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第 3 6卷第 6 期 2 0 1 0年 l 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 9 预应力混凝土空心叠合板结构性能试验研究 刘成才 , 李九宏‘ , 刘善彬 1 . 中州大学工程技术学 院, 河南 郑州4 5 0 0 4 4 ; 2 . 河南省地球物理工程勘察院 , 河南 郑州4 5 0 0 5 3 摘 要 通过对 4块 1 7 0 m m厚预应力混凝土空心叠合板进行结构性能试验, 得出该类构件结构性能的相关结论, 并对该类构 件结构性能的影响因素进行了分析, 对预应力混凝土空心板作底板的装配整体式叠合楼盖的工程应用提出了相关建议。 关键词 预应力混凝土空心底板 ; 叠合板 ; 结构性能 ; 承载力 ; 延性 中图分类号 T U 3 7 8 . 5 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 0 0 60 1 9 0 4 Th e e x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e s t r u c t ur a l p e r f o r ma n c e o f t h e p r e s t r e s s e d c o n c r e t e l a mi n a t e d h o l l o w s l a b s L I U C h e n g c a i , L I J i u h o n g ‘ , L I U S h a n b i n 1 . C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y , Z h o n g z h o u U n i v e r s i t y , Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 4 , C h i n a ; 2 . H e n a n A c a d e m y o f G e o p h y s i c a l a n d E n g i n e e ri n g E x p l o r a t i o n , Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 3 , C h i n a Abs t r ac t Th r o u g h s t r u c t ur al p e r f o r ma n c e t e s t i n g o f 4 s i n g l e s u p p o r t e d p r e s t r e s s e d c o n c r et e l a mi n a t e d h o l l o w s l a b s, t h e p a pe r dr a ws c o r r e l a t i v e c o n c l u s i o n s a b o u t s t ruc t u r al p e rf o rm a n c e s , a n a l y s e s t h e f a c t o r s wh i c h i n fl u e n c e c o mp o n e n t ’ S d u c t i l i ty an d t a b l e s p r o p o s a l s o n a s s e mb l y i n t e g r a l c o mp o s i t e flo o r wh i c h u s e d p r e s t r e s s e d c on c r e t e h o l l o w s l a b s a s s o l e p l a t e . Ke y wo r d s p r e s t r e s s e d c o n c r e t e h o l l o w s o l e p l a t e ; l a mi n a t e d s l a b; s t r u c t u r a l p e rf o r ma n c e; b e a r i n g c a p a c i t y; d u c t i l i t y U 刖 吾 随着生活水平提高 , 人们对居室大开间及任意 开间的需求增加 , 楼板跨度有逐步增大的趋势 , 楼板 厚度也要相应增加 , 1 2 0 m m厚预应力混凝土空心板 作为叠合楼盖底板应用范围必然加大。因此 , 对 以 1 2 0 mm厚 预应力混 凝土空心板作底板 、 上面现浇 5 0 m m叠合层形成的 1 7 0 mm厚预应力混凝土空心 叠合板进行结构性能试验研究 , 具有十分重要的理 论意义和现实意义。本文通过对 4块 1 7 0 m m厚预 应力混凝土空心叠合板进行结构性能试验研究并与 其底板结拇眭能对 比分析 , 进一步探讨 预应力混凝 土空心叠合板的结构性能 , 以期为发挥预应力混凝 土空心板作为叠合楼盖底 板能降低楼盖 自重 的优 点, 加快装配整体式叠合楼盖这一先进 的技术尽早 地转化为现实生产力提供更充分的试验依据。 1 试验方案设计 1 . 1 试件的设计与制作 参照文献 [ 1 ] , 分 别 以型号为 Y K B a 3 3 6 2 , YK 一 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 4 1 0 作者简介 刘成才 1 9 7 3 一 , 男, 河南柘城人, 硕士研究生, 讲师, 主 要从事预应力混凝土教学与研究工作 。 E m a i l l c c 6 1 6 3 . c o m B a 3 6 6 2 , Y K B a 3 9 6 1 , Y K B a 4 2 6 1的预应力混凝土空心 板作底板 , 制作预应力 混凝土空心叠合板试件 4块 进行简支试验。预应力混凝土空心叠合板叠合层厚 度为 5 0 mm, 混凝土设计强度为 C 3 0 。预应力 混凝 土空心叠合板 的截面尺寸如图 1所示 , 试件参数见 表 1 。 图 1 1 7 0 m m预应力混凝土空心叠合板截面 Fi g .1 Cr o s s s e ct i o n gr aph o f 1 7 0 mi l l pr e s t r e s s e d c o nc r e t e l a mi na t e d ho l l o w s l a bs 1 . 2加载方案 本文试验采用混凝土试块加载, 试块按区格成 垛堆放 , 垛与垛间隙不宜小于 5 0 Bi n , 加载如图 2所 示。试验前取 1 0 0块混凝 土试块测 出单块平 均重 量 , 以试件正常使用短期荷载值及承载力极 限荷载 设计值为基础 , 以试件正常使用短期荷载下的挠度、 开裂荷载值、 破坏荷载值为基准控制加载程序 , 加载 值通过加载块 的块数来控制 。 2 0 Im l 建筑科学研究 第 3 6卷 注 1 h 2 为叠合层混凝土厚度, m m; 2 l_2 为叠合层混凝土立方体抗压强度标准值。 图 2 简支空心底板、 叠合板加载示意 № . 2 L o a d s c h e ma t i c d i a g r a m o f s i mp l y s u p p o r t e d l a mi n at ed hoflo w s l a bs a nd s ol e pl a t e 1 . 3 量测 内容和结构性能检验内容 本试验一直做到试件破坏为止 。开裂荷载、 破 坏荷载的大小通过计算试件上的堆砌的试块重量得 到。观察裂缝 的出现可采用放大镜 , 裂缝的宽度采 用精度为 0 . 0 5 m m 的刻度放大镜进行观测。裂缝 的观测关系到开裂荷载的确定, 通过裂缝的数量、 宽 度、 长度及分布等情况来分析试件的破坏过程及其 破坏形态 , 故从此角度来说裂缝 的观 测尤为重要 。 试件反拱值用拉线法测量 , 支座沉降用 3 c m量程的 百分表量测, 跨中挠度的量测在试件两边对称布置 5 c m量程的百分表量测 , 并取量测结果 的平均值作 为该处的位移值 , 试件跨 中的挠度值为跨中百分表 所测位移值与两端支座处百分表所测的支座沉降值 的平均值之差。 依据文献[ 2 ] 的规定分别进行承载力检验 、 挠 度检验和抗裂检验。 2 1 7 0 n li -n厚预应 力混 凝土叠合 空心 板及 其底板破坏过程和破坏形态 根据试验结果 , 分别作出叠合板与其底板的荷 载一挠度曲线 , 如图 3 6所示。从荷载一挠度曲线 图可以发现 , 预应力混凝土空心叠合板及其底板从 加载到破坏 , 工作状态经历 了3个阶段 弹性工作 阶 段、 带裂缝工作阶段和破坏阶段。弹性工作阶段对 应于试件开裂前的阶段 , 由于预压应力的存在 , 试件 的弹性工作 阶段较长 , 荷载一挠度曲线基本呈直线 变化。随着荷载的增加 , 裂缝首先在跨 中弯矩最大 处混凝土的受拉区出现 , 试件进入带裂缝工作阶段。 试件开裂后 , 钢筋和混凝土应变增长较快, 裂缝的数 量随荷载的增大而增 多, 但长度和宽度发展较慢。 从荷载一挠度 图中可 以看出, 试件的挠度在开裂后 明显增大。最后 , 试件进入破坏阶段, 裂缝条数、 宽 度和长度快速增加 , 直至破坏。叠合板刚度明显大 于其底板。各试件最大挠度、 破坏时裂缝分布情况 和破坏特征 , 具体见表 3 。 图 3 Y K D B a 3 3 6 2及 Y K B a 3 3 6 2荷载一挠度 曲线 Fi g . 3 Load- de fle c t i on c ur ve o f YKDBa 3 36 2 and YKBa 3 3 6 2 图 4 Y K D B a 3 6 6 2及 Y K B a 3 6 6 2荷载挠度 曲线 Fi g. 4 Loa d- de fle c t i o n c u r ve o f YKDBa 36 6 2 a nd YKBa 36 6 2 3 预 应 力 混凝 土 空心 叠合 板 结构 性 能及影响 因素分析 3 . 1 1 7 0 m m厚预应力混凝土空心叠合板抗裂性 及极 限承载力检验结果分析 预应力混凝土空心叠合板是两次制造和两次受 力的预应力混凝土构件 , 预制构件的高度 比叠合 板高度 h要小 , 而叠合前加载只是作用在预制构件 2 0 1 0 N o . 6 刘成才, 等 预应力混凝土空心叠合板结构性能试验研究 2 l 图 5 Y K D B a 3 9 6 1 及 Y K B a 3 9 6 1 荷载一挠度 曲线 Fi g . 5 Loa d- de fle c t i o n c ur v e o f YKDBa 3 9 61 and YKB a 3 9 6 1 2 f/ to n i 图 6 Y K D B a 4 2 6 1及 Y K B a 4 2 6 1 荷载一挠度 曲线 Fi g. 6 Lo a d de flect i o n c u l “ v e o f YKDBa 42 61 and 发展 , 主要是 由于受 弯构件的截 面应变不均匀造成 的。由于混凝土的塑性性能 , 当荷载增加时 , 下边缘 纤维应变继续增加时, 但应力却不增加 , 由上一层的 纤维来承担增加的荷载, 这就 出现了塑性 内力重分 布和塑性 区的发展。当上下层 的纤维应变差越大 , 即截面上的应变梯度越大 , 上下层纤维 的相互牵制 就越大 , 塑性区的发展就越充分 , 开裂时下边缘 的拉 应变也就越大 , 这一 因素对提高叠合板的抗裂度是 有利的。因此 , 从理论上分析 , 预应力混凝土叠合板 不会因为现浇了叠合层而比同预压力、 同材料 、 同几 何尺寸的全预应力构件的抗裂承载力降低。当然, 叠合板的抗裂度还受到叠合板叠合前后预应力损失、 荷载预应力 的大小、 叠合高度 比等 因素的影响。下 面, 通过表 2来分析预应力混凝土叠合板抗裂性能。 从表 2中可以发现, 1 7 0 m m厚预应力混凝土空 心叠合板实测极限承载力荷载值与实际参数计算的 极限承载力荷载值的比值变化范围为 i . 1 3~I . 2 5 , 平均为 1 . 1 8 , 试验结果与计算结果吻合较好 。该试 件的实测开裂荷载值与按实际参数计算的开裂荷载 值的比值变化范围为 1 . 1 7~1 . 2 2 , 平均为 1 . 1 9 , 说 明此类构件的抗裂性能合格 。同底板一样, 实测极 Y K B a 4 2 6 1 限承载力荷载值与实测开裂荷载值的比值平均值为 上的, 因此 , 叠合后第二次加载时, 受拉 区的应变梯 1 . 1 9 , 试件延性较差, 试验中开裂后加 3~ 4级荷载 度 比相应整体板要大得多 , 受弯构件受拉 区塑性 的 试件就破坏了。 表 2 1 7 0 mm厚预应力混凝土空心叠合板极限承载 力及开裂荷载对 照 Ta bl e 2 Co mpa r s i o n be t we e n ul t i mat e m o me nt a nd c r a c ki n g mo men t s o f 1 7 0 mi l l pr e s t r e s s e d c on e r e t e Lami na t e d ho no w s l a bs 注 为试件 的标准荷载值 ; F 为试件按实际参数计算 的开裂荷载值 ; 为试件的实测开裂荷载值 ; 为试件按 实际参数计算 的极限 承载力 荷载值 ; 为试件的实测极 限承载力荷载值 。 表 3 1 7 0 m m预应 力混凝 土空心叠合板破坏性质分析 Ta b l e 3 Fa il u r e pr o p e r t y a n a l y s i s o f 1 7 0 mi l l p r e s t r e s s e d e o n e r e t e L a mi n a t e d h o l l o w s l a b s 注 如 , 裂缝最大宽度单位均为 m m。 3 . 2 1 7 0 m m厚预应力混凝土空心叠合板破坏性 质分析 表 3 从表 3可 以 看 出, 试 件 Y K D B a 3 3 6 2 , Y K D B a 3 6 6 2挠跨比在 1 / 2 0 0左右 , 与延性破坏标志 的挠 度值 l o / 5 0还有很大 的差距 , 试件裂缝条数 与预应 力混凝土空心板相 比, 下降很多 , 仅有 3条裂缝 , 裂 缝宽度为0 . 8 ~ 0 . 9 m m , 与预应力混凝土空心底板 差不 多。Y K D B a 3 9 6 1及 Y K D B a 4 2 6 1挠 度相 对 较 ∞ ∞ 柏 ∞ 加 加 0 蚤\ 2 2 四川建筑科学研究 第3 6卷 大, 试件 Y K D B a 4 2 6 1的挠度与破坏标志①条 件接 近, 但与预应力混凝土空心底板相 比, 也下降不少 。 从试验结果来看 , 此类叠合板的延性更差 , 前 3块试 件破坏时, 脆性性质明显 , 只有 Y K D B a 4 2 6 1接近延 性破坏 。从表 3看 出, 该类试件破坏标志均为试件 的跨中主筋被拉断而破坏 , 试件的结构性能检验的 挠度检验、 抗裂检验、 承载力检验等各项指标均符合 要求 , 该批试件结构性能评为合格 J , 可以初 步确 认, 该类 试件在工程 中应用是可行 的。但是 , 对 于 1 7 0 mm厚预应力混凝土空心叠合板 , 跨度宜大 于 4 2 0 0 m m, 然后 , 再根据工程需要在提高配筋率的情 况下才能保证构件的延性。 3 . 3 1 7 0 m m 厚预 应 力 混凝 土 空 心 叠 合板 破 坏 性 质影响因素分析 表 4 表 4 1 7 0 mm厚预应力混凝土空心叠合板破坏性质 影响因素分析 Ta bl e 4 I nflue n c i n g f a c t or s an a l y s i s o n f a i l u re pr op e r t y o f 1 7 0 mi l l pr e s t r e s s e d c o nc r e t e La mi n at e d h ol l o w s l ab s 由表 4试件 Y K D B a 3 6 6 2和 Y K D B a 3 9 6 1的有关 数据可 以看出, 在配筋率都为 0 . 4 4 %, 张拉控制应 力系数都为 0 . 7的情况下 , 随着跨高 比由 1 9 . 7 9增 加至 2 1 . 5 5 , 试件的挠度提高了很多, 裂缝条数与裂 缝最大宽度也增加不少。从整体上看 , 随着配筋率 的提高, 试件的挠度与抗裂性能都在提高。与空心 底板相比, 延性进一步降低 , 参考预应力混凝土空心 底板的分析 , 导致这方面 的原因是 浇注叠合层后 , 叠合板的配筋率 、 跨高比比其底板进一步降低 。文 献[ 1 ] 中关于钢筋张拉控制应力规定 当构件标志 长度 ≤3 . 0时 , 取 0 . k ; 当构件标志长度 ≥ 3 . 3 m时 , 取 o - ⋯ 0 . 7 厂 D 文献 [ 4 ] 为实现延性破 坏 的 目标, 试件 Y K B a 4 2 6 1计算 出张 拉控 制应 力 0 . 4 。由此可以得到, 底板钢筋张拉控制 应力取值过高, 也是造成预应力混凝土空心叠合板 延性降低的一个主要原因。 3 . 4 1 7 0 m m厚预应力混凝土空心 叠合板与其底 板结构性能检验对 比分析 表 5 在浇注试件的叠合层时, 先将底板两端支起 , 使 底板处于简支状态 , 在试件制作过程 中未发现底板 开裂现象 , 由表 5及图 3~ 6可知, 叠合板跨度小于 表5 1 7 0 i n l n 预应力混凝土空心叠合板与其底板破坏荷载 参数值分析对 比 Ta bl e 5 Co mpar s i on and a na l y s i s o f u l t i ma t e m o me n t be t we e n 1 7 0 mm p r e s t r e s s e d c onc r e t e l a mi na t ed h o H o w s l a b s a n d i t s s o l e a te 竺 竺 三 Y D K B a 3 3 6 2 4 3 . 0 8 5 0 . 9 2 2 3 . 0 4 2 7 . 2 0 1 . 8 7 1 . 8 7 0 . 6 2 0 . 5 0 Y D K B a 3 6 6 2 4 5 . 8 7 5 4 . 7 4 2 6 . 0 6 3 1 . 0 8 1 . 7 6 1 . 7 6 1 . 0 5 0 . 4 3 Y D K B a 3 9 6 1 4 0 . 7 9 4 7 . 5 8 2 2 . 8 4 2 7 . 2 7 1 . 7 9 1 . 7 4 0 . 9 5 0 . 6 7 Yf D KB a 4 2 6 1 4 3. 2 95 2. 2 52 4 . 7 1 3 1 . 1 0 1 . 7 5 1 . 6 8 0. 7 7 0 . 8 7 注 表中各符号的具体含 义同表 1~ 3 , 其 中左上角标志⋯ d’ 表示是叠 合板 的相应参数 , 荷载的单位均为 k N, 挠度单位为 mm。 4 . 2 m时 , 底板开裂荷载值远远大于施工阶段荷载 , 施工时跨中不加支撑是可行的。叠合板开裂荷载实 测值与底板开裂荷载实测值比值为 1 . 7 5~ 1 . 8 7 , 平 均为 1 . 7 9 , 叠合板极限荷载实测值与底板极限荷载 实测值 比值为 1 . 6 8~1 . 8 7 , 平均为 1 . 7 8 。说明通过 在 1 2 0 m l T l 厚预应力混凝土空心底板上浇注 5 0 m m 厚的混凝土现浇层后形成 1 7 0 m m厚预应力混凝土 空心叠合板 , 试件的抗裂承载力和极 限承载力提高 了 8 0 %左右, 提高效果 明显 , 试件 的开裂荷载提高 幅度 比极限荷载 的提 高幅度还大。从表 5可以发 现, 叠合板比对应的底板的延性进一步降低 , 试件脆 性破坏特征更加明显。造成这种现象的原因, 是叠 合板的配筋率 、 跨高 比底板进一步降低。 4试验研究结论和建议 1 试件极限承载力荷载实测值与实际参数计 算值的比值平均为 1 . 1 8 , 实测开裂荷载值与按实际 参数计算的开裂荷载值 的比值平均为 1 . 1 9 , 试验结 果与计算结果吻合较好, 并 有一定的安全系数。参 照文献[ 3 , 5 ] 有关规定 , 可 以判定构件 的结构性 能 检验合 格 。 2 试件实测极限承载力荷载值与实测开裂荷 载值的比值平 均值仅为 l I l 9 , 破坏时挠跨 比很小 , 裂缝条数较少 , 延性较差 , 即出现开裂不久就破坏的 现象。预应力钢筋张拉系数 、 跨高 比、 配筋率, 仍是 影响预应力混凝土叠合空心板延性的主要因素。从 试验结果来看 , 此类叠合板在跨度大于4 . 2 m时, 结 构性能较好。 3 通过在 1 2 0 m m厚预应力混凝土空心底板 上浇注 5 0 mm厚的混凝土现浇层后形成 1 7 0 m m厚 预应力混凝土空心叠合板, 试件 的抗裂承载力和极 限承载力提高了 8 0 %左右 , 提高显著。说 明叠合板 与同预压力、 同材料、 同几何尺寸的全预应力构件相 比, 抗裂承载力不会因为现浇 了叠合层而下降的分 下转第4 2页 4 2 四川建筑科学研究 第3 6卷 和 , 并均可导致产生 u y 。由于构造上 的特点, 单 个人字形柱本身在平面内就具有很大 的刚度 , 因此 在三种类型变电构架整体失稳时 , 各相应人字形柱 的 相差不大, 对于每种类 型变 电构架 , 因中间人 字形柱两侧横梁上均有导线荷载作用, 则其 必 显著 大于两侧人字形柱 ; 侧 向支撑能有效 限制人字形柱 平面外的弯 曲变形 , 从 而减小柱顶连接点 的 和 ,与双侧侧向支撑变电构架相 比, 单侧侧向支撑变 电构架因减少左侧侧 向支撑 , 致使其 明显增大, 无侧向支撑变电构架因没有侧向支撑 , 致使其 U Z和 过度变形。 4 结 论 以上采用三种不同的分析方法分别对双侧、 单 侧及无侧向支撑 的三种两跨人字形钢结构变电构架 在导线荷载作用下的受力性能进行 了分析 , 可得到 如下结论 1 双侧和单侧侧向支撑变电构架的受力过程 均可分为一阶弹性、 一阶弹塑性和二 阶弹塑性 3个 阶段 , 而无侧向支撑变电构架的受力过程 , 可分为一 阶弹性、 二阶弹性和二阶弹塑性 3个阶段 , 它们都是 受材料非线性的影响较大 , 但无侧向支撑变电构架 受至 10 一--阶效应的影响较早。 2 单侧与双侧侧向支撑变电构架 的受力性能 相近, 而无侧向支撑变电构架的弹性和弹塑性极 限 承载能力均大幅降低 , 受力性能发生很大变化。 3 在应用于实 际工程 中时 , 需根据导线荷载 中水平拉力、 垂直荷重和侧 向风压之间的比例以及 导线张力角的大小选择变电构架类型。当垂直荷重 和侧向风压比例很小 , 且张力角也很小时 , 适合采用 无侧 向支撑变电构架; 当侧 向风压 比例和张力角较 大时, 可考虑采用单侧侧向支撑变电构架; 而当侧向 风压比例和张力角很大 时, 需采用双侧侧 向支撑变 电构架。 参 考 文 献 [ 1 ] 中南电力设计 院. 变电构架设 计手册 [ M] . 武汉 湖北科学技 术出版社 , 2 0 0 6 . [ 2] 舒赣平 , 孟宪德 , 陈绍礼. 钢框架 的高等分析与设计 [ J ] . 建 筑 结构学报 , 2 0 0 5 , 2 6 1 5 1 - 5 9 . [ 3 ] 张哲. 钢结构变电构架基于损伤下的可靠性分析[ D ] . 郑 州 郑州大学, 2 0 0 3 . [ 4 ] G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 钢结构工程施工质量验收规范[ s ] . [ 5 ] 李天 , 袁征 , 郑德乾 , 马哲芳. 应用 高等分析理论分析人 字 形电力构架 [ J ] . 郑州大学学报 工学版 , 2 0 0 6 , 2 7 1 1 5 一 l 8 . 上接 第 2 2页 析是正确的。 4 浇注叠合层前 , 仅对底板做 3~ 4 m m深划 毛、 高压水 冲洗干净不能有积水的处理 , 试件未发生 沿叠合面或斜截面剪切破坏现象 , 说 明通过这种处 理方法 , 可以保证叠合面的抗剪能力。 5 叠合板的开裂荷载 、 极 限荷载均较其底板 有很大 幅度 的提高 , 且结构 性能检 验合格。说 明 1 7 0 r n l T l 厚预应力混凝土空心叠合板可以应用于工 程实践 , 1 2 0 mm厚预应力混凝土空心板作为预应力 混凝土叠合空心板的底板是可行的。 6 通过计算分析和试验证明, 跨度 ≤4 . 2 m的 此类构件叠合层施工时 , 底板 中部可以不加支撑 。 但是 , 随着跨度的增 加, 底部是否加支撑, 应通过有 关计算确定。 参 考 文 献 [ 1 ] 0 2 Y G 2 0 1预应力混 凝土空心板 [ s ] . 北 京 中 国计 划 出版社 , 2 o 0 2. [ 2 ] G B 5 0 1 5 2 1 9 9 2混凝土结构试验方法[ s ] . 北京 中国建筑工 业出版社 . 2 0 0 2 . [ 3 ] 王忠德 , 郭乐工. 混凝土结构性 能检验手册[ M] . 郑州 河南科 学技术 出版社 , 1 9 9 6 . [ 4] 乔耀科 , 刘立新. 中强螺旋肋钢丝预应力空心板受 力性能的数 值分析 [ J ] .郑州大学学报 工学版 , 2 0 0 3 , 2 3 5 1 - 5 6 . [ 5] G B 5 0 2 0 42 0 0 2混凝土结 构工程施工质量 验收规范 [ S ] . 北 京 中国建筑工业 出版社 , 2 0 0 2 . 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