钢结构外露式刚接柱脚耗能特性的实验研究.pdf

第3 7 卷第4 期中国矿业大学学报 v 0 1 ．3 7N o ．4 2 0 0 8 年7 月 J o u m a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 乙T e c h n o l o g y J u l ．2 0 0 8 钢结构外露式刚接柱脚耗能特性的实验研究 夏军武1 ，吴渭2 ，谢伟1 1 ．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室建筑工程学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京2 l 0 0 1 8 摘要通过H 型钢柱脚与混凝土外露锚栓连接基础足尺寸实验，研究2 组不同锚栓布置的柱脚 连接节点在循环往复荷载作用下的全局响应和各组成单元的局部响应情况，分析刚接柱脚在地 震作用下的耗能特性和屈服机制．结果表明，外露式刚接柱脚节点在弹性层间位移转角限值内处 于弹性工作状态；在塑性层间位移转角内，柱翼缘和锚栓刚屈服就开始强化，节点承栽力进一步 提升，并可以较好的满足正常使用状态的需要．在往复荷载作用下，试件的荷栽一位移滞回特性曲 线呈梭形，具有一定的耗能特性，且外露式刚性连接的柱脚具有一定的半刚性特性． 关键词钢结构；外露式刚接柱脚；耗能特性 中图分类号T U3 1 7 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 4 0 4 3 3 一0 6 E n e r g y D i s s i p a t i o nE x p e r i m e n tR e s e a r c ho f O p e nR i g i dC o l u m nB a s eC o n n e c t i o ni nS t e e lS t r u c t u r e x I AJ u n - w u l ，W UW e i 2 ，x I EW e i l 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rG e o m e c h a n i c sa n dD e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ， S c h o o lo fA r c h i t e c t u r e ＆C i v i lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．N a n j i n gM u n i c i p a lD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t eC o ．L t d ，N a n j i n g ，J i a n g s u2 1 0 0 1 8 ，C h i n a A b s t r a c t Af u Us c a l em o d e lo fas t e e l “H ’’c o l u m nb a s er i g i d l yc o n n e c t e dt oac o n c r e t ef o u n d a t i o nw a ss t u d i e dt ol e a r nt h eg l o b a la n dl o c a lr e s p o n s eo ft h eb a s ec o n n e c t i o n su n d e rt w oc o n d i t i o n s ．E n e r g yd i s s i p a t i o nb yt h es t r u c t u r e ，a n dt h ey i e l dm e c h a n i s mo ft h er i g i db a s ec o n n e c t i o n ，w e r es t u d i e du n d e rs e i s m i cl o a d i n g ．T h er e s u l t ss h o wt h eo p e nr i g i dc 0 1 u m n - b a s ec o n n e c t i o nr e s p o n d se l a s t i c a l l yw i t h i nt h ee l a s t i cl i m i to ft h ei n t e r s t o r yd i s p l a c e m e n ta n 9 1 e ．I nt h e p l a s t i ci n t e r s t o r yd i s p l a c e m e n tr e g i m et h ec o l u m nf l a n g ea n da n c h o rb o l ts h o ws t i f f e n i n ga n d t h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ec o n n e c t i o ni n c r e a s e s ． D u r i n gc y c l i cl o a d i n gs t r e s s s t r a i nh y s t e r e s i si s p r e s e n ta n dt h ec u r v es h o w sas h u t t l es h a p e ． T h i si n d i c a t e st h eb a s ec o n n e c t i o ni ss e m i r i g i d a n dc a p a b l eo fd i s s i p a t i n ge n e r g y ． K e yw o r d s s t e e ls t r u c t u r e ；o p e nr i g i dc o l u m nb a s ec o n n e c t i o n ；e n e r g y d i s s i p a t i o n 在钢结构建筑中，框架结构的性能主要受到结 构中连接节点性能的控制．目前，针对梁柱连接节 点所开展的研究已经相当广泛，在一些国家的规范 当中已经给出了明确的抗震设计方法和构造要求， 但目前规范中没有柱脚连接节点的抗震设计方法 和要求．而柱脚连接节点工作性能将会直接影响上 部结构的稳定性和承载能力，以及结构整体的内力 分布情况和变形性能．虽然在结构中柱脚连接节点 非常重要，但是一直以来对柱脚连接节点的研究都 没有得到足够的重视，尤其是对其抗震性能的研 收稿日期2 0 0 7 0 8 2 6 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 7 7 4 0 8 1 ；“十一五”国家科技支撑计划重点项目 2 0 0 6 B A 儿4 8 0 7 作者简介夏军武 1 9 6 7 一 ，女。北京市人，教授，博士生导师，工学博士，从事钢结构、特种结构和采动区建筑物保护方面的研究． E - 眦n x j u n w 1 6 3 ．c o mT e l 0 5 1 6 8 3 9 9 5 1 7 9 万方数据 4 3 4中国矿业大学学报第3 7 卷 究．即使在钢结构建筑应用较广泛的美国，在美国 钢结构学会 A I S C 制定的荷载和抗力系数规范 L R F n A I S C9 4 中仅仅也只给出了柱脚连接在 偏心轴向荷载作用下的计算方法[ 1 j ．由于对柱脚连 接的抗震性能不够重视，在1 9 9 4 年的美国北岭大 地震和1 9 9 5 年的日本阪神地震中，大量的钢结构 建筑发生的破坏是由于柱脚节点的脆性破坏而导 致的．同时，钢柱脚连接节点的荷载一变形性能研 究的缺乏亦造成建筑钢结构相关领域研究[ 2 1 3 的进 一步开展受到一定限制． 目前常用的柱脚连接主要有外露式、外包式和 埋入式，本文的研究对象为外露式的柱脚连接节 点，即将柱的底部与刚度较大的底板焊接，底板与 预埋在混凝土基础中的锚栓固定． 1 试件设计 外露式刚接柱脚的抗震性能试验研究的试件 设计是采用标准化的柱脚布置样式 4 锚栓和6 锚 栓布置 ，采用国内设计手册和文献[ 5 8 ] 中建议设 计方法进行．图1 所示为一典型的低层框架结构． 柱截面尺寸为2 0 0m m 2 0 0m m 1 0m m 6 m m ；材料为Q 2 3 5 ，柱脚连接模型取自该框架，柱 子高度取反弯点高度．因为理论上出现屈服的位置 为柱根部，因此取设计弯矩M 。为柱根部弹性极限 弯矩值．柱脚底板尺寸取5 0 0m m 5 0 0m m ，锚栓 选用Q 2 3 5 锚栓，抗拉强度为六一1 4 0M P a ，下部 基础混凝土强度为C 4 0 ，抗压强度 1 9 ．1M P a ， 锚栓边距取7 5m m ．2 种锚栓布置如图2 所示，具 体参数见表1 ． |||礓 P 1 2 | | l 罱 一＼刚 |||／昌 {l}。 器 掣h Ⅵ气V ／ ／ ／ ／g ／ ．么 忍 ．／L a 钢柱与柱脚的连接 b 三层三跨钢框架 图1 典型的低层轻钢框架 F i g ．1 T y p i c a Il o wr i s el i g h t w e i g h t s t e e lm o m e n t r e s i s t i n gf r a m e s a 4 锚栓布置 b 6 锚栓布置 图2 底板尺寸和锚栓尺寸 F i g ．2 B a s ep l a t ed i m e n s i o n sa n d a n c h o rb o l td i m e n s i o n s 表1 试件参数 T a b l e1 S p e c i m e n sp a r a m e t e 体 试件名称S P 4 一l S P 6 1 锚栓数量 锚栓尺寸／m m 底板尺寸／m m 混凝土强度 钢柱截面尺寸／m m 46 卡3 6壬3 0 5 0 0 5 0 0 3 05 0 0 5 0 0 3 0 C 4 0C 4 0 H 2 0 0 2 0 0 1 0 6 H 2 0 0 2 0 0 1 0 6 2实验设置 2 ．1 实验装置与测点布置 采用竖向伺服机进行加载，混凝土基础通过水 平千斤顶和拉杆进行固定，实验装置如图3 所示． a 实验装置示意 b 实验装置照片 图3实验装置 F i g ．3E x p e r i m e n te q u i p m e n t 为了保证锚栓和混凝土能够共同作用，防止锚 栓拔出，以及混凝土剪切破坏等脆性破坏形式，对 锚栓设置锚固板进行固定，并将锚栓、锚固板和分 布钢筋焊接在一起，锚固长度取为1 2 d d 为锚栓 直径 ．为了研究柱脚连接在循环荷载作用下的耗 能特性和各单元的局部响应情况，在柱脚、底板表 面和锚栓上设置相应的应变和位移测点．考虑到底 板锚栓的设置为对称布置，因此只在底板的1 ／4 区 域内布置测点，如图4 所示． 图4测点布置 F i g ．4 A r r a n g i n go fc o n t r o lp o i n t 2 ．2 加载制度 采用低周循环往复加载，实验研究中不考虑轴 向力的作用．由于试验装置的尺寸限制，加载点取 柱高为1 ．2m 处．加载前先进行弹性阶段预加载， 每级荷载5k N ，加载到2 0k N ，通过预加载，各测 点的工作状况，并对螺母和锚栓的连接紧密程度进 行检查． 根据弹性层间位移转角的限值为1 ／3 0 0 ，弹塑 性层间位移转角的限值为1 ／5 0 ，计算出对应加载 万方数据 第4 期夏军武等钢结构外露式刚接柱脚耗能特性的实验研究4 3 5 点的位移值分别为4 ，2 4m m ．4m m 之前每循环以 2m m 为梯度递增．4 ～2 4m m 之间每循环以5m m 为梯度递增，2 4m m 之后每循环亦以5m m 梯度递 增直到破坏． 2 ．3本构关系 对钢底板、柱板材及钢锚栓材料进行了材性试 验，钢底板和柱板材的屈服强度为c r y 2 5 5M P a ， 强化模量取O ．0 2 E ，极限强度为口。 3 7 5M P a ；高 强度螺栓的屈服强度为c r v 一9 8 0M P a ，强化模量 0 ．0 0 4 E ，极限强度为a r u 一1 ．1G P a ．所有材料弹性 模量E 一2 0 6G P a ，泊松比P o ．3 ．钢底板、柱板材 及高强螺栓的材料应力一应变本构关系分别如图 5 a ，5 b 所示． a 钢底板、柱板材 b 高强螺栓 图5钢底板、柱板材及高强螺栓材料本构关系 F i g ．5 M a t e r i a lm o d e l so fs t e e lp l a t ea n d h i g hs t r e n g t hb o l t 3 实验数据分析 3 ．1 循环荷载作用下连接整体响应分析 2 种锚栓布置形式，其整体刚度基本一致，从 实验现象观察到最终塑性铰都是出现在柱根部，柱 根部翼缘有明显的翘曲． 循环荷载作用下2 种锚栓样式连接在循环荷 载作用下的P - △滞回响应情况如图6 所示，由图6 中可以看出，2 种锚栓布置的滞回曲线基本上呈梭 形，S P 4 1 试件的滞回曲线较为饱满，在进入塑性 状态后，具有较好的塑性转动能力，S P 6 1 试件的 滞回曲线不如S P 4 1 饱满，并且滞回环伴有一定的 紧缩现象，这个主要是由于实验中锚栓上螺母松弛 而造成的，在S P 6 1 试件加载后期还存在一定的刚 度退化现象．从骨架曲线中可以看出，试件S P 6 1 的初始刚度小于试件S P 4 1 ，并且其弹性极限状态 不明显． 试件S P 4 一l 在循环加载位移达到1 8m m 时， 达到弹性极限状态，此时节点承载力为7 4k N ，对 应承受弯矩为9 1 ．2k N m ．考虑到Q 2 3 5 钢实际 屈服强度．厂，一2 3 5M P a ，可以计算出理论上的弹性 极限状态的M u 一9 1 ．6k N m ，实验值和理论值基 本上一致．进入塑性状态之后，节点受力开始进入 强化阶段，在循环加载位移达到5 0m m 时，混凝土 端部约束出现裂缝，实验结束．节点最终承载力为 1 1 4k N ． 试件S P 6 1 在循环加载位移达到1 9m m 时柱 翼缘应变开始进入塑性阶段，弹性极限状态进入塑 性状态后，由于底板和混凝土之间接触不够密实， 塑性发展不明显，在循环加载位移达到4 0m m 时， 节点承载力为1 1 7k N ． 一试验 蚕 一骨架曲线 襄 图64 锚栓和6 锚栓柱脚连接P - △响应情况 F i g ．6P - △r e s p o n s e so ft h e4 一b o l ta n d6 一b o l tc o n n e c t i o n 根据外露式柱脚连接的整体响应情况来看，2 种柱脚连接形式，在进入塑性阶段后荷载都有一定 的强化，试件S P 6 1 在弹性阶段的初始刚度比 S P 4 1 要小，而进入强化后，节点承载力基本相同， 从最终承载力来看，2 种锚栓布置对连接的整体响 应影响不大． 3 ．2 循环荷载作用下连接单元局部响应分析 根据实验得到的荷载一位移曲线来看，如果不 考虑试件安装误差．不同的锚栓布置对连接的整体 响应影响并不太大，但是从局部响应的情况进行分 析，2 种不同的锚栓样式，对连接各单元的内力分 布，及变形情况影响还是比较大的． 3 ．2 ．1 底板响应 4 锚栓布置中，底板上应变测点1 数据如图 7 a ，7 b 所示．由图中可以看出测点1 不仅仅具有X 方向的拉伸应变，其y 方向的应变值也较大，其中 X 方向最大应变为1 ．1 8 e ，，y 方向最大应变为 o 。9 2 ￡，．其测点受力状况并不是单纯的底板沿弯矩 万方数据 4 3 6中国矿业大学学报第3 7 卷 作用方向X 方向受拉或受压，在垂直于弯矩作用 的y 方向上，应力值也较大．在离开翼缘之后，X 方 向应变减小，y 方向应变继续增加．测点2 的X 方 向最大应变为0 ．2 8 e ，，而y 方向应变却增为1 ．5 9 ￡，． 产生这种现象的原因是由于底板在平面外有变形 的趋势，底板在X ，y 两个方向的受力分析见图8 ． i 蔷 0 ．0 位移／m m a 测点l 处舫向 位移／m m b 测点l 处y 方向 图74 锚杆布置底板应变变化情况 F i g ．7 S t r a i nd a t ai nb a s ep l a t eo ft h e4 - b o l tc o n n e c t i o n a l ，方向 b x 方向 图84 锚杆布置底板内力分析 F i g ．8 I n t e m a lf o r c ea n a l y s i so ft h eb a s ep l a t e o ft h e4 一b o l tc o n n e c t i o n 在6 锚栓布置中，由于在X 轴线位置增加了 一个锚栓，使得原4 锚栓布置时底板变形最大的位 置的变形得到了约束．原测点1 位置的y 方向应 变较小，处于弹性阶段，底板应变主要为X 方向的 拉应变．如图9 a ，9 b 所示为底板上靠近柱翼缘根部 的1 测点X ，y 两方向应变变化比较情况． 在6 锚栓布置中，由于锚栓对底板中间轴线X 轴处的约束，限制了底板的变形，使得沿y 方向的 底板拉应力大大减小，在整个加载过程中，该方向 应变都处于弹性状态．在X 方向，仍是在靠近柱翼 缘处应力最大，其中第一主应力最大的位置为X 轴线上的测点2 位置，与其相临的测点1 ，第一主 位移／m m a 4 螺栓中部 1 0 2 蔷 O j ．6 ．6 0 ．4 0 ．2 0O2 04 0 6 0 位移／m m b 4 螺栓侧边 应力大小差别不大．从底板的分析来看，6 锚栓布 置，比4 锚栓布置底板产生的平面外变形要小，应 力分布也更加均匀． 位移／m m位移／m ” a 测点l 处肪向 b 测点1 处y 方向 图96 锚栓布置应变变化情况 F i g ．9 S t r a i nd a t ai nt h ep l a t eo ft h e6 一b o l tc o n n e c t i o n 3 ．2 ．2锚栓响应 根据锚栓上部应变测点，得到2 种柱脚连接锚 栓上的拉应变分布情况如图1 0 所示 ； 蔷 O ，o 位移／m “ a 4 螺栓 位移／m m b 6 螺栓 图1 0不同锚栓布置应变变化情况 F i g ．1 0 S t r a i nd a t ao ft h et w o d i f f e r e n ta n c h o rb o l ts e t u p 由于锚栓主要受拉，因此其应变基本上为拉应 变．从图1 0 中可以看出，2 种锚栓布置样式的锚栓 在循环荷载作用下也进入了塑性状态，4 锚栓布置 最大的应变值约为e ，的2 ．1 倍，6 锚栓布置为1 ．2 倍．其中6 锚栓布置中，应变最大的锚栓位于中间． 由于锚栓上测点有限，无法反映其整体的应力分布 情况，对锚栓的局部响应分析将在数值分析中进一 步讨论． 3 ．2 ．3 柱身响应 根据在柱子上布置的测点，可以看出不同锚栓 样式对于柱根部应力分布的影响．两试件的应变分 布情况如图1 1 所示． 位移，m m c 6 螺栓中部 图1 1柱根部翼缘应变比较 F i g ．1 1C o m p a “s i o no ft h eS t r a i nd a t aa tt h eb o t t o mo ft h ef l a n g eo ft h ec o m u m n 根据柱根部测点应变的滞回特性曲线可以看 出，其滞回曲线比较饱满，能量耗散相对与其他单 元较大，塑性发展比较明显．由图1 1 中可以看出，4 锚栓布置中柱翼缘中间位置应变相对较小，侧边则 较大，中间最大应变为屈服应变￡，的5 ．5 侧边为 9 ．1 倍．6 锚栓布置中中间位置和侧边的应变相差 不大，侧边应变最大应变为4 ．1 ￡，，中部应变为 5 ．2 ￡，，而且中部应变相对于侧边应变较大．在4 锚 万方数据 第4 期夏军武等钢结构外露式刚接柱脚耗能特性的实验研究4 3 7 栓布置当中，如图8 所示，由于锚栓对底板的约束 由外向内逐渐减弱，底板在柱翼缘拉伸方向产生的 变形由内向外逐渐增大．翼缘中间位置的拉伸变 形，由于底板的变形，得到了一定释放，而柱翼缘的 外侧由于锚栓的约束影响，底板的平面外变形相对 较小，因此柱翼缘产生的拉伸变形比中间位置较 大． 而在6 锚栓布置中，中间位置由于增加了一个 锚栓，使得底板中间处最大的平面外变形得到了约 束，而锚栓之间的位置分析同4 锚栓布置一样，在 两锚栓位置中间处底板受到的锚栓的约束最小，会 产生相对较大的应力释放．但是当锚栓间距较小 时，且锚栓，底板刚度较大时，这种变形的释放作用 并不是很明显．因此柱翼缘在本实验中，6 锚栓布 置柱根部翼缘上应变差别并不大，但是总体上可以 反映出中间较大，侧边较小的趋势．而4 锚栓布置 中，由于锚栓间距较大，这种锚栓约束造成的柱翼 缘应力分布不均匀情况还是比较明显，侧边最大应 变为中间最大应变的1 ．6 5 倍． 根据对柱的局部响应情况分析，可以看到，不 同的锚栓布置情况，对于柱翼缘根部应力应变分布 情况影响较大，尤其对于4 锚栓布置情况，由于翼 缘侧边的应力较大，会造成底部边缘处焊缝的应力 集中，当焊接处理不当时，会有局部撕裂的危险． 3 ．3 屈服样式 根据对试件S P 4 1 ，S P 6 1 的局部分析，可以看 出柱脚连接节点的屈服并没有根据计算假定仅仅 发生在柱子根部．根据对各个单元局部响应的分 析，可以看出锚栓、底板上表面、柱的应变变化都超 出了弹性状态，有塑性变形产生．将实验得到的各 个单元测点进入塑性应变的情况进行比较，如表2 所示． 表2 节点组成单元进入塑性状态比较 T a b l e2 C o m p a r i s i o no ft h ep I 嬲t i c i t yo ft h ec o m p 璐i t i v ee I e m e n to ft h ec o n n e c t i o n 根据表2 数据，柱翼缘的塑性应变最大，其它 2 个单元都有一定程度的塑性现象．由于柱翼缘厚 度相对较薄，其刚度相对底板和锚栓较低，塑性发 展比较充分，而底板和锚栓的最终应变基本上维持 在弹性极限状态附近．各试件最大应变S P 4 1 为 9 ．1 ￡，，S P 6 1 为5 ．2 ￡，，在实验结束后柱翼缘根部观 测到明显的翘曲．比较节点的整体荷载位移响应曲 线和各组成单元应变比滞回特性曲线，节点在循环 荷载作用下的能量耗散，主要是靠柱翼缘的屈服来 提供的．这种连接形式的最终破坏形态为在柱根部 出现塑性铰，同时伴随着其他组成单元的一定程度 的屈服，属于延性破坏，并具有一定的耗能能力． 4 结论 1 在加载制度中，根据结构抗震设计规范中 对结构弹、塑性层间位移转角的限制来设置加载参 考点位移．连接节点在弹性层间位移转角限值内处 于弹性工作状态．在塑性层间位移转角内，柱翼缘 和锚栓刚刚屈服，开始强化，节点承载力进一步提 升．设计的试件可以较好的满足正常使用状态的需 要． 2 在加载过程中，底板的变形对锚栓有撬力 作用，螺母在加载过程中有松弛现象，两构件的滞 回特性胁线发生了一定的紧缩．总体上两构件荷载 一位移滞回特性曲线呈梭形，具有一定的耗能特 性，从局部响应分析来看，这种能量耗散主要由柱 子根部的塑性变形提供． 3 连接的最终屈服机制为在柱根部出现塑性 铰，同时伴随有其他单元的一定程度屈服，其自身 的力学特性并不是假定的“完全固接”形态，具有一 定的半刚性特性． 4 实验研究考虑了不同锚栓布置的影响，当 构件的承载力极限状态由柱子根部出现的塑性铰 控制时，而且锚栓、底板刚度相对柱子较大时．不同 的锚栓样式对节点的整体响应影响不大，但对连接 组成单元的局部响应及内力分布影响较大． 5 4 锚栓布置时，底板会产生一定的平面外 变形．由于这种变形，4 锚栓布置时底板除了在弯 矩作用方向产生较大的拉应力，同时在垂直弯矩作 用方向也会产生较大的拉应力；同时使得柱子根部 翼缘上内力分布不均匀，最大应力集中在翼缘的侧 面，使得柱翼缘与底板焊缝有从边缘处开裂的危 险；由于底板的变形趋势，锚栓受力并不是单纯的 受拉，还受到一定的弯曲作用．6 锚栓布置时，中间 位置锚栓限制了底板的变形，柱根部翼缘上应变也 较均匀，但锚栓自身受到的拉力也最大． 万方数据 4 3 8中国矿业大学学报 第3 7 卷 参考文献 [ 1 ] L R F D A I s c9 4 ．M a n u a lo { s t e e lc o n s t r u c t i 。n 1 0 a d [ 5 ] a n dr e s i s t a n c ef a c t o rd e s i g n [ s ] ． [ 2 ] 夏军武，袁迎曙，董正筑．采动区地基、独立基础与 框架结构共同作用的力学模型[ J ] ．中国矿业大学学 报，2 0 0 7 ，3 6 1 3 3 3 7 ． X I AJ u n w u ，Y U A NY i n g s h u ，D O N GZ h e n g z h u ． M e c h a n i c sm o d e lo fg r o u n d ，i n d e p e n d e n tf o o t i n ga n d f r a m e w o r ki n t e r a c t i o ni nm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a [ J ] ． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ，3 6 1 3 3 3 7 ． [ 3 ] 夏军武，常鸿飞．钢框架柱带悬臂梁段拼接节点的 弹塑性分析[ 刀．中国矿业大学学报，2 0 0 6 ，3 5 5 5 9 6 6 0 1 ． X I AJ u n - 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