隔震和消能减震.docx
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隔震和消能减震
12隔震和消能减震设计
12.1一般规定
12.1.1本章适用于设置隔震层以隔离水平地震动的房屋隔震设计,以及设置消能部件吸收与消耗地震能量的房屋消能减震设计。
采用隔震和消能减震设计的建筑结构，应符合本规范第3.8.1条的规定，其抗震设防目标应符合本规范第3.8.2条的规定。
注：
1本章隔震设计指在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求。
2消能减震设计指在房屋结构中设置消能器，通过消能器的相对变形和相对速度提供附加阻尼,以消耗输入上部结构的地震能量，达到预期防震减震要求。
【说明】2001版隔震层位置仅限于基础与上部结构之间，本次修订，隔震设计的适用范围有所扩大，考虑国内外已有隔震建筑的隔震层不仅是设置在基础上，而且设置在一层柱顶等下部结构或多塔楼的底盘上。
12.1.2建筑结构隔震设计和消能减震设计确定设计方案时，除应符合本规范第3.5.1条的规定外，尚应与采用抗震设计的方案进行对比分析。
【说明】本条2001版的条文为强制性条文，考虑到随着技术的发展，隔震和消能减震设计的方案分析不需要特别的论证，本次修订不作为强制性条文，只保留其与3.5.1条关于抗震设计的规定不同的特点——与抗震设计方案进行对比，这是确定隔震设计的水平向减震系数和减震设计的阻尼比所需要的，也能显示出隔震和减震设计比抗震设计在提高结构抗震能力上的优势。
12.1.3建筑结构采用隔震设计时应符合下列各项要求：
1结构高宽比宜小于4且变形特征接近剪切变形，其最大高度应满足本规范非隔震结构要求；高宽比大于4的结构采用隔震设计时，应进行详细分析，必要时通过试验确定。
2建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、III类，并应选用稳定性较好的基础类型。
3风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。
4隔震层应提供必要的竖向承载力、侧向刚度和阻尼；穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有效措施以适应隔震层的罕遇地震水平位移。
【说明】本次修订，对隔震设计的结构类型拟不作限制，修改2001版规定的基本周期小于1s和采用底部剪力法进行非隔震设计的结构。
在隔震设计的方案比较和可行性论证时仍应注意：
1隔震技术对低层和多层建筑比较合适，但不应仅限于基本自振周期在1s内的结构，因为超过1s的结构采用隔震有可能同样有效，国外大量隔震建筑也验证了此点，故取消了2001版结构周期小于1s的限制。
2根据橡胶隔震支座抗拉屈服强度低的特点，需限制非地震作用的水平荷载，结构的变形特点需符合剪切变形为主且房屋高宽比小于4的要求。
对高宽比大的结构，需进行整体倾覆验算，防止支座压屈或出现拉应力超过1MPa。
3国外对隔震工程的许多考察发现：
硬土场地较适合于隔震房屋；软弱场地滤掉了地震波的中高频分量，延长结构的周期将增大而不是减小其地震反应，墨西哥地震就是一个典型的例子。
2001版的要求仍然保留，当在Ⅳ类场地建造隔震房屋时，应进行专门研究和专项审查。
4隔震层防火措施和穿越隔震层的配管、配线，有与隔震要求相关的专门要求。
2008年汶川地震中，位于7~8度区的隔震建筑，上部结构完好，但隔震层的管线受损，故需要特别注意改进。
12.1.4消能减震设计可用于钢、钢筋混凝土、钢-混凝土混合等结构类型的房屋。
消能部件应对结构提供足够的附加阻尼，尚应根据其结构类型分别符合本规范相应章节的设计要求。
【说明】本条仅在文字表达上有所改进。
12.1.5隔震和消能减震设计时，隔震装置和消能部件应符合下列要求：
1隔震装置和消能部件的性能参数应经试验确定。
2隔震装置在结构的设计使用年限内应达到免维护要求。
3消能部件的设置部位，应采取便于检查和替换的措施。
4设计文件上应注明对隔震装置和消能部件的性能要求，安装前应按规定进行检测，确保性能符合要求。
【说明】本条继续作为强制性条文。
与2001版相比，主要变化是：
1.将隔震支座和阻尼器等组合在一起，统称隔震装置。
2.隔震装置的免维修年限，明确为“结构的设计使用年限”，即50年。
3.为了确保隔震和消能减震的效果，隔震装置和消能部件的性能参数应严格检验。
其中隔震装置中的隔震支座采用相应产品的国家标准和行业标准进行检验；而尚未有国家标准和行业标准的隔震装置和消能部件中的消能器，应采用本章12.3节规定的方法进行检验。
对黏滞流体消能器等可重复利用的消能器，抽检数量适当增多，抽检的消能器可用于主体结构；对金属屈服位移相关型消能器等不可重复利用的消能器，在同一类型中抽检数量不少于2个，抽检合格率为100％，抽检后不能用于主体结构。
型式检验和出厂检验应由第三方完成。
12.1.6建筑结构的隔震设计和消能减震设计，尚应符合相关专门标准的规定；也可按抗震性能目标的要求进行性能化设计。
【说明】本条与2001版的规定相比，明确提醒可采用隔震、减震技术进行结构的抗震性能化设计。
12.2房屋隔震设计要点
12.2.1隔震设计应根据预期的竖向承载力、水平向减震系数和位移控制要求，选择适当的隔震装置及抗风装置组成结构的隔震层。
隔震支座应进行竖向承载力的验算和罕遇地震下水平位移的验算。
隔震层以上结构的水平地震作用应根据水平向减震系数确定；其竖向地震作用标准值，8度和9度时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%和40%。
【说明】本条继续作为强制性条文。
文字略加修改，删去关于抵抗地基微振动的刚度要求，因微振动对隔震装置的影响可忽略不计。
12.2.2建筑结构隔震设计的计算分析，应符合下列规定：
图12.2.2隔震结构计算简图
1隔震体系的计算简图，应增加由隔震支座及其顶部梁板组成的质点；对变形特征为剪切型的结构可采用剪切模型（图12.2.2）；当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心不重合时，应计入扭转效应的影响。
隔震层顶部的梁板结构，应作为其上部结构的一部分进行计算和设计。
2一般情况下，宜采用时程分析法进行计算；输入地震波的反应谱特性和数量，应符合本规范第5.1.2条的规定，计算结果可取其平均值；当处于发震断层10km以内时，输入地震波应考虑近场影响系数，5km以内取1.5，5km以外取1.25。
3砌体结构及基本周期与其相当的结构可按本规范附录L简化计算。
【说明】图12.2.2是对应于底部剪力法的等效剪切型结构的示意图；其他情况，质点j可有多个自由度，隔震装置也有相应的多个自由度。
本次修订，当隔震结构位于发震断裂主断裂带10km以内时，要求各个设防类别的房屋均应计及地震近场效应。
12.2.3隔震层的橡胶隔震支座应符合下列要求：
1隔震支座在表12.2.3所列的压应力下的极限水平变位，应大于其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3倍二者的较大值。
2在经历相应设计基准期的耐久试验后，隔震支座刚度、阻尼特性变化不超过初期值的±20％；徐变量不超过各橡胶层总厚度的5%。
3各橡胶隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力不应超过表12.2.3的规定。
表12.2.3橡胶隔震支座压应力限值
建筑类别
甲类建筑
乙类建筑
丙类建筑
压应力限值（MPa）
10
12
15
注：
1
平均压应力设计值应按恒荷载和活荷载的组合计算；其中，楼面活荷载应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定乘以折减系数；
2
结构倾覆验算时应包括水平地震作用效应组合；对需进行竖向地震作用计算的结构，尚应包括竖向地震作用效应组合;
3
当橡胶支座的第二形状系数（有效直径与橡胶层总厚度之比）小于5.0时应降低平均压应力限值：
小于5不小于4时降低20%，小于4不小于3时降低40%；
4
外径小于300mm的橡胶支座，丙类建筑的平均压应力限值为10MPa。
【说明】本次修订，考虑到随着橡胶隔震支座的制作工艺越来越成熟，隔震支座的直径越来越大，建议对隔震支座选型时尽量选用大直径的支座，对300mm直径的支座，由于其直径小，稳定性差，故将其设计承载力由12MPa降低到10MPa。
12.2.4隔震层的布置、竖向承载力、侧向刚度和阻尼应符合下列规定：
1隔震层宜设置在结构的底部或下部，其橡胶隔震支座应设置在受力较大的位置，间距不宜过大，其规格、数量和分布应根据竖向承载力、侧向刚度和阻尼的要求通过计算确定。
隔震层在罕遇地震下应保持稳定，不宜出现不可恢复的变形；其橡胶支座在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下，拉应力不应大于1MPa。
2隔震层的水平等效刚度和等效黏滞阻尼比可按下列公式计算：
Kh＝ΣKj（12.2.4-1）
ζeq＝ΣKjζj／Kh（12.2.4-2）
式中 :
ζeq
——
隔震层等效黏滞阻尼比；
Kh
——
隔震层水平等效刚度；
ζj
——
j隔震支座由试验确定的等效黏滞阻尼比，设置很多的消能器时，应包括该消能器的相应阻尼比；
Kj
——
j隔震支座（含消能器）由试验确定的水平等效刚度。
3隔震支座由试验确定设计参数时，竖向荷载应保持表12.2.3的压应力限值；对设防烈度地震的验算，应取剪切变形100%的等效刚度和等效黏滞阻尼比；对罕遇地震验算，宜采用剪切变形250%时的等效刚度和等效黏滞阻尼比，当隔震支座直径较大时可采用剪切变形100%时的等效刚度和等效黏滞阻尼比。
【说明】橡胶支座随着水平剪切变形的增大，其容许竖向承载能力将逐渐减小，为防止隔震支座在大变形的情况下失去承载能力，故要求支座的剪切变形应满足σ≤σcr（1-γ/S2），式中，γ为水平剪切变形，S2为支座第二形状系数，σ为支座竖向面压，σcr为支座极限抗压强度。
同时支座的竖向压应力不大于30MPa，水平变形不大于0.55D和300%的较大值。
规定隔震支座拉应力σt<1MPa理由是：
1）广州大学工程抗震研究中心所作的橡胶垫的抗拉试验中，其极限抗拉强度为2.0～2.5MPa；2）美国UBC规范采用的容许抗拉强度为1.5MPa。
本次修订，将2001版隐含加载频率影响的“动刚度”改为“等效刚度”，用语更明确，方便同国际标准《橡胶支座》接轨；之所以去掉有关频率对刚度影响的语句，因相关的产品标准已有明确的规定。
2001版对支座设计参数的要求，对应于本规范非隔震结构“两阶段设计”的要求，采用对应于多遇地震和罕遇地震的参数，本次修订，改为采用设防烈度和罕遇地震的参数。
12.2.5隔震层以上结构的地震作用计算，应符合下列规定：
1对多层结构，水平地震作用沿高度可采用矩形分布；其水平向减震系数为按设防烈度下弹性计算时隔震与非隔震两种情况各层层间剪力的最大比值。
对高层建筑结构，尚应按设防烈度下计算隔震与非隔震两种情况各层倾覆力矩的最大比值，并与层间剪力的最大比值相比较，取二者的较大值。
注：
水平向减震系数，宜按隔震支座水平剪切应变为100%时求得。
2水平地震影响系数可依据水平向减震系数比按本地区设防烈度由第5.1.4条确定的取值减少。
其折减系数，当隔震支座只采用普通叠层橡胶支座、阻尼装置只采用速度型消能器、不没置抗风装置时，宜取水平向减震系数的1.25倍；其余情况，宜取水平向减震系数的1.4倍。
3隔震层以上结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用，并应进行抗震验算；各楼层的水平地震剪力尚应符合本规范第5.2.5条对本地区设防烈度的最小地震剪力系数的规定。
49度时和8度且水平向减震系数不大于0.3时，隔震层以上的结构应按设防烈度进行竖向地震作用的计算。
隔震层以上结构竖向地震作用标准值计算时，各楼层可视为质点，并按本规范第5.3节公式（5.3.1-2）计算竖向地震作用标准值沿高度的分布。
【说明】本次修订，拟对水平向减震系数的概念作某些调整：
直接将“隔震结构与非隔震结构最大水平剪力的比值”改称为“水平向减震系数”，采用该概念力图使其意义更明确，以方便设计人员理解和操作。
（美国、日本等国也同样采用此方法。
）
2001版确定隔震后水平地震作用时所考虑的安全系数1.4，对于当时隔震支座的性能是合适的，随着隔震支座产品性能的提高，该系数可适当减少，表12.2.5有所体现。
其中，8度（0.30g）和7度（0.15g）减低“半度”对应的加速度折减系数是2/3而不是8、9度的0.75；而且在7度和6度之间没有“半度”的规定，表中偏于安全确定其水平计算烈度。
按照《结构设计统一标准》的要求，确定设计用的水平地震作用计算的烈度，需根据概率可靠度分析提供一定的概率保证，例如取5%分位数对应的数据，今后有可能对表12.2.5加以调整，请设计单位多提出意见。
本次修订，计算水平减震系数的隔震支座参数，由多遇地震改为设防烈度地震，即支座的刚度比2001版减少和阻尼加大，计算的隔震的效果更明显，安全上的保证可能有所降低。
对8度设防考虑竖向地震的要求有所加严，由“宜”改为“应”。
本次修订，还补充了高层建筑确定水平向减震系数的方法。
12.2.6隔震支座的水平剪力应根据隔震层在罕遇烈度地震下的水平剪力按各隔震支座的水平等效刚度分配；当按扭转耦联计算时，尚应计及隔震层的扭转刚度。
隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位移，应符合下列要求：
ui≤[ui]（12.2.6-1）
ui＝βiuc（12.2.6-2）
式中 :
ui
——
罕遇地震作用下，第i个隔震支座考虑扭转的水平位移；
[ui]
——
第i个隔震支座的水平位移限值；对橡胶隔震支座，不应超过该支座有效直径的0.55倍和支座各橡胶总厚度3.0倍二者的较小值；
uc
——
罕遇地震下隔震层质心处或不考虑扭转的水平位移；
βi
——
第i个隔震支座的扭转影响系数，应取考虑扭转和不考虑扭转时i支座计算位移的比值；当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心在两个主轴方向均无偏心时，边支座的扭转影响系数不应小于1.15。
【说明】本条未修改，同2001版12.2.6条。
12.2.7隔震结构的隔震措施，应符合下列规定：
1隔震结构应采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发生大变形的下列措施：
1）上部结构的周边应设置竖向隔离缝，缝宽不宜小于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍且不小于200mm。
对两相邻隔震结构，其缝宽取最大水平位移值之和，且不小于400mm。
2）上部结构与下部结构之间，应设置完全贯通的水平隔离缝，缝高可取20mm，并用柔性材料填充；当设置水平隔离缝确有困难时，应设置可靠的水平滑移垫层。
3）穿越隔震层的门廊、楼梯、电梯、车道等部位，应防止可能的碰撞。
2隔震层以上结构的抗震措施，当水平向减震系数大于0.45时不应降低非隔震时的有关要求；水平向减震系数不大于0.45时，可适当降低本规范有关章节对非隔震建筑的要求，但烈度降低不得超过1度,与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不应降低。
此时，对砌体结构，可按本规范附录L采取抗震构造措施。
注：
与抵抗竖向地震作用有关的抗震措施，对钢筋混凝土结构，指墙、柱的轴压比规定；对砌体结构，指外墙尽端墙体的最小尺寸和圈梁的有关规定。
【说明】本次修订的变化如下：
1、文字表达有改动，按水平向减震系数0.45作为降低抗震措施的分界，且最多降低一度的要求，如下表所示：
表12.2.7隔震层以上结构抗震措施要求与水平向减震系数的对应关系
设防烈度（设计基本加速度）
水平向减震系数
≥0.45
0.45>
9（0.40g）
9（0.40g）
8（0.20g）
8（0.30g）
8（0.30g）
7（0.15g）
8（0.20g）
8（0.20g）
7（0.10g）
7（0.15g）
7（0.15g）
7（0.10g）
7（0.10g）
7（0.10g）
6（0.05g）
2、用“注”的形式明确抵抗竖向地震作用的措施。
3、删去2001版关于钢筋混凝土结构的具体规定。
12.2.8隔震层与上部结构的连接，应符合下列规定：
1隔震层顶部应设置梁板式楼盖，且应符合下列要求：
1）隔震支座的相关部位应采用现浇混凝土梁板结构，现浇板厚度不应小于160mm。
2）隔震层顶部梁、板的刚度和承载力，应满足框支梁和转换层楼板的设计要求；楼面大梁应进行罕遇地震下的承载力验算。
3）隔震支座附近的梁、柱应计算冲切和局部承压，加密箍筋并根据需要配置网状钢筋。
2隔震支座和阻尼装置的连接构造，应符合下列要求：
1）隔震支座和阻尼装置应安装在便于维护人员接近的部位；
2）隔震支座与上部结构、下部结构之间的连接件，应能传递罕遇地震下支座的最大水平剪力和弯矩；
3）外露的预埋件应有可靠的防锈措施。
预埋件的锚固钢筋应与钢板牢固连接，锚固钢筋的锚固长度宜大于20倍锚固钢筋直径，且不应小于250mm。
【说明】本次修订，删去2001版关于墙体下隔震支座的间距不宜大于2m的规定，因对于大直径的隔震支座偏严。
进一步明确隔震层顶部梁板刚度和承载力的设计要求，按转换层的相关要求执行。
12.2.9隔震层以下的结构和基础应符合下列要求：
1隔震层支墩、支柱及相连构件，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算。
2隔震层以下的结构、地下室和隔震塔楼下的底盘中直接支承塔楼结构的相关构件，应满足嵌固的刚度比和设防烈度下的抗震承载力要求，并按罕遇地震下进行抗剪承载力验算。
隔震塔楼的底盘在罕遇地震下的层间位移角限值应满足表12.2.9要求。
3隔震建筑地基基础的抗震验算和地基处理仍应按本地区抗震设防烈度进行，甲、乙类建筑的抗液化措施应按提高一个液化等级确定，直至全部消除液化沉陷。
表12.2.9隔震塔楼下部底盘结构罕遇地震作用下层间弹塑性位移角限值
下部结构类型
[θp]
钢筋混凝土框架结构和钢结构
1/100
钢筋混凝土框架-抗震墙
1/200
钢筋混凝土抗震墙
1/250
【说明】本次修订，增加了首层顶及大底盘上部的塔楼采用隔震设计时对下部结构的要求，并进一步明确抗震承载力和变形验算要求。
12.3房屋消能减震设计要点
12.3.1消能减震设计时，应根据多遇地震下的预期减震要求及罕遇地震下的预期结构位移控制要求，设置适当的消能部件。
消能部件可由消能器及斜撑、墙体、梁或节点等支承构件组成。
消能器可采用速度相关型、位移相关型或其它类型。
注：
1速度相关型消能器指黏滞消能器和黏弹性消能器等；
2位移相关型消能器指金属屈服消能器和摩擦消能器等。
【说明】本条的文字略有修改。
12.3.2消能部件可根据需要沿结构的两个主轴方向分别设置。
消能部件宜设置在变形较大的位置，其数量和分布应通过综合分析合理确定，并有利于提高整个结构的消能减震能力，形成均匀合理的受力体系。
【说明】本条未修改，同2001版12.3.2条。
12.3.3消能减震设计的计算分析，应符合下列规定：
1当主体结构基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分析方法作简化估算，并根据结构的变形特征和高度等，按本规范5.1节的规定分别采用底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。
消能减震结构的地震影响系数可根据消能减震结构的总阻尼比按本规范5.1.5条的规定采用。
消能减震结构的自振周期应根据消能减震结构的总刚度确定，总刚度应为结构刚度和消能部件有效刚度的总和。
消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比的总和；多遇地震和罕遇地震下的总阻尼比应分别计算。
2对主体结构进入弹塑性阶段的情况，应根据主体结构体系特征，采用静力非线性分析方法或非线性时程分析方法。
在非线性分析中，消能减震结构的恢复力模型应包括结构恢复力模型和消能部件的恢复力模型。
3消能减震结构的层间弹塑性位移角限值，应符合预期的变形控制要求，宜比非消能减震结构适当减小。
【说明】本条的文字表达，略有调整。
其中，2001版规定框架结构的层间弹塑性位移角不应大于1/80，本次修订改为符合预期的变形控制要求，宜比不设置消能器的结构适当减小，体现消能减震提高结构抗震能力的优势。
12.3.4消能部件附加给结构的有效阻尼比和有效刚度，可按下列方法确定：
1位移相关型消能部件和非线性速度相关型消能部件附加给结构的有效刚度应采用等效线性化方法确定。
2消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算：
（12.3.4-1）
式中 :
ξa
——
消能减震结构的附加有效阻尼比；
Wcj
——
第j个消能部件在结构预期层间位移Δuj下往复循环一周所消耗的能量，Σ表示安装在结构上的所有消能部件消耗的能量之和；
Ws
——
设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。
注：
当消能部件在结构上分布较均匀，且附加给结构的有效阻尼比小于20%时，消能部件附加给结构的有效阻尼比也可采用强行解耦方法确定。
3不计及扭转影响时，消能减震结构在水平地震作用下的总应变能，可按下式估算：
Ws＝（1/2）∑Fiui（12.3.4-2）
式中 :
Fi
——
质点i的水平地震作用标准值；
ui
——
质点i对应于水平地震作用标准值的位移。
4速度线性相关型消能器在水平地震作用下往复循环一周所消耗的能量，可按下式估算：
Wcj＝（2π2/T1）Cjcos2θj△uj2（12.3.4-3）
式中 :
T1
——
消能减震结构的基本自振周期；
Cj
——
第j个消能器由试验确定的线性阻尼系数；
θj
——
第j个消能器的消能方向与水平面的夹角；
△uj
——
第j个消能器两端的相对水平位移。
当消能器的阻尼系数和有效刚度与结构振动周期有关时，可取相应于消能减震结构基本自振周期的值。
5位移相关型和速度非线性相关型消能器在水平地震作用下往复循环一周所消耗的能量，可按下式估算：
Wcj＝Aj（12.3.4-4）
式中 :
Aj
——
第j个消能器的恢复力滞回环在相对水平位移△uj时的面积。
消能器的有效刚度可取消能器的恢复力滞回环在相对水平位移△uj时的割线刚度。
6消能部件附加给结构的有效阻尼比超过30%时，宜按30%计算。
【说明】本次修订，文字表达略有调整。
对于附加阻尼比的最大值，根据5.1节修改后的反应谱设计参数的适用范围，由2001版的20%调整为为30%。
12.3.5消能部件的设计参数，应符合下列规定：
1速度线性相关型消能器与斜撑、墙体或梁等支承构件组成消能部件时，支承构件沿消能器消能方向的刚度应满足下式：
Kb≥（6π/T1）CD（12.3.5-1）
式中 :
Kb
——
支承构件沿消能器方向的刚度；
CD
——
消能器的由试验确定的相应于结构基本自振周期的线性阻尼系数；
T1
——
消能减震结构的基本自振周期。
2黏弹性消能器的黏弹性材料单层厚度应满足下式：
t≥Δu/[]（12.3.5-2）
式中 :
t
——
黏弹性消能器的黏弹性材料的单层厚度；
Δu
——
沿消能器方向的最大可能的位移；
[]
——
黏弹性材料允许的最大剪切应变。
3位移相关型消能器与斜撑、墙体或梁等
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