CN110457836B - 除尘器箱体墙板-立柱结构体系中间立柱的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了除尘器箱体墙板‑立柱结构体系中间立柱的设计方法,属于结构工程技术领域。本发明通过对除尘器箱体加劲墙板‑H形截面立柱结构进行大量有限元模型的计算分析,充分考虑了墙板与加劲肋协同受载对于H形截面中间立柱抗弯能力的提高,根据除尘器箱体墙板壁厚t、相邻立柱间墙板宽度b、H形截面立柱惯性矩Iy以及立柱跨度l这四个数值拟合提出了立柱截面模量增大系数的计算方法,继而根据弯曲强度验算确定H形截面中间立柱安全可靠且经济合理的截面尺寸,此截面尺寸既能够使得H形截面中间立柱满足抗弯承载力要求,又能够尽可能的利用墙板以及加劲肋的受力作用以减少H形截面中间立柱耗材、降低除尘器箱体成本。
Description
技术领域
本发明涉及除尘器箱体墙板-立柱结构体系中间立柱的设计方法,属于结构工程技术领域。
背景技术
除尘器是可把粉尘从烟气中分离出来的环保装备,被广泛应用于火电、冶金、化工和建材等行业中用以消除烟尘。除尘器的性能一般用其可处理的气体量、气体通过除尘器时的阻力损失和除尘效率来表达;同时,除尘器的价格、维护费用以及使用寿命也是考虑其性能的重要因素。
对于除尘器来说,除内部的除尘装置外,其价格、维护费用的高低以及使用寿命的长短还与其箱体围护结构的质量有关。一般情况下,箱体围护结构质量越高,除尘器越不容易收到损坏,相应的,其维护费用会变低、使用寿命则相对长,但同时,其价格也会越高。因此,如何在保证除尘器箱体围护结构质量的前提下,尽可能的降低其制作成本是除尘器生产商和使用者关注的焦点。
如图1-4所示,目前的除尘器箱体围护结构一般为加劲墙板-H形截面立柱结构体系,加劲墙板-H形截面立柱结构体系一般包含若干H形截面中间立柱,若干平行于H形截面中间立柱的H形截面边缘立柱,焊接于相邻H形截面中间立柱的第一翼缘以及H形截面边缘立柱的第三翼缘之间的墙板,焊接于H形截面中间立柱和H形截面边缘立柱上的若干撑杆,焊接于墙板上且位于相邻H形截面中间立柱与H形截面边缘立柱之间的若干加劲肋,以及将加劲肋与H形截面中间立柱或H形截面边缘立柱相连的连接板。
当除尘器箱体围护结构为加劲墙板-H形截面立柱结构体系时,H形截面立柱的翼缘会与墙板连续焊接连接,形成受力整体,墙板主要直接承受由除尘器箱体内外温差造成的空气负压(由外向内作用)和风荷载等横向荷载,由于H形截面立柱是墙板两侧的支承边界,这部分横向荷载会传递到H形截面立柱,使得H形截面立柱承担横向荷载,因此,H形截面立柱,尤其是同时承受两块墙板带来的横向荷载的H形截面中间立柱是除尘器箱体结构设计中最重要的受力对象之一。
现有的H形截面中间立柱在承受横向荷载时的设计一般仅考虑H形截面中间立柱单独承担荷载,不考虑墙板和加劲肋等其他结构部件的作用,这无疑大大增加了H形截面中间立柱的耗材,造成了极大的浪费,不利于除尘器市场的进一步发展。
发明内容
[技术问题]
本发明要解决的技术问题是提供一种既能够使得中间立柱满足抗弯承载力要求,又能够尽可能的利用墙板以及加劲肋的受力作用以减少中间立柱耗材、降低除尘器箱体成本的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法。
[技术方案]
为解决上述问题,本发明提供了一种基于抗弯强度的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法,所述方法为在设计除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构的中间立柱截面时,除考虑中间立柱本身具有的抗弯承载力外,还引入墙板和加劲肋对中间立柱抗弯承载力的影响,拟合除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系的墙板壁厚t、相邻立柱间墙板宽度b、H形截面立柱惯性矩Iy以及立柱跨度l这四个数值,以得到中间立柱的截面模量Wr的数值。
在本发明的一种实施方式中,所述方法包含如下步骤:
步骤一:根据需设计中间立柱截面的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系,初步试设中间立柱的立柱截面模量预设值为W,并确定除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中的墙板壁厚t、相邻立柱间墙板宽度b、H形截面立柱惯性矩Iy以及立柱跨度l的数值;
其中,所述H形截面立柱为双轴对称热轧H型钢或钢板焊接组合H形截面立柱,其H形截面立柱惯性矩Iy和立柱截面模量预设值W可通过型钢表查询获得,或者,通过下式计算所得:
H形截面立柱惯性矩Iy满足下述公式:
Iy=bf×(h0+tf)3/12-(bf-tw)×(h0-tf)3/12;
立柱截面模量预设值W满足下述公式:
W=Iy/[(h0+tf)/2];
式中,bf为中间立柱翼缘宽度,tf为中间立柱翼缘壁厚,h0为翼缘板中心线之间间距,tw为中间立柱腹板壁厚;
翼缘板中心线之间间距h0满足下述公式:
h0=hw+tf;
式中,hw为中间立柱腹板高度;
上述数值中,相邻立柱间墙板宽度b的单位为m,除尘器箱体立柱截面惯性矩Iy的单位为m4,其余均以mm为单位;
步骤二:引入参数立柱截面模量增大系数η,并使η满足下述公式:
步骤三:引入参数立柱截面模量Wr,并使Wr满足下述公式:
Wr=Mmax/(η×f);
式中,Mmax为立柱截面承受的最大弯矩值,f为钢材强度设计值;
步骤四:若除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系的中间立柱截面模量预设值W大于等于中间立柱设计截面模量Wr,则表明中间立柱截面模量预设值W合理,中间立柱截面设计合理;若除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系的立柱截面模量预设值W小于中间立柱设计截面模量Wr,则表明中间立柱截面设计过小,需要加大中间立柱截面模量预设值W,然后重新验算W是否满足大于等于Wr;若除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系的中间立柱截面模量预设值W大于中间立柱设计截面模量Wr过多,则表明中间立柱截面设计过大,抗弯承载力过多,需要减小中间立柱截面模量预设值W,然后重新验算W是否满足大于等于Wr,确保中间立柱截面设计合理。
在本发明的一种实施方式中,所述Mmax的计算方法记载于公开号为CN108021775A的专利申请文本中。
在本发明的一种实施方式中,所述除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构包含若干H形截面中间立柱,两个平行于H形截面中间立柱的H形截面边缘立柱,以及焊接于H形截面中间立柱的第一翼缘和与之相邻的H形截面边缘立柱的第三翼缘之间或焊接于相邻两个H形截面中间立柱的第一翼缘之间的墙板;所述H形截面中间立柱位于两个H形截面边缘立柱之间;所述墙板平行于H形截面中间立柱的第一翼缘以及H形截面边缘立柱的第三翼缘;
所述H形截面中间立柱和H形截面边缘立柱上设有若干撑杆;所述撑杆垂直于墙板;所述撑杆的一端焊接于H形截面中间立柱的第一翼缘或H形截面边缘立柱的第三翼缘;
所述H形截面中间立柱和与之相邻的H形截面边缘立柱之间以及相邻两个H形截面中间立柱之间均设有若干加劲肋;所述加劲肋垂直于H形截面中间立柱的第一腹板;所述加劲肋的两端分别通过连接板焊接于H形截面中间立柱的第一腹板以及与之相邻的H形截面边缘立柱的第二腹板上或分别通过连接板焊接于相邻两个H形截面中间立柱的第一腹板上。
在本发明的一种实施方式中,所述加劲肋为角钢加劲肋、工字钢加劲肋或槽钢加劲肋。
在本发明的一种实施方式中,所述连接板垂直于H形截面中间立柱的第一腹板、垂直于墙板且焊接于H形截面中间立柱的第一翼缘和第二翼缘之间;或者,所述连接板垂直于H形截面边缘立柱的第二腹板、垂直于墙板且焊接于H形截面边缘立柱的第三翼缘和第四翼缘之间。
在本发明的一种实施方式中,所述连接板同时焊接于H形截面中间立柱的第一腹板、第一翼缘、第二翼缘以及加劲肋垂直于墙板的那条边;或者,所述连接板同时焊接于H形截面边缘立柱的第二腹板、第三翼缘、第四翼缘以及加劲肋垂直于墙板的那条边。
在本发明的一种实施方式中,所述中间立柱截面是指中间立柱垂直于X轴的截面。
在本发明的一种实施方式中,所述立柱跨度是指位于H形截面中间立柱上的撑杆之间的间距,即立柱横向支撑间距。
在本发明的一种实施方式中,所述H形截面中间立柱的数量为N个,墙板的数量为N+1个,其中,N为大于等于1的自然数。
[有益效果]
(1)本发明通过对除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构进行大量有限元模型的计算分析,充分考虑了加劲墙板与H形截面立柱协同受载对于H形截面中间立柱抗弯能力的提高,根据除尘器箱体墙板壁厚t、相邻立柱间墙板宽度b、H形截面立柱惯性矩Iy以及立柱跨度l这四个数值拟合提出了立柱截面模量增大系数的计算方法,继而根据弯曲强度验算确定H形截面中间立柱安全可靠且经济合理的截面尺寸,此截面尺寸既能够使得H形截面中间立柱满足抗弯承载力要求,又能够尽可能的利用墙板以及加劲肋的受力作用以减少H形截面中间立柱耗材、降低除尘器箱体生产制作的成本;
(2)当需设计尺寸为墙板宽度b=4030mm,每跨内加劲肋区格数n=5,墙板厚度t=7mm,墙板角钢加劲肋尺寸为∟125×80×8,立柱为三跨,立柱横向支撑间距l=3000mm,横向荷载设计值P=9000Pa的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱时,利用本发明的设计方法,可得到面积为2592mm2的H形截面中间立柱,而利用一般工程的设计方法,需要采用面积为3040mm2的H形截面中间立柱,即利用本发明的方法可节省17.3%的H形截面中间立柱的耗材。
附图说明
图1为除尘器箱体的立体结构模型示意图。
图2为除尘器箱体的正视结构示意图。
图3为除尘器箱体的横截面的整体结构示意图。
图4为除尘器箱体的横截面的部分结构示意图。
图5为本发明中间立柱截面模量增大系数与墙板加劲肋刚度关系曲线。
图6为本发明中间立柱截面模量增大系数与墙板壁厚关系曲线。
图7为本发明中间立柱截面模量增大系数与相邻立柱间墙板宽度关系曲线。
图8为本发明中间立柱截面模量增大系数与立柱截面惯性矩关系曲线。
图9为本发明中间立柱截面模量增大系数与立柱跨度关系曲线。
图10为本发明中间立柱截面模量增大系数与一跨立柱范围内墙板区格数关系曲线。
图1-4中,H形截面中间立柱1、H形截面边缘立柱2、墙板3、第一翼缘4、第二翼缘5、第一腹板6、第三翼缘7、第四翼缘8、第二腹板9、加劲肋10、连接板11以及撑杆12。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图,对本发明进行进一步的阐述。
如图1-4所示,除尘器箱体加劲钢板墙板-H形截面立柱结构体系中,除尘器箱体墙板直接承受横向均布荷载P作用,横向荷载会分配传递到墙板两侧立柱,使立柱受到弯矩。由于墙板与立柱连续焊接连接,墙板发挥受力蒙皮作用,使得抗弯部件不仅仅限于H形截面立柱,而且包含了立柱两侧部分墙板,这样实际的抗弯构件截面增大,立柱抗弯能力增强。为了考虑墙板对于立柱抗弯的提升作用,一种有效的解决思路是在进行立柱抗弯强度计算时将H形截面立柱截面模量增大。
现有的立柱内力计算方法步骤简述如下:第一步,不考虑墙板与立柱的协同工作,将上、下相邻加劲肋和左、右两侧立柱围成的墙板区格作为一块四边简支受横向均布荷载作用的独立工作弹性板,求解边界横向反力;第二步,将各区格墙板边界横向反力反向作用到立柱,立柱作为一独立工作的等截面多跨连续梁求解其最大弯矩M;第三步,考虑墙板与立柱的协同工作效应,以及实际墙板并非四边简支边界条件所带来的影响,增大立柱截面模量,计算立柱上最大弯曲正应力,完成抗弯强度计算。
有限元方法可以准确反映除尘器箱体墙板-立柱结构体系中各部件的协同工作与内力分配,本发明将其计算结果作为真解,通过有限元软件ANSYS对不同几何构造的除尘器箱体进行数值模拟,提出立柱截面模量增大系数的计算方法,具体思路是如下:
采用不考虑立柱与墙板协同工作的内力计算方法求解立柱上最大弯矩Mmax,在抗弯强度计算时对立柱截面模量进行修正,使得理论计算得到最大正应力与有限元方法计算得到立柱截面最大正应力σFEM相等,因此立柱修正后的截面模量Ws’可由下式得到:
Ws'=Mmax/σFEM。
为消除理论计算两方面的误差:一是没有考虑墙板与立柱的协同工作效应,二是对于墙板边界的简化,引入立柱截面模量增大系数η按下式计算:
η=Ws'/W=σt/σFEM;
式中,σt为理论计算方法得到的立柱截面最大正应力,σt=Mmax/W;σFEM为有限元方法计算得到的对应截面最大正应力。
利用立柱截面模量增大系数η,工程设计人员可以方便准确地按照下式算出立柱内力最大截面最大正应力σmax,从而设计出安全经济的立柱截面,σmax可由下式得到:
σmax=Mmax/(η×W)。
由于墙板为立柱后翼缘分担了部分荷载,导致立柱前、后翼缘应力水平有明显差异,因此假定立柱两侧宽度为bwe的墙板(定义为有效宽度内墙板,如图1所示,其正应力水平保持均匀不变)与立柱组成组合截面,共同承担弯矩作用,立柱截面上的轴力大小等同于墙板为立柱所分担的荷载大小,利用有限元解答根据平衡关系推导出墙板一侧的有效宽度bwe,以此衡量墙板在整个结构体系中参与抵抗弯矩的贡献大小,bwe可由下式得到:
bwe=NFEM/(2×σFEM′×t);
式中,NFEM为有限元方法计算得到的立柱截面轴力,σFEM’为有限元方法计算得到的立柱后翼缘正应力值。
有限元计算分析过程说明如下:
1、定义单元:所有结构部件均采用Shell181单元模拟。
2、定义材料:由于横向荷载对结构体系的作用效应较小,变形和应力水平均较低,因此进行线弹性计算。制作除尘器一般采用Q235钢材,其屈服强度fy=235MPa,弹性模量E=2.06×105MPa,泊松比ν=0.3。
3、施加约束情况:除尘器箱体墙板顶端与箱体加劲顶板连接,因此在墙板顶部边界施加垂直墙板方向(Z向)的平动约束。墙板底端与灰斗加劲壁板连接,因此在墙板底端边界施加垂直墙板方向的平动约束。立柱受等间距布置的横向支撑(垂直于墙板方向)约束,在立柱与横向支撑连接处施加垂直墙板方向的平动约束。在中间立柱柱底施加三个方向的平动约束。由于箱体内烟气往往是高温,为了释放温度变形,两侧边缘立柱底部仅施加沿墙板高度方向(X向)和垂直于墙板方向的约束,以实现结构在墙板平面内(Y向)可以伸缩变形。
4、施加荷载情况:除尘器箱体墙板在运行过程中受到风荷载以及内外压差(负压)产生垂直于墙板的横向均布荷载,在墙板上施加横向均布荷载。
实施例1~38考察除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中墙板加劲肋刚度对立柱截面模量增大系数η的影响。
实施例1:
除尘器箱体立柱截面为H200mm×150mm×6mm×9mm(截面高h×翼缘宽bf×腹板厚tw×翼缘厚tf),立柱为三跨立柱,每跨内加劲肋区格数n为3个,墙板角钢加劲肋壁厚ts为6mm,墙板厚度t为6mm,墙板宽度b为3500mm,立柱横向支撑间距l为3100mm。
实施例2~实施例12:
实施例2~实施例12相对于实施例1仅改变墙板角钢加劲肋壁厚ts的大小,以此改变加劲肋截面刚度,具体构造参数与立柱截面模量增大系数η比较如表1所示。
表1立柱截面模量增大系数η与墙板加劲肋壁厚ts数量关系
实施例13:
除尘器箱体立柱截面为H250mm×175mm×7mm×11mm(截面高h×翼缘宽bf×腹板厚tw×翼缘厚tf),立柱为三跨立柱,每跨内加劲肋区格数n为4个,墙板角钢加劲肋壁厚ts为8mm,墙板厚度t为6mm,墙板宽度b为3850mm,立柱横向支撑间距l为4504mm。
实施例14~实施例20:
实施例14~实施例20相对于实施例13仅改变墙板角钢加劲肋壁厚ts的大小,具体构造参数与立柱截面模量增大系数η比较如表2所示。
表2立柱截面模量增大系数η与墙板加劲肋壁厚ts数量关系
实施例21:
除尘器箱体立柱截面为H294mm×200mm×8mm×12mm(截面高h×翼缘宽bf×腹板厚tw×翼缘厚tf),立柱为三跨立柱,每跨内加劲肋区格数n为5个,墙板角钢加劲肋壁厚ts为8mm,墙板厚度t为7mm,墙板宽度b为4030mm,立柱横向支撑间距l为5200mm。
实施例22~实施例33:
实施例22~实施例33相对于实施例21仅改变墙板角钢加劲肋壁厚ts的大小,具体构造参数与立柱截面模量增大系数η比较如表3所示。
表3立柱截面模量增大系数η与墙板加劲肋壁厚ts数量关系
实施例34:
除尘器箱体立柱截面为H300mm×300mm×10mm×15mm(截面高h×翼缘宽bf×腹板厚tw×翼缘厚tf),立柱为四跨立柱,每跨内加劲肋区格数n为5个,墙板角钢加劲肋壁厚ts为8mm,墙板厚度t为7mm,墙板宽度b为4550mm,立柱横向支撑间距l为5000mm。
实施例35~实施例38:
实施例35~实施例38相对于实施例34仅改变墙板角钢加劲肋壁厚ts的大小,具体构造参数与立柱截面模量增大系数η比较如表4所示。
表4立柱截面模量增大系数η与墙板加劲肋壁厚ts数量关系
以实施例组:“实施例1-ts”为例,其编号意义为该组实施例基本参数同实施例1,仅改变墙板加劲肋壁厚ts,后文分析涉及的实施例组编号意义同此。
四组实施例立柱截面模量增大系数与墙板加劲肋刚度关系曲线如附图5所示,立柱截面模量增大系数随着墙板加劲肋刚度增大而增大。
考察比较实施例1~实施例12,加劲肋壁厚由4mm提高到15mm,加劲肋刚度提高275%,立柱截面模量增大系数仅提高了2.49%,墙板有效宽度bwe由139.47mm提高到142.69mm,有效宽度仅提高了2.3%。考察比较实施例13~实施例20,加劲肋壁厚由3mm提高到10mm,加劲肋刚度提高233%,立柱截面模量增大系数仅提高了1.75%,墙板有效宽度bwe由180.51mm提高到182.02mm,有效宽度仅提高了0.84%。考察比较实施例21~实施例33,加劲肋壁厚由3mm提高到15mm,加劲肋刚度提高400%,立柱截面模量增大系数仅提高了2.43%,墙板有效宽度bwe由202.13mm提高到205.85mm,有效宽度仅提高了1.84%。考察比较实施例34~
实施例38,加劲肋壁厚由6mm提高到10mm,加劲肋刚度提高66.7%,立柱截面模量增大系数仅提高了0.72%,墙板有效宽度bwe由142.14mm提高到143.06mm,有效宽度仅提高了0.65%。
综上所述,立柱截面模量增大系数随着墙板加劲肋刚度增大而增大,但是影响程度较小,各组算例均不超过2.5%,因此在制定立柱截面模量增大系数η的计算方法时不考虑墙板加劲肋刚度的影响。随着墙板加劲肋刚度增加,墙板整体刚度增加,使得墙板与立柱协同抵抗弯矩的作用小幅增强,墙板在整个结构体系中参与抗弯的贡献提高,因此墙板有效宽度小幅增大。
实施例39~77考察除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中墙板壁厚t对立柱截面模量增大系数η的影响。
实施例39~实施例49:
实施例39~实施例49相对于实施例1仅改变墙板厚度t的大小,由于墙板壁厚的改变,墙板分担荷载贡献大小换用墙板有效面积Awe衡量,其中Awe=bwe×t,具体立柱截面模量增大系数η与墙板壁厚参数t的数量关系如表5所示。
表5立柱截面模量增大系数η与墙板壁厚t数量关系
实施例50~实施例54:
实施例50~实施例54相对于实施例13仅改变墙板厚度t的大小,具体立柱截面模量增大系数η与墙板壁厚参数t的数量关系如表6所示。
表6立柱截面模量增大系数η与墙板壁厚t数量关系
实施例55~实施例65:
实施例55~实施例65相对于实施例21仅改变墙板厚度t的大小,具体立柱截面模量增大系数η与墙板壁厚参数t的数量关系如表7所示。
表7立柱截面模量增大系数η与墙板壁厚t数量关系
实施例66~实施例77:
实施例66~实施例77相对于实施例34仅改变墙板厚度t的大小,具体立柱截面模量增大系数η与墙板壁厚参数t的数量关系如表8所示。
表8立柱截面模量增大系数η与墙板壁厚t数量关系
四组实施例立柱截面模量增大系数与墙板厚度关系曲线如附图6所示。由附图6表明,随着墙板壁厚增大,立柱截面模量增大系数并非单调变化,先减小后增大。
当研究墙板壁厚改变产生的影响时,仅用墙板有效宽度衡量墙板为立柱分担荷载的贡献大小将不准确,因此改用墙板有效面积Awe衡量,其中Awe=bwe×t。考察比较实施例1、实施例39~实施例49,墙板壁厚由4mm提高到15mm,墙板壁厚提高275%,墙板有效面积Awe由536.07mm2提高到1790.58mm2,在立柱截面一定的情况下,墙板参与协同受力的有效面积提高了234%。考察比较实施例13、实施例50~实施例54,墙板壁厚由4mm提高到9mm,墙板壁厚提高125%,墙板有效面积Awe由686.54mm2提高到1574.97mm2,在立柱截面一定的情况下,墙板参与协同受力的有效面积提高了129.4%。考察比较实施例21、实施例55~实施例65,墙板壁厚由5mm提高到16mm,墙板壁厚提高220%,墙板有效面积Awe由997.2mm2提高到2816.96mm2,在立柱截面一定的情况下,墙板参与协同受力的有效面积提高了182.5%。考察比较实施例34、实施例66~实施例77,墙板壁厚由4mm提高到16mm,墙板壁厚提高300%,墙板有效面积Awe由259.38mm2提高到2511.86mm2,在立柱截面一定的情况下,墙板参与协同受力的有效面积提高了868.4%。因此随着墙板壁厚的提高,墙板在整个结构体系中参与抗弯的贡献明显提高。原因在于,随着墙板壁厚的增大,墙板抗弯刚度增大,因此墙板为立柱分担的荷载增大,墙板与立柱组合截面效应也增强。
对于附图4所示的组合截面(由H形截面立柱与两侧有效宽度范围内的墙板组合而成),在有效墙板面积增加时,截面应力最大侧边缘到组合截面中性轴y’-y’的距离z0单调增加,组合截面惯性矩Ic’也单调增加,由于两者增速不一致,组合截面模量Wc’=Ic’/z0先减小后增大。因此当墙板壁厚增大时,墙板参与抗弯的贡献是单调增加的,但是表现出墙板与立柱组合截面模量先减小后增大。由于立柱修正后的截面模量Ws’不仅反映墙板与立柱组合截面模量Wc’的影响,同时反映墙板边界条件对于计算结果的影响,因此η值并不随着bwe单调变化。
实施例78~100考察除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中墙板宽度b对立柱截面模量增大系数η的影响。
实施例78~实施例83:
实施例78~实施例83相对于实施例1仅改变墙板宽度b的大小,具体立柱截面模量增大系数η与墙板宽度b的数量关系如表9所示。
表9立柱截面模量增大系数η与墙板宽度b数量关系
实施例84~实施例89:
实施例84~实施例89相对于实施例13仅改变墙板宽度b的大小,具体立柱截面模量增大系数η与墙板宽度b的数量关系如表10所示。
表10立柱截面模量增大系数η与墙板宽度b的数量关系
实施例90~实施例96:
实施例90~实施例96相对于实施例21仅改变墙板宽度b的大小,具体立柱截面模量增大系数η与墙板宽度b的数量关系如表11所示。
表11立柱截面模量增大系数η与墙板宽度b的数量关系
实施例97~实施例100:
实施例97~实施例100相对于实施例34仅改变墙板宽度b的大小,具体立柱截面模量增大系数η与墙板宽度b的数量关系如表12所示。
表12立柱截面模量增大系数η与墙板宽度b的数量关系
上述四组实施例立柱截面模量增大系数与墙板宽度关系曲线如附图7所示。由附图7表明,随着墙板宽度增大,立柱截面模量增大系数并非单调变化,呈现先增大后减小。
为了研究随着墙板宽度的增大,墙板承担荷载的贡献大小,考察比较实施例1、实施例78~实施例83,墙板宽度由2000mm提高到7000mm,提高250%,墙板有效宽度bwe由162.24mm减小到121.01mm,降低25.4%。考察比较实施例84~实施例89,墙板宽度由2750mm提高到6050mm,提高120%,墙板有效宽度bwe由282.2mm减小到233.62mm,降低17.2%。考察比较实施例21、实施例90~实施例96,墙板宽度由2000mm提高到9000mm,提高350%,墙板有效宽度bwe由238.72mm减小到154.95mm,降低35.1%。考察比较实施例34、实施例97~实施例100,墙板宽度由3000mm提高到6000mm,提高100%,墙板有效宽度bwe由189.93mm减小到112.33mm,降低40.8%。因此随着墙板宽度的提高,墙板有效宽度逐渐减小,墙板在整个结构体系中参与受力的贡献也逐渐减小。分析其原因,随着墙板宽度的增大,板件宽厚比增大,加劲肋长度增大刚度减小,墙板整体刚度减小,因此墙板与立柱协同抵抗弯矩的作用减弱,墙板有效宽度减小,墙板在整个结构体系中参与抗弯的贡献减小。
实施例101~120考察除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中立柱截面惯性矩对立柱截面模量增大系数η的影响。
实施例101~实施例106:
实施例101~实施例106相对于实施例1仅改变立柱截面尺寸的大小,从而改变立柱截面惯性矩。具体立柱截面模量增大系数η与其截面惯性矩Iy的数量关系比较如表13所示。
表13立柱截面模量增大系数η与其截面惯性矩Iy的数量关系
实施例107~实施例110:
实施例107~实施例110相对于实施例13仅改变立柱截面尺寸的大小,具体立柱截面模量增大系数η与其截面惯性矩Iy的数量关系比较如表14所示。
表14立柱截面模量增大系数η与其截面惯性矩Iy的数量关系
实施例111~实施例114:
实施例111~实施例114相对于实施例21仅改变立柱截面尺寸的大小,具体立柱截面模量增大系数η与其截面惯性矩Iy的数量关系比较如表15所示。
表15立柱截面模量增大系数η与其截面惯性矩Iy的数量关系
实施例115~实施例120:
实施例115~实施例120相对于实施例34仅改变立柱截面尺寸的大小,立柱截面模量增大系数η与其截面惯性矩Iy的数量关系如表16所示。
表16立柱截面模量增大系数η与其截面惯性矩Iy的数量关系
上述四组实施例立柱截面模量增大系数与立柱截面惯性矩关系曲线如附图8所示。由附图8表明,随着立柱截面惯性矩的增大,立柱截面模量增大系数总体呈现出增大趋势。
为了研究随着立柱截面惯性矩的增大,墙板承担荷载的贡献大小,考察比较实施例1、实施例102、实施例104,三个实施例的H形截面立柱截面尺寸保持其余参数不变,仅改变翼缘宽,翼缘宽由150mm增大到300mm,立柱截面惯性矩Iy由3.05×107mm4提高到5.75×107mm4,墙板有效宽度bwe由140.27mm减小到100.56mm;考察比较实施例1、实施例101、实施例103、实施例105、实施例106,五个实施例的H形截面立柱截面尺寸保持其余参数不变,仅改变截面高度,截面高由150mm增大到800mm,立柱截面惯性矩Iy由1.66×107mm4提高到6.79×108mm4,墙板有效宽度bwe由145.73mm减小到66.16mm。考察比较实施例13、实施例108、实施例110,三个实施例的H形截面立柱截面尺寸保持其余参数不变,仅改变翼缘宽,翼缘宽由175mm增大到300mm,立柱截面惯性矩Iy由6.82×107mm4提高到1.11×108mm4,墙板有效宽度bwe由181.42mm减小到148.63mm;考察比较实施例13、实施例107、实施例109,三个实施例的H形截面立柱截面尺寸保持其余参数不变,仅改变截面高度,截面高由200mm增大到300mm,立柱截面惯性矩Iy由4.25×107mm4提高到1.01×108mm4,墙板有效宽度bwe由189.1mm减小到171.67mm。考察比较实施例21、实施例111、实施例114,三个实施例的H形截面立柱截面尺寸保持其余参数不变,仅改变截面高度,截面高由200mm增大到400mm,立柱截面惯性矩Iy由5.25×107mm4提高到2.31×108mm4,墙板有效宽度bwe由216.33mm减小到182.85mm。考察比较实施例115、实施例119、实施例120,三个实施例的H形截面立柱截面尺寸保持其余参数不变,仅改变截面高度,截面高由200mm增大到500mm,立柱截面惯性矩Iy由9.54×107mm4提高到6.58×108mm4,墙板有效宽度bwe由177.26mm减小到55.45mm;考察比较实施例34、实施例116~实施例118,四个实施例的H形截面立柱截面尺寸保持其余参数不变,仅改变翼缘宽,翼缘宽由200mm增大到500mm,立柱截面惯性矩Iy由1.54×108mm4提高到3.57×108mm4,墙板有效宽度bwe由177.32mm减小到54.1mm。因此随着立柱截面惯性矩的提高,立柱抗弯刚度增大,立柱与墙板组合体系中立柱的抗弯贡献增大,因此墙板在组合结构体系中参与抗弯的贡献减小。
实施例121~138考察除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱跨度l(即立柱横向支撑间距)对立柱截面模量增大系数η的影响。
实施例121~实施例127:
实施例121~实施例127相对于实施例1仅改变立柱跨度l的大小,具体立柱截面模量增大系数η与立柱跨度l的数量关系比较如表17所示。
表17立柱截面模量增大系数η与立柱跨度l的数量关系
实施例128~实施例131:
实施例128~实施例131相对于实施例13仅改变立柱跨度l的大小,具体立柱截面模量增大系数η与立柱跨度l的数量关系比较如表18所示。
表18立柱截面模量增大系数η与立柱跨度l的数量关系
实施例132~实施例135:
实施例132~实施例135相对于实施例21仅改变立柱跨度l的大小,具体立柱截面模量增大系数η与立柱跨度l的数量关系比较如表19所示。
表19立柱截面模量增大系数η与立柱跨度l的数量关系
实施例136~实施例138:
实施例136~实施例138相对于实施例34仅改变立柱跨度l的大小,具体立柱截面模量增大系数η与立柱跨度l的数量关系比较如表20所示。
表20立柱截面模量增大系数η与立柱跨度l的数量关系
四组实施例立柱截面模量增大系数与立柱跨度关系曲线如附图9所示。由附图9表明,随着立柱跨度的增大,立柱截面模量增大系数明显减小。
为了研究随着立柱跨度的增大,墙板承担荷载的贡献大小,考察比较实施例1、实施例121~实施例127,立柱跨度l由1911mm提高到8499mm,墙板有效宽度bwe由27.48mm增加到394.41mm。考察比较实施例13、实施例128~实施例131,立柱跨度l由2500mm提高到6500mm,墙板有效宽度bwe由32.77mm增加到305.73mm。考察比较实施例21、实施例132~实施例135,立柱跨度l由3000mm提高到8000mm,墙板有效宽度bwe由42.7mm增加到367.53mm。考察比较实施例34、实施例136~实施例138,立柱跨度l由3500mm提高到9185mm,墙板有效宽度bwe由5.1mm增加到439.1mm。因此随着立柱跨度增大,在立柱截面不变的情况下其抗弯刚度减小,尽管立柱跨度增大使得墙板高度增加,墙板抗弯刚度也会减小,但由于立柱抗弯刚度减小速度更快,因此立柱在整个结构体系中参与抗弯的贡献减小,墙板抗弯贡献增大,墙板有效宽度明显增大。
实施例139~153考察除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中一跨立柱范围内墙板区格数对立柱截面模量增大系数η的影响。
实施例139~实施例142:
实施例139~实施例142相对于实施例1仅改变一跨立柱范围内墙板区格数n的大小,具体立柱截面模量增大系数η与一跨立柱范围内墙板区格数目n的数量关系比较如表21所示。
表21立柱截面模量增大系数η与一跨立柱范围内墙板区格数目n的数量关系
实施例143~实施例146:
实施例143~实施例146相对于实施例13仅改变一跨立柱范围内墙板区格数n的大小,立柱截面模量增大系数η与一跨立柱范围内墙板区格数目n的数量关系比较如表22所示。
表22立柱截面模量增大系数η与一跨立柱范围内墙板区格数目n的数量关系
实施例147~实施例150:
实施例147~实施例150相对于实施例21仅改变一跨立柱范围内墙板区格数n的大小,立柱截面模量增大系数η与一跨立柱范围内墙板区格数目n的数量关系比较如表23所示。
表23立柱截面模量增大系数η与一跨立柱范围内墙板区格数目n的数量关系
实施例151~实施例153:
实施例151~实施例153相对于实施例34仅改变一跨立柱范围内墙板区格数n的大小,立柱截面模量增大系数η与一跨立柱范围内墙板区格数目n的数量关系如表24所示。
表24立柱截面模量增大系数η与一跨立柱范围内墙板区格数目n的数量关系
四组实施例立柱截面模量增大系数与一跨立柱范围内墙板区格数关系曲线如附图10所示。由附图10表明,随着一跨立柱范围内墙板区格数的增大,立柱截面模量增大系数略微增大,各组算例的影响程度均不超过1.3%;同时也表明墙板区格高度a和墙板区格宽高比b/a对η值影响不大,因此在制定立柱截面模量增大系数η的计算方法时不考虑墙板区格数目和宽高比的影响。
为了研究随着一跨立柱范围内墙板区格数的增大,墙板承担荷载贡献大小的变化情况,考察比较实施例1、实施例139~实施例142,墙板内区格数由2个增加到6个,提高200%;墙板有效宽度bwe由161.25mm降低到122.39mm,降低24.1%。考察比较实施例13、实施例143~实施例146,墙板内区格数由3个增加到7个,提高133%;墙板有效宽度bwe由194.33mm降低到168.27mm,降低13.4%。考察比较实施例21、实施例147~实施例150,墙板内区格数由4个增加到8个,提高100%;墙板有效宽度bwe由212.55mm降低到193.18mm,降低9.1%。考察比较实施例34、实施例151~实施例153,墙板内区格数由4个增加到7个,提高75%;墙板有效宽度bwe由151.69mm降低到135.12mm,降低10.9%。以实施例1-n为例,一跨立柱范围内区格数目变化实际是加劲肋数目改变,随着加劲肋数量的改变,墙板向边界的内力分配发生改变,当墙板内区格数由2个增加到6个,墙板传递给立柱的总横向荷载由68.8KN增加到124.9KN,其余荷载直接传递至立柱横向支撑,内力分配形式改变引起立柱直接承受的横向荷载增大,从而引起立柱弯矩增大,在同等结构下,立柱后翼缘正应力水平随之增大,计算得到的有效宽度值bwe减小。因此随着一跨墙板内加劲肋区格数增大,墙板在整个结构体系中参与抗弯的贡献减小。
综上,研究结果表明,墙板壁厚t、墙板宽度b、立柱截面惯性矩Iy及立柱跨度l对立柱截面模量增大系数影响较大,其余因素影响较小。分析得到这四项主要参数对立柱截面模量增大系数的定量影响规律,整理157个可靠的有限元模型计算结果数据,运用最小二乘法进行数值拟合,得到除尘器箱体墙板承受横向荷载作用时,考虑墙板参与抗弯对于立柱抗弯承载能力提升作用,立柱截面模量增大系数η如下计算:
式中,t、l单位为mm,b、Iy单位为m。
将提出的横向荷载作用下立柱截面模量增大系数η公式计算值与各研究模型实际值进行比较,最大误差不超过10.2%,平均误差为1.4%。因此此除尘器箱体立柱在横向荷载作用下立柱截面模量增大系数的计算方法全面考虑了结构体系中各构造参数与立柱截面最大正应力的定量影响关系,准确性较高,可作为工程实际中除尘器箱体承受横向荷载时立柱截面抗弯强度设计的参考公式。
实施例154:除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法
步骤一:根据需设计中间立柱截面的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系,初步试设中间立柱的立柱截面模量预设值为W,并确定除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中的墙板壁厚t、相邻立柱间墙板宽度b、H形截面立柱惯性矩Iy以及立柱跨度l的数值;
其中,所述H形截面立柱为双轴对称热轧H型钢或钢板焊接组合H形截面立柱,其H形截面立柱惯性矩Iy和立柱截面模量预设值W可通过型钢表查询获得,或者,通过下式计算所得:
H形截面立柱惯性矩Iy满足下述公式:
Iy=bf×(h0+tf)3/12-(bf-tw)×(h0-tf)3/12;
立柱截面模量预设值W满足下述公式:
W=Iy/[(h0+tf)/2];
式中,bf为中间立柱翼缘宽度,tf为中间立柱翼缘壁厚,h0为翼缘板中心线之间间距,tw为中间立柱腹板壁厚;
翼缘板中心线之间间距h0满足下述公式:
h0=hw+tf;
式中,hw为中间立柱腹板高度;
上述数值中,相邻立柱间墙板宽度b的单位为m,除尘器箱体立柱截面惯性矩Iy的单位为m4,其余均以mm为单位;
步骤二:引入参数立柱截面模量增大系数η,并使η满足下述公式:
步骤三:引入参数立柱截面模量Wr,并使Wr满足下述公式:
Wr=Mmax/(η×f);
式中,Mmax为立柱截面承受的最大弯矩值,f为钢材强度设计值;
步骤四:若除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系的中间立柱截面模量预设值W大于等于中间立柱设计截面模量Wr,则表明中间立柱截面模量预设值W合理,中间立柱截面设计合理;若除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系的立柱截面模量预设值W小于中间立柱设计截面模量Wr,则表明中间立柱截面设计过小,需要加大中间立柱截面模量预设值W,然后重新验算W是否满足大于等于Wr;若除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系的中间立柱截面模量预设值W大于中间立柱设计截面模量Wr过多,则表明中间立柱截面设计过大,抗弯承载力过多,需要减小中间立柱截面模量预设值W,然后重新验算W是否满足大于等于Wr,确保中间立柱截面设计合理。
实施例155:除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法的应用
对于一源于实际工程的除尘器箱体结构,需要设计中间立柱截面,具体结构尺寸为:墙板宽度b=4030mm,每跨内加劲肋区格数n=5,墙板厚度t=7mm,墙板角钢加劲肋尺寸为∟125×80×8,立柱为三跨,立柱横向支撑间距l=3000mm,横向荷载设计值P=9000Pa。
首先采用不考虑立柱与墙板协同工作的经典板壳理论内力计算方法求解立柱上最大弯矩Mmax=31.53KN·m;初步设计截面为H200mm×150mm×8mm×12mm(截面总高h×翼缘宽bf×腹板厚tw×翼缘厚tf)的焊接组合H形截面,Iy=35487317.33mm4,W=354873.17mm3,利用实施例154中的公式计算得到立柱截面模量增大系数η=1.15,计算得到满足抗弯强度需要的截面模量Wr=Mmax/(η×f)=127522.75mm3,立柱截面模量预设值W大于中间立柱设计截面模量Wr过多,则表明中间立柱截面设计过大,抗弯承载力富余过多,需要减小中间立柱截面模量预设值W;再次设计中间立柱截面为H150mm×100mm×6mm×9mm的焊接组合H形截面,Iy=10108584mm4,W=134781.12mm3,利用实施例154中的公式计算得到立柱截面模量增大系数η=1.11,计算得到满足抗弯强度需要的截面模量Wr=Mmax/(η×f)=132118.17mm3,满足W大于等于Wr,且富余不多,确定设计中间立柱截面为H150mm×100mm×6mm×9mm的焊接组合H形截面能满足满足抗弯强度要求,立柱截面积为2592mm2。
此时,设计得到的除尘器箱体立柱截面为H150mm×100mm×6mm×9mm,立柱为三跨立柱,每跨内加劲肋区格数n=5,墙板厚度t=7mm,墙板角钢加劲肋尺寸为∟125×80×8,墙板宽度b为4030mm,立柱横向支撑间距l为3000mm。
对于此算例建模进行有限元计算,设计荷载P=9000Pa,有限元方法计算得到立柱截面的最大正应力,求得的η真值为1.12,与利用实施例154中的公式的拟合值1.11相比误差仅为0.89%。
对比例1:现有除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法的应用
对于一源于实际工程的除尘器箱体结构,需要设计中间立柱截面,具体结构尺寸为:墙板宽度b=4030mm,每跨内加劲肋区格数n=5,墙板厚度t=7mm,墙板角钢加劲肋尺寸为∟125×80×8,立柱为三跨,立柱横向支撑间距l=3000mm,横向荷载设计值P=9000Pa。
需要根据抗弯强度设计中间立柱截面,首先采用不考虑立柱与墙板协同工作的经典板壳理论内力计算方法求解立柱上最大弯矩Mmax=31.53KN·m;利用现有工程设计常用方法,即不考虑墙板参与抗弯对于立柱抗弯承载能力提升作用可得到截面模量Wr=Mmax/f=146651mm3,对应设计中间立柱截面为H150mm×100mm×8mm×10mm,其截面模量为150418mm3大于Wr,立柱截面积为3040mm2。
综上,对比实施例155和对比例1可知,采用实施例154的立柱截面设计方法,中间立柱截面积可以节省17.3%,有效降低了耗钢量,并且,由实施例155可知,利用实施例154的立柱截面设计方法的计算值与真解的误差较小,较为可靠。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (9)
1.一种基于抗弯强度的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法,其特征在于,
所述方法包含如下步骤:
步骤一:根据需设计中间立柱截面的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系,初步试设中间立柱的立柱截面模量预设值为W,并确定除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中的墙板壁厚t、相邻立柱间墙板宽度b、H形截面立柱惯性矩Iy以及立柱跨度l的数值;
上述数值中,相邻立柱间墙板宽度b的单位为m,除尘器箱体立柱截面惯性矩Iy的单位为m4,其余均以mm为单位;
步骤二:引入参数立柱截面模量增大系数η,并使η满足下述公式:
步骤三:引入参数立柱截面模量Wr,并使Wr满足下述公式:
Wr=Mmax/(η×f);
式中,Mmax为立柱截面承受的最大弯矩值,f为钢材强度设计值;
步骤四:若除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系的中间立柱截面模量预设值W大于等于中间立柱设计截面模量Wr,则表明中间立柱截面模量预设值W合理,中间立柱截面设计合理;若除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系的立柱截面模量预设值W小于中间立柱设计截面模量Wr,则表明中间立柱截面设计过小,需要加大中间立柱截面模量预设值W,然后重新验算W是否满足大于等于Wr;若除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系的中间立柱截面模量预设值W大于中间立柱设计截面模量Wr 10%以上,则表明中间立柱截面设计过大,抗弯承载力过多,需要减小中间立柱截面模量预设值W,然后重新验算W是否满足大于等于Wr,确保中间立柱截面设计合理。
2.如权利要求1所述的一种基于抗弯强度的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法,其特征在于,所述除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构包含若干H形截面中间立柱,两个平行于H形截面中间立柱的H形截面边缘立柱,以及焊接于H形截面中间立柱的第一翼缘和与之相邻的H形截面边缘立柱的第三翼缘之间或焊接于相邻两个H形截面中间立柱的第一翼缘之间的墙板;所述H形截面中间立柱位于两个H形截面边缘立柱之间;所述墙板平行于H形截面中间立柱的第一翼缘以及H形截面边缘立柱的第三翼缘;
所述H形截面中间立柱和H形截面边缘立柱上设有若干撑杆;所述撑杆垂直于墙板;所述撑杆的一端焊接于H形截面中间立柱的第一翼缘或H形截面边缘立柱的第三翼缘;
所述H形截面中间立柱和与之相邻的H形截面边缘立柱之间以及相邻两个H形截面中间立柱之间均设有1个以上加劲肋;所述加劲肋垂直于H形截面中间立柱的第一腹板;所述加劲肋的两端分别通过连接板焊接于H形截面中间立柱的第一腹板以及与之相邻的H形截面边缘立柱的第二腹板上或分别通过连接板焊接于相邻两个H形截面中间立柱的第一腹板上。
3.如权利要求2所述的一种基于抗弯强度的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法,其特征在于,所述加劲肋为角钢加劲肋、工字钢加劲肋或槽钢加劲肋。
4.如权利要求3所述的一种基于抗弯强度的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法,其特征在于,所述连接板垂直于H形截面中间立柱的第一腹板、垂直于墙板且焊接于H形截面中间立柱的第一翼缘和第二翼缘之间;或者,所述连接板垂直于H形截面边缘立柱的第二腹板、垂直于墙板且焊接于H形截面边缘立柱的第三翼缘和第四翼缘之间。
5.如权利要求1-4任一所述的一种基于抗弯强度的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法,其特征在于,所述H形截面立柱为双轴对称热轧H型钢或钢板焊接组合H形截面立柱。
6.如权利要求5所述的一种基于抗弯强度的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法,其特征在于,所述中间立柱截面是指中间立柱垂直于X轴的截面。
7.如权利要求5所述的一种基于抗弯强度的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法,其特征在于,所述立柱跨度是指位于H形截面中间立柱上的撑杆之间的间距,即立柱横向支撑间距。
8.如权利要求5所述的一种基于抗弯强度的除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面的设计方法,其特征在于,所述H形截面中间立柱的数量为N个,墙板的数量为N+1个,其中,N为大于等于1的自然数。
9.权利要求1-4任一所述的方法在设计除尘器箱体加劲墙板-H形截面立柱结构体系中间立柱截面中的应用。
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