(dòng)，橋竣工通車后，搖擺得更加厲害。據(jù)說，在某些日子里，橋身上下振動(dòng)的幅度竟達(dá)1.5米，使得駕駛員看不見在它前面行駛的汽車。當(dāng)?shù)孛癖姺Q它為舞動(dòng)的格蒂。1940年，在通車四個(gè)月后這座橋梁突然塌陷。據(jù)記載，當(dāng)時(shí)的風(fēng)速并不高，照理這樣的風(fēng)速本應(yīng)對大橋夠不成威脅，但大橋還是戲劇性地被微風(fēng)摧毀。

這次坍塌被認(rèn)為是空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)分析不嚴(yán)密所致，對后續(xù)的橋梁設(shè)計(jì)和建造產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，后來所有的橋梁，無論是整體還是局部，都必須通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析和風(fēng)洞測試?？諝鈩?dòng)力學(xué)和共振實(shí)驗(yàn)成為了建筑工程學(xué)的必修課。

虎門大橋

本文轉(zhuǎn)載自保利長大工程有限公司官網(wǎng)，原文首發(fā)于2009年9月10日，原標(biāo)題為《虎門大橋》，不代表瞭望智庫觀點(diǎn)。

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概況

虎門大橋位于廣東省廣州市東南約42km，坐落于鴉片戰(zhàn)爭古戰(zhàn)場的遺址上，橫跨珠江出海口東西兩岸，是連接珠江兩岸及粵東、粵西的重要交通樞紐，是溝通港、澳及廣東沿海的一座特大型橋梁。由跨越主航道的主跨888m的懸索橋、跨越輔航道的主跨270m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)橋和東、中、西引橋組成，還包括隧道3座，全長4606m。

橋位東、西兩岸為丘陵區(qū)，江面寬3400m，江心有三島，北為上橫擋島，南為下橫擋島，西北為大虎島；橋位屬熱帶海洋性氣候，年平均氣溫為22℃，年平均降雨量為1669mm，夏季受臺風(fēng)影響；主航道水深約30m左右，輔航道水深一般為6m~10m，深槽為15m；主航道江底除巖石暗礁外，沉積有砂巖、卵石，在虎門大橋東塔以東側(cè)地基為粉砂巖和石英砂巖，西側(cè)為中細(xì)粒黑云母花崗巖；輔航道江底較平坦，表層為細(xì)砂、砂礫所覆蓋。

虎門大橋?yàn)榱嚨榔皆⑶鸶咚俟诽卮髽?，設(shè)計(jì)速度120km/h；橋位處20m高百年一遇10min平均最大風(fēng)速值為50.2m/s，橋位處設(shè)計(jì)風(fēng)速為61m/s；地震烈度六度按七度設(shè)防。通航凈空：主航道：60m × 300m（高×寬）設(shè)計(jì)通航5萬噸級。

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主橋結(jié)構(gòu)

虎門大橋主航道橋?yàn)榭鐝?/span>888m的單跨雙鉸加勁鋼箱梁懸索橋。橋跨布置為302+888+348.5m。

 (1)索塔

索塔基礎(chǔ)根據(jù)不同的地質(zhì)條件，東塔選用上、下分離式的群樁基礎(chǔ)，每個(gè)塔柱下由16根Ф2.0m的鉆孔灌注樁組成，西塔上游采用平面尺寸為12m×16m的擴(kuò)大基礎(chǔ)，下游采用12根Ф2.0m的鉆孔灌注樁。

索塔塔身采用門式框架結(jié)構(gòu)，由兩側(cè)塔柱及中間的三道系梁組成，塔柱為鋼筋混凝土空心薄壁結(jié)構(gòu)，系梁為預(yù)應(yīng)力混凝土空心薄壁結(jié)構(gòu)。橋面以上89.86m，基頂以上147.55m，高跨比1/6。

東塔采用翻轉(zhuǎn)模板施工，西塔采用電動(dòng)爬架拆翻模施工，系梁采用膺架法施工。東、西兩塔施工后跨徑差。

  (2)錨碇

東、西錨碇形式均為重力式錨碇，東錨碇基礎(chǔ)為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)下為泥質(zhì)砂巖，設(shè)計(jì)摩阻系數(shù)為0.4，設(shè)計(jì)控制主纜拉力為2×172 600kN，使用混凝土4.4萬方。西錨碇為采用地下連續(xù)墻方法施工的圓形擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)為花崗巖。設(shè)計(jì)摩阻系數(shù)為0.6，抗滑安全系數(shù)2.3，設(shè)計(jì)控制主纜拉力為2 x×174 400kN，使用混凝土7.5萬方。采用型鋼錨固系統(tǒng)。

 (3)主纜和吊索

單根主纜由110束預(yù)制索股組成，在索夾處斷面直徑為678.7mm，索股平均長度為1634m，全橋共用鍍鋅高強(qiáng)鋼絲7638t，其中一半是使用江蘇江陰鋼絲廠研制的。80％的索股在現(xiàn)場制作，然后直接牽引上橋架設(shè)。索股兩端為鋅、銅合金灌注的熱鑄錨。每根主纜分四段進(jìn)行防護(hù)。兩岸錨跨及主鞍座部分用抽濕技術(shù)，外露部分用纏絲、涂料等七層防護(hù)。主纜矢跨比為1/10.5。主纜索股以前錨方式直接與型鋼拉桿錨固，用鋼墊板微調(diào)長度。

吊索在全橋的布置型式為平行豎直吊索，每個(gè)吊點(diǎn)由四根Ф52mm的優(yōu)質(zhì)金屬芯鍍鋅圓股鋼絲繩組成，吊索與主纜的連接采用背騎式，吊索通過主纜上的索夾槽口騎越主纜，錨于鋼箱梁風(fēng)嘴內(nèi)。

 (4)主索鞍、散索鞍、索夾

主索鞍、散索鞍由主（散）索鞍本體、上、下支承板、安裝板（底座）、隔板、拉桿等部件組成，主（散）索鞍本體為鑄焊組合件，由鞍槽及鞍座兩部分組成，鞍槽為鑄鋼件，鞍座為厚鋼板焊接件。主索鞍本體順橋向分成兩個(gè)半塊，以減輕吊裝重量，安裝就位后用螺栓連整體。

索夾設(shè)計(jì)成馬鞍形，每個(gè)索夾由兩個(gè)半塊鑄鋼件組成，在主纜上左右對合后以螺桿和螺母將其連成整體，緊固于主纜之上，其中高強(qiáng)螺栓用新研制的壓扭液壓扳手緊固，并專門制定了軸力管理規(guī)程，進(jìn)行索夾摩阻模型試驗(yàn)。全橋索夾分6種類型，一類為緊靠索鞍的封閉索夾，一類為邊跨主纜索夾，中跨索夾分成4類，以適應(yīng)主纜與吊索之間不同的夾角。

(5)加勁鋼箱梁、支座

加勁梁截面形式為U型加勁肋正交異性板橋面的扁平閉口流線型的單箱單室截面，箱梁全寬（包括風(fēng)嘴）為35.6m，梁高3.012m，橋面設(shè)2％的雙向橫披。梁的高跨比為1/295，寬跨比1/25。橋面板厚12mm，底板與斜腹板的厚度為10mm。鋼箱梁每4m設(shè)一道橫隔板?；㈤T大橋懸索橋鋼箱梁共劃分為39節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)段重約300t，采用卷揚(yáng)機(jī)提升跨纜吊機(jī)及液壓跨纜吊機(jī)吊裝鋼箱梁，節(jié)段之間采用全斷面焊接連接。

梁端設(shè)置滾動(dòng)式豎向支座及橫向抗風(fēng)支座，以分別承受梁端豎向反力和水平反力。

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主要技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)

虎門大橋懸索橋是我國第一座真正意義上的大規(guī)?，F(xiàn)代化懸索橋，該工程的主要新技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)為：

（1）開發(fā)了一套完整的現(xiàn)代懸索橋結(jié)構(gòu)分析程序；通過試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，建立了系統(tǒng)而完整的懸索橋上部構(gòu)造施工監(jiān)測與控制技術(shù)；

（2）通過我國最大尺度的氣彈性風(fēng)洞試驗(yàn)，對施工期間與成橋后的抗風(fēng)性能進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)參數(shù)，提出了鋼箱梁拼裝過程中安全渡臺風(fēng)的技術(shù)措施，保證了大橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

（3）在國內(nèi)率先采用扁平鋼箱梁節(jié)段間全焊接的結(jié)構(gòu)形式，解決了在箱梁吊裝情況下的焊縫間隙調(diào)整工藝和焊接技術(shù)。

（4）首次在國內(nèi)成功設(shè)計(jì)、制作、架設(shè)了每股127絲的大型預(yù)制索股及大型鑄焊組合型主、散索鞍。

（5）首次在我國橋梁基礎(chǔ)中采用地下連續(xù)墻防水技術(shù)，解決了懸索橋西塔基礎(chǔ)巖面嚴(yán)重不平的技術(shù)難題；

（6）研制出高水平的懸索橋施工專用設(shè)備，研制成功特大鋼箱梁吊裝的液壓千斤頂提升式跨纜吊機(jī)和緊纜機(jī)等

其獲獎(jiǎng)項(xiàng)目如下：

（1）《 虎門大橋》榮獲第二屆詹天佑土木工程大獎(jiǎng)。

（2）《虎門大橋CH-150型架橋機(jī)》項(xiàng)目獲1997年廣東省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

（3）《虎門大橋建設(shè)成套技術(shù)》項(xiàng)目2001年榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

（4）《虎門大橋建設(shè)成套技術(shù)》項(xiàng)目于1999年榮獲交通部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

（5）虎門大橋榮獲1999年度交通部公路工程優(yōu)質(zhì)工程一等獎(jiǎng)。

（6）虎門大橋東錨深開挖與防護(hù)技術(shù)榮獲1997年廣東省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

（7）液壓提升跨纜吊機(jī)榮獲1996年廣東省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

來源：少創(chuàng)科技