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門式剛架鋼結構設計理念與工程實踐的若干問題

作者：陳友泉 孫學水    
時間：2011-12-01 16:56:16 [收藏]
本文就門式剛架輕鋼結構設計理念結合工程實踐探討以下問題： （1）以隅撐間距作為屋面梁平面外計算長度需隅撐連接檁條體系滿足門檻約束剛度；（2）圍護板蒙皮效應對檁條穩(wěn)定計算方法的影響，即使是弱蒙皮效應也能顯著提高檁條穩(wěn)定性；（3）應根據(jù)構件的剪應力水平考慮設置橫
    關鍵詞：鋼結構 設計理念 工程

    1 引言
    鋼結構建筑技術包括設計、制作、安裝三個方面，這三個方面技術是緊密相連互相影響的，但設計處于技術的主導地位，它規(guī)定了制作和安裝的技術要求，故對制作和安裝有很大的約束性，因此，很難想象單憑一個不熟悉鋼結構制作和安裝的技術人員能夠做出一項完美的鋼結構設計項目。另一方面，指導設計的是國家頒發(fā)的各種技術規(guī)范和技術手冊，故技術規(guī)范和技術手冊與時俱進很重要，它需要及時地吸收工程實踐中的經驗，尤其是新技術、新工藝，否則，技術規(guī)范和技術手冊會阻礙技術進步。我國早期的鋼結構建筑，除了大跨度橋梁外，主要是重型廠房建筑，所采用的規(guī)范和技術直接來自于前蘇聯(lián)，這些規(guī)范和技術體現(xiàn)了顯著的計劃經濟時代的特點，改革開放前建筑鋼結構極少，其技術和規(guī)范變化不大，符合當時的國情。自改革開放以來，建筑鋼結構在我國如雨后春筍般地涌現(xiàn)出來，先是鋼網架結構，隨后是門式剛架鋼結構，而門式剛架因其更強的適應性，得到最為廣泛的應用。我國的《鋼結構設計規(guī)范》[1]和《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》[2]及其他的相關技術規(guī)范等雖經數(shù)次修訂，但跟不上時代的步伐，難以適應新型鋼結構體系的應用，市場經濟的需要催生了《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》[3]，這本規(guī)程引進了大量的歐美國家的先進技術，為我國門式剛架輕鋼結構的發(fā)展起了極為重要的作用，但需要配套的工程施工驗收規(guī)范等沒有得到應有的關注，僅有一本制作方面的補充驗收規(guī)范[5]，至今沒有一本全面適合這類結構的施工質量驗收規(guī)范。
    顯然，我國門式剛架鋼結構發(fā)展速度過于迅猛，超前于相關技術人員和操作工人的成長，工程實踐中必然存在大量的問題，其原因除了鋼構企業(yè)技術素質和管理素質欠缺外，也有監(jiān)管人員，包括包括前面講到的國家設計規(guī)范、施工驗收標準方面技術觀念過時或不適應的問題，這些問題在一定程度上阻礙了門式剛架輕鋼結構的推廣應用，制約了我國鋼結構事業(yè)的健康發(fā)展。當前，我國鋼結構的在建項目比任何一個發(fā)達國家的都要多得多，其中，門式剛架鋼結構的建筑規(guī)模和復雜性也遠超過歐美國家，僅依靠原先引進的技術是不夠的，有許多新的問題需要探討，尤其是在設計理念方面需要創(chuàng)新，這種創(chuàng)新必須要結合工程實踐才能到位。
    門式剛架鋼結構建筑是一種全鋼結構體系：其圍護板體系需要檁條系統(tǒng)支承，但反過來圍護板又對檁條提供約束提高其穩(wěn)定性；檁條體系需要主剛架系統(tǒng)支承，但反過來檁條又對主剛架提供約束提高其穩(wěn)定性，在設計中利用好這種約束關系可得到非常經濟合理的設計結果，但這需要鎖定其結構構造特征來保證，意味著設計必須要考慮制作和安裝兩方面的實際操作能力和可執(zhí)行技術條件。另一方面，門式剛架鋼結構又是一種預制式建筑體系，主要的制作在工廠完成，是一種適合于工業(yè)自動化流水線作業(yè)方式，這意味著應該走標準化、系列化、產品化的道路，否則，必將導致效率低下，質量不穩(wěn)定。盡管門式剛架鋼結構有這樣一些特點，但在工程實踐中，由于體制的原因，不得不受到傳統(tǒng)建筑工程運行模式的影響，即：由設計院負責結構設計，找一家鋼構企業(yè)專門負責加工制作，再由一家土建單位或掛靠土建單位的施工隊負責安裝，其協(xié)調、配合的麻煩與困難幾乎貫穿于整個工程過程中，所謂標準化、系列化、產品化是難以實現(xiàn)的，工程的經濟合理性可想而知。解決這個問題的出路在于鋼構企業(yè)能精于設計，以設計為龍頭，集成制作和安裝兩方面技術，在設計好結構體系的同時，大量使用與之配套的標準化設計，其各種連接、五金配件和防水建筑構造等都要與配套，除此之外，還要考慮到工地現(xiàn)場的安裝偏差，事先設計好各種必備的、用于調節(jié)的標準化楔片等等問題。但我國的國情，市場的無序競爭使得眾多的鋼構企業(yè)難以專注于此，它們惶惶然應付各種施工質量問題，只能顧及眼前利益，無暇于長遠的打算，使得這個目標難以實現(xiàn)。當然，有部分鋼構企業(yè)致力于鋼構件加工質量的保證，但與工程整體的經濟合理性和高效率不是一回事。
    綜上所述，如何正確地運用技術規(guī)范、規(guī)程，如何創(chuàng)新門式剛架鋼結構設計理念，如何將設計理念與工程實踐相結合就成為鋼結構行業(yè)的一個重要任務，本文就這方面的問題在技術層面上進行一些探討，作為拋磚引玉供同行參考。
     
    2 門式剛架鋼結構的幾個設計理念
      2. 1 屋面梁的平面外計算長度問題
       在外荷載作用下，當屋面梁的上翼緣受壓應力時，由檁條提供側向約束很容易解決其彎扭失穩(wěn)問題；當屋面梁的下翼緣受壓應力時，根據(jù)文[3]，連接下翼緣和檁條的隅撐作為解決屋面梁彎扭失穩(wěn)的側向支撐，由此，隅撐的間距就取作屋面梁的平面外計算長度。這個計算模式對于一般的較小型門式剛架是沒有什么問題的，但當門式剛架跨度較大或有較大吊掛荷載時，則屋面梁受壓翼緣面積變大，比如大于2000mm2（相當于一個20010的板件）時，則隅撐+檁條體系所能提供的剛度條件可能不足以構成完全的支撐條件，即，不滿足計算模式所需要的支撐約束門檻剛度，因此，需要根據(jù)計算考慮將隅撐的間距乘以一個大于1.0的修正系數(shù)[11,13]，否則，計算結果偏于不安全，關于這個問題，中、外技術規(guī)范均沒有考慮。所以在工程實踐中，當面臨較大的門式剛架設計時，要么不管這個支撐約束條件，結構可能有不安全隱患，這種情況占大多數(shù)；要么用其他的、與門式剛架結構體系不相稱的結構處理方式或干脆改用其他結構體系，所以，應該解決好這個問題。
    根據(jù)文[10]的方法，分別計算隅撐+檁條體系作用下的屋面梁臨界彎矩和簡支純彎梁的臨界彎矩，通過兩者的比較即可得到這個計算長度的修正系數(shù)，在隅撐+檁條體系作用下的屋面梁臨界彎矩是：

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    2. 2     檁條的穩(wěn)定計算問題
    工程上采用冷彎薄壁型鋼作為檁條和墻梁無疑是經濟合理的，國內有大量的論文研究冷彎薄壁型鋼檁條的穩(wěn)定計算，但大多數(shù)是從復雜的穩(wěn)定屈曲理論上尋求簡化計算公式以便于工程應用，而實踐工程中，檁條必然受到屋面板的約束，對于這種約束的考慮，國內規(guī)范[4]所能做到的僅限于要么約束很強無需考慮穩(wěn)定問題，要么完全不考慮其約束，按理想化的屈曲模式計算，無疑，其計算結果有較大偏差，有的情況下甚至是巨大偏差，檁條穩(wěn)定計算的復雜性在文[13]中有較詳細的論述，
    冷彎薄壁型鋼主要采用C形或Z形構件，荷載作用線與構件的剪切中心偏離較大，故有較大的扭矩存在，根據(jù)《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》[4]計算這種構件的承載能力，需要計算因扭矩帶來的雙力矩，由雙力矩產生翹曲應力，如果檁條跨中無側向約束，則這個翹曲應力一般會大于彎曲應力，文[12，13]有詳細的論述。要計算翹曲應力是極為麻煩的，但在工程實踐中幾乎無人去計算它，是不是可以忽略不計？關鍵是如何考慮屋面板對于檁條的扭轉約束效果問題，對于普通的壓型鋼板通過自攻釘直接固定在檁條上的這種90年代最為常用的結構形式，屋面板對于檁條的扭轉約束剛度足夠強大，可以消除翹曲應力，不用計算；而且，這個扭轉約束剛度遠超過檁條彎扭穩(wěn)定所需要的門檻剛度，當檁條上翼緣受壓時，完全可以不用考慮檁條的穩(wěn)定計算；對于檁條下翼緣受壓時，這個扭轉約束剛度也能起很大作用，文[3]的附錄計算實例充分說明了這一點?，F(xiàn)在的工程實踐，為得到最好的屋面防水性能，流行采用360o咬合式屋面板，它需要屋面板與檁條之間能夠錯動滑移以適應溫度的變化，這種屋面板的蒙皮剛度遠小于前述板的蒙皮剛度[14]，但這種弱蒙皮效應仍對檁條的穩(wěn)定很有幫助[12，13]，如果再輔之以設置拉條的話，就較容易達到按照文[3]風吸力作用下檁條穩(wěn)定計算模式所需要的抗扭約束門檻剛度，這就是為什么這么多年來國內鋼構企業(yè)用的是360o咬合式屋面板，而采用的是根據(jù)普通壓型鋼板試驗得到的穩(wěn)定計算公式，在工程實踐中沒有因此而發(fā)生問題的根本原因。圖2-2是2007年沈陽大雪作用下的某廠房端部的檁條在堆積雪作用下嚴重彎曲沒有失穩(wěn)，其屋面用的就是360o咬合式屋面板。
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    這里需要說明的是文[3]引用的是歐共體的EC 3-1-3[6]，穩(wěn)定計算公式僅考慮蒙皮效應，沒有考慮拉條作用的計算，實際上，因采用的蒙皮效應很強，拉條的效果被蒙皮效應包括進去了；在它的2006年版本則將蒙皮效應和拉條作用分開考慮，但給出的公式蒙皮效應仍是針對普通壓型鋼板的，并沒有涉及360o咬合式屋面板的情況；該版本的重要意義在于：將蒙皮效應和拉條作用分開考慮后，便于這種計算模式能夠套用到弱蒙皮屋面板的工程中去。故此，針對我國的狀況，要解決好檁條的穩(wěn)定計算需要國內行業(yè)界確定出幾種典型的360o咬合式屋面板對檁條的扭轉約束剛度，用這些扭轉約束剛度放到公式里去計算。顯然，我國的設計規(guī)范應盡快引進EC 3-1-3的2006年版本，以便適應工程實踐中的各種不同情況[13]。
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    2. 5 溫度區(qū)段長度問題
        一般設計人員僅按規(guī)程設計，很少去思考規(guī)程所做的規(guī)定有其適應條件，根據(jù)文[3]縱向溫度區(qū)段長度可取為300m，這對于無吊車梁的輕型門式剛架鋼結構是沒有問題的，因為檁條與剛架的連接采用的是橢圓孔，圍護板用得是肋型板，它們在建筑物的縱向都有極好的變形能力，不會使柱間支撐產生大的溫度應力，故設計時不需計算溫度應力，但要求縱向系桿也應是普通螺栓連接，而不是焊縫連接（如此，溫度應力得不到釋放），否則，柱間支撐內力仍將很大。如果設有吊車梁，因吊車梁的剛度很大，溫度區(qū)段仍是300m的話，則一般來說柱間支撐的溫度應力早已超過屈服點甚至有被拉斷的可能；如果去掉兩端區(qū)間的下柱支撐，使吊車梁的計算溫度區(qū)段成為100m，可大大減少吊車梁和柱間支撐的溫度應力，但對柱間支撐來說，其溫度應力仍很大，不能忽略不計。所以，設計人員應該有自己的判斷，雖然同是門式剛架體系卻因構件剛度及連接方式的不同溫度應力大相徑庭，不要以為凡是按規(guī)范、規(guī)程給出的溫度區(qū)段設計就可以不管其他。
    3 制作方面的問題
     3. 1 薄腹板制作變形及質量驗收問題
    焊接鋼構件有一個不均勻的熱脹冷縮過程，因而會產生各種變形，H型鋼腹板與翼緣之間的焊縫在冷卻收縮時，腹板靠近焊縫區(qū)域產生拉應力，腹板的其它區(qū)域產生壓應力，正是這個壓應力使腹板沿縱向屈曲形成波浪性鼓曲變形[13]。對于這種變形，文[2]規(guī)定了判斷構件合格的驗收標準，它與文[1]是配套的，傳統(tǒng)的鋼結構構件用的腹板厚度大，不容易屈曲，所以變形很小，顯然，按照傳統(tǒng)鋼結構編制的關于腹板變形的驗收標準用于輕鋼構件是不合適的，這使得我國的輕鋼構件很難應用在工程上，只好加厚腹板來制作鋼構件了。
    構件受彎時，腹板一半為壓應力一半為拉應力，且壓應力為三角形分布，最大應力又發(fā)生在與翼緣相交處，翼緣對腹板的約束也在此處，故這種受彎應力模式的腹板屈曲臨界應力高，因此，控制腹板高厚比的臨界應力主要由受剪控制，在剪力作用下，總是有一對正交的主拉、主壓應力場，主壓應力超過臨界應力時腹板屈曲，主拉應力場則有阻止其屈曲的效果，使腹板屈曲后仍有承載能力。如果在腹板上配之以橫向加勁肋之后，則實腹式H構件可轉化成類似空腹式桁架的結構形式，見圖3-1(a)所示，此時，腹板的局部屈曲對構件的極限承載力影響大為減弱，如果端部有針對張拉場的豎梁的話，見圖3-1（b）所示，腹板的局部屈曲就不再會影響構件的極限承載力，有鑒于此，對薄腹板變形的驗收規(guī)定是否仍需按普通鋼結構那樣嚴格就值得探討。
    有理由認為，在設計人員按照設計規(guī)范利用屈曲后強度理論計算[3]，對允許的剪應力設計值折減之后，可以考慮參考美國同行的做法，對腹板平整度的允許變形值給予適當?shù)姆潘桑ㄔO部頒布的《門式剛架輕型房屋鋼構件》[5]規(guī)定的腹板變形允許值參考了美國金屬結構規(guī)程MBMA[7]，但將其允許變形值由h/72減小到h/100，采用文[5]，使得輕鋼構件比較便于通過驗收。但這當中還有問題，就是我國規(guī)范對平整度的定義和美國的MBMA及焊接規(guī)范AWSD 1.1[8]不同，美國規(guī)范的定義是按腹板的鼓曲變形規(guī)律考慮的，認為腹板的鼓曲變形一定是符合正弦波規(guī)律，其正弦波峰距中性線的距離即是平整度的定義，見圖3-2（a），此完全符合腹板的實際變形狀況，也符合按拐點（正弦波與中性線的交點）作為邊界條件分析薄板屈曲的力學原理（屈曲理論），正確地反映了腹板鼓曲變形的力學本質。我國規(guī)范沿用過去傳統(tǒng)的以1m范圍作為度量平整度的依據(jù)，見圖3-2(b)，顯然不符合腹板的變形規(guī)律和力學特征，用了這個平整度的定義之后，使得文[5]所規(guī)定的腹板變形允許值雖然比文[2]要寬松，但比美國規(guī)程仍要嚴格許多，例如，當腹板鼓曲的波長不超過1m，意味按我國規(guī)范定義的變形值比美國定義的要大一倍，這就是我國輕鋼構件難以推廣運用的一個重要原因之一。按照文[8]，對腹板變形的限定要考慮到構件的觀感，對觀感要求高則應嚴一些，否則可松一些。當構件設有間距a≤1.5h（h為構件截面高度）的橫向加勁肋時，允許腹板變形還可適當放松一些。
     
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    3. 2 吊車梁突緣支座加勁肋下端刨平頂緊問題[13，20]
    為使吊車梁在牛腿上傳力盡量不產生偏心，通常采用突緣支座加勁肋方式，它要求突緣支座加勁肋下端刨平頂緊傳力，這是傳統(tǒng)的做法，可得到極好的傳力模式，但其工程成本將極大地增加，在當前市場條件下幾乎不可能實行。首先，所有吊車梁必須做預拼裝，通過精加工達到刨平頂緊之目的，預拼裝必須對構件采用一對一的編號方式，吊車梁在工廠裝車和現(xiàn)場卸車必須按原預拼裝一對一的編號位置順序放置在工地上等待安裝，否則，原先的刨平頂緊不起作用，這就使得管理難度極大地增加。正是因為如此，使得這個設計意圖只是停留在圖紙上，并沒有在工程上真正實施，況且，一般的中、小企業(yè)也沒有設備條件去做預拼裝精加工。如果不這樣做，則只能保證牛腿上一側的吊車梁突緣支座加勁肋基本符合刨平頂緊條件，另一側吊車梁的突緣支座加勁肋受到螺栓的約束其下端在牛腿上可能是點接觸，點接觸傳力意味該吊車梁有附加扭矩，附加扭矩將由連接吊車梁的各種螺栓承擔，極易造成螺栓松動，行車振動，極為不利。鑒于這樣的情況，宜退而求其次，將突緣支座加勁肋上的螺栓孔徑加大2mm，使兩吊車梁在端頭的連接處能有微小的松動，使兩側的吊車梁基本達到在牛腿上頂緊傳力之目的，突緣支座加勁肋上的螺栓不需要承擔吊車荷載，加大螺栓孔徑不會有安全之患。
    當然，對于重要的重級工作制吊車梁，考慮傳統(tǒng)的突緣支座加勁肋下端刨平頂緊，仍有其必要，但需要市場有優(yōu)質優(yōu)價的公平與約束機制（這正是國情難以解決的問題），否則，工程實踐不但不能符合設計意圖，反而連上述退而求其次的措施都不做，而這正是當前工程中普遍的狀況。
     
    4 安裝方面
     4.1 端板式高強度螺栓連接的技術要點
    傳統(tǒng)的高強度螺栓連接主要采用摩擦型連接見圖4-1(a),節(jié)點復雜，成本高；輕鋼結構采用的高強度螺栓連接見圖4-1(b)，簡單方便，成本低，此種連接可稱之為“張拉性連接”，但有人并不了解這種連接的技術特點，認為這種螺栓“采用張拉力，實際上降低了受拉螺栓的承載能力，是極其不合理的”[16]，當然，這種觀點是完全錯誤的[17]。實際上，這種“張拉性連接”節(jié)點不是完全的剛性節(jié)點，它會有一點“附加轉角”[18]，所以，應當保證像摩擦型連接那樣的預拉力來保證節(jié)點的剛度。
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    另一方面，“張拉性連接”無需像摩擦型連接那樣要求嚴格的抗滑移系數(shù)，可以對其接觸面涂刷普通的防銹油漆，這一點很重要，因端板之間是有縫隙的，以后濕氣引起的銹蝕是無法整治的，經常遇到工地上施工監(jiān)理按照文[2]中摩擦型高強度螺栓的做法，不允許鋼構企業(yè)涂刷防銹油漆，百害而無益。另一方面，為便于螺栓安裝，還可以沖成橢圓孔，這在美國用得很普遍，因為他們的設計規(guī)范有針對橢圓孔承載力的計算圖表，我國規(guī)范無相應計算方法，使橢圓孔在工程實踐中難以推廣，大大增加了安裝難度。
    這種端板式連接在現(xiàn)場安裝經常出現(xiàn)的問題：一是個別螺栓孔對不上；二是端板間有縫隙，現(xiàn)場監(jiān)理不清楚這種連接節(jié)點的技術特點，往往按照傳統(tǒng)摩擦型連接的方法做，對螺栓穿不上孔不容許火焰擴孔，對端板縫隙不容許加楔片，要采用火焰矯正的辦法，使得現(xiàn)場操作極為困難。實際上，這種“張拉性連接”節(jié)點主要的技術關鍵就是保證予拉力，火焰擴孔不會有什么問題，如美國的高強度螺栓施工規(guī)范對這種“張拉性連接”是容許火焰擴孔的[9]；對端板縫隙加楔片也不會有什么問題，如果用火焰矯正的辦法，所形成的殘余應力與外荷載產生的應力有迭加關系，使得節(jié)點呈剛度退化現(xiàn)象,反而對結構不利。
      4.2 混凝土柱頂上鋼斜梁拱的安裝問題
        在工程實踐中常會遇到混凝土柱頂上采用鋼斜梁拱這樣一種結構體系，從結構理論來說，這種結構體系與門式剛架無關，但很多技術人員仍將此看作是門式剛架，因不知其中的技術特點引起諸多的工程隱患，故在此討論。實際上，這種（單跨的）斜梁拱是一種很不合理的結構形式，文[19,20]有詳細的分析，它的要害是拱腳處的反推力對于結構有極大的影響，而施工時很難保證這種反推力符合設計模型；再有，在拱頂處用的是端板式高強度螺栓連接，該處的“附加轉角”也對結構的下?lián)希ㄒ嗉雌露龋┯泻艽蟮挠绊?，而坡度的變化對內力的影響很?/span>[20]。
        在施工時應對這種鋼結構體系考慮兩個特殊的措施：一是安裝時適當?shù)赜枰云鸸埃沟窒绊敼?jié)點的“附加轉角”影響；二是在跨中加臨時支撐，消除柱頂處的反推力，待澆灌的混凝土固結后再撤去臨時支撐，或是一次性做好混凝土柱頂?shù)臉烁吆推秸?，設置帶抗剪件的預埋件，在地面上一次性裝配好斜梁拱，在斜梁拱的吊構松開之前，將其焊接在預埋件上，總之，需要采取有效措施保證反推力才能消除工程隱患。
      4.3 吊車梁安裝的偏心問題
        因土建安裝的偏差，吊車梁擱在牛腿上很容易出現(xiàn)偏心，見圖4-2(a)，因有此偏心則吊車梁下翼緣的連接板螺栓孔就對不上，見圖4-2(b)，這是常見的安裝毛病。解決這個問題需有兩個措施[13, 21]：第一，在安裝時，應該從建筑的中央分別往兩端逐一調整吊車梁的位置，避免從一端安裝到另一端造成累積誤差，安裝調節(jié)順序見圖4-3所示；第二，需要設計和制作兩方面都要配合好，所設計的吊車梁端部之間插入的調節(jié)板厚度不能定死，要提供幾種不同厚度的調節(jié)板供現(xiàn)場選用，由此，可以微調土建安裝造成的偏差。第二個措施說起來容易，但實行起來并不容易，一般設計人員不會去關注調節(jié)板厚度問題，只是照抄吊車梁標準圖集給出的調節(jié)板厚度；制作方面更不會去考慮這個問題；現(xiàn)場安裝人員只是被動地做事，也不知道調節(jié)板的作用是什么，故需要作為技術龍頭的設計人員意識到這個問題，在設計施工圖上給出可操作的做法。
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    5 小結
        在工程實踐中，因設計不能充分考慮制作工藝和安裝技術會帶來一系列不切實際的技術困難或工程質量問題，因此，在設計理念上重視克服僵化的本本主義，緊密結合工程實踐，作為龍頭集成制作和安裝技術實屬必要；另一方面，作為指導鋼結構設計的國家技術規(guī)范、規(guī)程?棄過時、守舊的技術，結合不斷發(fā)展的工程實踐，創(chuàng)新技術標準是極為重要的。
     
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