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浅谈山区高速特殊结构桥梁的管养
供稿人:张申申     发布时间:2021/1/24 16:14:34     阅读人数:1335

1前言

桥梁能否安全运营,直接关系到人民群众的生命财产安全。近几年国内不断出现桥梁坍塌事故,给桥梁养护管理者敲响了警钟。桥梁能否长期安全运营,也一直是国内外桥梁工程领域研究和关注的重点,特别是一些结构体系复杂、建造年代久远的桥梁,为了保证其安全运行,对其进行科学合理的养护尤为重要。同时随着城市交通流量和车辆荷载的增大,以及山区高速环境的复杂多变,山区高速桥梁管养的复杂性和技术要求日益上升,如何对桥梁管养体制建设、检测评估、日常养护及维修加固、在线监测与安全预警、数字化管养等进行科学的规划成为目前迫切需要解决的问题。本文重点就斜拉桥、悬索桥、钢管拱桥等几类特殊结构桥梁的管养进行探讨。

2山区高速特殊结构桥梁病害

对于普通梁式结构桥梁,受其建设过程中施工质量、施工工艺等制约,加上后期运营过程中超限运输、疲劳荷载、大气环境(二氧化碳、水、温度、酸碱腐蚀)等因素的影响,导致桥梁出现混凝土破损、裂缝、集中排水管破损堵塞、混凝土露筋锈蚀、支座开裂变形、伸缩缝破损等病害。

然而对于特殊结构桥梁来说,因其结构设计及受力情况都更加复杂,除了出现普通桥梁常见病害外,还会出现自身独特的病害,有些甚至严重影响桥梁结构的安全运营。下面以沪渝高速上三座不同类型的特殊结构桥梁为例,对特殊结构桥梁的独有病害进行简要分析。

2.1悬索桥

(一)工程实例

四渡河特大桥桥址从巴东县野三关镇栗子园岸跨至水南岸,横跨四渡河。设计桥型为(114+900+208m钢桁架悬索桥,垂跨比为110。中跨设顺桥向间距12.8m69个吊点,跨中吊点设置为中央扣,其余68个吊点设顺桥向间距0.44m的平行高强钢丝双吊索,全桥共设吊索272根。东岸设计采用隧道锚,西岸采用重力式锚碇。

(二)病害分析及处置

钢桁梁病害:主要表现为钢结构表面锈蚀、连接板高强螺栓断裂等。

病害产生的原因归纳如下:

在潮湿的空气中,钢结构表面由于显微组织不同、杂质分布不均以及受力变形、表面平整度差异等原因,使钢结构表面局部相邻质点间产生电极电位差产生电子流动而造成钢的腐蚀称为电化学腐蚀。

当钢结构表面涂装防护劣化后,在高温、潮湿或有空气条件下,就会产生腐蚀现象。加劲梁出现涂层病害由多方面因素引起:
    a
)基底处理不好,喷漆前钢结构表面出现锈,或者钢结构表面污物未清理干净。
    b
)喷涂施工环境影响,湿度过大会导致底漆的粘结能力下降。容易产生脱落现象。

c)施工期剐蹭后未及时修复,水汽和空气对基层迅速侵蚀,形成锈迹。

d)涂膜厚度达不到设计要求,涂膜过薄容易造成脱落。
    e
)后期养护施工涂层新旧结合处处理不到位。

对于连接板高强螺栓而言,因为长期汽车等活荷载的作用,加上温度变化、横向风荷载的影响,极易导致部分区域出现应力集中,从而使得高强螺栓出现断裂情况。另外,高强螺栓的断裂也与自身的材质密切相关。

针对上述出现的病害,主要处治措施有:

对于出现锈蚀的钢桁梁,首先进行打磨除锈,除锈等级一般达到St3级,然后根据原设计要求可采用环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+氟碳面漆三层涂装体系进行复原,每一层涂装体系的厚度都必须符合规范要求。对于高强螺栓断裂,及时进行更换,杜绝同一连接板大面积出现高强螺栓断裂情况,更换后进行标记,做好原始数据的收集。

吊杆类病害:锚头钢结构表面锈蚀、吊杆两端环形开裂、索夹螺杆松动及索夹与主缆紧固面环形开裂等。

病害产生的原因归纳如下:

对于锚头钢结构表面锈蚀,具体出现原因与钢桁梁结构锈蚀类似,此处不再展开论述。

对于索夹螺杆松动及索夹与主缆紧固面环形开裂,根据国际惯例,悬索桥通车2-3年,索夹螺杆张拉力的测试是悬索桥养护管理极为重要的项目。受风荷载、温度、汽车活载等作用的影响,吊杆与主缆在使用过程中基本处于振动状态,因此随桥梁使用年限的增加,必然会存在螺杆张拉力下降的现象。索夹螺杆内力减小,势必导致索夹滑移移位,从而在环缝处开裂,严重者将会导致内力重分配,使主梁线形发生改变,且变化过程具有持续发散增长效应,结果不可逆,恢复极其困难。

对于吊杆两端环形开裂,吊杆的振动受到上下两侧锚固端的制约,在吊杆两端形成应力集中,长期荷载作用下,两端出现应力疲劳,导致开裂。

针对上述出现的病害,主要处治措施有:

对于吊杆锚头钢结构锈蚀,因为钢结构表面不规则,可采用改性橡塑带锈防腐底漆+改性橡塑带锈防腐中间漆两层防腐体系进行涂装;对于两端环形开裂,考虑到吊杆振动的特性,应使用柔弹性材料进行封闭,如热缩套缠包;对吊杆螺杆松动,根据规范要求,定期对索夹螺杆轴力进行抽检,并定期对螺杆紧固,环形开裂的位置可用硅烷改性密封胶进行封闭处理。

主缆病害:表面脏污、涂层开裂、钢丝扶手锈蚀等

病害产生的原因归纳如下:

主缆表面脏污主要是大气灰尘等杂质在水分作用下在主缆下表面淤积;主缆涂层开裂是因大气中水分、温度、酸碱成分等对其的长期腐蚀作用;钢丝扶手锈蚀的原因同钢结构表面锈蚀。

针对上述出现的病害,主要处治措施有:

对于表面脏污,采用高压水清洗,清洗水源应是饮用水,不得对大桥结构及过往车辆造成二次污染,清洗过程中不得损坏主缆的防护涂层。

对于涂层开裂问题,应按照如下施工工艺修复:

1)对于出现涂层病害的主缆:将原有聚氨酯面漆打磨掉,重新涂装两道氟碳面漆。

2)维修时将干裂脱落的腻子敲掉重新抹平,按评定结果进行维护涂装;修补涂料采用该桥原涂装方案。

3)主缆外露的缠丝轻微锈蚀时,清洗后重新油漆。

4)缠丝严重锈蚀需要及时修补,修补方法如下:

        a)除去废弃缠丝前,在维修段两端保留缠丝 2-3 圈,采用铜钎焊固定,钎焊温度应;

        b)不影响缠丝下的主缆钢丝;要有足够的钎焊长度并质量良好,然后剪除待换缠丝;

        c)清洁主缆钢丝表面;

        d)涂底漆,涂腻子;
       e)
新缠丝,再将新缠丝的头尾 2-3 圈用铜钎焊固定;缠丝拉力不得低于 2KN
        f)
清洁处理缠丝表面;
        g)
按主缆原涂装工艺复原涂装层。

对于钢丝扶手锈蚀,可采用改性橡塑带锈防腐底漆+改性橡塑带锈防腐中间漆进行防腐涂装。

锚室病害:锚室渗水、锚室预应力管道防腐油脂失效、除湿系统老化等。

病害产生的原因归纳如下:

后锚室原防水层设计为复合防水板+15cm30号聚丙烯合成纤维喷射混凝土防水层,另外在后锚室周边布置软式透水管引排水。此处无地下水,出现后锚室锚面渗水泛碱可判定为雨水通过山体渗入锚室附近,原防水混凝土存在构造裂缝,造成渗水。

防腐油脂失效主要原因是因为防腐油脂稳定性差。防腐油脂属于矿物油脂,主要由矿物油或合成油、稠化剂以及其它化学助剂调和而成。稠化剂能将基础油和添加剂结合在一起,形成膏状物,对金属材料能起到隔绝保护防锈的作用。然而,随着防腐油脂与大气环境(水、热)的接触,会发生氧化变质反应,稠化剂和油发生不可逆的化学变化,出现油脂分离的现象,析出的油成分不仅会污染桥梁构件,还会使油脂硬化,使其失效。若防腐油脂与水汽接触,易发生乳化反应,更会加速油脂的变质,使其起不到原来预期的保护作用。

除湿系统老化是因为系统设备运行时间已超10年,已达使用寿命,部分设备已成为工业淘汰品,技术参数严重落后。

针对上述出现的病害,主要处治措施有:

针对锚室渗水病害,首先进行封堵,清理裂缝表面析出钙化物,露出清晰的裂缝;顺裂缝开凿V型槽,槽深约10mm,并用毛刷和高压空气清除其中灰尘向裂缝中压注环氧浆液,在锚室拱顶及锚面涂水泥基渗透结晶型防水材料。

对于预应力管道防腐油脂失效,应打开后锚头和前锚头的注浆口,将原管道油脂全部排出,然后从后锚头重新灌入新型阻蚀密封蜡,确保管道内充满,保证防腐效果。

对于除湿系统老化,利用原有线路,对旧设备进行更新升级。

2.2钢管拱桥

(一)工程实例

支井河特大桥位于巴东县野三关镇支井河上,是沪渝高速宜恩段控制性工程之一。主桥长543.37m,主拱计算跨径为430m,计算矢高78.18m,矢跨比为1/5.5,拱轴系数为1.756。拱肋为变高度等宽的钢管混凝土桁构,拱顶肋高为6.5m,拱脚肋高为13m,肋宽4m

(二)病害分析及处置

主拱圈及立柱类病害:主拱圈、拱上立柱、钢盖梁外表面局部锈蚀,拱上立柱及钢盖梁内部积水严重且锈蚀严重。

产生病害的主要原因归纳为:根据检测结果,钢盖梁与拱上立柱钢箱内并无明显渗漏水现象,判断箱内积水为人孔、焊缝、螺栓孔等位置进水,且箱内封闭环境一旦进水很难排出,所以出现积水现象。

夏季钢盖梁和拱上立柱内部温度较高, 钢结构会在高温环境中与 O2 NO2 SO2 H2S等气体以及非电解质的液体发生化学反应,属于化学锈蚀,在钢结构的表面生成钝化能力很弱的氧化保护薄膜,其腐蚀的程度随时间和温度的增加而增加;钢结构在潮湿的环境中,与周围介质之间发生氧化还原反应而产生的腐蚀属于电化学锈蚀。当钢结构表面涂装防护劣化后,在高温、潮湿或有空气条件下,就会产生腐蚀现象。钢盖梁和立柱内部出现涂层病害由多方面因素引起:
a
)基底处理不好,喷漆前钢结构表面出现锈,或者钢结构表面污物未清理干净导致涂层与基底粘结力不足。
b
)喷涂施工环境影响,湿度过大会导致底漆的粘结能力下降。容易产生脱落现象。
c
)施工期剐蹭后未及时修复,水汽和空气对基层迅速侵蚀,形成锈迹。

针对上述出现的病害,主要处治措施有:

 对于钢盖梁内表面病害,首先检查钢箱外部与环境接触的焊缝、是否有开裂,及时补焊;检查人孔橡胶条是否有损坏,及时修补;对内表面防腐涂装: 首先人工打磨除锈,除锈等级为St3.0级, 喷涂环氧富锌底漆一道60μm,环氧厚浆漆两道共100μm,丙烯酸聚氨酯面漆两道共80μm

 对于拱上立柱内表面病害,具体施工措施如下:

   1)拱上立柱开通风孔
   
全桥只有沪渝向钢盖梁侧面有检查人孔可供单人通行进出,完全不能保证全桥钢立柱、钢盖梁内表面的仔细检修和油漆防腐涂装施工。为了保证养护工作安全进行,更为了保证该桥钢结构内表面后续检修方便,在钢立柱适当位置开设永久性工作通风口,在渝沪向钢盖梁侧开设永久性检修孔。 开孔需满足以下要求:
     a
)开孔前施工单位探明拱上立柱内部原施工孔处竖向加劲肋无截断,若有截断需进行补焊,并另设计开孔位置
     b
)若原施工孔已避开竖向加劲肋,则拱上立柱新开通风孔中心线应与原施工期开孔中心线重合
     c
)所有开孔均应避开箱内横、纵肋板
    d
)拱上立柱开孔为圆形,直径 D=0.15m
    e
)所有开孔处均需做好防腐涂装
    f
)所有开孔均需安装气密门,施工期间打开气密门做为通风孔,雨雪天气及施工完毕后应及时关闭气密门防止雨水及其他污物进入箱内

   2)立柱内部排出积水
   
在拱上立柱底部侧面开圆形孔,排出内部积水,并对钢盖梁内部和拱上立柱箱内通风干燥处理。开孔孔径为φ 22mm,排除积水后用 M18 的螺栓封堵开孔。并且此孔可多次循环使用。具体做法:将螺母点焊于拱上立柱开孔部位内侧,箱内放完积水后将螺帽在外侧拧紧,下次排除积水仅需将螺帽拧下,人员无需进到箱的内侧也无需再次开孔。为了减少开孔数量,又能将拱上立柱底部积水排尽,在螺母上焊接弯管,在主弦管至弯管顶部之间的空间浇筑防水性环氧砂浆。并在钢板箱内壁与环氧砂浆顶部设置 OTC 包覆型防腐体系。
  
3)立柱内表面防腐涂装

内表面防腐涂装:喷涂环氧富锌底漆一道 60μm,环氧厚浆漆两道共 100μm,丙烯酸聚氨酯面漆两道共 80μm

 对于外表面病害,表面除锈处理至 Sa2.5 级,涂装环氧富锌底漆一道 80μm;环氧云铁中间漆二道共 150μm,氟碳面漆二道共70μm

2.3斜拉桥

(一)工程实例

清江特大桥位于恩施市舞阳坝街道办事处鸭子塘村,由东向西跨越清江,是湖北沪蓉西高速公路恩利段的控制性工程,也是湖北沪蓉西高速公路西段最大的独塔斜拉桥。该桥于20048月开工,200911月竣工。桥型结构为主跨220米的独塔PC斜拉桥,其跨径布置为(40+40+70米)+220米,全桥长380.4米;桥梁总体结构为塔(墩)梁固结体系、主梁与其他墩台之间设支座连接。

(二)病害分析及处置

斜拉索病害:斜拉索外包PE护套开裂破损、锚头防护系统病害(锈蚀、积水、黄油干涸)、索力损失、将军帽防护系统病害(外部锈蚀、橡胶垫圈老化、内部填充剂失效)、阻尼器失效等。

根据以上病害,主要原因归纳如下:

对于斜拉索PE护套开裂破损,原因总结如下:

a)建设期施工因素:斜拉索施工涉及的工序较为繁杂,具体有运输、存放、卷盘、展开、拖索、吊装、牵引、 锚固、张拉及调整等,而斜拉索的PE护套保护层为柔性聚合物,在运输、挂索、张拉等施工中,斜拉索会不可避免地受到不同程度的损伤。 PE护套轻微磨损多为次原因造成。
b)后期养护因素:由于斜拉索攀爬困难,日常检查和养护维修无法实施,对斜拉索病害无法提前预防,对已经出现的病害也无法及时进行维修处理,导致病害的发生和发展。
c检修机具的影响:在拉索检测过程中,沿拉索移动的检测小车摩擦挤压拉索,导致拉索护套局部损伤。
d活载的影响:由于车辆、风、雨等活载的作用,拉索应力变化大,索梁振动加剧,拉索伸长量也发生往复性的变化,这种往复性变化将使得PE护套材料出现疲劳、开裂,破坏防护系统的整体性。
e温度的影响:由于四季温差影响,组成拉索材料的钢材、 PE护套等,其线膨胀系数相差较大,不能同步伸缩,导致拉索的护套出现微裂缝,在外界环境因素的侵蚀下,加速了拉索的老化与损坏。

对于锚头防护系统病害,主要原因是防护装置密封性不好,黄油渗漏;防护罩无排水孔,导致积水;防腐涂层施工质量欠佳及长期雨水浸泡导致锈蚀。

对于将军帽防护系统病害,橡胶垫圈老化及内部填充剂失效主要是因为使用时间已超出寿命周期,所处的恶劣环境同时加速了其老化的进程;外部锈蚀原因与钢结构锈蚀原因相同。

对于阻尼器失效,产生病害的多为长索阻尼器,长索振动频率更大,对阻尼器要求更高,也容易导致阻尼器的疲劳破损,加上栓接位置多为钢构件,涂层脱落,锈蚀严重,极易导致阻尼器的最终失效、功能丧失。

对于索力损失,在日常的运营过程中,受车辆、横风等活载的影响,斜拉索始终处于振动状态,长期下去,构件会出现疲劳,应力也会衰减。

针对上述出现的病害,主要处治措施有:

对于斜拉索PE护套开裂破损,用美工刀修整缺陷部位,并剖割成坡形,覆盖相同的PE原料,再用热风速焊枪连续焊好,将表面打磨平整,最后应在PE护套外面用PVF缠包处理。若PE护套严重开裂、露丝的,应首先检查斜拉索梁端防水系统,了解锚头锈蚀情况并排出锚固端积水,对拉索内部进行充分干燥;将护套破损处周围的污秽擦干净,确保修补时不影响护套之间的粘连;用美工刀对病害处PE护套开窗检查并拍照存档,以备日后检查,并对钢丝表面进行除锈防腐处理;采用钢丝刷和砂纸打磨除锈,然后涂刷防腐剂(富锌底漆+环氧云铁封闭漆);对钢丝表面用聚酯带进行双层缠包;用挤出式塑焊枪将相同原料焊接于 PE 护套开窗处。用磨光机打磨修补表面,使损坏处的 PE 层恢复到原有及平整状态。

对于阻尼器失效,保留外置阻尼器支撑架,更换阻尼器部分,双耳环、单耳环以及连接螺栓均采用不锈钢材质。

对于锚头防护系统病害,将锚头防护系统进行除锈后重做防腐涂层;涂抹黄油防止进一步锈蚀;下锚头防护罩下部开孔,防止积水。

对于将军帽防护系统病害,更换老化的橡胶垫圈,清除内部老化的填充剂,重新用新的发泡剂进行填充,将军帽外部用改性橡塑防锈底漆+改性橡塑防锈面漆进行防腐涂装。

对于索力损失,定期进行索力检测,并对测得的数值进行比对,索力减少值在正常范围内的可不予处理,若斜拉索应力值损失严重的应分析原因,必要的需要整根拉索更换。

3特殊结构桥梁的管养

特殊结构桥梁的管养,需要根据不同类型的桥梁及所处的地理环境,采取对应的措施,因地制宜的进行科学养护。在参考现有养护规范的基础上,针对病害产生的原因进行合理分析,对问题处理的措施进行总结归纳,不断探索引进新的科技水平及先进工艺,提高特殊结构桥梁的管养水平,建立完善的管养制度。

(一)桥梁检查

桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。对于特殊结构桥梁的检查除按照钢筋混凝土、预应力混凝土桥或钢桥相应内容进行检查外,尚应对以下内容进行检查:

a)检查索塔高程、塔柱倾斜度、桥面高程及梁体纵向位移,注意是否有异常变位;检查索体振动频率,索力有无异常变化,索体振动频率观测应在多种典型气候下进行,每观测周年不超过6年。

b)悬索桥的锚碇及锚杆有无异常的拨动,锚夹、散索鞍有无锈蚀破损,锚室有无开裂、变形、积水、温湿度是否符合要求;索鞍是否有异常的错位、卡死、辊轴歪斜,构件是否有锈蚀、破损,主缆索跨过索鞍部分是否有挤扁现象。

c)主缆、吊杆及斜拉索的表面封闭、防护是否完好,有无破损、老化;悬索桥吊杆上端与主缆的索夹是否有松动、移位和破损,下端与梁连接的螺栓有无松动。

d)逐束检测索体是否开裂、鼓胀及变形,必要时剥开护套检查索内干湿情况和钢索的锈蚀情况;逐个检查锚具以及周围混凝土的情况,检查锚具是否渗水、锈蚀,是否有锈水流出的痕迹,周围混凝土是否开裂,必要时可打开锚具后盖抽查锚杯内是否积水、潮湿,防锈油是否结块、乳化失效,锚杯是否锈蚀。

e)逐个检查索端出索处钢护筒、钢管与索套管连接处的外观情况;检查钢护筒是否松动脱落、锈蚀、渗水,抽查连接处钢护筒内防水垫圈是否老化失效,筒内是否潮湿积水。

(二)养护维修

a)斜拉桥拉索两端的锚具及护筒应经常保持清洁和干燥,塔端锚头若漏水、渗水应及时用防水材料封堵,梁端锚头若漏水、积水应及时将水排出并封堵水源;定期更换拉索两端锚具锚杯内的防护油,定期更换钢护筒与套管连接处的防水垫圈及阻尼垫圈,定期对索端钢护筒做涂漆防锈处理。

b)斜拉索的减震装置要保持正常工作状况,发现异常或失效要及时维修;若拉索护套出现开裂、漏水、渗水应及时处理。

c)悬索桥主缆各索股的受力应保持均匀,经检查若个别索股出现明显偏差、松弛或过紧,应通过索端拉杆螺栓进行调整;防止主缆索股的锚头、锚杆、裸露索股、分索器、散索鞍等锈蚀,涂装防锈油漆的部分应定期涂刷,涂抹油脂的部分应定期更换。发现剥落、锈蚀应及时处理。

d)主缆索的防护层如有开裂、剥落,应尽快修;索鞍应经常清扫,防止尘土堆积、积水及锈蚀。索鞍的辊轴或滑板应保持正常工作状态。

e)锚室及封闭的索鞍罩内应保持干燥,有除湿设备的应保持设备正常工作;索夹、索鞍、吊杆等紧固螺栓应保持其原设计受力状态,视其工作情况每半年至两年定期紧固。

f)悬索桥、系杆拱桥的吊杆保护层、止水密封圈、防雨罩等应保持完好,若发现老化、开裂、破损要及时修补、更换。吊杆的减震装置要保持正常工作状态,发现异常或失效要及时检修;若吊杆有明显摆动、倾斜或检查发现其受力变化应查明原因,吊杆复位后应进行索力检测。

(三)建立一桥一档

建立桥梁档案制度,对于每座特殊结构桥梁建立档案卡片及身份信息,将桥梁基本情况信息、养护检查信息、历年病害维修数据与资金投入、桥梁技术状况评定信息及时进行归档,确保一桥一档,并逐年及时进行更新。不仅可以为桥梁养护提供宝贵的经验,还可以为桥梁未来的管养提供指导依据。

(四)引进四新技术

2015年以来,沪渝高速四渡河特大桥等7座特大桥就已开始引进国内一些先进技术手段对桥梁进行检测。如采用无人机对高墩、主塔、钢桁梁进行巡检;使用爬索机器人对斜拉桥的拉索进行巡检;采用毫米波雷达技术对吊杆进行索力检测等,这些先进技术的使用大大克服了传统特桥检测手段的局限性,不仅提高了检测精度,还降低了成本,提高了工作效率,从而提升了特殊结构桥梁的管养水平。

4 特殊结构桥梁目前存在的问题

对于特殊结构桥梁来说,目前还有以下几点主要问题需要解决:一是主缆轴力检测及主缆钢丝出现锈蚀后修复更换的问题,就目前的科技水平,悬索桥主缆作为大桥的永久性构件不能进行更换;二是吊杆轴力的精确检测问题,目前采用的接触式传感器检测或毫米波雷达技术只能对吊杆的某一断面轴力进行检测,并且检测精度不够理想;三是桥梁健康监测系统的利用问题,目前已建或在建的特殊结构桥梁中,基本均安装了健康监测系统,此系统中传感器元件种类多样、数量较多,长期运营会出现老化损坏问题,另外部分监测元件监测的数据精度不足以用来提供实际指导,预埋传感器或数据收集系统一旦老化损坏,往往升级更换的代价都很大。这些问题还需要我们一代一代的桥梁从业人员去去探索、去解决。

5结语

特殊结构桥梁的管养仍是当前桥梁养护管理工作中的一个相对薄弱环节,特殊结构桥梁的管养必须严格贯彻落实“建养并重、强化管理”的工作方针,牢固树立“预防为主、安全至上”的思想,切实抓好桥梁的管养工作,努力提高特殊结构桥梁的管养水平。这不仅关乎减少以及避免危及人民生命财产的安全问题,还对桥梁的未来设计建造及不断发展起着划时代的重要意义。

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