CN115059121B - 一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统及消波消能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统及消波消能方法，属于桥梁基础防灾减灾的技术领域，包括：空气压缩机；发电装置与空气压缩机相连接，用于利用水流或波浪产生的机械能转化为电能，并发送给所述空气压缩机；承台空气分配盒或桩基集气分配盒，与所述空气压缩机相连接，用于将空气压缩机压缩的空气进行分配。本发明通过削弱或消杀承台位置处的径流、潮流或波浪等复杂水动力，利用安装于承台迎流面U型槽内涡轮进行消涡发电，产生的电流对安装于上部桥墩处空气压缩机进行作功，利用布置或安装于上部桥墩及承台的管道产生的高压气体通往安装在下部桩基上的开孔管道，达到减小冲刷及基础受力的功能。

Description

一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统及消波消能方法

技术领域

本发明属于桥梁基础防灾减灾的技术领域，具体涉及一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统及消波消能方法。

背景技术

近年来，随着桥梁跨度与建设环境日趋复杂，大型群桩基础由于具有承载力高、沉降小、制作灵活方便和适用条件广泛等优点被广泛应用于跨江、跨海桥梁基础中；相应的，群桩基础将可能面对径流、潮流或波浪多种不利因素组合作用，造成的结果往往是群桩基础将经受无法预期的海洋结构动力与严重的基础冲刷，海洋结构动力主要为桥墩基础上的波流力等，加之两者耦合作用，将极大的影响桥梁运行与人民生命财产的安全。

群桩基础通常由上部桥墩、中部承台及下部桩基三部分组成，结构形式较为复杂，相应的附近水动力环境也非常复杂；例如，中部承台部分，通常是遭受径流、潮流及波浪多种不利因素组合作用最为严重的部分，加之其结构尺寸较大，使得其结构受力或是对冲刷的影响都较大；对于下部桩基础，不同的布置形式使得群桩水流结构呈强三维紊动特性，造成群桩基础局部冲刷明显。

目前，对于近海或河口建设的大型桥梁，往往在冲刷坑形成且冲刷深度已威胁桥梁安全情况时才进行抛石、牺牲桩或其它防护处理，而抛石防护或其它防护方式往往无法弥补桩基与泥土之间的摩阻力损失；常规的桥梁冲刷防护方式已难以适应跨海桥梁基础冲刷防护的需求；因此，需要研发一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统及消波消能方法来解决现有的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统及消波消能方法，以解决常规的桥梁冲刷防护方式无法适应跨海桥梁基础冲刷的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统，其特征在于：包括：

空气压缩机；

发电装置，与空气压缩机相连接，用于利用水流或波浪产生的机械能转化为电能，并发送给所述空气压缩机；

承台空气分配盒，与所述空气压缩机相连接，用于将空气压缩机压缩的空气进行分配；

桩基集气分配盒，与所述承台空气分配盒相连接，用于将输入的压缩空气进行分配；

桩基排气管，与所述桩基集气分配盒相连接；用于通过若干个设置的排气孔将压缩空气排出形成缓冲空气屏障。

优选的，所述桩基排气管安装于桩基，每个桩基上设置三根桩基排气管，分别安装于桩基迎流侧以及两侧±45°。

优选的，所述桩基排气管上部排气孔的密度小于下部排气孔的密度。

优选的，所述发电装置包括：

涡轮发电机，用于利用水流或波浪冲击涡轮旋转发电；

涡轮轴承，其两端分别装配有涡轮发电机；

叶片，装配于涡轮轴承，用于驱动涡轮轴承旋转及消涡、消能；

涡轮固定杆，用于固定涡轮发电机；

其中，所述涡轮固定杆安装于承台缓冲构件中。

优选的，所述承台缓冲构件为矩形块体,其一侧内部开设有U型结构的U型槽，所述承台缓冲构件的竖直面与承台侧面贴合，所述承台缓冲构件的竖直面高为P，与承台的厚度相同，宽度b与承台宽度b2相同；所述U型槽的下底高度与上顶高度均为△d，宽为P-△d，长与承台长度相同，高为P-2△d，且承台底高程下限大于0.4h。

优选的，所述半径为r3的涡轮轴承贯穿U型槽设置，所述涡轮轴承表面固定有三片弧度为α的叶片，相邻两个叶片的角度为120°，所述叶片长度L1小于U型槽内壁高度。

优选的，所述空气压缩机功率为W，产生压强S的气体,其安装于桥墩上部或桥面底部，安装高度高于工程海域极端高水位Hmax或海水水流未作用位置，所述空气压缩机通过输气管与承台空气分配盒相连接，所述输气管为半径r4的外壁封闭的管道，承台空气分配盒的长为a3，宽为b3，通过半径为r5的封闭管道将高压气体分配至每个桩基顶部的桩基集气分配盒中，所述桩基集气分配盒为圆环形，内径为r2，外径为r6，与桩基基础半径相同。

优选的，所述涡轮固定杆的数量为8根，并固定于U型槽的内壁。

本发明另提供一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统的消波消能方法，包括以下步骤：

步骤1、将承台缓冲构件与承台连接，涡轮发电机安装于承台缓冲构件内，根据桥墩所处水力环境还可在承台的两侧安装，单向流环境下承台缓冲构件安装于承台与下部桩基一侧，双向流环境下承台缓冲构件安装于承台与下部桩基两侧；

步骤2、将承台缓冲构件安装于承台迎流侧面，在承台处形成的下潜水流Vdj无法直接下潜，在U型槽内翻滚内耗，形成反射水流，减小水流的影响。波浪影响于中上部水流层，承台承受较大的波流力作用，而U型槽内发电装置使波浪破碎，波浪在发电装置内破碎消能后水流形成反射流，从而抵消波速；

步骤3、安装在U型槽内的涡轮发电机在波浪与水流作用下将涡轮旋转并发电，避免承台形成的下潜水流下潜至群桩基础进而影响床面冲刷，减小承台波浪出现反射或衍射，吸卷群桩基础周边泥沙起动及输移，同时减小承台受到的波流力；

步骤4、承台迎流面水流或波浪带动发电涡轮发电，将发电应用到空气压缩机压缩空气，并将高压空气输送至下部群桩桩基每个桩基排气管中，桩基排气管将高压空气排至第一排每个桩基的迎流面，将形成缓冲空气幕，使得下部行进水流流速或波速减小，减小了桩基冲刷及波流力，同时使整个桩基范围行进水流向两侧绕行减小基础的冲刷。

本发明的技术效果和优点：该减小群桩基础冲刷的消波消能系统及消波消能方法，利用了上层，即承台位置附近的水流流速或波浪能量较大，承台对该部分水流影响较大的特点，采用U型槽及发电设备消能及消波；再利用上层高能量水流产生的电能压缩空气，传输至下部桩基基础，以抵冲来流水流，实现1+1大于2的冲刷防护效果；通过削弱或消杀承台位置处的径流、潮流或波浪等复杂水动力，利用安装于承台迎流面U型槽内涡轮进行消涡发电，产生的电流对安装于上部桥墩处的空气压缩机进行作功；利用布置或安装于上部桥墩及承台的管道产生的高压气体通往安装在下部桩基上的开孔管道，起到抵冲来流水流的作用，达到减小冲刷及基础受力的功能，解决了群桩桥墩基础受到冲刷与波流力双重影响问题，消除承台位置处不利水动力影响。同时消涡或消波产生电能，利用空气压缩机产生的高压空气对下部水流进行抵冲，不仅可以减小群桩基础受力，还能有效减小基础冲刷的影响；本发明可以同时减小基础冲刷与波流力的分部消涡与消波；相较于传统的防护措施，其造价可控，有着较高的经济效益。

附图说明

图1为本发明的群桩基础下潜水流形成机理示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明承台缓冲构件的结构示意图；

图4为本发明涡轮轴承和叶片的连接关系示意图；

图5为本发明桩基排气管的正视图；

图6为本发明桩基排气管的俯视图；

图7为本发明方法的流程图。

图中：10、空气压缩机；21、涡轮发电机；22、涡轮轴承；23、叶片；24、涡轮固定杆；30、承台空气分配盒；40、桩基集气分配盒；41、桩基排气管；42、排气孔；50、承台缓冲构件；51、路面；52、底座；53、桥墩；54、承台；55、输气管；57、桩基。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1中所示的一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统，包括：

空气压缩机10；

发电装置，与空气压缩机10相连接，用于利用水流或波浪产生的机械能转化为电能，并发送给空气压缩机10；本实施例中，水流为上层高能量部分；

承台空气分配盒30，与空气压缩机10相连接，用于将空气压缩机10压缩的空气进行分配；

桩基集气分配盒40，与承台空气分配盒30相连接，用于将输入的压缩空气进行分配；

桩基排气管41，与桩基集气分配盒40相连接；用于通过若干个设置的排气孔42将压缩空气排出，形成缓冲空气屏障；

图1中，△y代表分层水流，是将一定水深分为若干厚度的水流层，图中是将水流分为上层i、中层j、下层k，例如j层来流流速为uj，相应的三层水流作用在桥墩53、承台54及下部群桩桩基57上形成的下潜水流分别为Vdi、Vdj、Vdk；

本实施例中，群桩基础包括桥墩53、承台54与群桩三部分，桥墩53的通过底座52与路面51连接，承台缓冲构件50内安装涡轮发电机21，发电供应于安装在桥墩53上部或桥面下的空气压缩机10使用，空气压缩机10与输气管55相连接，其中，输气管55包括封闭管道与开孔管道；承台缓冲构件50与承台54之间采用螺钉与螺帽连接，涡轮发电机21采用四根涡轮固定杆24安装于承台缓冲构件50内，安装可采用在承台缓冲构件50预留孔洞，采用螺丝紧固等方式固定，上述发明设备可在承台54一侧安装或两侧均安装，视其桥墩53所处水力环境而定，单向流环境下承台缓冲构件50安装于承台54与下部桩基57一侧，双向流环境下承台缓冲构件50安装于承台54与下部桩基57两侧，空气压缩机10相应也配备两台；

本实施例中，桥墩53为常见的群桩基础，上部桥墩53一般为圆墩或方墩，对于圆墩，直径为d1，半径为r1；对于方墩，长度为a1，宽度为b1；承台54一般为方形，长度为a2，宽度为b2；群桩一般为圆柱，其排列形式为p×l，直径为d2，半径为r2；本实施例中，以较为普遍的圆墩、方形承台、圆柱群桩为例，也可为其他形状组合；

承台缓冲构件50为矩形块体，一侧内部为挖空的U型结构，承台缓冲构件50的竖直面与承台54侧面完全贴合，其尺寸与承台54侧面尺寸大小一致，即承台缓冲构件50的竖直面高为P，与承台54厚度一致，宽度b等于承台54宽度b2，承台缓冲构件50挖去的U型结构，高为P-2△d，且承台54底高程下限大于0.4h，本发明中对承台54或承台缓冲构件50的高度有限制，既然是要利用上部高能量水流，如果承台54埋在泥面附近，显然起不到消波消能的效果，同时波浪的能量也一般集中在水流的上层，因此，本发明中要限制承台54顶高程或底高程的位置，水流对于冲刷起主要作用的是0.4倍水深h及以下水流，因此承台54底高程下限不能小于0.4h，同时，对于承台54顶高程上限，由于涉及到海洋或河口环境，需要保证有水流或波浪作用，保守起见，采用300年一遇大潮低潮位作为上限，即承台54顶高程不能高于桥位处300年一遇大潮低潮位，即下底厚与上顶厚均为△d，宽为P-△d，长与承台54长度保持一致；该种设计可使冲击承台54的水流或波浪在U型槽内进行消耗，具有消波消能作用，还有反射水流或波浪作用，与涡轮叶片23属于强强组合，不仅可以固定涡轮发电机21，能使其发电效率更高，相应的消波及消能作用更明显；产生反向抵消水流，在不产生承台54下潜水流较小承台54波流力的同时，减小基础冲刷；同时，冲击到U型槽的水流将带动安装在其内的涡轮发电机21；所述涡轮发电机21安装于U型槽内部，半径为r3的涡轮轴承22贯穿U型槽中心，涡轮轴承22上布置三片弧度为α的叶片23，相邻两个叶片23的角度为120°，用于水流或波浪冲击U型槽内部时，进行旋转消涡并发电，叶片23的长度L1基本贴合U型槽边壁，预留一点间隙，防止擦碰内壁，涡轮轴承22两端分别装有发电转子，在涡轮发电机21的作用下，叶片23旋转可以对冲击承台54的水流或波浪进行消能，旋转叶片23本身带动涡轮轴承22两点转子进行发电，其电能可以供应空气压缩机10工作；

空气压缩机10为常规可进行空气压缩的机器设备，其功率为W，产生具有一定压强S的气体；为避免水流或波浪的影响，其安装于桥墩53上部或桥面底部，其安装高程应高于工程海域极端高水位Hmax或海水水流未作用位置；此处限制空气压缩机10高度是为了防止极端天气引起的水流作用到空气压缩机10，可能造成空气压缩机10工作失效、损伤或减小工作寿命等，可修改为安装高度应不受极端天气水流或波浪影响位置；同时，需要说明其压缩空气采用一半径为r4的外壁封闭的管道输送至承台54下的承台空气分配盒30内，承台空气分配盒30长a3，宽b3，主要起到过渡及分配高压气体的功能；通过半径为r5的封闭管道将高压气体分配至每个桩基57顶部的桩基集气分配盒40，桩基集气分配盒40的数量根据迎流侧桩基57数量确定，桩基集气分配盒40采用圆环设计，内径与桩基57基础半径保持一致，为r2，外径为r6，桩基集气分配盒40主要是将分配的高压气体再分配固定在单个桩基57上的开孔管道，在迎流面形成空气幕，以迫使水流向基础两侧绕流，以减小基础波流力及冲刷；

桩基排气管41为半径为r7的管子，每个桩基57上布置三根，分别安装于桩基57迎流侧，本实施例中为迎流面0°，两侧±45°，但夹角不宜过小；安装于该部分的原因为一般桥墩53或桩基57在该处的冲刷深度最大，其在迎流面0°处的漩涡强度最大，而在两侧±45°处的绕流流速最大，安装于此处可使高压气体对其形成抵消，在桩基57范围形成缓冲空气幕；同时，需要说明其阻水效果与桩基排气管41内压强S1、排气孔42半径r8、排气孔42的数量n、间距△及排气孔42的排布形式密切相关；本发明采用上部疏下部密的开孔布置，因为下部水流对冲刷的影响最大；因此，下部开孔密一些，增加空气抵冲的效果；排气孔42的大小应根据压缩机功率，压缩空气压强及来流流速综合考虑；桩基排气管41的目的是合理有效的在每个桩基57及整个桩基57范围迎流面形成一道缓冲空气幕，以减小水流或波浪对群桩基础冲刷及受力的影响；具体设计还与工程区域水流流速V及波浪波高H、周期T等有关，具体设计需要结合具体工程而定。

群桩基础限于基础承台54顶高程位于水面以下一定距离效果较佳，如图1所示，当桥梁基础遭遇来流水流或波浪冲击，本实施例中水流与桥墩53纵向夹角小于5 °，对于减小冲刷影响分析，大尺度承台54侧面水流将形成向上与向下两股水流，向上水流将沿着承台54顶面或偏上两侧顺流而下，其对冲刷的影响较小或没有影响，向下部分水流将与作用在下部群桩水流合并下潜或在承台54下部挤压，形成高速水流，冲击床面或挟带泥沙远离桩基57；作用于承台54的下潜水流对冲刷具有一定影响，因此，将承台缓冲构件50如图3安装于承台54迎流侧面，在承台54处形成的下潜水流Vdj无法直接下潜，而是其可在U型槽内翻滚内耗，形成反射水流较小来流水流的影响；对于减小波流力影响分析，波浪影响主要集中在中上部水流层，因此，大尺度的承台54往往承受较大的波流力作用，而U型槽内发电装置如图4的存在可使波浪破碎，在涡轮内破碎消能后水流形成反射流，将抵消波速，进一步减小波浪对承台54的冲击；同时，安装U型槽内发电装置在波浪与水流作用下将涡轮旋转并发电；该设计避免承台54形成的下潜水流下潜至群桩基础进而影响床面冲刷，同时，减小承台54波浪出现反射或衍射，吸卷群桩基础周边泥沙起动及输移，在减小冲刷同时减小承台54受到的波流力；

本发明利用减小承台54迎流面水流或波浪带动发电涡轮发电，将发电应用到空气压缩机10压缩空气，并将高压空气输送至下部群桩桩基57每个桩基排气管41，见图5、图6中，桩基排气管41将高压气体排至第一排每个桩基57的迎流面，将形成缓冲空气幕，使得下部行进水流流速或波速减小，减小了桩基57冲刷及波流力，同时，迫使整个桩基57范围行进水流向两侧绕行，进一步减小基础的冲刷，因此，通过将高压空气输送至每个桩基57迎流面，即起到减小冲刷，也起到了减小桩基57波流力的效果。

针对复杂的群桩基础，可起到减小冲刷作用，也可减小群桩波流力作用，加之其设计相对较为简单，有着较好的经济效益和社会效益。

本发明另提供如图7所示的，一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统的消波消能方法，包括以下步骤：

步骤1、将承台缓冲构件50与承台54连接，涡轮发电机21安装于承台缓冲构件50内，根据桥墩53所处水力环境还可在承台54的两侧安装，单向流环境下承台缓冲构件50安装于承台54与下部的桩基57一侧，双向流环境下承台缓冲构件50安装于承台54与下部的桩基57两侧；

步骤2、将承台缓冲构件50安装于承台54迎流侧面，在承台54处形成的下潜水流Vdj无法直接下潜，在U型槽内翻滚内耗，形成反射水流，减小或者减缓水流的影响；波浪影响于中上部水流层，承台54承受较大的波流力作用，而U型槽内发电装置使波浪破碎，波浪在涡轮发电装置内破碎消能后水流形成反射流，从而抵消波速；

步骤3、安装在U型槽内的涡轮发电机21在波浪与水流作用下将涡轮旋转并发电，避免承台54形成的下潜水流下潜至群桩基础进而影响床面冲刷，减小承台54波浪出现反射或衍射，吸卷群桩基础周边泥沙起动及输移，同时减小承台54受到的波流力；

步骤4、承台54迎流面水流或波浪带动涡轮发电，将发电应用到空气压缩机10压缩空气，并将高压空气输送至下部群桩桩基57每个桩基排气管41中，桩基排气管41将高压气体排至第一排每个桩基57的迎流面，形成缓冲空气幕，使得下部行进水流流速或波速减小，减小了桩基57冲刷及波流力，使整个桩基57范围行进水流向两侧绕行，减小基础的冲刷。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种减小群桩基础冲刷的消波消能系统的消波消能方法，其特征在于：

所述系统包括：

空气压缩机（10）；

发电装置，与空气压缩机（10）相连接，用于利用水流或波浪产生的机械能转化为电能，并发送给所述空气压缩机（10）；

承台空气分配盒（30），与所述空气压缩机（10）相连接，用于将空气压缩机（10）压缩的空气进行分配；

桩基集气分配盒（40），与所述承台空气分配盒（30）相连接，用于将输入的压缩空气进行分配；

桩基排气管（41），与所述桩基集气分配盒（40）相连接；用于通过若干个设置的排气孔（42）将压缩空气排出，形成缓冲空气屏障；所述方法包括以下步骤：

步骤1、将承台缓冲构件（50）与承台（54）连接，涡轮发电机（21）安装于承台缓冲构件（50）内，或根据桥墩（53）所处水力环境在承台（54）的两侧安装，单向流环境下承台缓冲构件（50）安装于承台（54）与下部桩基（57）一侧，双向流环境下承台缓冲构件（50）安装于承台（54）与下部桩基（57）两侧；

步骤2、将承台缓冲构件（50）安装于承台（54）迎流侧面，在承台（54）处形成的下潜水流Vdj无法直接下潜，在U型槽内翻滚内耗，形成反射水流，减小水流的影响；波浪影响于中上部水流层，承台（54）承受较大的波流力作用，而U型槽内发电装置使波浪破碎，波浪在发电装置内破碎消能后水流形成反射流，从而抵消波速；

步骤3、安装在U型槽内的涡轮发电机（21）在波浪与水流作用下将涡轮旋转并发电，避免承台（54）形成的下潜水流下潜至群桩基础进而影响床面冲刷，减小承台（54）波浪出现反射或衍射，吸卷群桩基础周边泥沙起动及输移，同时减小承台（54）受到的波流力；

步骤4、承台（54）迎流面水流或波浪带动涡轮发电，将发电应用到空气压缩机（10）压缩空气，并将高压空气输送至下部群桩桩基（57）每个桩基排气管（41）中，桩基排气管（41）将高压空气排至第一排每个桩基（57）的迎流面，形成缓冲空气幕，使得下部行进水流流速或波速减小，减小了桩基（57）冲刷及波流力，同时使整个桩基（57）范围行进水流向两侧绕行，减小基础的冲刷。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述桩基排气管（41）安装于桩基（57），每个桩基（57）上设置三根桩基排气管（41），分别安装于桩基（57）迎流侧以及两侧±45°。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述桩基排气管（41）上部排气孔（42）的密度小于下部排气孔（42）的密度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发电装置包括：

涡轮发电机（21），用于利用水流或波浪冲击涡轮旋转发电；

涡轮轴承（22），其两端分别装配有涡轮发电机（21）；

叶片（23），装配于涡轮轴承（22），用于驱动涡轮轴承（22）旋转及消涡、消能；

涡轮固定杆（24），用于固定涡轮发电机（21）；

其中，所述涡轮固定杆（24）安装于承台缓冲构件（50）中。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述承台缓冲构件（50）为矩形块体,其一侧内部开设有U型结构的U型槽，所述承台缓冲构件（50）的竖直面与承台（54）侧面贴合，所述承台缓冲构件（50）的竖直面高为P，与承台（54）的厚度相同，宽度b与承台（54）宽度b2相同；所述U型槽的下底高度与上顶高度均为△d，宽为P-△d，长与承台（54）长度相同，高为P-2△d，且承台（54）底高程下限大于0.4h, h为水深。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：半径为r3的涡轮轴承（22）贯穿U型槽设置，所述涡轮轴承（22）表面固定有三片弧度为α的叶片（23），相邻两个叶片（23）的角度为120°,所述叶片（23）长度L1小于U型槽内壁高度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述空气压缩机（10）功率为W，产生压强S的气体,其安装于桥墩（53）上部或桥面底部，安装高度高于工程海域极端高水位Hmax或海水水流未作用位置，所述空气压缩机（10）通过输气管（55）与承台空气分配盒（30）相连接，所述输气管（55）为半径r4的外壁封闭的管道，承台空气分配盒（30）的长为a3，宽为b3，通过半径为r5的封闭管道将高压气体分配至每个桩基（57）顶部的桩基集气分配盒（40）中，所述桩基集气分配盒（40）为圆环形，内径为r2，外径为r6，与桩基（57）基础半径相同。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述涡轮固定杆（24）的数量为8根，并固定于U型槽的内壁。

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