CN113931213B - 一种仅用于抗拔的桩基柔性连接节点及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种能够实现仅提供抗拔承载力与刚度,不提供抗压承载力与刚度的桩与筏板基础柔性连接的节点做法,以及研发该种节点的施工方法。该桩基柔性连接节点的桩身顶部具有二次浇筑成型的桩帽,且该桩帽的正投影面积大于桩身正投影面积,所述桩帽外围的筏板基础中预设强化作用的钢筋网;在桩帽顶部和筏板基础之间设有柔性可压缩板,所述桩身的下卧空间内设置围合桩身的护板,该护板上部与桩帽底部混凝土刚性接触,以及所述桩身侧面与护板之间设有填缝材料填充层;所述桩帽侧面与筏板基础之间设有填缝材料填充层。在枯水期,在竖向荷载的作用下,抗拔桩处于休眠状态。在丰水期,抗拔桩的作用逐渐发挥出来,保证了整体结构和局部结构不上浮。
Description
技术领域
该发明涉及桩基筏板基础技术领域。
背景技术
近年来,由于极端天气的增加及城市建设进程的加快,城市地下水位呈不断上升趋势,抗浮稳定安全事故时有发生。在建筑结构筏板基础的抗浮设计中,经常会遇到因场地地下水位太高而仅靠结构自重无法满足抗浮稳定的情况,设计师通常采用增加结构配重、设置抗浮锚杆以及设置抗拔桩三种方案来解决抗浮稳定的设计问题。
对于抗浮等级为甲级的工程,新的《建筑工程抗浮技术标准》将抗浮稳定系数提高至1.1,结构上部和内部填筑体的抗浮力组合系数确定为0.9,对采用增加结构配重的抗浮方案而言,其经济性受到较大的影响;由于裂缝控制的要求,普通锚杆的使用范围也大大受限,导致锚杆抗浮的应用难度增加。而采用桩基抗浮由于工艺成熟,受限制条件小,安全度好,其在抗浮设计中的应用越来越多。
传统的抗浮桩与结构筏板基础的连接的做法与抗压桩相同,即桩基与筏板基础刚性连接,先施工桩基,桩顶标高比筏板基础底高出50(100)mm,钢筋露出满足规范的锚固长度,通过筏板基础混凝土的整体浇筑,将桩身内的钢筋锚固于筏板基础中,从而实现桩基01与筏板基础00的刚性连接02,也就是说,传统做法中,桩基和筏板基础之间是刚性的连接关系。这种做法一般意义上无法实现仅将桩基作为抗拔桩使用的目的。具体有以下几点:
1、当天然地基的承载能力能够满足上部结构的竖向荷载对抗压的要求时,往往希望仅设置数量不多的桩基来弥补结构重量与地下水浮力的差值,桩不承担竖向压力,仅承担向上的拉力,从而以最经济的桩数量满足抗浮稳定;当结构仅在局部部位重量较轻时,往往希望仅在均布部位设置桩基来满足该部位的局部抗浮稳定(技术矛盾一)。
2、对于仅以桩基实现抗浮的情况,如果采用常规的桩与筏板基础连接节点,由于地下水位的变化,即,在枯水期地下水位较低时,地基筏板基础处于受压状态。由于桩基的竖向刚度远大于周边土体,结构压力荷载使地基变形时,桩与筏板基础的刚性连接会使桩基优先承担绝大部分的竖向荷载,导致仅按抗浮需求设置的桩数无法满足抗压承载力的安全(技术矛盾二)。
3、对于仅局部设置抗浮桩的情况,在受压和抗浮工况下由于天然地基部分与桩基部分沉降的差异,桩与筏板基础刚性连接会引起筏板基础的受力大大增加,导致筏板基础厚度的增加和配筋的增大,增加筏板基础设计的难度(技术矛盾三)。
4、目前设计惯常采用的做法是使桩基既满足抗压承载力,又满足抗拔承载力,两者取大值,造成桩基数量的浪费(技术矛盾四);桩基布置时会将桩集中布置在柱下等竖向荷载相对集中的区域,这样当地下水位升高时,在桩基提供的整体抗浮承载力满足的情况下,又会发生由于桩基布置的不均匀性,导致防水板局部抗浮承载力不足,变形过大,进而导致防水板开裂的问题。
发明内容
针对以上存在的众多技术矛盾和技术缺陷,需要将其全部克服,仅仅做局部的优化设计是不能实现的,需要从全局出发,提出一种能够实现仅提供抗拔承载力与刚度,不提供抗压承载力与刚度的桩与筏板基础柔性连接的节点做法,即将桩和筏板基础之间的刚性连接的弊端消除,有能够满足抗浮、抗拔需要的新型结构节点,以及研发该种节点的施工方法。
同时,在时间维度上,当天然地基的承载能力能够满足上部结构的竖向荷载对抗压的要求,而仅需要抗拔桩发挥其抗浮作用,或者对于一些大型工程,仅需要在特定部位设置抗拔桩来满足局部的抗浮时(如商场的中庭部位等),则需要一种能够在抗压时“休眠”,即不提供竖向抗压承载力;而仅在结构抗浮时被“激活”,发挥其抗浮作用的桩基节点来满足工程需要,本发明基于此提供一种仅用于抗拔的桩基柔性连接节点,以及这种节点的施工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为:
一种仅用于抗拔的桩基柔性连接节点,包括桩身和筏板基础,其特征在于:
在桩身顶部设置有二次浇筑成型的桩帽,且该桩帽的正投影面积大于桩身正投影面积,并在该桩帽内有钢筋笼;
所述桩帽外围的筏板基础中预设强化作用的钢筋网;
在桩帽顶部和筏板基础之间设有柔性可压缩板,且该柔性可压缩板完全覆盖所述桩帽正投影区间;
所述桩身周边具有下卧的筏板基础垫层,所述筏板基础垫层与桩身交接,筏板基础垫层上表面为柔性防水层,该柔性防水层与桩身交接处设置一道柔性防水;
所述桩身的下卧空间内设置围合桩身的护板,该护板上部与桩帽底部混凝土刚性接触,以及所述桩身侧面与护板之间设有填缝材料填充层;
所述桩帽侧面与筏板基础之间设有填缝材料填充层。
进一步地,所述桩帽宽度或者直径不小于250㎜,高度不小于300毫米,且该刚性桩帽的投影面积不小于桩身投影面积的两倍。
进一步地,所述填缝材料为沥青麻丝、橡胶密封环套、高分子填缝剂、沥青、密封胶泥、聚乙烯闭孔泡沫板或软木橡胶板中的一种。
进一步地,所述柔性可压缩板为聚苯板、橡胶板、树脂发泡板或聚氨酯发泡板中的一种。
进一步地,所述护板为趾板、钢板、铜板、铅板或硬塑料板中的一种。
进一步地,所述钢筋网包括筏板基础下皮钢筋网及伸入桩帽下部的趾板钢筋笼。
进一步地,所述桩帽内的钢筋笼包括桩身中上延的钢筋90度折弯形成锚固钢筋和在桩身顶部配置的双向环筋。
进一步地,所述刚性桩帽为圆柱形结构、正多变形结构中的一种。
一种仅用于抗拔的桩基柔性连接节点的施工方法:其特征在于,按顺序进行以下步骤:
S1、在工地地基中采用钻机成孔、下钢筋笼、浇筑混凝土形成桩身;
S2、凿除桩头范浆段高度至设计标高,并形成毛面;将桩身中上延的钢筋折弯形成锚固钢筋,并在该桩身顶部配置双向环筋形成环状钢筋笼,该部位支设模板并采用与桩身同标号的混凝土进行浇筑形成桩帽;该桩帽的正投影面积大于桩身正投影面积,桩帽养护后拆除模板;
S3、基槽开挖时在桩身周边预留筏板基础趾板的下卧尺寸,在清槽和地基验槽后浇筑筏板基础垫层,筏板基础垫层在下卧趾板处与桩身交接,筏板基础垫层上表面涂覆防水材料并形成柔性防水层,该柔性防水层与桩身交接处采用水泥基渗透结晶封堵;
S4、在刚性桩帽顶部铺设柔性可压缩板,该柔性可压缩板完全覆盖所述桩帽正投影区间,而桩帽侧面(环形)与筏板基础凹槽间预留间隙,以填缝材料填充;
S5、绑扎筏板基础下皮钢筋网及伸入桩帽下部的趾板钢筋笼,趾板与桩帽搭接长度不小于200mm,趾板上部与桩帽底部混凝土直接接触,趾板侧面与桩身之间预留空隙,以填缝材料填充;
S6、绑扎桩帽周边的竖向钢筋网及顶部的水平钢筋网,其竖向钢筋弯折锚入趾板下皮,形成在桩帽周边的筏板基础中的起到强化作用的钢筋网,该钢筋网为筏板基础凹槽部位的表面钢筋、绑扎竖向构件插筋及筏板基础上皮钢筋网;
S7、最后进行筏板基础的混凝土浇筑,经过养护形成整体筏板基础。
所述趾板由多块拼接形成的,且该趾板覆盖桩身和桩帽,形成桩帽侧面与趾板(40)侧面之间的填缝材料间隙,以及形成趾板侧面与桩身之间的填缝材料空隙。
本发明的有益效果是:
本柔性连接节点做法与传统的桩基与筏板基础的刚性连接做法相比,能够确保实现抗拔桩基仅提供抗浮承载力与刚度,而可以忽略其抗拔承载力与刚度。在枯水期,在竖向荷载的作用下,抗拔桩可不参与受力与计算,筏板基础可以自由变形,而抗拔桩处于休眠状态。在丰水期,地下水浮力大于重力荷载,防水板向上变形会带动抗拔桩向上变形,这样抗拔桩和桩间土之间的摩擦力就提供了向下的抗拔力,抗拔桩的作用逐渐发挥出来,保证了整体结构和局部结构不上浮。由于可不考虑其竖向抗压刚度及承载力,筏板基础底板的内力和配筋也大为减小。
这种仅发挥抗浮作用的桩基才能真正成为抗拔桩,其计算原理清晰,布置灵活,无论布置于柱下,还是在筏板基础及防水板下均匀布置,均有很好的适应性。从而使抗拔桩具有广泛的应用前景和良好的经济性。
附图说明
图1为现有抗浮桩桩体结构图。
图2为现有抗浮桩桩头结构图。
图3为实施例一的桩基柔性连接节点图。
图4为施工过程示意之步骤二。
图5为施工过程示意之步骤三。
图6为施工过程示意之步骤五。
图7为施工过程示意之步骤七。
图8为图6的变形图。
图中:
00筏板基础,01桩基,02刚性连接,03钻机成孔,04下钢筋笼,
10锚固钢筋,11双向环筋,12桩帽,
20筏板基础垫层,21柔性防水层,22柔性防水,
30聚苯板,31沥青麻丝,31’沥青麻丝,
40趾板,41筏板基础下皮钢筋网,42趾板钢筋笼,43钢筋网,44筏板基础上皮钢筋网。
具体实施方式
参考图3至图7,本发明结合上述附图,介绍一种新型结构的仅用于抗拔的桩基柔性连接节点的施工方法,包括以下步骤:
S1、在工地地基中采用钻机成孔03、下钢筋笼04、浇筑混凝土形成抗浮灌注桩基01,本步骤与现有技术中的钻机成孔、下钢筋笼、浇筑混凝土形成抗浮灌注桩施工工艺相同,可以参考图1所示的结构。
S2、凿除桩头范浆段高度至设计标高(浇筑混凝土时,混凝土顶面混有部分泥浆,使桩头混凝土强度不能满足设计要求,需要凿除),并形成毛面;桩身钢筋伸出桩顶形成长度不小于35d(d为钢筋直径)的锚固钢筋10,并将该锚固钢筋90度折弯,弯折后水平段长度不小于250mm;在该桩基顶部配置双向环筋11,参考图4,形成环状钢筋笼结构,支设模板,采用与桩身同标号的混凝土进行浇筑,通过灌注,在桩基的桩顶现浇出一个类似于钉头的圆形扩大头,其宽度不小于250㎜,高度不小于300毫米,形成一个刚性的桩帽12;理论上,该刚性桩帽12的投影面积不小于桩身投影面积的两倍,其作用是卡住下部的筏板基础使其能够形成向上的传力机制。
该刚性桩帽12整体优选为圆柱形结构,避免应力集中,考虑施工因素也可采用方墩形。其内部配置的双向环筋用于抵抗浮力产生的冲切及剪力,同时桩身内部上延伸的纵向钢筋在桩帽内部折弯90度锚固,使得桩身与桩帽形成整体。对浇筑的砼养护48小时,达到设计强度80%以上,拆除模板。
S3、基槽开挖时在桩身周边预留筏板基础趾板的下卧尺寸,在清槽和地基验槽后进行筏板基础垫层20的浇筑,筏板基础垫层20在下卧趾板处与桩身交接。在筏板基础垫层的上表面涂覆防水材料,形成柔性防水层21,参考图5,该柔性防水层与桩身交接处采用水泥基渗透结晶封堵,同时在该部位增设一道柔性防水22构造,既满足柔性连接的要求,又能满足防水的要求。
S4、参考图6,在刚性桩帽12顶部铺设厚度为100毫米的聚苯板30,该聚苯板完全覆盖上述的桩帽正投影区间,其作用是当筏板基础向下变形时,实现筏板基础00与桩基01的相对自由变形(滑动);而桩帽侧面(环形)与筏板基础凹槽间预留20mm间隙,以沥青麻丝31填充。
S5、绑扎筏板基础下皮钢筋网41及伸入桩帽下部的趾板钢筋笼42,趾板40的厚度250mm,与桩帽搭接长度不小于200mm,趾板40上部与桩帽底部混凝土直接接触,实现当筏板基础上浮时,直接传力给桩帽,带动抗拔桩,提供向上的抗拔承载力。参考图6,趾板40侧面与桩身之间预留20mm空隙,同样以沥青麻丝31’填充。
进一步地,参考图8,上述的趾板40可以进一步的设计,具体来说,该部分的趾板40是由多块拼接形成的,且该趾板40不仅覆盖桩身,而且还覆盖桩帽,也就是说形成一个Z形的连续折弯,通过该趾板40构造,形成桩帽侧面(环形)与趾板40之间的20mm间隙,以及形成趾板40侧面与桩身之间20mm空隙,也就是沥青麻丝填充空间。
S6、绑扎桩帽周边的竖向钢筋网及顶部的水平钢筋网,其竖向钢筋弯折锚入趾板下皮,形成在桩帽周边的筏板基础中的起到强化作用的钢筋网43,该钢筋网43为筏板基础凹槽部位的表面钢筋,承担该部位的受力作用和集中应力;绑扎竖向构件插筋及筏板基础上皮钢筋网44;
S7、参考图7,最后进行筏板基础的混凝土浇筑,形成整体筏板基础00,经过养护成型即完成筏板基础的施工。
通过以上施工步骤,形成新型结构的桩基柔性连接节点,参考图3,且该节点设计仅提供抗拔承载力与刚度,不提供抗压承载力与刚度,很好的实现了设计之目的。
这种新型的柔性连接的做法,与传统的刚性连接的做法有明显的不同,这种不同不仅仅表现在结构样式的不同,而且体现在施工工艺的不同,以及带来的承载力和效果的不同。这种节点的结构特点和技术效果主要表现在以下几个方面:
1、通过改进,将桩基(本实施例为灌注桩)桩顶通过支模的方式现浇出一个类似于钉头的圆形膨大头部,其宽度不小于250㎜,高度不小于300毫米,形成一个刚性桩帽12,其作用是卡住下部的筏板基础00使其能够形成向上的传力机制,形成一种嵌入式的锚固锚固结构。
2、圆形的刚性桩帽内配置钢筋(双向环筋和90度折弯的锚固钢筋)用于抵抗冲切及剪力,同时桩身内部的纵向钢筋90度折弯后在刚性桩帽内部锚固,并对刚性桩帽的强度进行了加强,而不再锚固与筏板基础00混凝土之内,使得桩帽与筏板基础之间形成分离设计。
3、筏板基础00内部设置凹槽,凹槽底部与桩帽顶部之间预留50~100mm的空隙,以聚苯板填充,当筏板基础00向下变形时,实现筏板基础与桩的相对自由变形;而桩帽侧面与筏板基础凹槽之间的间隙内填充的沥青麻丝可以起到隔离、润滑的作用,使得桩帽和筏板基础之间在竖直方向上形成可滑动的配合,改变了传统的桩帽和筏板基础之间固定刚性连接方式。从而带来了一系列的技术先进性,例如,提供向上的抗拔承载力。
4、筏板基础设置深入桩帽下部的混凝土趾板,趾板厚度250mm,与桩帽搭接长度不小于200mm,趾板上部与桩帽底部混凝土直接接触,实现当筏板基础上浮时,直接传力给桩帽,带动抗拔桩,提供向上的抗拔承载力。趾板侧面与桩身之间预留20mm空隙,同样以沥青麻丝填充。
5、趾板下部与桩身接触处,以水泥基渗透结晶实现桩头防水,同时在该部位增设一道柔性防水做法,这种结构设计,进一步的提高了该设计节点部位的防水效果。
以下部分介绍该新型节点的受力机制,本节点中,桩基的刚性桩帽与带凹槽与趾板的筏板基础连接,桩帽上部与筏板基础底部之间留有空隙并以聚苯板填充,桩帽底面与筏板基础伸出的趾板直接接触,抗拔桩及桩帽侧面与筏板基础之间以沥青麻丝防水材料封堵。形成仅提供抗拔承载力的柔性连接机制。
当筏板基础处于枯水期周期内时,随着地下水位下降,水浮力随之减小,而使地基处于受压状态,筏板基础具有呈现向下的位移趋势,即筏板基础具有下沉的微小位移。由于桩帽顶面与筏板基础凹槽底面之间设置的柔性材料的聚苯板,聚苯板具有一定的压缩性能,其压缩模量远小于基底土体的压缩模量,使得筏板基础向下的压力能够直接由其余部分的筏板基础传递给其基底土体,桩基受压力较小或者基本不受压,从而避免了桩基承受竖向压力。也就是说,枯水期,桩基仅承担很小的压力,而能够确保承载安全。实现了桩基在抗压时的“休眠”。
当筏板基础处于丰水期周期内时,随着地下水位的上升,水浮力不断增大,当结构压力不足以抵抗地下水的浮力时,筏板基础被微微顶升并与土体呈脱离状态,即筏板基础呈现向上位移的趋势。由于筏板基础的趾板与桩帽底面直接接触,当筏板基础向上位移时,会直接传力给桩帽,桩帽和桩身是一体结构,从而“激活”抗拔桩基,输出抗拔承载力,避免筏板基础继续被顶升。
由于水浮力先克服结构上部传来的压力,再传递给桩基,在抗浮时能够实现仅以抗浮桩基弥补结构重量与地下水浮力的差值的目的。
由于实现了在枯水期受压状态时桩基不承担竖向荷载,从而在竖向荷载筏板基础设计时可以不必考虑桩基的影响,聚苯板的可压缩性也避免了桩基局部设置时引起的筏板基础内力和配筋的增加,也减小了筏板基础设计的难度,提高了经济性。
本实施例中桩身与桩帽侧面与筏板基础间填充的沥青麻丝以及底部增加的柔性防水均是为了保证防水的做法。
本实施例能够得以实施的关键点:
1、桩基顶部设置桩帽,同时桩身钢筋在桩帽内锚固,独立成桩帽,而不再与筏板基础刚性连接。
2、筏板基础设置凹槽,桩帽顶部与筏板基础凹槽底部留有空隙并以可压缩的柔性材料聚苯板填充,在可以预期的范围内,本实施例中的聚苯板也可以比具有压缩性能的其他柔性材料替代,例如可压缩性橡胶板、可压缩性树脂发泡板、可压缩性聚氨酯板等,都在本发明的保护范围之内。本实施例之所以选择聚苯板,有经济因素的考量。
3、筏板基础设置趾板,桩帽底面与筏板基础趾板直接接触;
4、桩身及桩帽侧面等竖直向上与筏板基础接触的部位,采用填充沥青麻丝的方式进行隔离。事实上,沥青麻丝作为一种常规的填缝材料,就是用沥青和麻丝混在一起,兼有防水性能和抗腐性能,在本实施例中的沥青麻丝可以采用其他的具有润滑、隔离、防水性能和抗腐性能的材料替代,例如,橡胶密封环套、高分子填缝剂(聚氨酯密封胶、遇水膨胀止水胶、聚硫密封胶等)、沥青、密封胶泥、聚乙烯闭孔泡沫板、软木橡胶板等众多选择,这些具有同等性能的各种材料,无法一一列举,都在本发明的保护范围之内。本实施例之所以选择沥青麻丝,仅仅是一种举例性质的说明,亦有经济因素的考量。并配合桩身和防水层之间增加柔性防水22构造,很好了解决了柔性节点的防水问题。
因此,本柔性节点做法实现了抗浮桩桩基与筏板基础之间的柔性连接,成为了具有一定的竖向活动自由度的柔性连接,抗浮桩的桩帽与筏板基础凹槽之间在受力变化下的配合类似于活塞的活动配合,用于实现抗压“休眠”(力的阻断)和抗浮“激活”(力的传递)。
本实施例中,的趾板又称垫座,一种钢筋混凝土预制结构,其安装在桩身颈部和桩帽部位,起到二次浇筑混凝土的模板的作用,同时形成沥青麻丝的填充空间,且趾板自身具有一定的防水性能,从而使上、下防渗。事实上,作为趾板的同等技术替代方案,该趾板可以采用钢板、铜板、铅板、硬塑料板等进行替代,同样可以起到模板、防水等基本性能,都在本发明的保护范围之内。本实施例之所以选钢混结构的趾板进行施工,兼有施工便利性和经济因素的考量。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种仅用于抗拔的桩基柔性连接节点的施工方法:其特征在于,按顺序进行以下步骤:
S1、在工地地基中采用钻机成孔(03)、下钢筋笼(04)、浇筑混凝土形成桩身;
S2、凿除桩头泛浆段高度至设计标高,并形成毛面;将桩身中上延的钢筋折弯形成锚固钢筋,并在该桩身顶部配置双向环筋形成环状钢筋笼,该部位支设模板并采用与桩身同标号的混凝土进行浇筑形成桩帽(12);该桩帽(12)的正投影面积大于桩身正投影面积,所述桩帽宽度或者直径不小于250mm,高度不小于300毫米,桩帽养护后拆除模板;
S3、基槽开挖时在桩身周边预留筏板基础趾板的下卧尺寸,在清槽和地基验槽后浇筑筏板基础垫层(20),筏板基础垫层(20)在下卧趾板处与桩身交接,筏板基础垫层上表面涂覆防水材料并形成柔性防水层(21),该柔性防水层与桩身交接处采用水泥基渗透结晶封堵;
S4、在刚性桩帽(12)顶部铺设柔性可压缩板,所述柔性可压缩板为聚苯板、橡胶板、树脂发泡板或聚氨酯发泡板中的一种,该柔性可压缩板完全覆盖所述桩帽正投影区间,而桩帽侧面与筏板基础凹槽间预留间隙,以填缝材料填充;
S5、绑扎筏板基础下皮钢筋网(41)及伸入桩帽下部的趾板钢筋笼(42),趾板(40)与桩帽搭接长度不小于200mm,趾板(40)上部与桩帽底部混凝土直接接触,趾板(40)侧面与桩身之间预留空隙,以填缝材料填充,所述填缝材料为沥青麻丝、橡胶密封环套、高分子填缝剂、沥青、密封胶泥、聚乙烯闭孔泡沫板或软木橡胶板中的一种;
S6、绑扎桩帽周边的竖向钢筋网及顶部的水平钢筋网,其竖向钢筋弯折锚入趾板下皮,形成在桩帽周边的筏板基础中的起到强化作用的钢筋网(43),该钢筋网(43)为筏板基础凹槽部位的表面钢筋,绑扎竖向构件插筋及筏板基础上皮钢筋网(44);
S7、最后进行筏板基础的混凝土浇筑,经过养护形成整体筏板基础(00)。
2.根据权利要求1所述的一种仅用于抗拔的桩基柔性连接节点的施工方法,其特征在于,所述趾板(40)由多块拼接形成的,且该趾板(40)覆盖桩身和桩帽,形成桩帽侧面与趾板(40)侧面之间的填缝材料间隙,以及形成趾板(40)侧面与桩身之间的填缝材料空隙。
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