CN108824697A - 可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，包括：多个立柱、设置于钢筋混凝土框架梁结构顶部和底部的多组钢筋组件和梁中部腰筋，多组钢筋组件的每组钢筋组件设置于相邻立柱之间，每组钢筋组件包括：套筒变形释放装置，套筒变形释放装置位于或临近钢筋混凝土框架梁结构在竖向载荷作用下的弯矩最小处。该结构在正常使用时，不会对安全性造成影响；在地震荷载作用下，至少能够在一定程度上使结构形成“强柱弱梁”的破坏模式，从而提高结构抗地震倒塌能力；在地震荷载作用下接近倒塌时，梁中承载力会实现二次上升，从而进一步提高结构抗地震倒塌能力；并在爆炸、冲击等荷载作用下使得结构发生局部柱子失效时，至少能够在一定程度上增大结构的悬链线竖向拉结抗力，从而提高结构的防连续倒塌能力。

Description

可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构
技术领域
本发明涉及土木建筑技术领域，特别涉及一种可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构。
背景技术
房屋、桥梁等结构的垮塌是灾害中造成严重人员伤亡和巨大经济损失的直接原因。当前，基于可预期荷载下结构安全的设计方法已较为成熟，但仍难以避免极端灾害中的结构垮塌。然而，极端灾害难以预知，荷载形式多样，单一考虑某种荷载工况的抗倒塌设计很容易出现“按下葫芦浮起瓢”的情况。例如，在梁中增加拉结筋可提高结构的抗连续倒塌能力，但会使大震中“强柱弱梁”的破坏模式难以实现，从而增加了地震倒塌的可能性。因此，“如何提高结构在不同灾害荷载下的综合抗倒塌能力？”成为亟待解决的理论和技术问题。对于钢筋混凝土框架结构，强震作用下的倒塌和局部破坏引起的竖向连续倒塌是主要的灾害破坏形式。
钢筋混凝土框架结构的“大震不倒”设计主要依靠结构破坏模式控制和构件耗能，即形成“强柱弱梁”机制，使整个结构中有尽可能多的构件形成塑性铰来耗散地震能量，避免框架柱端屈服而造成倒塌。但是实际震害调查发现：绝大多数经过“强柱弱梁”设计的钢筋混凝土框架在地震中并没有实现“强柱弱梁”的屈服机制，从而造成了严重的破坏和倒塌，损失惨重。相关研究表明，由于楼板现浇、超量实配、填充墙等实际工程因素，当前设计方法和构造形式很难保证“强柱弱梁”屈服机制形成。钢筋混凝土框架“大震不倒”设计的核心就是控制结构破坏模式，因此怎样真正在结构中实现“强柱弱梁”成为钢筋混凝土框架结构设计的一个难题。
连续倒塌是指结构遭受小范围初始破坏后发生与初始破坏不成比例的连锁破坏。随着工程结构规模的越来越大，结构连续倒塌不仅会造成严重的人员伤亡和财产损失，还会带来极大的社会影响。钢筋混凝土框架结构发生竖向连续倒塌是最常见的灾害破坏形式，我国2010版的《混凝土结构设计规范》已将此纳入设计要求。钢筋混凝土框架结构竖向连续倒塌过程中框架梁板经历了受压拱机制-弯曲机制-悬链线机制，最终控制竖向连续倒塌极限荷载的是悬链线的拉结能力，在梁板中增加连续拉结筋是当前提高钢筋混凝土框架抗倒塌能力的主要方法。但这必然会增强梁的抗弯能力，从而加剧“强梁”、“弱柱”的形成；而再相应增加柱中的配筋，又会大大增加造价。这成为抗震设计和抗连续倒塌设计之间的一个矛盾。因此，在不显著增加造价的情况下同时提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能和抗连续倒塌能力，成为当前结构设计中的又一个难题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，该结构可以提高结构抗地震倒塌能力，并提高结构的防连续倒塌能力。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，包括：多个立柱、设置于钢筋混凝土框架梁结构顶部和底部的多组钢筋组件和梁中部腰筋。所述多组钢筋组件的每组钢筋组件设置于相邻立柱之间，所述每组钢筋组件包括：套筒变形释放装置，所述套筒变形释放装置位于或临近所述钢筋混凝土框架梁结构在竖向载荷作用下的弯矩最小处。所述梁中部腰筋用于承担截面处初始拉力，并在所述套筒变形释放装置开始提供抗拉能力时，梁中部腰筋由于变形需求较小也不会被拉断，使得该梁截面处抗弯承载力实现二次上升。
另外，根据本发明上述实施例的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构还可以具有以下附加的技术特征：
本发明实施例的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，通过设置套筒变形释放装置且配置梁中部腰筋：(1)在正常使用时，由于套筒变形释放装位于或临近钢筋混凝土框架梁结构在竖向载荷作用下的弯矩最小处，不会对结构正常使用的安全性造成影响；(2)在地震荷载作用下，套筒变形释放装置不提供初始拉力，该截面处初始拉力由腰筋承担，梁有效高度至少在一定程度上降低，从而使得套筒变形释放装置处的梁截面具有较低的承载力，梁铰率先在此处产生，从而确保“强柱弱梁”的破坏模式的实现；(3)在地震荷载作用下结构接近倒塌时，套筒变形释放装置变形全部释放，钢筋在套筒中拉紧，此时套筒变形释放装置开始提供抗拉能力，同时梁中部腰筋由于变形需求较小也不会被拉断，因此该梁截面处抗弯承载力上升，从而降低结构倒塌风险；(4)在结构发生局部柱子失效导致连续倒塌时，套筒变形释放装置变形全部释放，钢筋在套筒中拉紧，此时套筒变形释放装置开始提供抗拉能力，同时梁中部腰筋由于变形需求较小也不会被拉断，因此该梁截面处具有比普通梁截面更大的转动变形能力、和普通梁截面相同的梁轴向抗拉能力，从而可提高结构的防连续倒塌能力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：梁中加强结构，所述梁中加强结构至少设置在所述变形结构处。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述每组钢筋组件通过箍筋固定，所述箍筋构成所述梁中加强结构，所述套筒变形释放装置处配置加密箍筋。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述钢筋组件还包括：梁中纵筋，所述梁中纵筋连接设置于所述套筒变形释放装置的两端。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述套筒变形释放装置包括：套筒、法兰螺母、内螺丝和外螺丝。
进一步地，在本发明的一个实施例中，位于梁顶部的一组钢筋组件的套筒变形释放装置与位于梁底部的一组钢筋组件的套筒变形释放装置在竖向上相互错开预设位置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述位于梁底部的一组钢筋组件的套筒变形释放装置离临近的梁柱节点区远于所述位于梁顶部的一组钢筋组件的套筒变形释放装置离临近的梁柱节点区。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多组钢筋组件的部分钢筋组件并排间隔设置并处于同一水平高度。
本发明附加的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
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的钢筋组件的组装示意图；
图3为根据本发明一个实施例的钢筋组件的初始状态示意图；
图4为根据本发明一个实施例的钢筋组件受拉力的最终状态示意图；
图5为根据本发明另一个实施例的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构的结构示意图；
图6为根据本发明一个实施例的钢筋混凝土框架梁结构的在竖向载荷和水平载荷下的弯矩对比图；
图7为根据本发明一个实施例的钢筋混凝土框架梁结构在地震荷载工况下抵抗侧向倒塌示意图；
图8为根据本发明一个实施例的钢筋混凝土框架梁结构在柱失效工况下抵抗连续倒塌示意图。
附图标记说明：
可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构10、多个立柱100、多组钢筋组件200、套筒变形释放装置210、套筒211、法兰螺母212、内螺丝和外螺丝213、梁中纵筋220、梁中部腰筋300和梁中加强结构400。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构。
图1是本发明一个实施例的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构的结构示意图。
如图1所示，该可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构10包括：多个立柱100、多组钢筋组件200和梁中部腰筋300。
其中，多个立柱100、设置于钢筋混凝土框架梁结构顶部和底部的多组钢筋组件200和梁中部腰筋300，其中，多组钢筋组件200的每组钢筋组件200设置于相邻立柱100之间，且设置于梁顶部200的下方，每组钢筋组件200包括：套筒变形释放装置210，套筒变形释放装置210位于或临近钢筋混凝土框架梁结构在竖向载荷作用下的弯矩最小处；所述梁中部腰筋300用于承担梁截面处初始拉力，并在所述套筒变形释放装置210开始提供抗拉能力时，所述梁中部腰筋300由于变形需求较小也不会被拉断，使得所述梁截面处抗弯承载力实现二次上升。(1)该结构在正常使用时，不会对安全性造成影响；(2)该结构在地震荷载作用下，至少能够在一定程度上使结构形成“强柱弱梁”的破坏模式，从而提高结构抗地震倒塌能力；(3)该结构在地震荷载作用下接近倒塌时，梁中承载力会实现二次上升，从而进一步提高结构抗地震倒塌能力；(4)并在爆炸、冲击等荷载作用下使得结构发生局部柱子失效时，至少能够在一定程度上增大结构的悬链线竖向拉结抗力，从而提高结构的防连续倒塌能力。
下面将套筒变形释放装置210的构造结合图2-4的实施例进行详细描述。
进一步地，在本发明的一个实施例中，套筒变形释放装置210包括：套筒211、法兰螺母212、内螺丝和外螺丝213。
具体而言，如图2结合图3和图4所示，套筒变形释放装置210由三部分组成：套筒211、法兰螺母212、内外螺丝213。其中，法兰螺母212的法兰外径略小于套筒211内径，以确保法兰螺母212可以在套筒211内自由滑动；内外螺丝213的外螺纹直径与套筒211的内径相同，内外螺丝213与套筒211可以以螺纹相互连接。
在该实施例中，如图3所示，内外螺丝213与套筒211可以以螺纹相互连接，由此固定方便、牢靠。但本发明实施例并不限于此，例如内外螺丝213与套筒211也可以是通过焊接或其它方式相互连接。
下面将参考图1-4详细描述根据本发明实施例的钢筋组件200，该钢筋组件200可应用于钢筋混凝土梁结构中。
进一步地，在本发发明的一个实施例中，钢筋组件200还包括：梁中纵筋220。其中，梁中纵筋220连接设置于套筒变形释放装置210的两端。
具体而言，如图1-4所示，根据本发明实施例的钢筋组件200包括套筒变形释放装置210和梁中纵筋220。其中，内外螺丝213的内螺纹直径与梁中纵筋220的端头螺纹直径相同，二者通过螺纹相连接；法兰螺母212的内径与梁中纵筋220的端头螺纹直径相同，二者通过螺纹相连接。
如图3所示，如图3为钢筋组件200的初始状态，当梁中纵筋220开始受拉力时，法兰螺母212可以在套筒211内自由滑动，此时梁中纵筋220不能提供抗拉承载力；当梁中纵筋220开始受压力时，其抗压承载力与普通钢筋相同。图4所示状态为钢筋组件200受拉力的最终状态，法兰螺母212到达套筒211的另一端并被限制滑动，即梁中纵筋220在套筒中拉紧，此时梁中纵筋220开始提供抗拉承载力。
该钢筋组件200在受到拉力时，梁中纵筋220在套筒变形释放装置210中会发生初始滑移，因此该钢筋组件200在具有与传统钢筋相同强度的情况下，还具有比传统钢筋更好的延伸变形能力。通过控制套筒211空腔的长短、构造等还可以形成具有不同变形能力的套筒变形释放装置210。
该实施例中梁中纵筋220的端头螺纹采用先墩粗、再用钢筋套丝机等工具滚轧等工艺加工形成。该实施例中套筒变形释放装置210的材料强度、几何尺寸设计需保证梁中纵筋220在受到极限拉力时，梁中纵筋220先发生断裂而套筒变形释放装置210不发生破坏。
需要说明的是，这里关于钢筋组件的各项几何尺寸描述仅是示意性的，不能理解为是对本发明实施例的一种限制。
进一步地，在本发明的一个实施例中，位于上面的一组钢筋组件200的套筒变形释放装置210与位于下面的一组钢筋组件200的套筒变形释放装置210在竖向上相互错开预设位置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，位于下面的一组钢筋组件200的套筒变形释放装置210离临近的梁柱节点区远于位于上面的一组钢筋组件200的套筒变形释放装置210离临近的梁柱节点区。
可以理解的是，钢筋组件200包括上下间隔设置的至少两组，位于上面的一组钢筋组件200的套筒变形释放装置210与位于下面的一组钢筋组件200的套筒变形释放装置210在竖向上相互错开一定位置，且位于下面的一组钢筋组件200的套筒变形释放装置210离临近的梁柱节点区较远，以避免正常使用下的梁剪切破坏。另外，如图1和图5所示，在将套筒变形释放装置210布置在梁中时，套筒变形释放装置210的布置方向可使得内外螺丝213距离相对较近的梁柱节点区较法兰螺母212近。
进一步地，在本发明的一个实施例中，多组钢筋组件的部分钢筋组件并排间隔设置并处于同一水平高度。
具体而言，如图1所示，钢筋组件200可以分为梁顶部一组钢筋结构和梁底部一组钢筋结构。可选地，每组钢筋组件200包括并排间隔设置并处于同一水平高度的多个钢筋组件200，如每排钢筋组件200包括两个钢筋结构，但不限于此。
下面对根据本发明实施例的钢筋混凝土框架梁结构10并结合图1、图5-8的实施例进行描述。
(1)在正常使用时，由于套筒变形释放装210位于或临近钢筋混凝土框架梁结构在竖向载荷作用下的弯矩最小处，不会对结构正常使用的安全性造成影响。(2)在地震荷载作用下，套筒变形释放装置210不提供初始拉力，该截面处初始拉力由腰筋承担，梁有效高度至少在一定程度上降低，从而使得套筒变形释放装置210处的梁截面具有较低的承载力，梁铰率先在此处产生，从而确保“强柱弱梁”的破坏模式的实现。(3)在地震荷载作用下结构接近倒塌时，套筒变形释放装置变形全部释放，钢筋在套筒中拉紧，此时套筒变形释放装置开始提供抗拉能力，同时梁中部腰筋由于变形需求较小也不会被拉断，因此该梁截面处抗弯承载力可实现二次上升，从而降低结构倒塌风险。(4)在结构发生局部柱子失效导致连续倒塌时，套筒变形释放装置变形全部释放，钢筋在套筒中拉紧，此时套筒变形释放装置开始提供抗拉能力，同时梁中部腰筋由于变形需求较小也不会被拉断，因此该梁截面处具有比普通梁截面更大的转动变形能力、和普通梁截面相同的梁轴向抗拉能力，从而可提高结构的防连续倒塌能力。
具体而言，如图1所示，钢筋混凝土框架梁结构10可以包括立柱100，梁顶部200和底部的钢筋组件200和梁中部腰筋300。梁顶部和底部的钢筋组件100和梁中部腰筋101设置在相邻的两个立柱100之间。立柱100可以是竖向设置的，梁顶部和底部的钢筋组件200和梁中部腰筋300可以正交地布置在相邻两个立柱100之间，立柱100同样可以采用钢筋混凝土结构。
由此，根据本发明实施例的钢筋混凝土框架梁结构10中由于配置有梁顶部和底部的钢筋组件200：(1)在正常使用时，由于套筒变形释放装210位于或临近钢筋混凝土框架梁结构在竖向载荷作用下的弯矩最小处，不会对结构正常使用的安全性造成影响。(2)在地震荷载作用下，如图1所示，套筒变形释放装置210不提供初始拉力，该截面处初始拉力由梁中部腰筋300承担，梁有效高度至少在一定程度上降低，从而使得套筒变形释放装置210处的梁截面具有较低的承载力。如图6所示，从根据本发明实施例的钢筋混凝土框架梁结构10在竖向荷载(F1)和水平荷载(F2)下的弯矩图进行对比可知：框架梁结构在竖向载荷(F1)作用下，在套筒变形释放装置210处的弯矩接近为零，在受到水平荷载(F2)时，该截面的弯矩变为一个较大值。该钢筋混凝土梁在平时主要承受竖向荷载，如建筑自重和楼面活荷载等，在套筒变形释放装置210处弯矩较小，其截面承载力虽小，但仍是足够的。而在遭遇地震时，该截面的弯矩如图6所示将增大很多，相比其它截面，该截面由于承载力被削弱，会率先屈服形成塑性铰，从而达成“强柱弱梁”机制。(3)在地震荷载作用下结构接近倒塌时，如图7所示，套筒变形释放装置210变形全部释放，梁中纵筋220在套筒211中拉紧，此时套筒变形释放装置210开始提供抗拉能力，同时梁中部腰筋300由于变形需求较小也不会被拉断，因此该梁截面处抗弯承载力将会二次上升，从而降低结构倒塌风险。(4)在结构发生局部柱子失效导致连续倒塌时，如图8所示，套筒变形释放装置210变形全部释放，梁中纵筋220在套筒211中拉紧，此时套筒变形释放装置210开始提供抗拉能力，同时梁中部腰筋300由于变形需求较小也不会被拉断，因此该梁截面处具有比普通梁截面更大的转动变形能力、和普通梁截面相同的梁轴向抗拉能力，从而可提高结构的防连续倒塌能力。
进一步地，如图5所示，由于梁中配置套筒变形释放装置210截面处起抗弯承载力主要由梁中部腰筋300配置量决定，当贯通布置的梁中部腰筋300配置量不足时，还可另外配置非贯通布置的、带有锚固端的附加腰筋。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的结构10还包括：梁中加强结构400。其中，梁中加强结构400至少设置在变形结构处。
在本发明的一个实施例中，每组钢筋组件200通过箍筋固定，箍筋构成梁中加强结构400，套筒变形释放装置210处配置加密箍筋。
可以理解的是，为了增加套筒变形释放装置210处的梁截面变形能力，还可以在套筒变形释放装置210处设置加强结构400。其中，加强结构不仅可以设置在套筒变形释放装置210处，还可以设置在钢筋组件200的其它位置。由此，由于套筒变形释放装置210具有优秀的变形能力，使得该处梁截面在屈服后拥有更好的转动能力，加上配置的加强结构例如箍筋，使得套筒变形释放装置210处梁截面的转动能力得到了更好的保障。在一些实施例中，套筒变形释放装置210处梁截面处还可以配置加密箍筋，换言之，该处设置的箍筋密度相对较大。
根据本发明实施例提出的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，通过设置套筒变形释放装置且配置梁中部腰筋，在地震荷载作用下，至少能够在一定程度上使结构形成“强柱弱梁”的破坏模式，从而提高结构抗地震倒塌能力；并在爆炸、冲击等荷载作用下使得结构发生局部柱子失效时，至少能够在一定程度上增大结构的悬链线竖向拉结抗力，从而提高结构的防连续倒塌能力。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，其特征在于，包括：
多个立柱、设置于钢筋混凝土框架梁结构顶部和底部的多组钢筋组件和梁中部腰筋，其中，
所述多组钢筋组件的每组钢筋组件设置于相邻立柱之间，所述每组钢筋组件包括：套筒变形释放装置，所述套筒变形释放装置位于或临近所述钢筋混凝土框架梁结构在竖向载荷作用下的弯矩最小处；
所述梁中部腰筋用于承担梁截面处初始拉力，并在所述套筒变形释放装置开始提供抗拉能力时，所述梁中部腰筋由于变形需求较小也不会被拉断，使得所述梁截面处抗弯承载力实现二次上升。
2.根据权利要求1所述的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，其特征在于，还包括：
梁中加强结构，所述梁中加强结构至少设置在所述变形结构处。
3.根据权利要求2所述的提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，其特征在于，所述每组钢筋组件通过箍筋固定，所述箍筋构成所述梁中加强结构，所述套筒变形释放装置处配置加密箍筋。
4.根据权利要求1所述的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，其特征在于，所述钢筋组件还包括：
梁中纵筋，所述梁中纵筋连接设置于所述套筒变形释放装置的两端。
5.根据权利要求1所述的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，其特征在于，所述套筒变形释放装置包括：套筒、法兰螺母、内螺丝和外螺丝。
6.根据权利要求1所述的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，其特征在于，位于梁顶部的一组钢筋组件的套筒变形释放装置与位于梁底部的一组钢筋组件的套筒变形释放装置在竖向上相互错开预设位置。
7.根据权利要求6所述的可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，其特征在于，所述位于梁底部的一组钢筋组件的套筒变形释放装置离临近的梁柱节点区远于所述位于梁顶部的一组钢筋组件的套筒变形释放装置离临近的梁柱节点区。
8.根据权利要求1-7任一项所述的提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构，其特征在于，所述多组钢筋组件的部分钢筋组件并排间隔设置并处于同一水平高度。
CN201810982100.7A 2018-08-27 2018-08-27 可提高结构综合抗倒塌能力的钢筋混凝土框架梁结构 Pending CN108824697A (zh)

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