资源描述
一. 设计资料
1.设计课题
某机械厂的金工车间结构设计
2.工程概况
1、根据工艺设计要求,金工车间为两跨单层工业厂房.跨度(30+24)m,总长72 m,车间建筑面积3888平方米(生产辅助用房,另行设计).柱距6 m,厂房平面与横剖面图分别见任务书中图1与图2。
2、厂房每跨各设有两台200/50 kN工作级别为A 5的吊车.
3、建筑地点经地基勘探,持力层为粉质粘土,假设修正以后的地基土承载力特征值=240 。
4、该地区基本风压=0.4 kN/m,A类地面。
5、基本雪压=0.4 kN/m。
6、该地区不属于地震设防区。
7、本车间附近,无大量排灰来源.
8、查《全国建筑通用建筑标准设计图集—结构构件设计选用手册》得厂
房中选用标准构件如下:
1)屋面板:
三毡四油防水层 0.4
20 mm厚水泥砂浆找平层 0.4
100 mm厚珍珠岩砼保温层 1.1
20 mm厚水泥砂浆找平层 0.4
外恒载标准值: 2.3
雪荷载=0.4
活荷载=0.7
活荷载标准值取值:0.7
屋面板选用:1.5 m 6 m预应力钢筋砼屋面板(卷材防水)G410(一),
型号:YWB-3Ⅱ,构件自重(包括灌缝):1.4 。
2)屋架:
屋面板以上恒载标准值 = 2.3
屋面板自重(包括灌缝)= 1.4
外恒载标准值:3.7
活荷载标准值取值:0.7
屋架选用:30米跨预应力钢筋砼折线型屋架G415(一),型号:YWJA—18—2D,自重:168 kN/榀;24米跨预应力钢筋砼折线型屋架G415(三),型号:YWJA—24—2C,自重:109 kN/榀。注:屋架自重包括屋盖支撑系统
自重.
3)吊车梁:先张法预应力钢筋砼吊车梁,G425,YXDL6—6,2台200/50 kN吊车(A5级);自重:44.2 kN/根,梁高1200 mm,=340 mm.
4)吊车轨道连接:G325,DGL—14,自重:0.808 kN/m,高度:170 mm.
5)钢筋砼基础梁:G320,JL—22,自重:23.4 kN/根,梯形截面:上、下底宽分别为400 mm与300 mm,高为450 mm.
6)钢筋砼连系梁:G321,LL-7Ⅱ,自重:19.3 kN/根,截面:370×490 mm.
7)钢筋砼圈梁:截面:宽370 mm,高180 mm。
9、吊车的选用见本课程设计任务书。
10、有关荷载参数
轨道中心到柱定位轴线的距离为750 mm,屋架荷载到柱定位轴线的距离为150 mm。由建筑结构荷载规范(GB50009—2001)查得:墙重19,窗重0.45,风荷载组合值系数为0.6,其他荷载组合值系数为0.7。
11、材料
砼:柱C25;基础,C15.
钢筋:柱纵向受力筋及牛腿受力筋采用HRB335级钢筋,柱箍筋与基础钢筋采用HPB235级钢筋.
12、相关规范
1)建筑结构荷载规范(GB50009—2001)
2)混凝土结构设计规范(GB50010—2002)
3)建筑地基基础设计规范(GB50007—2002)
4)建筑结构制图标准(GB/T50105—2001)
二.计算简图
(1) 本车间为某机械厂的金工车间,工艺无特殊要求,结构布置均匀,荷载分布均匀,故可从整个厂房中选择有代表性的排架作为计算单元,如图1所示,计算单元宽度为B=6.0 m。
根据建筑剖面及其构造,确定厂房计算简图如图2所示,其中上柱高=3.6 m,下柱高=9.5 m,柱总高=13.10 m。
(2) 柱截面几何参数见表1。
表1 柱截面几何参数
柱列
上柱
下柱
A
400400
1.610
2.1310
400800100150
1.87510
1.93410
B
400600
2.410
7.210
4001000100150
1.97510
2.47610
C
400400
1.610
2.1310
400800100150
1.87510
1.93410
图1 计算单元
图2 厂房计算简图
三.荷载计算
1. 恒载
(1) 屋盖结构自重
20mm厚砂浆找平层 1.2200.02kPa=0.48 kPa
100mm厚珍珠岩混凝土隔热层 1.2 11 0.1 kPa=1.32 kPa
20mm厚水泥砂浆找平层 1.2 0.02 20 kPa=0.48 kPa
三毡四油防水层 1.2 0.4 kPa=0.48kPa
1.5m6.0m屋面板 1.2 (1.3+0.1)kPa=1.68 kPa
屋面恒载 4.44kPa
屋架自重YWJA-18-2D
AB跨 1.2 168kN=201.6 kN/榀
BC跨选用YWJA-24-2C
BC跨 1.2 109kN=130.8 kN/榀
故 作用于AB跨两端柱顶的屋盖结构自重为
=(0.5 201.6+0.5 6 30 4.44)kN=500.4kN
作用于BC跨两端柱顶的屋盖结构自重为
=(0.5 130.8+0.5 6 24 4.44)kN=385.08kN
(2) 悬墙自重
=1.2[19.3+4.21.80.45+(6-4.2) 1.80.3719+(3.6-1.8-0.49) 60.3719] =120.88 kN
(3) 柱自重
边柱A:
上柱=0.16m =1.20.163.625kN=17.28kN
下柱=0. 1875 m, =1.2 0.1875 9.525 kN=53.44kN
中柱B:
上柱=0.24 m, =1.2 0.24 3.6 25 kN=25.92kN
下柱=0.1975 m, =1.2 0.1975 9.525 kN=56.29 kN
边柱C: 同边柱A一样。
(4) 吊车梁及轨道自重
AB跨: =1.2 (44.2+6 0.808)kN=58.86 kN
BC跨: =1.2 (44.2+6 0.808)kN=58.86 kN
各恒载作用位置如图3所示。
图3 荷载作用位置
2.屋面活荷载
由《荷载规范》查得,屋面活荷载的标准值为0.5kPa(可作0.2kPa的增减),本课程设计中取活荷载的标准值0.7kPa,雪荷载的标准值为0.4kPa,故仅按屋面活荷载计算。
AB跨:=(1.40.76300.5)kN=88.2kN
BC跨:=(1.40.76240.5)kN=70.56kN
屋面活荷载在每侧柱上的作用点的位置与屋盖结构自重相同。
3. 吊车荷载
本车间选用的吊车主要参数如下:
AB跨和BC跨均采用先张法预应力钢筋混凝土吊车梁,型号为YXDL6-6,2台200/50kN吊车,工作级别为A5级,吊车梁高1.2m,B=5.16m,K=4.1m,AB跨:=202 kN,=72.05kN,G=278 kN,g=70.1 kN;BC跨:=183 kN,=64.55kN,G=225 kN,g=70.1 kN;吊车梁的支座反力影响
线如图4所示。
图4 吊车梁支座反力影响线
AB跨: ==1.4202(1+0.823+0.317+0.14)kN =644.78kN
1.472.05(1+0.823+0.317+0.14)kN=229.98kN
BC跨: ==1.4183(1+0.823+0.317+0.14)kN=584.14kN
1.464.55(1+0.823+0.317+0.14)kN=206.04kN
作用在每一个轮上的吊车横向水平荷载标准值为
AB跨:对于20/5t的软钩吊车=0.10,1/40.1(200+70.1)kN=6.75kN
于是作用在排架柱上的吊车水平荷载分别为
AB跨:=1.4 6.75 (1+0.823+0.317+0.14)kN=21.55 kN
BC跨:=1.4 6.75 (1+0.823+0.317+0.14)kN=21.55 kN
4.风荷载
由有课程设计任务书得,该地区基本风压=0.4kPa,又由于厂房高度小于30m,故风震系数 =1.0,风压高度系数按A类地面取值:
柱顶: H = 12.6m, =1.45
檐口: H = 14.9 m, =1.52
屋顶: H = 16.4m, =1.55
风荷载体型系数及风荷载作用示意图如图5所示。
图5 风荷载体型系数及风荷载作用示意图
故风荷载标准值为
=0.81.450.4kPa=0.464kPa
=0.41.450.4kPa=0.232kPa
作用于排架上的风荷载的设计值为
=1.40.4646kN/m=3.90 kN/m
=1.40.2326 kN/m=1.95 kN/m
左吹风时:
=1.4 [(0.8+0.4)1.52 2.3+(-0.6+0.5)1.55 1.5]1.00.46 kN=13.31 kN
右来风时与此情况类似。
所以风荷载作用如图5所示。
四.排架内力分析
本厂房为两跨等高排架,可用剪力分配法进行内力分析。
1. 剪力分配系数的计算
(1) A列柱柱顶位移的计算
上柱:
=2.1310mm,=1.93410 mm
/=(2.1310)/(1.93410)=0.110
/=3.6/13.1=0.275
=3/[1+0.275(1/0.110-1)]=2.57
=1.0/(1.934102.57) ()=2.01210()
(2) B列柱柱顶位移的计算
上柱:
=7.210mm,=2.47610 mm
/=(7.210)/(2.47610)=0.291
/=3.6/13.1=0.275
=3/[1+0.275(1/0.291-1)]=2.86
=1.0/(2.476102.86) ()=1.41210()
(3)C列柱柱顶位移同A列柱
(4)各柱剪力分配系数
=
=
=20.292+0.416=1.0
2. 恒载作用下的内力分析
A柱列:
=500.4 kN
=1.2[19.3+4.21.80.45+(6-4.2) 1.80.3719+(3.6-1.8-0.49) 60.3719] =120.88 kN
=500.4 0.05kN.m=25.02 kN.m
=(58.86+17.28)kN=76.14kN
=[(500.4+17.28)0.20-58.860.35] kN.m=82.94kN.m
=53.44kN
B柱列:
=(500.4+385.08)kN=885.48kN
= (500.40.15-385.080.15)kN.m=17.30kN.m
=(58.862+25.92)kN=143.64kN
= 0
=56.29kN
C柱列:
=385.08kN
=1.2[19.3+4.21.80.45+(6-4.2) 1.80.3719+(3.6-1.8-0.49) 60.3719] =120.88 kN
=385.08 0.05kN.m=19.25 kN.m
=(58.86+17.28)kN=76.14kN
=[(385.08+17.280.2-58.860.35) kN.m=59.87kN.m
=53.44kN
各柱列所受弯矩示意图如图6所示.
图6 柱列所受弯矩剪力示意图(单位kN.m ,kN)
各柱不动铰支承反力分别为:
A柱列:
,,则
=2.070
=1.187
=2.07025.02/13.1kN=3.954 kN()
=1.18782.94 /13.1 kN=7.575 kN()
==(3.954+7.575)kN=11.529kN()
B柱列:
,,则
=1.676
=1.320
= 1.67617.30/13.1=2.213 kN()
= 1.3200/13.1=0
== (2.213+0 )kN=2.213 kN()
C柱列:
,,则
=2.070
=1.187
=2.07019.25/13.1kN=3.042kN()
=1.187 59.87 /13.1kN=5.425 kN()
==(3.042+5.425)kN=8.467kN()
故假设在排架柱顶不动铰支座的总反力为
=(11.469+2.213-8.467)kN= 5.215kN
各柱柱顶最后剪力分别为
=9.95kN()
=0.044kN ()
= -9.990kN ()
=9.95+0.044-9.990 = 0
故恒载作用下排架柱的弯矩图和轴力图如图7所示。
(a)弯矩图(单位kN.m)
(b)轴力图(单位kN)
图7 弯矩图和轴力图
3. 屋面和荷载作用下的内力分析
(1) AB跨作用有屋面活荷载时(图8)
图8 活荷载计算简图
由屋面活荷载在每侧柱顶产生的压力为=88.2kN,其中在A列柱、B列柱柱顶及变阶处引起的弯矩分别为
=88.20.05kN.m=4.41 kN.m
=88.20.20kN.m=17.64kN.m
=88.20.15kN.m=13.23kN.m
= 0
各柱不动铰支座反力分别为
A柱列:
,,2.070,1.187
=2.0704.41/13.1kN=0.670kN()
=1.18717.64/13.1kN=1.598KN()
=(0.670+1.598)kN=2.268kN()
B柱列:
,,1.676
==1.67613.23/13.10kN=1.693kN()
假想排架柱顶下动铰支座的总反力为
=(2.268+1.693)kN=3.961kN()
各柱柱顶最后剪力分别为
=(2.268-0.2923.961)kN=1.111kN()
=(1.693-0.4163.961)kN=0.045kN()
=(0-0.2923.961)kN =-1.157kN()
=1.111+0.045-1.157 = 0
AB跨作用有屋面活荷载时排架柱的弯矩图和轴力图如图9所示。
(a)弯矩图(单位kN.m)
(b)轴力图(单位kN)
图9 AB跨作用有屋面活荷载时排架柱的弯矩图和轴力图
(2) BC跨作用有屋面活荷载时与AB跨类似
由屋面活荷载在每侧柱顶产生的压力为=70.56kN,其中在A列柱、B列柱柱顶及变阶处引起的弯矩分别为
=70.560.05kN.m=3.53 kN.m
=70.560.20kN.m=14.11kN.m
=70.560.15kN.m=10.58kN.m
= 0
各柱不动铰支座反力分别为
C柱列:
,,7.070,1.187
=2.0704.41/13.1kN=0.54kN()
=1.18717.64/13.1kN=1.28KN()
=(0.670+1.598)kN=1.81kN()
B柱列:
,,1.676
==1.67613.23/13.10kN=1.35kN()
假想排架柱顶下动铰支座的总反力为
=(1.81+1.35)kN=3.16kN()
各柱柱顶最后剪力分别为
=(1.81-0.2923.16)kN=0.887kN()
=(1.35-0.4163.16)kN=0.035kN()
=(0-0.2923.16)kN =-0.923kN()
=0.887+0.035-0.923 = 0
BC跨作用有屋面活荷载时排架柱的弯矩图和轴力图如图10所示。
(a)弯矩图(单位kN.m)
(b)轴力图(单位kN)
图10 BC跨作用有屋面活荷载时排架柱的弯矩图和轴力图
4. 吊车竖向荷载作用下的内力分析(不考虑厂房整体空间工作)
(1) AB跨作用于A列柱,由AB跨和的偏心作用而在柱中引起的弯矩为
=644.780.35 kN.m=225.67 kN.m
=229.980.75kN.m=172.49kN.m
其计算简图如图11所示。
图11 AB跨作用于A列柱计算简图
各柱不动铰支座反力分别为:
A柱列:
,,2.070,1.187
==1.187225.67/13.1kN=-20.45kN()
B柱列:
,,1.676
==1.676172.49/13.1 kN=22.07kN()
假想排架柱顶下动铰支座的总反力为
+=(-20.45+22.07+0)kN=1.62kN()
各柱柱顶最后剪力分别为
=(20.45-0.2921.62)kN=19.98kN()
=(22.07-0.4161.62)kN=21.40kN()
=(0-0.2921.62)kN = -0.47kN()
=(19.98-21.40+0.47)kN= -0.95kN
AB跨作用在A柱时排架柱的弯矩图和轴力图如图12所示。
(a)弯矩图(单位kN.m) (b)轴力图(单位kN)
图12 AB跨作用在A柱时排架柱的弯矩图和轴力图
(2) AB跨作用在B列柱左侧
由AB跨和的偏心作用而在柱中引起的弯矩为
=206.040.35kN.m=72.11 kN.m
=584.140.75kN.m=438.11kN.m
其计算简图如图13所示。
图13 AB跨作用在B列柱左侧计算简图
各柱不动铰支座反力分别为:
A柱列:
,, 1.187
==1.18772.11 /13.1kN=6.53kN()
B柱列:
,,1.320
==1.320 138.11/13 .1kN=44.15kN()
假想排架柱顶下动铰支座的总反力为
+=(-6.53+44.15+0)kN=37.62kN()
各柱柱顶最后剪力分别为
=(-6.53-0.29237.62)kN= -17.52kN()
=(44.15-0.41637.62)kN=28.50kN()
=(0-0.29237.62)kN = -10.99kN()
AB跨作用在B柱时排架柱的弯矩图和轴力图如图14所示。
(a)弯矩图(单位kN.m)
(b)轴力图(单位kN)
图14 AB跨作用在B柱时排架柱的弯矩图和轴力图
(3)BC跨作用于B列柱右侧,由BC跨和的偏心作用而在柱中引起的弯矩为
=584.14 0.75 kN.m=438.11 kN.m
=206.040.35kN.m=72.11kN.m
其计算简图如图15所示。
图15 BC跨作用于B列柱右侧计算简图
各柱不动铰支座反力分别为:
C柱列:
,, 1.187
==1.18772.11/13.1kN=6.53kN()
B柱列:
0.291,0.275,1.320
==1.320 438.11/13.1 kN=-44.15kN()
假想排架柱顶下动铰支座的总反力为
+=(0+6.53-44.15)kN=-37.62kN()
各柱柱顶最后剪力分别为
=(6.53+0.292 37.62)kN= 17.52kN()
=(-44.15+0.41637.62)kN=-28.50kN()
=(0+0.29237.62)kN = 10.99kN()
BC跨作用在B柱右侧时排架柱的弯矩图和轴力图如图16所示。
(a)弯矩图(单位kN.m)
(b)轴力图(单位kN)
图16 BC跨作用在B柱右侧时排架柱的弯矩图和轴力图
(4) BC跨作用于C列柱,由BC跨和的偏心作用而在柱中引起的弯矩为
=206.04 0.75 kN.m=154.53kN.m
=584.140.35kN.m=204.45kN.m
其计算简图如图17所示。
图17 BC跨作用于C列柱计算简图
各柱不动铰支座反力分别为:
C柱列:
,, 1.187
==1.187204.45/13.1kN=18.53kN()
B柱列:
0.291,0.275,1.320
==1.320154.53/13.1 kN= -15.57kN()
假想排架柱顶下动铰支座的总反力为
+=(18.53-15.57+0)kN=2.96kN()
各柱柱顶最后剪力分别为
=(0-0.2922.96)kN= -0.86kN()
=(-15.57-0.4162.96)kN= -16.80kN()
=(18.53-0.2922.96)kN = 17.67kN()
=(17.67-0.86-16.80)kN= 0kN
BC跨作用有在C柱时排架柱的弯矩图和轴力图如图18所示。
(a)弯矩图(单位kN.m)
(b)轴力图(单位kN)
图18 BC跨作用有在C柱时排架柱的弯矩图和轴力图
5. 吊车水平荷载作用下的内力分析(不考虑厂房整体空间工作)
(1)当AB跨作用有吊车横向水平荷载时
计算简图如图19所示,=21.55kN
图19 AB跨作用有吊车横向水平荷载计算简图
各柱不动铰支座反力分别为:
A柱列:
0.110,0.275,a==2.4/3.6=0.67
=0.687
0.68721.55 kN=14.80 kN()
B柱列:
0.291,0.275,a==2.4/3.6=0.67
=0.748
0.748 21.55 kN=16.12kN()
假想排架柱顶不动铰支座的总反力为
=(14.80+16.12+0)kN=30.92kN()
各柱柱顶最后剪力分别为
=(14.80-0.292 30.92)kN=5.77kN()
=(16.12-0.41630.92)kN=3.26kN()
=(0-0.29230.92)kN = -9.03kN()
排架柱的弯矩图如图20所示。
(单位kN.m)
图20 AB跨作用有吊车横向水平荷载的弯矩图
(2)当BC跨作用有吊车横向水平荷载时,计算简图如图21所示,=21.55kN
图21 BC跨作用有吊车横向水平荷载的计算简图
各柱不动铰支座反力分别为:
C柱列:
0.110,0.275,a==2.4/3.6=0.67
=0.687
0.68721.55 kN=14.80 kN()
B柱列:
0.291,0.275,a==2.4/3.6=0.67
=0.748
0.748 21.55 kN=16.12kN()
假想排架柱顶不动铰支座的总反力为
=(14.80+16.12+0)kN=30.92kN()
各柱柱顶最后剪力分别为
=(0-0.29230.92)kN = -9.03kN() =(16.12-0.41630.92)kN=3.26kN()
=(14.80-0.292 30.92)kN=5.77kN()
排架柱的弯矩图如图22所示。
图22 BC跨作用有吊车横向水平荷载的弯矩图
6.风荷载作用下的内力分析
左来风时,计算简图如图23所示。
图23 右来风时排架柱计算简图
各柱不动铰支座反力分别为:
A柱列:
0.110,0.275,
=0.375
=0.3753.90 13.1 kN=19.16kN()
C柱列:
0.110,0.275,
=0.375
=0.3751.9513.1 kN=9.58kN()
假想排架柱顶不动铰支座的总反力为
=(13.31+19.16+0+9.58)kN=42.05kN()
各柱柱顶最后剪力分别为
=(19.16-0.292 42.05)kN= 6.88kN()
=(0-0.41642.05)kN= -17.49kN()
=(9.58-0.29242.05)kN = -2.70kN()
左来风时排架柱的弯矩图如图24(a)所示,右来风时排架柱的弯矩图如图24(b)所示
(a)左来风 (b)右来风
图24 左来风时排架柱的弯矩图
五、内力组合
不考虑厂房整体空间工作,对B柱进行最不利内力组合,组合结果如表2所示,A柱和C柱内力组合及截面设计,可按同理进行。
表2 两跨排架柱的内力组合表
柱号
截面
荷载内力
恒载
屋面活载
吊车在AB跨
吊车在BC跨
风载
AB跨
BC跨
Dmax在A柱
Dmin在A柱
Tmax向左或向右
Dmax在B柱
Dmin在B柱
Tmax向左或向右
左来风
右来风
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
B柱
1_1
M
4.09
2.23
-1.78
-71.52
-119.0
-45.80
119.07
73.31
45.91
-49.75
49.96
N
885.48
88.20
70.56
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
MK
3.41
1.59
-1.27
-51.09
85
-32.71
85.05
52.36
32.79
-35.54
35.69
NK
737.9
63
50.4
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
2_2
M
4.09
2.23
-1.78
100.97
319.11
-45.80
-319.04
1.20
45.91
-49.75
49.96
N
1029.12
88.20
70.56
229.98
584.14
0.00
584.14
206.04
0.00
0.00
0.00
MK
3.41
1.59
-1.27
72.12
227.94
-32.71
227.89
0.86
32.79
-35.54
35.69
NK
857.6
63
50.40
164.27
417.24
0.00
417.24
147.17
0.00
0.00
0.00
3_3
M
10.92
8.03
-6.47
-87.76
5.08
38.08
-4.83
194.65
-37.65
-181.05
181.81
N
1029.12
88.20
70.56
229.98
584.14
0.00
584.14
206.04
0.00
0.00
0.00
V
0.044
-0.045
-1.35
21.40
28.50
3.26
-28.50
-16.80
3.26
17.49
-17.49
MK
9.1
5.74
-4.62
62.69
3.63
27.2
-3.45
139.04
-26.89
-129.32
129.86
NK
857.6
63
50.40
164.27
417.24
0.00
417.24
147.17
0.00
0.00
0.00
VK
0.037
-0.032
-1.07
15.29
20.36
2.33
-20.36
-12
2.33
12.49
-12.49
内力组合
Mmax及相应N,V
_Mmax及相应N,V
Nmax相应的Mmax
Nmin及相应Mmax
组合项目
组合值
组合项目
组合值
组合项目
组合值
组合项目
组合值
1+0.9*(3+5+6+10*0.6)
-172.697
1+0.9*(2+0.9*7- 0.9*9+11*0.6)
92.335
1+0.9*(2+3+0.9*(7-9)+11*0.6)
92.407
1+0.9*(0.9*(7-9)+11*0.6)
90.328
948.984
964.86
1745.916
885.48
30.1364
66.4442
66.9392
65.0132
783.26
794.6
1447.37
737.9
1+0.9*(3+0.9*7+0.9*9+10*0.6)
-196.4489
1+0.9*(2+5-6+11*0.6)
361.4944
1+0.9*(2+3+0.80*(7+5)+0.9*9+10*0.6)
14.8675
1+0.9*10*0.6
-22.775
1460.6322
1634.226
2013.1656
1029.12
147.3038
258.6986
339.2639
-15.7816
1165.8212
1289.816
1560.4856
857.6
1+0.9*(3+0.80*(4+7)+0.9*9+10*0.6)
-189.8313
1+0.9*(2+0.80*(5+8)-0.9*9+11*0.6)
290.6265
1+0.9*(2+3+0.80*(5+7)+0.9*9+10*0.6)
-115.7595
1+0.9*10*0.6
-86.847
1678.7904
1677.4296
2013.1656
1029.12
5.8022
-3.6577
10.8737
9.4886
-44.0189
2
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