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地震工程学复习资料
地震工程学：
地震工程学是研究地震动、工程结构地震反应和抗震减灾理论的科学.从学科上看,地震工程学跨越地震学、工程学与社会学三个学科,且以前两者为主,它具体包括工程地震与结构抗震两个分支.
地震学与地震工程学
前者需要从后者去实现其最终目的；后者需要以前者的研究结果为基础；相互衔接的地方,两者都要去研究,很难区分应该属于哪一个学科；两者各有自己的目的,重点各不相同.
二、地震工程学的基本内容
地震工程学科的任务：
根据地震预报现有的结果,在国家经济政策的指导下,经济、安全而又合理地制定新建工程的抗震设防技术措施、对已有工程制定鉴定标准和加固措施.根据专业性质和工作阶段,地震工程学的研究可分为几个部分：
〔1〕地震危险性分析与地震区划
根据地震长期预报的结果〔未来地震的时间、地点、强度、概率〕对选用的地震动设计参数,估计其大小与发生概率,即地震危险性；再根据危险性大小,作出以这些参数为指标的地震动区划.如我国现有的地震烈度区划图.这一工作把地震工作者的预报结果,转化为工程抗震所需参数的预报地震烈度区划是根据国家抗震设防需要和当前的科学技术水平,按照长时期内各地可能遭受的地震危险程度对国土进行划分,以图件的形式展示地区间潜在地震危险性的差异.
〔2〕抗震规范与抗震设计
对新建工程,规定法定抗震原则和具体措施,在抗震设计中必须遵守.这些原则和措施是根据宏观震害总结出来的抗震经验,从强震观测、结构试验与动力分析所了解的结构抗震原理,以与工程设计者的工程经验这三方面综合起来的技术成果,在国家经济政策指导下,制定的综合准则.
〔3〕抗震鉴定加固
对已有工程,针对当地未来可能遭遇的地震危险,估计已有工程的危害性,提出加固的原则和可行的技术措施.
〔4〕抗震救灾
一项是在已发生强地震的现场,为了减轻可能的进一步的危害而应采取的措施；另一项是对短临强地震预报区进行的防灾准备.
工程地震：
研究的问题是中、长期地震预报中的潜在震源区划分、潜在震源区地震活动性规律、地震动工程参数的选择,以与这些参数的估计等.由于地震动衰减规律有很大的随机性,所以对地震动活动性规律和地震危险性评估都要给出概率的含义.因此有地震动区划〔大地区〕、小区划〔场地〕、烈度区划；
结构抗震：
研究以结构动力学和工程学为基础,研究内容包括建筑材料与地基的动力性能、构件与结构振动特性、结构动力反应〔非线性或弹塑性反应〕、结构物的弹塑性与脆性破坏的机制,以与结构可靠性理论和工程设计等领域.
三、地震工程学的特点
该学科属综合型的应用科学,除了具有应用科学的一般特点外,还有自身的特点：
1.强震观测、震害经验与试验研究是地震工程的基础
2.地震作用是地震工程学研究的重点
3.结构非线性与复杂地震动输入是地震工程学研究的热点
4.广泛应用概率论、控制论、规划论是地震工程学的发展方向
1.强震观测、震害经验与试验研究是地震工程的基础
这是一门理论性很强的学科,但它更是一门强烈要求经验背景支持的学科.这些经验背景包括强震观测、震害经验和试验研究三个基本方面.强震观测是研究地震动的基础,也是进行结构动力试验的主要依据；如用于：
抗震设计的反应谱理论研究、随机地震反应分析等.对震害经验的总结,始终是人们进行抗震设计、完善抗震技术、开拓研究领域的重要依据.进行典型环境下的试验研究是现代应用科学的基本手段之一.以研究地基与机构动力性能为目的的现场与室内试验,是丰富地震工程学内容,改进地震工程学理论的有利手段,如振动台试验技术.
2.地震作用是地震工程学研究的重点
地震作用属于动力荷载.动力荷载与一般静力荷载的区别体现在：
1〕结构所受动力荷载的大小与结构自身特性密切相关,结构的质量和刚度的大小直接影响地震作用的强弱.
2〕地震作用是一种不规则的循环往复荷载,其解答不具有静力问题解答的唯一性,工程上主要关注地震作用峰值；
3〕与静力荷载相比,地震作用具有更大的随机性,表现在发生过程的不确定性、发生地点、时间、强弱的不确定性上.因此,抗震设计有别于一般静力设计.
3.结构非线性与复杂地震动输入是地震工程学研究的热点
由于地震作用在强度上的不确定性,一般结构物都可能在未来强震中进入破坏阶段.因此,结构非线性成为地震工程学的一个研究热点.研究发现：
控制结构破坏的基本变量不仅与结构所能承受的最大荷载有关,而且还与结构的最大变形反应和累积损伤破坏有关,由此发展了强度-变形双重设计准则等理论.考虑复杂地震动输入〔多维、多点输入〕的理论与试验工作日趋增多,并逐渐形成现代地震工程研究的热点.
4.广泛应用概率论、控制论、规划论是地震工程学的发展方向
2.1板块运动
6大板块：
美洲板块,欧亚板块,非洲板块,印度洋板块,南极洲板块,太平洋板块<全为洋壳>.目前,全球划分出十多个大小不等的板块.在大板块内又可进一步划分次一级板块<中型板块>,再次小型板块.如华北板块、扬子板块,其间秦岭-大别山为碰撞造山带.板块间的分界线是大洋中脊、俯冲带和转换断层.板块在大洋中脊继续增生扩张,而在俯冲带则下沉和消减.这是构造动荡激烈的部位,是地震、火山活动的主要发生地.
世界范围内的主要地震带
<1>环太平洋地震带
这是世界上最大的地震带,在狭窄条带内震中密度也最大,全世界约80％的浅源地震、90％的中源地震和几乎全部深源地震集中于此带,释放的能量约为全世界地震释放能量的80％.此带的震源深度有自岛弧外线的深海沟向大陆内部逐步加深的规律,为大陆与大洋之间的一条倾向大陆的大断裂面.
<2>地中海喜马拉雅地震带或欧亚地震带
此带震中分布较前者为分散,带的宽度大且有分支.以浅源震为主,中源震在帕米尔、喜马拉雅有所分布,深源震主要分布于印尼岛弧.环太平洋地震带以外的几乎所有深源、中源和大的浅源地震均发生于此带,释放能量约占全球地震能量的15％.〔3〕大洋海岭地震带
主要呈线状分布于各大洋的接近中部<图1-3>.这一带的所有地震均产生于岩石圈内,震源深度小于30km,震级除少数例外均不超过5级.有一些地震并不发生在板块边缘附近,这些地震称为板内地震.与板边地震性比,板内地震有如下三个特点：
1.地震地点零散,频度较低
2.板内地震危害大.
3.板内地震的震源机制复杂.
2.3震源机制与地震类型
2.3.1震源机制
一.地震成因的宏观背景---板块观点
板块构造学说
地壳与上地幔的岩石层组成了全球岩石圈,地幔上部软流层的物质由海岭涌出,推着图1-4全球软流圈流动示意图软流层以上厚约100km的岩石圈在水平方向移动,形成新的海底并造成海底扩张；岩石圈在海沟处又插入另一部分岩石圈之下,返回软流层,同时形成下降流.这样,海岭与海沟间形成地幔对流体,承载着上部的板块缓慢漂移.当两板块相遇,其中一个板块俯冲插入另一个板块之下,在此过程中,由于板块内部复杂的应力状态,引起其本身与附近地壳和岩石层的脆性破裂而发生地震.另一方面软流层与板块之间的界面很不平坦,而且软流层本身图1-5板块相遇示意图仍具有较大的刚度,因此造成板块内部的复杂应力状态和不均匀变形,诱发板块内地震.而板块内的岩体断层则提供了发生地震的内在条件.
二.地震成因的局部机制---弹性回跳假说
二十世纪由里德〔Reid〕提出
〔1〕.地壳由弹性的、有断层的岩层组成；
〔2〕.地壳运动产生的能量以弹性应变能的形式在断层附近岩层中长期积累；
〔3〕.当弹性应变能积累,岩层变形达到一定程度时,断层上与邻近点随之发生相对错动,岩体向相反方向突然滑动,地震因之产生,长期积累的弹性应变能突然释放；弹性回跳说的改进—粘滑说
〔4〕.这种释放只是总应变能的一部分,而剩余部分则为断层面上很高的摩擦力所平衡；
〔5〕.地震后,断层两侧摩擦力使其固结,并可以再次积累应力而发生较大的地震.2.3.2地震类型
一.地震分类
类型
火山地震、天然地震、陷落地震、诱发地震
根据地震深度,地震可以分为：
浅源地震H<60～70km,占地震总数的72%；
中源地震70深源地震H>300km,仅占地震总数的4%,目前观测到的最大震源深度为720km.按地震M级大小：
大地震：
M>=7级
中地震：
7>M>=5
小地震：
5>M>=3,
微地震：
3>M>=1
超地震：
M<=1
强烈破坏地震
破坏性地震
2-4级有感地震
二、地震序列：
把相互关联的一系列地震按发生时间先后顺序排列起来的结果.
主震：
某一次较大的地震；
前震：
主震之前与之相关的地震
余震：
主震之后发生的地震
通常地震序列有三种基本类型：
①主震余震型:
主震释放能量最大,伴以相当数目的余震和不完整的前震.典型的有汶川大地震、唐山大地震.
②震群型地震：
主要能量通过多次较强地震释放,并伴以大量小震,如1966年邢台地震,1988年澜沧——耿马地震等.
③单发型地震,主震突出,前阵与余震很小,如1976年内蒙和林格尔地震.
2.4中国地震背景与特点
世界地震构造系统
全球地震可分为三个地震构造体系：
〔1〕环太平洋地震构造系
〔2〕大陆地震构造系
〔3〕洋脊地震构造系〔与人类活动关系不大〕
中国地震分区与地震带
从地震分布特征来看,我国位于世界两大地震构造系的交汇部位；从地震地质背景来看,我国大陆存在发生频繁地震的内因和外在条件.我国地震频繁而强烈.
我国地震基本特征：
1〕我国地震大多属浅源构造地震,一般,东部10-20km,西部40-50km.
2〕强震区和强震带的分布主要受断块构造控制,绝大多数地震与区域性大断裂有关.
3〕一定地区内的地震活动过程,存在明显的平静期和活跃期的交替现象.
2.5地震灾害的破坏作用
地震灾害具有：
突发性、毁灭性
地震灾害主要表现在三个方面：
〔1〕地表破坏〔2〕结构物破坏〔3〕次生灾害
〔1〕地表破坏
1〕极震区的断层破裂Tip:
地面断裂一般并不特别加重宏观震害,断裂线附近震害稍轻、稍重或未见轻重异常的例子都有.
2〕因地震造成的重力性地裂、震陷与滑坡
3〕砂土液化
小结：
地震活动直接对地表岩土体的破坏：
如山区边坡处因地震发生滑坡、崩塌；河流地区形成堰塞湖；场地地基隆起或下陷等.
〔2〕结构物破坏
地震活动对岩土体上方结构物的破坏：
如震动引起房屋、桥梁、大坝、道路、工业设施、地下结构等破坏.
〔3〕地震次生灾害
火灾、水灾、瘟疫如：
1906年旧金山地震28000栋建筑因火灾受损地震损失与火灾损失之比为1：
4
次生地质灾害：
泥石流、滑坡、崩塌等
2.6地震震级与地震烈度
2.6.1地震震级
定义——一次地震释放能量大小的度量
多种震级定义：
里氏震级〔1935〕ML=logA-logA0——近震WoodAnderson地震仪、震中距R=100km、最大水平地面位移
面波震级〔1939〕MS=logA-logA0——浅源远震
体波震级〔1945〕Mb=logmax-Q——远震
短周期体波震级〔1963〕mb
矩震级〔1977〕MW=2/3logM0-10.7,<地震矩M0>
体波：
通过地球本体传播的波
面波：
体波经过反射、折射后,在介质的界面或自由面〔如地面〕传播
纵波〔P〕：
压缩波,对应于介质体应变,三维扩散
横波〔S〕：
剪切波,对应于切应变,二维扩散破坏性最大
瑞利波〔R〕：
质点在XZ面上椭圆滚动前进
面波〔L〕
勒夫波〔Q〕：
质点在XY面上曲线前进
地震P波类似于空气中传播的声波
纵波〔P波〕速度
〔弹性地球介质〕地壳内6km/s地幔内8km/s地核内11km/s
大地震发生时,震中附近的人们首先会感觉到一个强烈的上下颠簸形式的震动,这就是地震P波的作用.
地震S波
横波〔S波〕速度〔弹性地球介质〕地壳内4km/s外核0地幔内4.5km/s内核3.5km/s
人们在感觉到一个上下颠簸的P波震动之后,会有一个短暂的停顿,然后会是一个更加猛烈的水平摇动,持续的时间也相对长一些,大多数房屋在上下颠簸变"酥"之后,便在水平摇晃中进一步毁坏倒塌,这就是地震S波的作用.同时,每个人都可以通过估算中间短暂停顿的时间长度,来简单判断这个地震距离自己的远近,方法是：
用8乘以停顿时间秒数,即为距离公里数,例如：
如果估计到停顿时间为20秒,那么地震震中距离自己大约为160公里.〔但是,绝大多数人在惊慌失措中,对停顿的时间判断会有很大的误差〕
地震面波
特大地震发生之后,如果其震源很浅,在地震S波之后,会有一个速度略小于S波,大约为S波速度0.9倍的面波紧随其后,沿着地表传播,由于面波的衰减比体波要小,所以能够传播得更远,时间持续得更长,地震面波的传播特征,某种程度上可以类比于海面上的波浪传播,既有上下震动,又有水平摇晃.这次汶川特大地震,远离震中的地方,例如高楼上的人们可以感觉到明显的既上下又水平的震动与摇晃,部分人群会有眩晕的感觉,便是这种地震面波作用的结果.
2.6.1震级
震级一种量度标志,它与震源所释放的能量多少有关,通常由仪器的观测来确定震级的大小.里氏震级是由两位来自美国加州理工学院的地震学家里克特〔CharlesFrancisRichter〕和古登堡〔BenoGutenberg〕于1935年提出的一种震级标度,是前国际通用的地震震级标准.它是根据离震中一定距离所观测到的地震波幅度和周期,并且考虑从震源到观测点的地震波衰减,经过一定公式,计算出来的震源处地震的大小.
里氏震级：
Richter〔1935〕提出用地震仪记录的水平向地震波最大位移的平均值来测定地震的大小.他提出的里氏震级定义为：
ML=lgB-lgB0〔2-1〕
式中：
B—标准地震仪〔周期0.8s,阻尼系数0.8,静态放大倍数为2800〕在震中距100km处记录到的两水平向分量最大振幅的平均值〔μm〕,适用于2—6级地震标度.lgB0—起算函数,距震中100公里处接收到的0级地震的地震波的最大振幅,单位是μm,根据当地的经验给定.
地震的级数就是当地震发生时,以地震波的形式放出的能量的指示参数.
E=10^4.8×10^<1.5M>焦耳
其中M为地震级数前国际上使用的地震震级——里克特级数,是由美国地震学家里克特所制定,它直接同震源中心释放的能量〔热能和动能〕大小有关,震源放出的能量越大,震级就越大.里克特级数每增加一级,即表示所释放的热能量大了10^10倍.假定第1级地震所释放的能量为k,第7级为10亿k.可见当级数增长时,释放的能量差别巨大.
由于标准地震仪只是与记录短周期地震动分量,也就是近震,但人们大部分记录到的是远震,为此,Gutenbeg提出了面波震级.
面波震级Ms：
Ms=lgAs-lgA0<2-2>
式中：
As—面波最大地面位移〔μm〕,取两水平分量矢量和的最大值；
lgA0—起算函数,用经验方法确定.
面波震级特点：
用于浅源远震.面波在地球任何地方衰减大致相同,适用于4-8级之间地震标度,采用的lgA0适用于全世界.缺点：
不能用于深源地震,为此,Gutenbeg〔1945〕又提出了适用于深源地震的体波震级Mb的定义：
体波震级：
ApMB=lgmaxQ<△,h><2-3>
式中：
Ap—体波竖向或水平分量最大地面位移〔μm〕,一般用1s左右的P波地震动竖向分量；
T—记录中与Ap相应的周期〔s〕;Q<△,h>—标定函数,与震中距和震源深度有关,根据经验确定.
存在的问题：
从定义可知,地震震级是由地震记录中的最大位移幅值决定的,而最大位移幅值则大体上由该频率范围内的能量决定.现有资料表明,大小不同的地震具有不同的频谱组成,频谱组成的变化取决于震源的力学特征.因此,以个别频段上能量大小定义的地震震级很难全面反应地震总能量的大小,而且同一地震在不同地点确定的震级常常不同,相差可达0.5左右.
不同震级代表了地震时在不同频域中地震辐射波能的大小；具体说,ML代表10—3Hz频段的地震波能；MB代表0.1—2Hz频段的地震波能；而Ms代表了0.05Hz频段的地震波能.确定上述震级关系的地震仪无法测出地震发生时所辐射出的周期大于20s的地震波,这就是"震级饱和现象".震级饱和的原因可以从如下三个方面理解：
〔1〕不同强度地震有不同的频谱特征,某些地震仪只能反映频谱的某一个频带的部分能量.
〔2〕由于地震台有限,只能记录到距离最近的破裂点地震波能.
〔3〕20s周期的面波波长50—80km,当断层长度超过80km时,Ms可能发生饱和.解决震级饱和的方法,
矩震级：
2mMo=Es
式中：
Es——地震波辐射能量；
△σ——应力降；
μ——拉梅常数；
矩震级几乎适应于所有频段的地震波.而且,世界上大部分仪器记录的地震都可以换算为距震级.因此,它有可能成为新的震级通用表示方法.
2.6.2地震烈度
〔1〕定义
地震对地表与工程结构影响的强弱程度
〔2〕评价指标
地震后发生后的宏观现象,主要可以分为四类：
人的感觉从强烈程度分可分为无感、可感、明显有感、强烈、惊恐、站立不稳、倒地；
人工结构物的损坏人工结构物的破坏有许多特点,有的表现为水平摇晃；有的表现为扭转、局部破裂和倒塌；有的表现为结构本身的震动破坏；有的表现为地基破坏而整个结构滑动或拉裂.
物体的反应桌上、架上摆放的小用具、书籍和挂饰等物品在地震时会移动、坠落或翻到等等；
自然现象的变化强烈地震时,自然环境有时也会发生变化,如山崩、地裂、冒水、喷砂、地面变形、滑坡、陷落等,在海中的地震还易引发海啸.
〔3〕地震烈度表
用途三个方面：
作为震害的简便估计；为地震工作者提供一种宏观尺度来描述地震影响的大小；作为一种粗略而简便的指标为地震工程总结抗震经验、进行烈度区划,从而规定地震动设计参数.
表2—1中国地震烈度表<1980>
《中国地震烈度表〔1980〕》使用说明：
〔１〕烈度>VI度,判定地震烈度以房屋震害为主,人的感觉仅供参考；>X度应结合建筑物或构筑物的破坏程度,并根据地表现象来确定；XI、XII度的评定,需要专门研究.
〔２〕"一般房屋"在《中国地震烈度表〔1980〕》中指土构架和土、石砖墙构造的旧式房屋和单层或多层未经抗震设计的新式砖房.由于我国城市目前一般都已设防,有的乡村也开始设防,烈度表中的"一般房屋"一般已不普遍,调查中应区别设防与不设防的房屋破坏程度对烈度的反映,给出合理的烈度值.对于质量特别差或特别好的房屋,可根据具体情况,对表列各烈度的震害程度和震害指数予以提高或降低.〔３〕"人的感觉"指平房内或楼房低层内人的感觉.
〔４〕表中震害指数是对上述"一般房屋"而言."完好"为０,"毁灭"为１,中间按表列震害程度分级.平均震害指数是对所有房屋的震害指数的总平均值而言,可以用普查或抽查的方法确定之.
〔５〕使用本表时可根据地区具体情况,作出临时的补充规定.
〔６〕烟囱指工业或取暖用的锅炉房烟囱.
〔７〕表中数量词的说明：
个别：
１０％以下；少数：
１０％～５０％；多数：
５０％～７０％；大多数：
７０％～９０％；普遍：
９０％以上.〔８〕对重要的工业设施,如桥梁、重要车间、高层建筑、巷道等,要进行专门的调查,在调查中应结合设防情况进行评估.
〔4〕地震烈度的特性
衡量地震动强弱的地震烈度尺度有三个特性：
1〕多指标的综合性2〕分等级的宏观模糊性3〕以后果表示原因的间接性
〔5〕地震烈度存在的问题：
由于具有多指标综合性,在多个指标评定结果相差较多时,评定结果受规定者个人主观决定较多.如震中烈度的评定,有些震例,从震中断层破裂来看,烈度可达Ⅸ～Ⅺ度,但附近结构物的震害却至多有Ⅷ,导致震中区烈度不统一；另外由于结构物的动力特性不相同,在地震中会有不同的表现.由此,无论如何调整不同结构的烈度尺度,都不可能使不同尺子量出的烈度值相统一.现有烈度评定的精度是不高的,在极端情况下相差可达4度之多,一般来说都会有1度之差的精度.国际上的惯例是烈度只能为整数,而不出现小数,如8.5度,7度半等；但在不少报告中,如我国和苏联,有时也出现这种描述.
〔6〕宏观烈度的地质效应
一、烈度的构造效应
区域性活动断裂和活动构造控制了等烈度线的总体形状,即等烈度的长轴延伸方向多半和区域活动构造方向相一致.直接处于发震断层或新的地震断层上的各类建筑物,其震害响应增加,烈度和震害指数普遍升高.发震断层的破裂传播方向和方式也控制了极震区的烈度分布特点.
二、烈度的地貌效应
地形地貌条件对烈度的影响在许多宏观地震调查中都有所反映.概括起来表现为：
〔1〕孤突地形、山丘、山梁等的烈度和震害普遍高于规则地形地貌区的震害和烈度.
〔2〕同一阶地前缘、边缘的震害一般大于阶地地面和后缘；狭长山梁的前缘、段部也较之中部、鞍部和后缘为重.
〔3〕在斜坡的场地上,陡坡的震害往往高于缓坡；狭长坡的震害往往也较开阔山坡地震害为重.
〔4〕宏观地貌特征控制了松散沉积物的发育和分布.
三、烈度的土质效应
土质条件对宏观烈度的影响主要表现在土的类型和厚度上：
〔1〕稳定岩石地区的烈度普遍小于软弱的土层分布区.
〔2〕粘性土类震害程度一般；人工填土震害程度严重；砂土震害程度严重；淤泥质土震害非常严重
〔3〕对于覆盖土层,震害随土层厚度增加而增加.
〔7〕影响地震烈度分布的因素
u震源深度、传播途径与距离、场地条件
〔8〕地震烈度分布与工程烈度
一、等震线图
同一次地震影响下,按地震烈度表评定出波与区每一地点的烈度,具有相同烈度的区域外包线称为等震线.理想的等震线是一些规则的同心圆,实际上由于地形和建筑物的差异性影响,多呈见此增大的一套椭圆.但有时因地形、地质等因素的影响,会在某一区出现误差1度的异常区.
根据等震线图的研究,可以确定宏观震中的位置,还可以确定等震线的形态特征与发震断层的关系.一般,等震线长轴方向平行发震断层走向〔如图3-1〕.极震区等震线的长度大体反映了断层的破裂长度,等震线稀疏的一侧是发震断层的倾斜方向,即间距在断层倾斜方向较大.若两侧等震线基本对称,则断层近于直立.
二、工程烈度
烈度在工程上的意义,主要是作为工程抗震的标准,在工程上有如下的烈度概念.基本烈度——指场地在100年内可能遇到的最大地震烈度,是工程设防的基础.
设防烈度——是指一个地区的经过有关部门批准的设防依据.对于一个地区,各类建筑物的设防烈度相同.设防烈度提出如下三个水准的烈度概念：
①常遇烈度.结构在此类烈度作用下处于小震不坏的弹性阶段.
②基本烈度.结构在此烈度作用下处于弹塑性阶段.
③旱遇烈度.结构在此烈度的作用下处于大震不倒的弹塑性阶段.
设计烈度——指针对一个具体的建筑物,考虑到政治、经济的重要性,在基本烈度的基础上进行调整.
〔9〕烈度在工程抗震中的作用
烈度不仅作为地震宏观破坏或地震动强弱的量度,而且也作为抗震设防的标准.烈度在工程抗震中的作用体现在下面两方面：
1〕作为抗震验算的基础,包括地基基础抗震验算和结构的抗震验算.2〕作为地基基础和结构抗震措施施行的基础.与工程抗震设计的联
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