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第 7 期 杭州湾跨海大桥海中承台海工耐久混凝土裂纹原因分析 3 9 杭州湾跨海大桥海 中承台海工耐久混凝土裂纹原 因分析 刘 尧 , 刘 虎 ( 1 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司, 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ; 2 中交第二航务工程局第四工程分公 司, 安徽 芜湖 2 4 1 0 0 6 ) 摘要: 结合杭州湾跨海大桥第 V合同段海中承台施 工中大体积混凝土裂纹的出现、 解决的过程, 分析承台海工 耐久混凝土裂纹产生的机理与原因。分析表明水泥水化绝 热温升变化及混凝土的自收缩、 塑性收缩等是引起混凝土开 裂的主要原因, 从原材料的选用与混凝土配合比的设计出发 提高混凝土的抗拉性能与降低混凝土的应力是避免 出现裂 纹 的主要 手段 。 关键词: 承台; 海工耐久混凝土; 大体积混凝土; 裂纹 ; 机理 ; 措施 1 引 言 随着社会的发展和建筑技术 的进步 , 现阶段配 置高强、 高工作性混凝土已经不再困难, 人们越来越 注重混凝土的耐久性能和混凝土结构物的全寿命使 用成本。2 o 世纪 9 0 年代初在美国出现的高性能混 凝土 ( Hi g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e , 简称 HP C ) , 由 于有着优 良的工作性能 、 高强 、 高耐久性 , 目前在欧 美等发达国家得到积极的研究 、 开发与应用 。 杭州 湾跨 海大桥工程针对所处 的恶 劣海洋环 境 , 在国内率先提出并在全桥结构混凝 土中使用设 计工作寿命为 1 0 0年 的海工耐久混凝土。本文根据 杭州湾跨海大桥第 V合同段海 中承台海工耐久混凝 土的设计、 优化过程及承台施工结果 , 分析承台高性 能混凝土裂纹 ( 裂 纹开展宽度O 1 ram) 产生和消 除的原因 , 提 出预 防和处理该类裂纹的技术措施 。 2 工 程概 况 杭州湾跨海大桥是 国道主干线同三线跨越钱塘 江的最便捷通道 , 桥梁全长 3 6 k m, 按双向 6车道高 速公路标准进行设计 , 设计行车速度 1 0 0 k m h 。大 桥工程所处海湾为世界第三 的强潮暗涌海湾 , 潮汐 类型为浅海半 日 潮, 潮差大、 波浪大、 潮急流乱、 季风 强劲 、 台风时常光顾、 施工条件恶劣 。海上水 中区引 桥工程下部结构采用 钢管桩基础与混凝 土承 台连 接 , 预制墩身与承台问采用湿接头混凝土连接成为 整体的设计方案。本工程主体混凝土结构的设计工 作寿命为 1 0 o年 , 结构混凝土均采用海工耐久性混 凝土。 2 1 海中承台简介 杭州湾跨海 大桥工程 的典型承 台横截 面为 圆 形 , 直径 1 0 5 m, 承台厚 2 8 I i l , 两幅桥基础中心距 1 7 m, 承台之间最小净距 6 5 m; 其桩基础 ( 9 一乒 1 5 m钢管桩) 呈梅花形布置 , 桩顶 间距 2 6 m, 桩最大 斜率 6: 1 , 桩伸人承台 1 5 m, 承台的平面尺寸见图 1 。承台底面高程 0 2 m, 高 出平均低潮位 ( 平 均低 潮位 一2 1 2 m) , 采用钢套箱围堰施工。 f= 8 50 0 8 5001 000 l 7 桥 ! 轴 l 线 l O 5 0 0 6 5 0 0 2 1 0 5 0 0 图 1承台平面布置 2 2 承台裂纹 杭州湾跨海大桥工程第 V合 同段承台在前期混 凝土施工 中, 混凝土浇筑后 1个月左右拆模 时其表 面均不同程度地出现竖 向裂纹 , 且竖 向裂纹 均出现 在伸入承 台的钢管桩 与承 台表面的相切面上 , 最多 出现 8条竖向裂纹 。承台典型竖 向裂纹展开示意见 图 2 。承台所有出现的竖 向裂纹均非常细小、 均匀 , 裂纹开展宽度一般在 0 0 3 0 0 6 mm, 最大不超过 0 0 8 mm; 裂纹长度一般在钢管桩伸人承 台的 1 5 m范围内, 且 同一承 台的竖 向裂纹 的长度一般较相 等 ; 裂纹的开展深度均在 4 0 mm 以内。 收稿 日期 : 2 0 1 1 一l 1 一O 4 作者简介 : 刘尧 ( 1 9 8 1 一) , 男 , 助理工程师 , 2 0 0 5年毕业于武汉理工大学工程管理专业 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 桥梁检测与加固 2 0 1 1 年第 2期 承 台 l l ( 1 I 封底 图 2 典型承 台竖 向裂纹展 开示 意 3 承台海工耐久混凝土设计及施工效果 3 1 设计技术要求 承台 C 4 o海工耐久混凝土设计要求 : 最大水胶 ( 灰) 比为 0 4 0 、 最小水泥用量为 4 0 0 k g m。 、 混凝土 拌合物中由各种原材料引入的氯离子总质量不超过 胶凝材料总量的 0 1 、 混凝 土中须加入适 量掺入 型钢筋阻锈 剂、 新 拌混 凝土 中引气量 要求 控制 在 4 6 , 气泡间隔系数小于 2 5 0 m、 混 凝土抗裂 性能 良好 、 按 R C M 快速非稳态 电迁移法 检测承 台 海工耐久混凝土 8 4 d ( 1 2周 ) 氯离子扩散系数小于 2 5 1 0 一 m。 s 。 3 2 原材料 杭州湾跨海大桥北岸混凝土施工采用定制海螺 宁 国产水 泥厂P I I 4 2 5 级 低碱水泥 、 C 。 A含 量在 6 9 、 水泥 的氯离 子含量低于 0 0 3 ; 磨 细高 炉矿渣粉 比表面积宜控制在 3 6 0 4 4 0 m k g 、 需水 量比不大于 1 0 0 、 烧失量不大于 5 ; 粉煤灰选用 组分均匀各项性能指标稳定 的低钙灰 、 烧失量不 大 于 8 、 需水量 比不大于 1 0 0 、 三氧化硫含量不 大 于 2 。细集料 采用福 建闽江 产 区细 度模 数 为 2 6 2 9的河砂 , 碎石要求采用 5 2 5 mm连续级 配碎石 , 砂石材料应无潜 在碱一集料反应 ( AAR) , 集料的其余技术性能应符合国标规范中的一等品要 求。混凝土外加剂选用上海麦斯特公司生产的聚羧 酸类 S P - 8 C R型泵送剂 , 掺入型钢筋阻锈剂采用 山 西凯翕克产的优等 品亚硝酸钙 。 3 3 配合比设计 为保证杭州湾跨海大桥承台海工耐久混凝土达 到设计使用寿命 1 0 0年 的高性能混凝土要求 , 混凝 土用材料在拟用前 均经过验证试验 , 确认符合质量 要求后方可应用于工程施工中。承台海工耐久混凝 土设计时严格按 杭州湾跨 海大桥专用施工技术规 范 要求 , 在强度r、 施工性能满足要求的前提下 , 通过 混凝土氯离子扩散系数试验与早期抗裂性试验优选 出耐久性能和抗裂 l生好的混凝土应用于承台施工中。 第V 合同段施工承台配合比的具体数据见表 1 。 表 1 施 工承 台 C 4 0配合 比 注 : W、 C+k +F、 S 、 G分 别为水 、 胶凝 材料 、 砂 、 石 。第 1 种 承台混 凝土 中 K为磨 细商炉 矿渣 , 第 2 、 第 3种承 台混凝土 中 K为 海2 12 掺 和料 。 混凝土中掺人型钢筋阻锈剂和超塑化剂掺量分别为胶材重量的 2 、 1 2 。海中承台每墩位 2 个, 根据安排顺序施3 2 各墩位。 3 4 施工效果 凝土配合 比减少 , 现场施工时掺和料全部为磨 细高 承台海工耐久混凝土采用专用混凝土搅拌船按 炉矿渣粉的第 1 种混凝土配合 比容易 , 但施工拆模 混凝土设计要求进行生产 , 然后直接用混凝 土拖泵 后的承 台混凝土基本全 部出现 8条长度 1 0 0 1 5 0 泵送至施工作业面, 插入式振捣棒振实成型。混凝 c m、 宽度小于 0 0 8 m m的裂纹。第 3 种混凝土配合 土蓄淡水养护至拆保温钢模前 ( 初凝后终凝前) , 同 比中掺和材采用在东海大桥中使用的海工掺和料与 时在承台混凝土浇筑完成后通冷却水降低混凝土的 工 级粉煤灰, 混凝土中总胶材最少且大掺量优质粉 k 洱 煤灰 , 现场施工控制最容易 , 承台混凝土拆模后未出 实际承台施工中, 第 1 种混凝土配合比中掺和 驮。 料全部采用高活性 的磨细高炉矿渣粉 , 混凝土性能 好但施工困难, 混凝土竖向裂纹长度 5 0 1 0 0 c m、4 承台海工耐久混凝土裂纹产生机理与原 宽度小于 0 0 5 mm且一般出现 3 6条 。第 2种混 I 夭 l 凝土配合 比中掺和料采用在东海大桥 中使用的海工 掺和料与 工级粉煤灰 , 混凝土 中总胶材较第 1种混 杭州湾跨海大桥第 V合 同段在承台海工耐久混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 7期 杭州湾跨海大桥海中承台海工耐久混凝土裂纹原因分析 4 1 凝土的设计和施工过程中, 通过认真控制 、 记录每次 承台混凝土的施工过程, 总结承台裂纹出现的规律 , 分析可能产生承台混凝 土裂纹 的机理与原因 , 通过 材料的选 择与混 凝土 配合 比优化 及使 用 , 最终 在 2 0 0 5年元月后施工 出的承台未 出现混凝土裂纹 , 消 除了承台混凝土氯离子侵蚀的不利通道 。承台海工 耐久混凝土裂纹产生机理与原 因很复杂 , 实 际工程 中宏观可见裂纹消除 了, 但 由于实体施工控制与质 量保证等方面的原 因, 对承 台混凝土裂纹产生 的原 因仅做初步探讨 。 4 1 混凝土性能原 因 4 1 1 混凝土温度应力 混凝土具有热胀冷缩性质 , 其温度线膨胀系数 一 般为( 1 0 1 5 ) 1 0 一 c。并且 由于混凝土是 热的不 良导体 , 因此水泥水化后释放产生难 以在较 短时间内迅速散发 的大量水化热 , 造成承台混凝 土 的温度迅速升高 , 产生 比较 大的混凝土 温度变形 。 由于大体积混凝土散热条件不一致 , 混凝土内、 外温 度不同易产生温度 收缩 , 当承 台混凝土 因温度收缩 产生的拉应力超过混凝土 的极限拉应力 时, 承台混 凝土将 出现裂纹。因此控制承台混凝土的水化热与 内、 外温差对保证承台混凝土 的体积稳定性有重要 意义 。 承台混凝土施工前 , 按大体积混凝土施工要求 制订了详细的施工技术方案与温控方案, 并严格按 上述方案组织承台混凝土施工 。各承 台配合 比混凝 土水化产生的 7 d水化热推算值分别是 : 1号承台配 合比 1 9 1 1 O k J 、 2号承台配合 比 2 2 3 1 0 k J 、 3 号承台配合比 1 7 5 1 0 。 k J 。承台海工耐久混凝土 的温控检测结果表明, 1号承 台配合 比的最高温度 为6 1 9 , 混凝土最 大内、 外温差为 1 0 3 , 平均 水化高峰 出现在 3 0 h左右; 2号承台配合 比的最高 温度为 5 6 9 , 混凝土最大内、 外温差为 1 7 9, 平均水化高峰出现在 2 6 h左右 ; 上述温控检测结果 均符合 杭州湾跨海大桥专用施工技术规范 相关规 定 的要求 。 承台混凝土裂纹的汇总统计与上述承台混凝土 水化热数据表明 , 承台混凝土裂纹的类型 、 开展情况 及产生数量与承台混凝土的水化热并不呈线性关 系 , 但 同一配合 比施工环境温度 与承 台裂纹的数量 成正 比。由此分析认为承台混凝土采取了一系列的 现场温控措施 , 有效地降低 了由温度收缩应力产生 的混凝土开裂可能, 但是不同温度下混凝土的入模 温度对混凝土的水化放热速度 、 温度梯度不一样 , 致 使混凝土的温度应力大于混凝土 的抗 拉强度而开 裂 。大量粉煤灰的掺人, 混凝 土 自身 的抗裂性能得 到改善与提高, 同时降低了混凝土的水化速度与水 化热 , 降低了承台混凝土产生裂纹的风险。 4 1 2 混凝土 自收缩 本工程 中承台均为低水胶 比的高性能混凝土 , 虽然混凝土的设计坍落度达到 1 6 0 2 0 0 m m, 但因 高品质的矿物掺和料 的减水作 用和超塑化剂 的运 用 , 混凝土的用水量相当低 , 造成混凝土中的 自由水 量比较少 。虽然承台混凝土的强度和密实度均非常 高 , 混凝土的抗氯离子渗透性能出众, 但承台混凝土 由于胶凝材料的颗粒细小、 矿物掺和料活性大, 混凝 土的水化速度和二次水化速度快 , 混凝 土在水化生 成硬化水泥石的同时其水化所需的水迅速被消耗 , 并随着水化的不断进行使空隙和毛细管中的水也被 逐渐吸收而减少 , 形成空隙, 水泥石的内部相对湿度 也随之降低 , 导致毛细孔水从饱和状态趋向不饱和 , 致使毛细管中的液面形成弯液面而产生毛细孔压 力 , 使水泥石受 负压作用引起混凝 土的 自收缩 。自 收缩现象是混凝土凝结硬化初期发生 的一种物理收 缩现象 , 当混凝土 的 自收缩应力超过混凝土的强度 时 , 混凝土开始产生 自收缩裂纹 。 常规混凝土 由于用水量 比较 大, 同时其 自由水 量大, 早期混凝土 自收缩值相对混凝土的收缩不 明 显 。研究文献表 明_ 1 叫 HP C的早期 自收缩值在低 水胶 比时达到 4 0 0 1 0 以上 , 同时 HP C随磨细矿 渣掺量增加 , 自收缩值增大 , 且磨细矿渣掺量越大 , HP C的自收缩速度越大 ; HP C中掺人磨细粉煤灰 可降低早期 自收缩值 , 尤其在 2 4 h之前降低幅度更 大 , 这是 由于优质粉煤灰含有较 多的表面光滑的玻 璃微珠 , 其球状颗粒之间具有较小 的接触面积和 比 较大的空隙半径 , 能使混凝土的浆体形成较大的空 隙体积和毛细孔孔径 ; 同时粉煤灰 的活性较硅灰和 磨细矿渣低 , 与水泥水化物发生二次水化反应的速 度相对 比较慢, 因而可 以降低 HP C的 自收缩速度 , 从而掺加 优质的粉煤灰可 以减少 HP C的 自收缩 。 在 3 0 粉煤灰的用量下 1 , 混凝土 的早期 自收缩最 大可由不掺或掺矿渣粉的 4 0 0 1 0 降低到 1 9 0 X 1 o , 并有着随粉煤灰的掺用量增加混凝土 自收缩 减小的规律 。因此大体积 HP C应考虑大掺量使用 优质粉煤灰 , 并适 当使用磨细矿渣粉 以增加混凝土 的粘聚性 与耐久性能 , 同时在使 用时综合考虑粉煤 灰与磨细矿渣粉细度对混凝土性能的影响。 4 1 3 混凝土塑性收缩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 桥梁检测与加固 2 O l 1年第 2期 承 台海工耐久混凝土作 为一种高性能混凝土 , 其水胶 比低 , 自由水分少 , 混凝土粘 聚性强 , 成 型后 基本不泌水 , 在多风大风的海上 , 混凝土表面水分蒸 发非常快 , 在承 台表面易产生塑性 收缩 。承台浇注 成型 2 0多天后拆除钢模板 , 因此混凝土塑性收缩只 在承 台顶面产生裂纹 , 并沿顶面向下少量传递 , 不会 对下部承台混凝土产生作用。 4 2混凝土用原材料与配合 比设计原 因 4 2 1 混凝土胶材 新 的水泥 国家标准实施 以来 , 水泥的富余强度 越来越高 , 混凝土强度和密实度大为提高 , 混凝土的 后期收缩相对减小 , 但现在工程 中早期混凝土 开裂 现象却越来越多 。根据上海市政工程研究院在上海 长江隧桥工程中的研究 , 在相同配合 比的情况下仅 在水泥品种变化的情况下 , 水泥强度等级越高、 水泥 熟料越多, 混凝土相对开裂风险越大 ; 同时在掺用不 同掺和料 时, 大掺量粉煤灰较磨细矿渣粉 、 硅灰的抗 开裂性好 。合理地选用胶材掺和料及适用的胶材 比 例可 以有效降低胶材的水化热 , 同时兼顾混凝 土的 经济性 、 可施工性 。 4 2 2 外加剂 现有研究表 明l 5 , 使用减水剂可 以提高混凝 土 的综合性能, 但其混凝土的早期收缩值由不掺减水 剂的小于 7 0 1 0 m m增加到掺加减水剂的大于 2 0 0 1 0 m m, 使混凝土早期 出现裂纹 的可 能性 大大增加 ; 在使用减 水剂 的同时使用混凝土减缩剂 以降低混凝土的收缩值 , 可使混凝土掺用减水剂后 混凝土收缩值 降低 至未 掺的 1 0 0 甚至更低 , 但 成 本增加大。 4 2 3 混凝土配合 比设计 混凝土配合 比设计 时要考虑的重点很多 , 但很 多情况下 , 最优 质材料 的组 合不一定 是最合理 的。 杭州湾跨海大桥承台各种材料均为当时条件下的优 质材料 , 确保了混凝 土的各项性能指标优 良, 但同时 上述优质材料的使用及其基本要求使混凝土的水胶 比低 、 用水量少 , 为保证混凝土施工性能 , 混凝土配 合 比中的砂率偏大, 以上均增加 了混凝土 的开裂风 险。如要降低混凝土砂率则粗集料的最大公称粒径 需要增大而超 出工程规范的要求。因此混凝土设计 指标的选用应适宜 , 否则在施工中实现困难 。 4 3 与混凝土施工有关的原因 ( 1 )采 用合格 的原材料按 设计 配合 比进 行施 工 , 避免在生产过程中混凝土拌合物搅拌不均匀 、 离 析 , 影响混凝土的均匀性 、 密实度和强度 。 ( 2 )由于高性能混凝土 中掺入矿粉后拌合物非 常粘稠 , 混凝土振捣非常困难 , 现场混凝 土施工时容 易出现振捣不充分 、 过振和漏振现象 , 造成混凝土强 度下降 。 ( 3 )高性能混 凝土用水量少 , 浇筑完成后若 养 护不及时, 在风速较大的海上 , 混凝土表面更容易产 生塑性收缩裂纹 。 4 4承 台结构 设计 原 因 本工程承台主筋采用 HR B 3 3 5 4 0 mm、 钢筋 保 护层厚度 9 0 mm, 使混凝土表面容易 因为混凝土保 护层过大、 钢筋主筋对混凝 土保护层无法产生约束 , 且有 9根钢管桩这个强约束源影 响, 自由状态下的 承台表面混凝土极易 出现开裂可能。 4 5其他原 因 杭州湾为世界第三的强潮 暗涌海湾 , 潮汐类 型 为浅海半 日潮 , 潮差大 , 波浪大, 潮 急流乱 , 季 风强 劲 。在气候条件不好 的时候 , 风浪、 潮水等形成 的急 速水流能使承台发生晃动 , 承 台晃动时伸入承台混 凝土中的钢管桩会使钢管桩周 围的混凝土受到拉伸 ( 或压缩) 作用 , 使得承台混凝土因此而产生拉伸( 或 压缩) 变形 。承 台施工记录与裂纹统计表 明, 每月天 文大潮期间施工的承台混凝土裂纹数量 比同期施工 的承 台裂纹 产 生 的数 量要 多 1 2条 , 2 0 0 4年 4 月9月期 间施 工 的承 台混凝 土裂纹数量 比 2 0 0 4 年 2月3月期间施工的承台混凝土裂纹产生 的数 量 要 多 。 5结论 杭州湾跨海大桥承台海工耐久混凝土施工 中出 现的裂纹是 由混 凝土 的水化热 温升变化 引起 的温 度 、 混凝土 自收缩 、 塑性收缩等应力在强约束源的作 用下叠加增强 , 并进一步在水流、 温度 、 风等共 同作 用下扩大, 混凝土结构薄弱处混凝土很容易引起 开 裂 , 要采取综合的措施降低或改善引起开裂的各种 应力与收缩源 , 同时采取提高混凝土抗拉能力的措 施 , 有效减少混凝土的开裂 ; 并积极通过各种施工控 制手段来保证。发现裂纹后要 积极观 测 , 待其稳定 后及时修补 , 提高结构 的耐久性。 参考文献: 1 李家和, 欧进萍 , 孙文博掺和料对高性能混凝土早期 自收缩的影响L J l 混凝土, 2 0 0 2 , ( 5 ) : 9 一l O 2 吴学礼, 张树青, 杨全兵 , 等粉煤灰混凝土的 自收缩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 7 期 杭州湾跨海大桥海中承台海工耐久混凝土裂纹原因分析 4 3 性能E J 粉煤灰, 2 0 0 3 , ( 6 ) : 3 5 E 3 张树青, 杨全兵矿粉混凝土的自收缩性能E J 3 低温 建筑技术 , 2 0 0 5 , ( 3 ) : 1 -3 L 4 陈立军, 李世禹高性能混凝土 自收缩增大的机理与 改善途径E J 混凝土与水泥制品, 2 0 0 4 , ( 5 ) : 1 O 一1 2 ( 上接 第 2 0页) 砸击后梁体受损严重 , 整体刚度下降, 已经不能满足 设计荷载运营要求 , 建议对桥梁进行加固, 提高桥梁 的整体刚度, 同时保证加固前桥梁受损较严重区域 禁止行车 。 参考文献 : ( 上接 第 2 8页) 事 曩 蠹 曩 童 纛 巍 二 二 图 7 荷载组合 下桥 面系最 大应力 系单元正应力不出现拉应力 , 有 2 6 MP a的压应力 储备 , 最大压应力为 1 3 8 2 MP a , 满足规范的要求 。 在荷载组合 下, 桥面系单元 正应力 出现的最大拉 应力为 0 1 MP a , 最大压应力为 1 3 9 4 MP a , 满足规 范的要求 。 E s 钱晓倩, 詹树林 , 方明辉, 等减水剂对混凝土收缩和 裂纹的影响E J 3 铁道科学与工程学报, 2 0 0 4 , ( 2 ) : 1 9 25 E 6 孙家瑛 , 邓世汉, 张杰 跨海大桥混凝土抗裂的技术 措施E J 3 铁道科学与工程学报, 2 0 0 7 , ( 2 ) : 5 8 6 2 1 蔡敏, 张飞帆船舶撞击桥梁后结构损伤分析E J 3 浙江水利水电专科学校学报, 2 0 0 7 , ( 4 ) : 1 4 E z 谷川, 王丽华, 赵元一桥梁撞击问题研究的新方法 E J 公路交通科技, 2 0 0 8 , ( 9 ) : l 1 2 1 1 5 E 3 张炎圣, 陆新征 , 宁静, 等超高车辆撞击组合结构 桥梁的仿真分析E J 交通与计算机, 2 0 0 7 , ( 3 ) : 6 5 69 5 施工 该桥采用挂篮悬臂浇筑法施工 , 施工程序为 : 首 先在中问支点将梁临时固结 , 进行悬臂施工 ; 然后边 跨合龙 , 临时固结释放 , 形成 2个单悬臂梁 ; 最后 中 跨段合龙 , 形成三跨连续梁 。 6 结语 京九线全面启动电气化之 时关闭所有 道 口, 在 此期间昌南大道跨线桥方便了市 民出行 , 同时推动 了南昌市经济的发展 , 改善了市 内的交通环境 。该 桥于 2 0 0 6年 1 2月建成通车 , 自运营 以来 , 各项性 能指标 良好 , 满 足汽 车安全 、 平 稳 、 舒适 性 的行驶 要求 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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