CN212561397U - 一种超高性能混凝土圆形渡槽 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种超高性能混凝土圆形渡槽,包括弧形渡槽主体和弧形镂空上盖,所述的弧形渡槽主体位于所述的弧形镂空上盖的下方,所述的弧形渡槽主体的顶端两侧与所述的弧形镂空上盖下端连接。本实用新型的一种超高性能混凝土圆形渡槽的力学性能优越,自重小,施工速度快,适合大规模工业化生产,具有显著的经济效益。本实用新型的渡槽的拉杆经过拓扑分析优化,外观更加优美,受力更加合理,使用的材料合理减少,自重降低。
Description
技术领域
本实用新型涉及建筑材料、水利工程技术领域,尤其涉及一种超高性能混凝土圆形渡槽。
背景技术
上世纪中期,由于我国落后的水利设施,乡村和城市的发展受到制约,引水灌溉就成为摆脱这种困境的一项重要的工程项目,在这种背景下,渡槽在全国各地开始了大规模的兴建。渡槽的引入,给一些缺水的地区带来长期的水源支持,改善当地的水循环,使得该地区的自然环境得到改善。
目前,我国渡槽的发展呈以下趋势:施工方面趋向于预制厂化,以批量快速生产适应各种流量和各种跨度尤其是大跨度的结构形式。
现有的混凝土渡槽存在以下问题:(1)槽主体自重大导致运输和吊运安装困难。(2)由于普通混凝土强度低,在大型混凝土渡槽往往需要采用三向预应力槽主体结构,无疑增加了施工难度。(3)槽主体耐久性差,常出现渗水导致钢筋锈蚀等问题。
超高性能混凝土是法国科学家研制出的一种超高抗压强度、高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料,具有良好的耐磨性能、耐腐蚀性能对渡槽来说十分有利。
采用超高性能混凝土制备渡槽,能够充分发挥超高性能混凝土抗压强度高、优异耐久性的优势,也是超高性能混凝土工程应用的创新。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服以上现有技术存在的渡槽强自身重大等问题,提供了一种超高性能混凝土圆形渡槽。
本实用新型的目的通过以下的技术方案实现:一种超高性能混凝土圆形渡槽的设计方法,其包括以下步骤:
(1)根据水工混凝土结构设计规范对超高性能混凝土圆形渡槽的结构进行设计;
(2)然后对所述的超高性能混凝土圆形渡槽的弧形镂空上盖进行分析和优化;
(2-1)利用Rhino建模软件分别建立弧形渡槽主体模型以及弧形上盖模型;
(2-2)然后利用所述的Rhino建模软件的Ameba插件对所述的弧形上盖进行不同受力情况下的分析,并根据受力分析结果进行拓扑优化;
(2-3)最后根据所述的Ameba插件拓扑优化结果对所述的弧形上盖模型进行镂空设计。
更优的选择,所述的步骤(1)包括以下步骤:
(1-1)确定超高性能混凝土渡槽的截面形状为圆形;
(1-2)根据水工混凝土结构设计规范和水平因数条件,确定超高性能混凝土圆形渡槽的截面尺寸;
(1-3)根据所述的超高性能混凝土圆形渡槽的基本参数、超高性能混凝土参数和钢筋参数计算出所述的超高性能混凝土圆形渡槽具体的混凝土配筋率;
(1-4)根据所述的超高性能混凝土圆形渡槽的自重荷载值、风向荷载和槽内水体的自重,对所述的超高性能混凝土圆形渡槽进行配筋率计算和抗裂验算;
(1-5)根据所述的水工混凝土结构设计规范,计算出所述的超高性能混凝土圆形渡槽的塑性系数;
(1-6)对所述的超高性能混凝土圆形渡槽的各种相应内力进行计算,以判断所述的超高性能混凝土圆形渡槽的可行性。
更优的选择,所述的超高性能混凝土圆形渡槽包括弧形渡槽主体和弧形镂空上盖,所述的弧形渡槽主体位于所述的弧形镂空上盖下方,所述的弧形渡槽主体的顶端两侧与所述的弧形镂空上盖下端连接。
一种超高性能混凝土圆形渡槽,包括弧形渡槽主体和弧形镂空上盖,所述的弧形渡槽主体位于所述的弧形镂空上盖的下方,所述的弧形渡槽主体的顶端两侧与所述的弧形镂空上盖下端连接。
更优的选择,所述的弧形镂空上盖的镂空比例为60-80%。
更优的选择,所述的弧形镂空上盖的厚度为50~120mm,所述的弧形渡槽主体的半径为弧形渡槽主体壁的厚度的10-30倍。
更优的选择,所述的弧形镂空上盖高度与所述的弧形镂空上盖半径的比值为0.65~0.95。
更优的选择,所述的弧形镂空上盖的中部设有第一椭圆通孔,所述的第一椭圆通孔的短轴方向对称设有第二椭圆通孔,所述的第一椭圆通孔的长轴方向对称设有第三椭圆形通孔,所述的第一椭圆通孔与第三椭圆通孔之间设有第一圆形通孔,所述的第二椭圆通孔与第三椭圆通孔之间设有多个第二圆形通孔。
更优的选择,所述的弧形镂空上盖的配筋率为1.5%~8%。
更优的选择,所述的弧形渡槽主体包括侧墙、顶梁、底座和弧形水槽,所述的底座安装于所述的弧形水槽两端,所述的弧形水槽顶部设有所述的顶梁,所述的顶梁与所述的侧墙连接,所述的弧形镂空上盖底部两侧与所述的侧墙顶部连接。
本实用新型相对现有技术具有以下优点及有益效果:
1、本实用新型通过Rhino建模软件设计弧形镂空上盖,利用双向渐进结构优化法(BESO)的拓扑优化设计软件Ameba,优化渡槽的顶端镂空部分,使渡槽相比传统渡槽具有更好的力学性能,使渡槽可以承受更强的外力,提高了渡槽刚度,并且减少了外力作用下渡槽发生的形变量。
2、本实用新型通过超高性能混凝土来设计超高性能混凝土圆形渡槽,但综合考虑劳动量的减少,材料损耗的减少,工期的缩短,对运输和施工机械的要求降低,建筑物耐久性的增强,长期维修费用的降低和节能环保等因素,超高性能混凝土圆形渡槽工程具有更高的全寿命周期经济性;超高性能混凝土的抗渗、抗冻、抗磨、抗侵蚀、抗裂性能远大于普通混凝土,有效解决了传统混凝土渡槽因耐久性差而使用寿命短的问题。
3、本实用新型通过超高性能混凝土来大幅度地降低超高性能混凝土圆形渡槽槽壁的厚度,使其质量仅为相同水力条件的普通混凝土矩形渡槽的25%~45%,有效解决施工运输的难题。
4、本实用新型的超高性能混凝土的配筋率范围为1.5%~8%,可减少预应力筋的使用,不采用预应力筋或者仅采用纵向预应力筋,有效解决预应力筋施工复杂的问题。
附图说明
图1是本实用新型的超高性能混凝土圆形渡槽的结构示意图;
图2是本实用新型的超高性能混凝土圆形渡槽的俯视图;
图3是本实用新型的超高性能混凝土圆形渡槽的截面示意图;
附图中各部件的标记:1、弧形渡槽主体;11、侧墙;12、顶梁;13、底座; 14、弧形水槽;2、弧形镂空上盖;21、第一椭圆通孔;22、第二椭圆通孔;23、第三椭圆通孔;24第一圆形通孔;25、第二圆形通孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的实用新型目的作进一步详细地描述,实施例不能在此一一赘述,但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例一
一种超高性能混凝土圆形渡槽的设计方法,包括以下步骤:
(1)根据SL 191-2008水工混凝土结构设计规范对超高性能混凝土圆形渡槽的结构进行设计;
(1-1)确定超高性能混凝土渡槽的截面形状为圆形;
(1-2)根据SL 191-2008水工混凝土结构设计规范和水平因数条件,确定超高性能混凝土圆形渡槽的截面尺寸;
(1-3)根据超高性能混凝土圆形渡槽的基本参数(渡槽尺寸)、超高性能混凝土材料参数(抗压强度、弹性极限抗拉强度、弹性模量和钢纤维的体积掺量) 和钢筋参数(钢筋类型、配筋率)计算出超高性能混凝土圆形渡槽具体的混凝土配筋率;
a、求配筋率(包括纵向配筋率和横向配筋率)
纵向配筋率=A1s/B1
横向配筋率=A2s/B2
其中B1为纵向受力钢筋所在的渡槽截面面积;B2为横向受力钢筋所在的渡槽截面面积。
b、求纵向受力钢筋面积A1s:
c、求横向受力钢筋面积A2s:
KNe′≤fyA2s(h′0-as)
其中K为承载力安全系数,N为轴向力设计值,fy为钢筋的抗拉强度设计值, A2s为纵向受拉钢筋的截面面积,e′是轴向力作用点至受压钢筋合力点的距离,h′0为弧形渡槽的槽壁截面的有效厚度,as为受拉钢筋合力点至截面近边缘的距离。
(1-4)根据超高性能混凝土圆形渡槽的自重荷载值、风向荷载和槽内水体的自重,对超高性能混凝土圆形渡槽进行配筋率计算、抗裂验算。
a、配筋率计算与步骤(1-3)相同。
b、抗裂验算
b1、弧形渡槽主体纵向结构计算:
计算截面边缘在荷载标准值时的最大拉应力σ1为:
拉应力限制值σ2为:
σ2=αctftk
当σ1<σ2时,满足抗裂要求。
其中M为跨中最大弯矩标准值,y2为重心轴至槽底面的距离,γm为截面抵抗矩的塑性系数,I为截面的惯性矩。αct为超高性能混凝土拉应力限制系数,ftk为超高性能混凝土轴心抗拉强度标准值。
b2、弧形渡槽主体的横向结构计算:
计算截面允许拉应力σ4为:
σ4=αctftk
当σ3<σ4时,满足抗裂要求。
其中γm为截面抵抗矩的塑性系数,e0是轴向力作用点至截面重心的距离。αct为超高性能混凝土拉应力限制系数,ftk为超高性能混凝土轴心抗拉强度标准值, A0是换算截面面积,W0是换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩。
(1-5)参考有SL 191-2008水工混凝土结构设计规范,根据U型渡槽截面图形及其塑性系数,计算超高性能混凝土圆形渡槽的塑性系数;
a、超高性能混凝土圆形渡槽的截面塑性系数
d1为超高性能混凝土圆形渡槽内径,d为超高性能混凝土圆形渡槽外径,γm为超高性能混凝土圆形渡槽的截面抵抗矩的塑性系数。
(1-6)对超高性能混凝土圆形渡槽的各种相应内力进行计算,以判断超高性能混凝土圆形渡槽的可行性;
a、多余未知力设计值X的计算:
式子中Δ1h,Δ1w,Δ1τ分别为弧形渡槽主体的顶部集中力设计值G0,弧形渡槽主体1的顶部弯矩设计值M0,自重标准值,水压力标准值,剪应力标准值在形心处引起的变位。t为超高性能混凝土圆形渡槽的槽壁的厚度,R0为超高性能混凝土圆形渡槽的内半径,R为内半径R0+T/2,h为弧形渡槽主体的圆心至弧形渡槽主体1的顶梁的竖直高度,h1为弧形渡槽主体的圆心至弧形渡槽主体的水面的高度,h2为弧形渡槽主体的水面至弧形渡槽主体1的顶梁的竖直高度,β为h与R的比值,λ为K与R的比值,其中K为超高性能混凝土圆形渡槽的的截面重心至超高性能混凝土圆形渡槽的圆心的高度。M0为弧形渡槽主体1的顶部荷载作用弯矩,T为弧形渡槽主体1的槽壁的直段及顶部加厚部分的剪力,J为弧形渡槽主体的槽壁对重心轴的惯性矩,a和b为弧形渡槽主体1的顶部加高加厚值,γh为钢筋混凝土重度,γw为水的重度。q为单位长度的弧形渡槽主体1槽壁的全部荷载,E为混凝土的弹性模量;It等于t3/12。
b、计算各截面的弯矩:
MM0=M0
MG0=-G0R(1-cos φ)
Mh=-γhtR2[sin φ-φ cos φ]
MX1=X1(h+R sin φ)
式中:MMO、MGO、Mh、MW、Mτ、分别为弯矩M0、集中力G0、弧形渡槽主体1的槽壁的自重、水压力、剪应力τ和多余未知力X1在圆弧部分引起的弯矩。式中φ值以弧度计;R0为超高性能混凝土圆形渡槽的内半径;R为超高性能混凝土圆形渡槽的内半径R0+T/2;γh为钢筋混凝土重度;γ为表示水的重度;R0为超高性能混凝土圆形渡槽的内半径;h为圆心至弧形渡槽主体的顶梁的竖直高度;h1为弧形渡槽主体的圆心至弧形渡槽主体的水面的高度;q为单位长度的弧形渡槽主体1槽壁的全部荷载;t为超高性能混凝土圆形渡槽的槽壁的厚度;T为弧形渡槽主体1槽壁的直段及顶部加厚部分的剪力;T1为弧形渡槽主体1的顶部加大部分的剪力;J为弧形渡槽主体1的槽壁对重心轴的惯性矩;λ为K与R的比值;K为超高性能混凝土圆形渡槽的的截面重心至圆形渡槽的圆心的高度,a为弧形渡槽主体1的顶梁宽度值。。
c、多余未知力X1引起的轴向力:
Nh=γh tR(φ)cos φ
其中,Nh、NW、Nτ、分别为集中力G0、弧形渡槽主体的槽壁自重、水压力、剪应力τ和多余未知力X1在圆弧部分引起的轴向力;T为弧形渡槽主体 1槽壁的直段及顶部加厚部分的剪力;R0为超高性能混凝土圆形渡槽的内半径;R 为内半径R0+T/2;γ为水的重度;h1为弧形渡槽主体的圆心至弧形渡槽主体1的水面的高度;q单位长度的弧形渡槽主体1的槽壁的全部荷载;t为超高性能混凝土圆形渡槽的槽壁的厚度;J为弧形渡槽主体的槽壁对重心轴的惯性矩;λ为K与 R的比值;K为超高性能圆形渡槽的的截面重心至超高性能圆形渡槽的圆心的高度。
(2)然后对超高性能混凝土圆形渡槽的弧形镂空上盖2进行分析和优化;
(2-1)利用Rhino建模软件分别建立弧形渡槽主体1模型以及弧形上盖模型;
(2-2)然后利用Rhino建模软件的Ameba插件对弧形上盖进行不同受力情况下的分析,并根据受力分析结果进行拓扑优化;
(2-3)最后根据Ameba插件拓扑优化结果对弧形上盖模型进行镂空设计。
超高性能混凝土圆形渡槽包括弧形渡槽主体1和弧形镂空上盖2,弧形渡槽主体1位于弧形镂空上盖2的下方,弧形渡槽主体1的顶端两侧与弧形镂空上盖 2的下端连接。弧形渡槽主体1包括侧墙11、顶梁12、底座13和弧形水槽14,弧形水槽14两端安装有底座13,弧形水槽14顶部设有顶梁12,顶梁12上设有侧墙11,弧形镂空上盖2底部的两侧与侧墙11的顶部连接。
弧形镂空上盖的中部设有第一椭圆通孔21,第一椭圆通孔21的短轴方向对称设有2个第二椭圆通孔22,第一椭圆通孔21的长轴方向对称设有2个第三椭圆形通孔23,第一椭圆通孔21与第三椭圆通孔23之间设有第一圆形通孔24,第二椭圆通孔22与第三椭圆通孔23之间设有12个第二圆形通孔25。弧形镂空上盖通过Rhino建模软件的Ameba插件优化得来。
弧形镂空上盖2的厚度为50mm,弧形渡槽主体1的半径为弧形渡槽主体1 壁的厚度的10倍。弧形镂空上盖2的高度与弧形镂空上盖2的半径的比值为0.65。弧形镂空上盖2的镂空比例为60%,可以降低弧形镂空上盖的重量。
弧形镂空上盖2和弧形渡槽主体1采用超高性能混凝土和钢筋制成。超高性能混凝土的抗压强度不低于100MPa;超高性能混凝土的弹性极限抗拉强度不低于 5MPa;超高性能混凝土的弹性模量不低于40GPa;超高性能混凝土掺有体积掺量为1%的钢纤维。超高性能混凝土中钢纤维为直径0.15mm的微细钢纤维,并可同时掺加聚乙烯醇纤维,聚乙烯醇纤维有机纤维体积掺量为0.1%。钢筋包括热轧带肋钢筋和冷轧带肋钢筋,配筋率为1.5%,钢筋保护层(钢筋外的超高性能混凝土) 厚度不低于10mm。
钢纤维能够有效地阻碍超高性能混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成,显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能,具有较好的延性。有机纤维对超高性能混凝土进行改性,可明显提高或改善超高性能混凝土的抗裂性,减少裂缝的产生和发展,从整体上提高超高性能混凝土的综合性能。弹性极限抗拉强度:材料在弹性形变内可以承受的最大抗拉强度;弹性模量:材料所受应力和应变的比值;钢纤维的体积掺量:1立方混凝土里面添加钢纤维的量;配筋率:钢筋混凝土构件中纵向受力(拉或压)钢筋的面积与构件的有效面积之比;有机纤维体积掺量:一立方米混凝土里面添加有机纤维的量。
实施例二
本实施例中除以下技术特征外,其他技术特征与实施例一相同:
本实施例中采用弧形镂空上盖的厚度为120mm代替50mm,提高弧形镂空上盖 2的强度。
本实施例中采用弧形渡槽主体1的半径为弧形渡槽主体1壁的厚度的30倍代替10倍,提高圆形渡槽主体1的过水流量的同时也降低了材料用量。
本实施例中采用弧形镂空上盖2高度与弧形镂空上盖2半径的比值为0.95 代替0.65;采用弧形镂空上盖2的镂空比例为80%代替60%,降低弧形镂空上盖 2的材料使用量,节约材料。
本实施例中采用超高性能混凝土中的钢纤维掺有体积掺量为4%代替1%,微细钢纤维的直径由0.4mm代替0.15mm,提高超高性能混凝土的韧性和抗折能力。
本实施例中采用有机纤维采用高弹性模量聚乙烯纤维代替聚乙烯醇纤维,体积掺量为0.6%代替0.1%,提高超高性能混凝土的抗拉抗裂能力。
本实施例中采用钢筋采用高强钢筋和高强钢丝代替热轧带肋钢筋和冷轧带肋钢筋,其配筋率由8%代替1.5%,增加超高性能混凝土的抗拉能力。
实施例三
本实施例中除以下技术特征外,其他技术特征与实施例一相同:
本实施例中采用弧形镂空上盖的厚度为90mm代替50mm,提高弧形镂空上盖 2的强度。
本实施例中采用弧形镂空上盖2高度与弧形镂空上盖2半径的比值为0.70 代替0.65。
本实施例中采用钢筋采用预应力钢筋代替热轧带肋钢筋和冷轧带肋钢筋。
本实施例中采用有机纤维采用碳纤维代替聚乙烯醇纤维,体积掺量为0.6%代替0.1%。
实施例四
本实施例中除以下技术特征外,其他技术特征与实施例一相同:
本实施例中采用弧形镂空上盖2高度与弧形镂空上盖2半径的比值范围为 0.90代替0.65。
实施例五
本实施例中的超高性能混凝土圆形渡槽的长度为12000mm,其内直径为 2650mm。弧形渡槽主体1的深度为1600mm,其最大水深为1500mm,其最大水宽度为2650mm,弧形渡槽主体1的厚度为90mm;顶梁12呈横向梯形,顶梁12处的最大厚度为180mm,其外侧的高度为130mm,其内侧高度为275mm。弧形镂空上盖2的最大宽度为2777mm,其高度为1140mm,其最厚处的厚度为90mm,镂空率为63.15%。超高性能混凝土材料的抗压强度为120MPa,弹性极限抗拉强度为7MPa,弹性模量为43GPa,氯离子迁移系数为0.02×10-12m2/s,微细钢纤维体积掺量为 2.0%。本实施例均满足承载力和抗裂验算,稳定性好,单跨自重约为19.15吨。
现有技术的实施例中普通混凝土U型渡槽的长度为12000mm,其内直径为 1325mm,其最大水深为1670mm,其最大水面宽度为2650mm,渡槽壁厚度为300mm;顶梁12呈横向梯形,顶梁12处的最大厚度为500mm,其外侧的高度为400mm,其内侧的高度为800mm;拉杆的长为2650mm、截面宽为200mm,截面高度为150mm,拉杆之间的距离为1500mm;用C40预应力混凝土结构,单跨自重约69.1吨。
本实施例的自重只有现有技术中实施例的自重的27.7%,并且超高性能混凝土圆形渡槽的强度和耐久性更好。超高性能混凝土圆形渡槽的力学性能优越,自重小,施工速度快,适合大规模工业化生产,具有显著的经济效益。本实用新型的超高性能混凝土圆形渡槽的弧形镂空上盖2经过拓扑分析优化,外观更加优美,受力更加合理,使用的材料合理减少,自重降低。
实施例六
本实施例中除以下技术特征外,其他技术特征与实施例一的相同:
本实施例中的求横向受力钢筋面积A2s的公式由
KN≤fyA2s-f′yA2′s-fcbx
代替
KNe′≤fyA2S(h′0-as)
其中K为承载力安全系数,N为轴向力设计值,fy及f′y为钢筋的抗拉及抗压强度设计值,A2s及A2′s为纵向受拉及受压钢筋的截面面积,fc为混凝土轴心抗拉强度设计值,b为计算截面的宽度,x为截面受压区的计算高度,e为轴向力作用点至受拉边或受压较小边钢筋合力点之间的距离,h0为槽壁截面的有效厚度,as为受拉钢筋合力点至截面近边缘的距离,a′s为受压钢筋合力点至截面近边缘的距离,h为弧形渡槽主体的槽壁截面厚度;e0为轴向力作用点至截面重心的距离。
上述具体实施方式为本实用新型的优选实施例,并不能对本实用新型进行限定,其他的任何未背离本实用新型的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超高性能混凝土圆形渡槽,其特征在于,包括弧形渡槽主体和弧形镂空上盖,所述的弧形渡槽主体位于所述的弧形镂空上盖的下方,所述的弧形渡槽主体的顶端两侧与所述的弧形镂空上盖下端连接。
2.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土圆形渡槽,其特征在于,所述的弧形镂空上盖的镂空比例为60-80%。
3.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土圆形渡槽,其特征在于,所述的弧形镂空上盖的厚度为50~120mm,所述的弧形渡槽主体的半径为弧形渡槽主体壁的厚度的10-30倍。
4.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土圆形渡槽,其特征在于,所述的弧形镂空上盖高度与所述的弧形镂空上盖半径的比值为0.65~0.95。
5.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土圆形渡槽,其特征在于,所述的弧形镂空上盖的中部设有第一椭圆通孔,所述的第一椭圆通孔的短轴方向对称设有第二椭圆通孔,所述的第一椭圆通孔的长轴方向对称设有第三椭圆形通孔,所述的第一椭圆通孔与第三椭圆通孔之间设有第一圆形通孔,所述的第二椭圆通孔与第三椭圆通孔之间设有多个第二圆形通孔。
6.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土圆形渡槽,其特征在于,所述的弧形镂空上盖的配筋率为1.5%~8%。
7.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土圆形渡槽,其特征在于,所述的弧形渡槽主体包括侧墙、顶梁、底座和弧形水槽,所述的底座安装于所述的弧形水槽两端,所述的弧形水槽顶部设有所述的顶梁,所述的顶梁与所述的侧墙连接,所述的弧形镂空上盖底部两侧与所述的侧墙顶部连接。
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CN112081070A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-15 | 华南理工大学 | 一种超高性能混凝土圆形渡槽的设计方法及渡槽 |
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2020
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