基于相似理论的钢结构模型实验结果修正:以空腹梁为例

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作者 郑刚 肖建春 +2 位作者 沈睿麟 陈顺云 马克俭 《科学技术与工程》 北大核心 2024年第27期11795-11804,共10页

以相似理论设计大跨度钢结构缩尺模型试验时常因材料及尺寸等多参数同时畸变的问题而无法正确反映原型结构力学性能。提出了基于响应面法的响应面预测模型对畸变参数进行修正,并考虑材料加工难度及制作成本,基于相似理论设计了三种不同... 以相似理论设计大跨度钢结构缩尺模型试验时常因材料及尺寸等多参数同时畸变的问题而无法正确反映原型结构力学性能。提出了基于响应面法的响应面预测模型对畸变参数进行修正,并考虑材料加工难度及制作成本,基于相似理论设计了三种不同材料制作的1/2空腹梁缩尺模型且梁截面厚度产生畸变,对多参数畸变模型修正前后的误差进行分析。结果表明:建立的响应面方程具有很好的拟合精度和对未知参数的预测能力,在各级均布荷载作用下,多参数畸变的钢空腹梁缩尺模型通过数值模拟及等效刚度理论计算后,未经修正的缩尺模型映射原型结构的力学性能误差较大,而经过建立的响应面模型修正后,误差显著减小,多参数畸变的缩尺模型能够有效地预测原型结构的力学性能。 展开更多

关键词 空腹梁 相似理论 不同材料 畸变模型 响应面法

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基于响应面法的钢空腹桁架结构优化设计 被引量：3

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作者 陈顺云 肖建春 +3 位作者 沈睿麟 杨行 盛夏 刘小龙 《建筑科学与工程学报》 CAS 北大核心 2024年第5期33-41,共9页

为了提高钢空腹桁架结构的优化设计效率,提出采用基于响应面法的结构优化设计方法对钢空腹桁架进行优化设计。优化前根据虚功原理推导了空腹桁架的等效惯性矩和等效剪切刚度,采用等代实腹梁刚度法验证了有限元模型精度。通过Box-Behnke... 为了提高钢空腹桁架结构的优化设计效率,提出采用基于响应面法的结构优化设计方法对钢空腹桁架进行优化设计。优化前根据虚功原理推导了空腹桁架的等效惯性矩和等效剪切刚度,采用等代实腹梁刚度法验证了有限元模型精度。通过Box-Behnken试验设计,获得66组有限元模拟的试验样本,建立Kriging响应面从而得到近似响应点。以结构质量最小化为目标,以规范允许的最大组合应力、最大挠度和构件宽厚比为约束条件,采用MOGA遗传算法对空腹桁架进行优化设计,得到Pareto最优候选解。结果表明:在各级荷载下,有限元计算值与等代实腹梁刚度法计算值的最大相对误差仅为5.6%,验证了用于优化设计的有限元模型的精度;优化设计后3组候选解中最优用钢量为6195.4 kg,与优化前相比节省用钢量约18%;对最优解的相关几何参数进行了有限元数值试验验证,优化后的构件宽厚比、最大组合应力、最大挠度和结构质量与数值试验结果吻合较好,偏差均在3%以内,表明基于响应面法的结构优化设计方法适用于钢空腹桁架结构多参数优化设计。 展开更多

关键词 空腹桁架 BOX-BEHNKEN试验设计 Kriging响应面 优化设计

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基于相似理论的冲击模型试验结果修正-钢管混凝土柱的研究 被引量：2

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作者 郑刚 肖建春 +2 位作者 郭华 马克俭 邱芸 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2024年第20期140-149,共10页

缩尺模型冲击试验是研究原尺寸钢管混凝土冲击性能的重要手段之一,由于在冲击作用下,受应变率效应的影响,钢管混凝土柱缩尺模型试验中材料的动力强度和原型结构的动力强度并不满足相似比关系,导致缩尺试验结果映射原型结构冲击性能时存... 缩尺模型冲击试验是研究原尺寸钢管混凝土冲击性能的重要手段之一,由于在冲击作用下,受应变率效应的影响,钢管混凝土柱缩尺模型试验中材料的动力强度和原型结构的动力强度并不满足相似比关系,导致缩尺试验结果映射原型结构冲击性能时存在一定的误差。基于密度、几何尺寸、冲击速度量纲体系建立相似模型准则,建立了大尺寸钢管混凝土柱侧向冲击的1/2、1/4和1/8相似缩尺模型,同时利用Workbench/LS-DYNA软件建立圆钢管混凝土柱侧向冲击的有限元模型,在验证模型的有效性后,分别从钢材和混凝土应变率敏感方程出发,对动态屈服应力相似性进行分析,重新推导相似比系数以解决材料应变率效应对不同相似比模型冲击性能的影响。结果表明,在考虑材料动态屈服应力相似后,钢管混凝土柱缩尺模型映射原尺寸结构冲击性能时,接触力、最大变形、屈服应力、冲击物速度和时间历程曲线吻合度的误差均得到进一步减小,其中最大变形误差减小最为显著,最大变形误差均在1.5%以内。总之,考虑材料动态屈服应力相似后,钢管混凝土柱缩尺模型映射原尺寸结构冲击性能的误差得到有效减小。 展开更多

关键词 钢管混凝土 应变率效应 相似比 冲击

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不同石粉含量和粒径对砂浆干缩性能的影响 被引量：2

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作者 陈松 申波 +3 位作者 吴洪梅 黄先桃 邓懋 谢青青 《混凝土》 CAS 北大核心 2024年第3期143-146,164,共5页

石灰石在开采和加工成机制山砂过程中产生了大量的废弃石灰石粉,石粉的堆放和去除会造成土地资源的浪费以及环境污染,为此,可将石粉加入砂浆中,以实现对石粉的合理应用。但是砂浆在加入石粉后会出现大量收缩,其耐久性大大降低。为了避... 石灰石在开采和加工成机制山砂过程中产生了大量的废弃石灰石粉,石粉的堆放和去除会造成土地资源的浪费以及环境污染,为此,可将石粉加入砂浆中,以实现对石粉的合理应用。但是砂浆在加入石粉后会出现大量收缩,其耐久性大大降低。为了避免这种不利影响,将石粉等量取代水泥后的砂浆干燥收缩情况进行试验,研究了不同石粉含量和粒径对砂浆干燥收缩的影响。试验结果表明:在不同石粉粒径下,采用适量的石粉等量代替水泥可以有效减小混凝土的干燥收缩值,当石粉替代率大于15%时,砂浆干燥收缩值不断增大,石粉最佳替代率为10%;在不同石粉含量下,石粉粒径为800目和1250目下的砂浆干燥收缩值均较小,可作为工程实际中石粉外掺量的参考值。 展开更多

关键词 石粉 等量替代 粒径 砂浆 干燥收缩

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石灰石粉对C60混凝土抗压性能及水化热的影响研究 被引量：1

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作者 黄先桃 申波 +3 位作者 吴洪梅 邓懋 陈松 谢青青 《建筑科学与工程学报》 CAS 北大核心 2024年第5期123-130,共8页

为探究石灰石粉对C60高强混凝土力学性能和水化热的影响,对不同石灰石粉比表面积和不同石粉含量的高强混凝土进行了抗压性能和水化放热试验。结果表明:石灰石粉的掺入能有效提高混凝土的抗压强度,其提升幅度介于1.3%~19.3%之间,在比表... 为探究石灰石粉对C60高强混凝土力学性能和水化热的影响,对不同石灰石粉比表面积和不同石粉含量的高强混凝土进行了抗压性能和水化放热试验。结果表明:石灰石粉的掺入能有效提高混凝土的抗压强度,其提升幅度介于1.3%~19.3%之间,在比表面积为6 000 cm^(2)·g^(-1)、石粉含量(质量分数)为5%~15%时混凝土抗压强度提升最明显;由于石粉的活性远低于水泥,随着石粉含量的增加,胶凝体系的总放热量逐渐降低且时间-水化放热速率曲线向左偏移,其中S15-6000组混凝土前期水化速率最快;在胶凝体系的水化产物中,掺入石粉后并未检测到新生成的物相,Ca(OH)_(2)峰值强度在石粉含量为15%时达到最高并伴随着生成大量C-S-H,这是由于石粉的掺入起到稀释效应,胶凝体系的水胶比增加使得水泥在水化时获得了充足的水量,此外,15%的石粉含量为胶凝体系提供了最佳钙含量,进一步促进了水化;大量C-S-H凝胶的生成为S15-6000组混凝土抗压强度提供了保证,且该组混凝土能较大程度发挥石粉作用。 展开更多

关键词 石灰石粉 抗压强度 水化热 比表面积 胶凝体系

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高强混凝土的断裂特性及其参数化分析 被引量：1

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作者 龙巧 陈红鸟 +2 位作者 刘灯凯 沈杰 许应杰 《建筑科学与工程学报》 CAS 北大核心 2024年第3期34-42,共9页

为了研究高强混凝土(HSC)的断裂特性,对单边切缝的HSC梁进行三点弯曲试验,采用扩展有限元法(XFEM)对HSC梁进行数值模拟;采用数字图像相关技术(DIC)得到不同加载阶段HSC梁的水平应变场,并采用XFEM模型分析了不同缝高比a_(0)/D、梁跨度S对... 为了研究高强混凝土(HSC)的断裂特性,对单边切缝的HSC梁进行三点弯曲试验,采用扩展有限元法(XFEM)对HSC梁进行数值模拟;采用数字图像相关技术(DIC)得到不同加载阶段HSC梁的水平应变场,并采用XFEM模型分析了不同缝高比a_(0)/D、梁跨度S对HSC断裂特性的影响。结果表明:模拟的荷载-裂缝口张开位移(P-s)曲线在加载阶段与试验结果基本一致,但在卸载阶段小于试验值;模拟的临界有效裂缝长度a_(c)、起裂荷载P_(ini)、峰值荷载P_(un)、峰值荷载下的裂缝口张开位移s、起裂断裂韧度K_(IC)^(ini)、失稳断裂韧度K_(IC)^(un)与试验结果大致吻合,即二者P-s曲线和断裂参数均比较接近,数值模型能较好模拟HSC的断裂行为;在试验过程中,裂缝路径不规则,而在数值模拟过程中,裂缝基本呈直线扩展;随着缝高比a_(0)/D增大,起裂荷载P_(ini)、峰值荷载P_(max)、K_(IC)^(un)减小,K_(IC)^(ini)基本不变;随着跨度S的增大,起裂荷载P_(ini)、峰值荷载P_(max)减小,K_(IC)^(un)增大,而K_(IC)^(ini)基本保持稳定。 展开更多

关键词 高强混凝土 断裂性能 数值分析 三点弯曲梁

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基于超单元法的空腹夹层板精细化有限元分析

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作者 盛夏 肖建春 +1 位作者 陈顺云 马克俭 《建筑科学与工程学报》 CAS 北大核心 2024年第6期61-69,共9页

针对空腹夹层板精细化有限元分析存在计算模型总自由度数庞大、运算效率低的问题,根据空腹夹层板的构造特点,将其分成若干相同的基本网格,把任一网格当成子结构并凝聚成超单元,再控制超单元的边界自由度数。以超单元为基础扩展出新计算... 针对空腹夹层板精细化有限元分析存在计算模型总自由度数庞大、运算效率低的问题,根据空腹夹层板的构造特点,将其分成若干相同的基本网格,把任一网格当成子结构并凝聚成超单元,再控制超单元的边界自由度数。以超单元为基础扩展出新计算模型,降低空腹夹层板有限元模型的总自由度数,从而提高计算效率。分别用不同超单元和边长0.1 m的实体单元,建立一块平面尺寸为16 m×16 m的混凝土空腹夹层板精细有限元模型并做静、动力分析。结果表明:超单元法提取空腹夹层板参数受限制小,能较快提取结构参数完成计算;超单元边界节点数越少,运算效率越高,但误差相应增大;当超单元的节点数对比精细有限元缩小约89%并合理放置时,计算最大相对误差不超过6%且计算时间能节省11%~24%,模态和时程分析图像吻合度较好;基于超单元法的空腹夹层板精细化有限元分析适用于空腹夹层板结构线弹性阶段的参数分析计算。 展开更多

关键词 超单元 空腹夹层板 边界自由度 子结构 节点 精细化有限元分析

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玻璃幕墙铝合金立柱插芯节点抗震性能试验研究 被引量：2

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作者 刘艳 肖建春 +3 位作者 胡天杰 金束 陈靖 张兵 《建筑科学与工程学报》 CAS 北大核心 2022年第6期154-162,共9页

为研究玻璃幕墙铝合金立柱插芯节点在地震作用下的破坏特征和抗震性能,设计了4组铝合金立柱插芯节点试件(立柱长度均为2800 mm,插芯长度分为250 mm和300 mm两种),并进行了低周往复加载试验,得到了试件节点的破坏形态、滞回曲线和骨架曲... 为研究玻璃幕墙铝合金立柱插芯节点在地震作用下的破坏特征和抗震性能,设计了4组铝合金立柱插芯节点试件(立柱长度均为2800 mm,插芯长度分为250 mm和300 mm两种),并进行了低周往复加载试验,得到了试件节点的破坏形态、滞回曲线和骨架曲线,分析了节点的破环机理和滞回耗能特性。基于试验结果,采用几何、材料与接触非线性有限元法对立柱插芯节点进行分析。结果表明:滞回曲线、骨架曲线的有限元结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模拟节点抗震性能的有效性;两种插芯长度节点的破坏特征一致,均为鼓曲变形来耗散地震能量;两种插芯长度节点的滞回曲线呈现出明显的反Z字形,捏缩现象较明显;试验与有限元计算的包络曲线耗能比的范围为31.94%~39.72%,说明试件节点的耗散地震能力强;节点的抗震性能与插芯长度有明显的关系。 展开更多

关键词 抗震性能 拟静力试验 数值分析 铝合金立柱插芯节点 滞回曲线 骨架曲线。

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石灰石粉含量和粒径对水泥水化热的影响 被引量：5

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作者 邓懋 申波 +3 位作者 吴洪梅 陈松 黄先桃 谢青青 《硅酸盐通报》 CAS 北大核心 2023年第2期420-428,438,共10页

为研究石灰石粉(以下简称石粉)参数对水泥水化热的影响,利用TAM Air-八通道微量热仪探究不同石粉含量和粒径对水泥水化放热量以及水化放热速率的影响。研究表明,随着石粉含量的增加,辅助胶凝材料的水化放热量和水化放热速率总体上呈降... 为研究石灰石粉(以下简称石粉)参数对水泥水化热的影响,利用TAM Air-八通道微量热仪探究不同石粉含量和粒径对水泥水化放热量以及水化放热速率的影响。研究表明,随着石粉含量的增加,辅助胶凝材料的水化放热量和水化放热速率总体上呈降低的趋势。其中当石粉含量为15%(质量分数)时,石粉粒径为400目时放热量为223.22 J/g,水化峰值速率为2.399 2 mW/g,石粉粒径为3 000目时放热量为215.98 J/g,水化峰值速率为2.214 0 mW/g,其放热量和水化峰值速率降低的趋势最明显。同时,当石粉掺量较大时,石粉粒径对水化反应的影响更加明显,粒径过小或者过大都会提高水化放热量和水化放热速率。当石粉粒径为1 250目时水化放热量较小且水化放热速率较低。通过物相分析发现,石粉的加入不会使体系产生新物质,当石粉含量为15%(质量分数)、粒径为1 250目时,Ca(OH)_(2)衍射峰强度最高并伴随着大量C-S-H的生成,说明了该组石粉能够更大程度地促进水泥水化,使反应更充分。 展开更多

关键词 石灰石粉 胶凝材料 粒径 掺量 水化热 物相分析

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基于2D随机骨料模型的C80混凝土参数分析

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作者 吴洪梅 申波 +2 位作者 刘凯 卢亚琴 杨方 《建筑科学与工程学报》 CAS 北大核心 2023年第1期28-37,共10页

利用DIGIMAT和ABAQUS联合建立细观混凝土2D随机骨料模型,模拟了粗骨料的分布、形状、含量以及界面过渡区性能、孔隙率对C80高强度混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度的影响,并将模拟结果与各参数对低强度混凝... 利用DIGIMAT和ABAQUS联合建立细观混凝土2D随机骨料模型,模拟了粗骨料的分布、形状、含量以及界面过渡区性能、孔隙率对C80高强度混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度的影响,并将模拟结果与各参数对低强度混凝土的影响进行比较。结果表明:粗骨料的分布模式对混凝土的基本力学性能几乎没有影响,不同分布形式下混凝土立方体抗压强度最大相对误差为4.18%;不同形状的粗骨料对混凝土力学性能有着不同的影响,圆形和椭圆形状粗骨料的模拟结果与试验值更为接近;不同骨料含量下混凝土立方体抗压强度呈现出先减小后增大的趋势,轴心抗压强度则是先减小后增加再减小,劈裂抗拉强度在粗骨料含量为33%时达到最大值4.61 MPa,之后便逐渐降低;随着孔隙率的增加,混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量均逐渐减小,劈裂抗拉强度在孔隙率为1.5%时降低较多,孔隙率为2%时有所上升。 展开更多

关键词 粗骨料 分布 形状 含量 界面过渡区 孔隙率

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基于ESPI技术的混凝土单轴拉伸断裂特性研究

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作者 龙津润 赵炳震 +1 位作者 陈红鸟 许应杰 《硅酸盐通报》 CAS 北大核心 2022年第12期4263-4272,共10页

为了研究混凝土的拉伸断裂特性,对带有预制切口的C80高强混凝土棱柱体进行单轴拉伸试验,采用电子散斑干涉(ESPI)技术测量棱柱体表面的场位移等信息,分析加载过程得到混凝土的断裂参数以及断裂特性等。为进行对比分析,本次试验还采用线... 为了研究混凝土的拉伸断裂特性,对带有预制切口的C80高强混凝土棱柱体进行单轴拉伸试验,采用电子散斑干涉(ESPI)技术测量棱柱体表面的场位移等信息,分析加载过程得到混凝土的断裂参数以及断裂特性等。为进行对比分析,本次试验还采用线性位移计和夹式位移计测量试件的变形程度。对比结果表明ESPI技术的测量结果与夹式位移计结果吻合较好,证实了ESPI技术用于测量混凝土表面位移场的精确性和可行性。分析得到:初裂点应力约为峰值应力的82%;峰值下裂缝口张开位移(CMOD)为11μm,结合公式得到混凝土在单轴拉伸下的断裂韧度约为0.41 MPa·m^(1/2),断裂能约为24.71 N/m;利用两种拟合公式对试验应力-应变关系进行拟合,得到了较好的拟合结果。最后,通过不同加载步骤下ESPI技术测得的位移云图分析裂缝口张开位移随试件宽度的变化规律,得到了单轴拉伸下的裂纹扩展规律。 展开更多

关键词 高强混凝土 ESPI 单轴拉伸试验 断裂特性 裂缝口张开位移 裂缝长度

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节点刚度对管桁架拱稳定性的影响

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作者 张兵 肖建春 刘艳 《科学技术与工程》 北大核心 2022年第18期7988-7997,共10页

为研究节点刚度对管桁架拱稳定性的影响,在节点弹簧单元和壳单元滞回性能一致性得到验证的基础上,采用往复荷载下的变刚度弹簧模型代替壳单元考虑节点的半刚性。弹簧模型的节点刚度方程由节点域壳单元模型在往复荷载加载作用下的骨架曲... 为研究节点刚度对管桁架拱稳定性的影响,在节点弹簧单元和壳单元滞回性能一致性得到验证的基础上,采用往复荷载下的变刚度弹簧模型代替壳单元考虑节点的半刚性。弹簧模型的节点刚度方程由节点域壳单元模型在往复荷载加载作用下的骨架曲线确定。以矢跨比为0.29、跨度为50 m的管桁架拱为算例,采用材料与几何非线性有限元法对节点域弹簧模型和普通模型进行稳定性分析。结果表明:“静力失稳模态”为空间管桁架拱的最不利初始缺陷形式;节点刚度对管桁架拱的承载力影响程度与考虑初始缺陷的大小、分布形式和荷载作用范围有关。 展开更多

关键词 节点刚度 管桁架拱 弹簧模型 初始缺陷 承载力

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高石粉含量下C80混凝土力学性能数值模拟研究

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作者 黄先桃 谢青青 +3 位作者 申波 刘凯 陈松 邓懋 《科学技术与工程》 北大核心 2022年第35期15735-15741,共7页

为研究石粉含量和纤维掺量对C80混凝土基本力学性能(包括立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量)的影响,结合Digimat和Abaqus建立2D随机骨料模型、3D纤维混凝土细观模型,将不同石粉含量、纤维掺量下混凝土的... 为研究石粉含量和纤维掺量对C80混凝土基本力学性能(包括立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量)的影响,结合Digimat和Abaqus建立2D随机骨料模型、3D纤维混凝土细观模型,将不同石粉含量、纤维掺量下混凝土的数值模拟与同等条件下基本力学试验结果进行对比分析。结果显示:2D随机骨料模型中过高(石粉含量大于5%时称为高石粉含量)的石粉含量会降低混凝土的整体力学性能,石粉含量越低模拟值与试验值越接近,当石粉含量为5%时混凝土的整体力学性能达到最佳。3D纤维混凝土细观模型中不同纤维类型对高石粉含量混凝土的强度有不同影响,与玄武岩纤维相比,铜镀纤维的掺入对高石粉含量下混凝土力学性能的增幅更明显。铜镀纤维体积掺量为0.4%和0.6%时均能提高混凝土力学性能,当掺量为0.6%时,混凝土数值模拟与试验结果误差小于7.1%且力学性能达到最优;玄武岩纤维混凝土的抗压性能随纤维体积掺量的增加而降低,当掺量为0.03%时数值模拟结果与试验结果误差范围在0.4%-8.7%,但对混凝土整体力学性能的提升较小。 展开更多

关键词 高石粉含量 力学性能 3-D数值模型 玄武岩纤维 铜镀纤维

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