钢结构事故分析与处理第1章 绪论.docx

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钢结构事故分析与处理第1章绪论

第1章绪论

1.1钢结构事故分析的重要性

自地球上有了人类,就有了建筑,建筑的发展伴随着人类的进步和文明,也和人类一道经受着各种苦难。

有人说建筑是凝固的音乐,笔者认为建筑更是一座纪念碑,它记载着人类辉煌而又沧桑的历史。

就建筑的结构体系而言,木结构、砖石结构、钢筋砼结构和钢结构通称为四大结构。

现代结构体系的发展呈现出两大趋势,一是向大跨或超大跨度的方向发展,二是向高层或超高层的方向发展。

尤其在全世界倡导可持续发展,构筑生态建筑、绿色建筑的今天,木结构和砖石结构即将成为历史,钢结构与钢筋砼结构必将成为发展的主流。

钢结构作为一种承重结构,由于其自重轻、强度高、塑性韧性好、抗震性能优越、工业装配化程度高、综合经济效益显著、造型美观以及符合绿色建筑等众多优点,深受建筑师和结构工程师的青睐,被广泛应用于各行各业,尤其在大跨和超高层建筑领域显示出无以伦比的优势。

当我们登上世界最高建筑——马来西亚吉隆坡88层450m高的石油大厦;漫步在跨度1991m的日本明石海峡大桥;走进直径320m的英国千禧穹顶。

我们无不为这些钢结构的不朽之作感叹、自豪!

再看表1.1中列举的钢结构著名建筑,我们从中可以体味20世纪钢结构发展的脉搏和取得的巨大成就,也从中看到了21世纪钢结构发展的美好未来。

21世纪是钢结构的世纪!

这已成为全世界建筑界的共识。

自1996年我国的钢产量突破一亿吨大关以来,在国家一系列鼓励性政策的调控下,钢结构的发展势头势不可挡,真正迎来了我国钢结构发展的春天!

20世纪国内外钢结构著名建筑实例表1.1

分类

序号

工程名称

规模

结构

体系

建造

年代

说明

1

马来西亚吉隆坡的石油大厦

88层450米

M

1996

世界第一高楼

2

美国芝加哥的

西尔斯大厦

110层442米

S

1974

世界第二高楼

3

中国上海的

金贸大厦

88层420.5米

M

1998

世界第三高楼

4

美国纽约的

世界贸易中心

110层417米

S

1973

9.11事

件中倒塌

5

美国纽约的帝国大厦

102层381米

S

1931

6

美国新奥尔良

超级穹顶

D=207米

双层

网壳

70年代

世界上最大

的双层网壳

7

日本名古屋体育馆

D=229.6米

单层

网壳

90年代

世界上最大

的单层网壳

8

美国亚特兰大体育馆

椭圆形

186m×235m

张拉整体结构

1996

世界上最大

跨度的体育馆

9

日本福冈体育馆

D=220米

开合

结构

1993

世界上最大

的开合屋顶

10

英国千禧穹顶

D=320米

杂交

结构

1998

当今世界跨

度最大的屋盖

11

日本明石海峡大桥

跨度1991米

悬索桥

12

中国江阴长江大桥

跨度1385米

悬索桥

13

中国香港青马大桥

跨度1377米

悬索桥

14

日本多多罗大桥

跨度890米

斜拉桥

15

上海杨浦大桥

跨度602米

斜拉桥

当我们回顾20世纪钢结构的巨大成就,展望21世纪钢结构美好前景的同时,世界范围内钢结构的事故频繁发生,惨痛的教训一再重复。

美国纽约世贸大楼在2001年的9.11事件中轰然倒塌的情景至今仍历历在目。

在这场噩梦中惊醒的工程界人士领会了事故的后果,认识到开展钢结构事故分析研究的重要性。

表1.2列举了30个20世纪钢结构事故实例,从中我们看到钢结构事故的多样性和严重性。

就现状而言,我们应清楚地认识到两个问题:

一是已建的钢结构由于先天性缺陷的存在,潜在着事故的危险;二是面对未来大规模钢结构建筑的兴建,若不解决好设计、施工和使用等一系列现存的问题,钢结构事故发生的概率必将大大增加。

因此,笔者认为将钢结构事故作为一门新兴的学科开展系统的研究大有必要,这也正是笔者编著本书的意图所在。

20世纪国内外钢结构工程事故实例表1.2

分类

序号

工程名称

事故概况及原因

1

美国纽约

世贸中心

该工程为姊妹塔楼,地下6层,地上110层,高417米,标准层平面尺寸63.5m×63.5m,每幢楼建筑面积41.8万m2,整个大楼可容纳5万人工作,采用外筒结构体系,建于1973年,每幢楼总用钢量7800吨。

该大楼在2001年9月11日轰然倒塌,倒塌原因是“飞机撞击→火灾”。

 

 

2

美国康涅狄

格州哈特福

市中心体育馆

该体育馆为正放四角锥网架,屋盖尺寸为91.4m×109.8m,1975年建成。

1978年1月,美国东部下了一场暴风雪,造成体育馆建成后最大的积雪荷载。

18日凌晨,体育馆突然发出一阵隆隆响声,接着整个屋盖塌落。

中间部分下凹象个锅底,原因是“超载→压杆失稳”。

3

美国肯帕

体育馆

该体育馆建于1974年,承重结构为三个立体钢框架,屋盖钢桁架悬挂在立体框架梁上,每个悬挂吊点用4个A490高强螺栓连接。

1979年6月4日晚,屋盖中心突然塌落。

倒塌原因是“高强螺栓在长期风荷载作用下发生疲劳破坏”。

4

中国深圳国

际展览中心

该展览中心由展厅、会议中心和一幢16层酒店组成,展厅7200m2,为螺栓球节点网架结构,1989年5月建成。

1992年9月24日上午7时4号展厅倒塌,原因是“暴雨造成屋面积水过多,荷载加大”。

5

中国天津地

毯进出口公

司地毯厂仓库

该仓库为正放四角锥螺栓球节点网架结构,平面尺寸48m×72m,1994年10月31日竣工,12月4日突然全部倒塌。

原因是“设计简化计算错误+施工质量差”。

6

中国上海某

研究所食堂

该食堂为直径17.5m的悬索结构。

悬索由90根直径为7.5mm的钢绞索组成,使用20年后,一天突然整体塌落。

90根钢绞索全部沿周边折断。

原因是“钢索锈蚀”。

7

中国台湾省立丰原高中礼堂

该工程屋顶为钢屋架,建于1977年,1983年8月24日,600余名高中生举行新生开学典礼时,在做整齐一致的起立、坐下动作时,屋面瞬间倒塌,压死26名女生,轻重伤30余名。

原因是“结构超载+长期漏水引发的锈蚀”

8

中国营口

海龙仓储库

该工程采用大跨度压型钢板拱形结构,建于1997年7月,建筑面积8200m2,彩板拱结构跨度33.5m,矢高6.7m,板厚1.3mm,2001年1月最寒冷、落雪最多的时候塌落,原因是“半跨雪荷载引起局部失稳”。

9

中国西丰

县鹿城市场

该工程采用大跨度压型钢板拱形结构,建于1999年,建筑面积14200m2,彩板拱结构跨度27.2m,矢高5.44m,板厚1.2mm,2001年1月最寒冷、落雪最多的时候塌落,原因是“半跨雪荷载引起局部失稳”。

10

中国鞍山

某饲料集

团公司库房

该工程采用MIC—240型薄壁褶皱拱型彩钢屋顶,库房共5栋,总建筑面积15311m2,1995年9月建成,跨度25~30m,矢高7.35m和6.6m。

1996年12月31日夜至1997年1月1日上午,鞍山地区出现暴风雪,市区降雪平均厚度260mm,为自1962年以来最大的一场雪,并伴有5~6级西北风。

该屋顶塌落的原因是“暴风雪造成局部屈曲,从而引起整体失稳”。

11

中国鞍山

某区游泳馆

该工程跨度32m,长54m,拱脚标高7.5m,拱顶标高13.5m,矢高6m,事故概况及原因同

12

中国鞍山

某化工公司

矽酸钠库房

该工程跨度22m,长36m,拱脚标高7m,拱顶标高12m,矢高7.2m,事故概况及原因同

13

中国鞍山某

田径训练馆

该工程平面尺寸为22×36米,拱脚标高7.0m,拱顶标高13.6m,矢高6.6m,部分塌落,事故概况及原因同

 

 

14

加拿大魁

北克大桥

(1)

1907年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏,9000吨钢结构全部坠入河中。

桥上施工人员75人遇难,破坏是由悬臂的受压下弦失稳造成。

15

加拿大魁

北克大桥

(2)

1951年1月31日,加拿大魁北克市的杜佩里西斯(puplessis)全焊接钢板大桥整跨断毁,落于冰冻的河中,当时气温是-35℃,原因是“低温冷脆”。

16

德国柏林

某公路桥

1938年1月2日,柏林附近一座公路桥在当地罕见的低温(-10℃)下断裂,裂纹长3m,原因是“桥梁中的残余应力过大导致低温冷脆”。

17

比利时某大桥

1938~1950年在比利时共有14座大桥断裂,其中有六座桥属于负温下的冷脆断裂。

18

澳大利亚墨

尔本皇帝大桥

此桥为焊接腰板梁多跨结构。

跨度大部分为30.49m,梁高1.52m,使用15个月后,在1962年7月当一辆载重45吨的大卡车驶过其中一跨时突然破坏,下挠达300mm。

19

中国某铁路桥

我国沈阳至大连的铁路线上在辽阳附近的太子河桥,跨度33m,1973年初大桥桁架第一根斜拉杆断裂,因此桥梁的第二个节间处下挠达50mm,但奇怪的是在此拉杆断裂后竟然通过了十次列车而未发生事故,其后立即抢修并于1974年换了新桥。

20

美国塔科

悬索桥

1940年7月美国跨度达853m的塔科悬索桥,于同年11月7日在风速不到20m/s的情况下,发生很大的扭转振动而倒塌。

21

美国波士顿

糖液罐

1919年1月发生的世界有名的美国波士顿糖液罐突然破裂的事故,使罐中8700m3的热糖液汹涌而出,造成房屋被毁,高架桥被冲翻,50多人死亡。

22

中国吉林

某液化气球罐

1979年12月,我国吉林发生5个大气压液化气球罐爆炸事故,该罐直径9m,钢板厚15mm,于1977年制造并使用,由于对接焊缝局部未焊透,使用近三年后裂纹逐渐扩展,终于在气温约-20℃时发生低温脆断。

23

中国内蒙古

某糖厂蜜储罐

1989年1月内蒙古某糖厂交付使用不久的废蜜贮罐在气温-11.9℃时发生炸裂事故。

该罐直径20m,高15.76m,罐身共上下10层,容量5600吨,当时仅贮量4300吨。

破坏时整个罐体炸裂为五部分。

废蜜冲击力将相距4m处的6.5m×6.5m的二层泵房夷为平地,楼板等被推离原地点约21.4m。

24

欧洲某油罐

1952年欧洲有三个直径44m,高13.7m的油罐破坏,当时尚未使用,气温为-4℃。

25

美国某油轮

1943年1月,美国一艘油轮在船坞中突然断成两截,当时气温-5℃,在以后10年中,又有二百多艘在第二次世界大战期间建造的焊接船舶破坏。

26

英国某海船

世界上第一艘全焊接海船在1921年建于英国,船身长45.7m,运行16年,1937年在一次碰撞中脆断沉没。

27

英国“世界协和号”油轮

该油轮32000吨,1954年在爱尔兰海域航行时,当时海浪很大,高4.5~6.0m,温度10.5℃,该船由船底起裂,最终直贯甲板,一裂为二。

28

美国某天然

气双重球壳罐

美国1944年在俄亥俄(Ohio)和克利夫兰(Cleveland)有三个贮存液态天然气的双重球壳罐,压力345N/m2,工作温度-162℃,其中一个发生了严重脆断事故,造成128人死亡和680万美元的损失。

29

美国纽约州

某水塔

1886年10月,美国纽约州长岛的格拉凡森一个大铆接立柱式钢水塔,在一次静水压力验收实验中,水塔下边截面25.4mm厚板突然沿6.1m长的竖向裂缝裂开,这是世界上第一次有记录的钢结构脆性断裂事故。

30

英国“基尔

兰”海洋平台

1980年3月27日6时许,英国在北海爱科菲斯科油田的“基尔兰”海洋平台突然从水下传来一次震动,紧接着一声巨响,平台立即倾斜,短时间翻入海中,123人丧生,仅生还89人,原因是“疲劳脆断”。

1.2事故的定义

“事故”一词,至今尚无统一的解释。

牛津字典中,则把事故解释为“意外的、特别有害的事件”。

美国安全工程师海因里希(Heinrich)认为,事故是“非计划的、失去控制的事件”。

A·向帕尼斯作为公理提出:

“事故是多重因素决定的。

”还有的学者从能量观点出发来解释事故。

捷不森曾说过“生物体的损伤只能由某种能量的交换而产生”,并提出了“根据有关能量对伤害进行分类”方法。

也有人将事故简单地定义为“异常状态的典型现象。

”还有人认为“事故是物质条件、环境、行为和管理以及意外事件的处理状况等众多因素的多元素。

上述种种观点都是从不同角度或侧面理解事故的内涵。

笔者将事故定义为:

“事故则是违背或超越人们的意愿并产生损害的不幸事件。

1.3事故的分类

就钢结构工程而言,事故的分类方法有以下四种方式

1.按事故发生时间分类

(1)施工期;

(2)使用期。

国内外大量文献统计资料表明,绝大多数事故发生在施工阶段到竣工验收前这段时间。

2.按事故性质分类

(1)倒塌事故:

建筑物整体或局部倒塌

(2)开裂事故:

承重结构或围护结构等出现裂纹;

(3)错位事故:

建筑物上浮下沉,平面位置错误;地基及结构构件尺寸、位置偏差过大以及预埋件、预留洞(槽)等错位偏差事故。

(4)变形事故:

建筑物倾斜,扭曲或过大变形等事故。

(5)材料、半成品、构件不合格事故。

(6)承载能力不足事故:

主要指因承载力不足留下的隐患性事故,地基,构件和结构都可能出现。

(7)建筑功能事故:

指房屋漏雨、渗水、隔热、隔声功能不良等。

(8)其他事故:

塌方、滑坡、火灾、天灾等。

3.按事故原因分类

(1)自然事故

自然事故,即人们常说的“天灾”。

又称之为“不可抗力”,如地震、洪水、火山爆发、台风、海啸、滑坡、陷落、冰雹等。

(2)人为事故

人为事故,就是除天灾以外的事故。

该类事故发生的主要原因在于“人”不在“天”。

4.按事故后果分类

(1)一般事故

(2)重大事故

1989年“中华人民共和国建设部令”(第三号)“工程建设重大事故报告和调查程序规定”中按照事故造成的人员伤亡或直接经济损失,将事故划分为一般和重大两类。

一般工程质量事故系指造成重伤3人以下或直接经济损失在10万元以下者;重大事故系指造成死亡1人以上,或重伤3人以上,或直接经济损失10万元以上者。

以上是钢结构事故的四种不同的分类方式。

目前国内学者大多数将钢结构事故分为两大类。

一类是整体事故,包括结构整体和局部倒塌。

另一类是局部事故,包括出现不允许的变形和位移,构件偏离设计位置,构件腐蚀丧失承载能力,构件或连接开裂、松动和分层。

在本书中,笔者将钢结构事故分类为材质事故、变形事故、脆性断裂事故、疲劳破坏事故、失稳破坏事故、锈蚀事故、火灾事故、以及倒塌事故。

并分章进行详细论述。

1.4事故的一般原因分析

就钢结构事故的原因,国内外学者进行了一些统计分析工作。

原苏联学者的统计结果见表1.3、表1.4。

我国由于过去钢结构工程较少,缺少较完整的统计资料。

但据调查表明,施工阶段钢结构屋盖事故较多,使用阶段吊车梁事故较多,屋架损伤事故也不少。

但最明显的特征是大多数事故均发生在单层工业厂房中,主要和我国的钢结构的应用范围有关。

按阶段事故原因百分比表1.3

事故原因

百分比

设计原因

制造原因

安装原因

使用原因

18

38

22

22

33

23

30

14

28

31

31

10

钢结构工程事故技术原因表1.4

事故原因

百分比

统计1

统计2

整体或局部失稳

构件破坏

连接破坏

其他

22

49

19

10

41

25

27

7

分析钢结构事故的原因,可以从不同的角度入手。

笔者从钢结构的生命周期入手进行分析。

就生命周期而言,即建造阶段,正常使用阶段和老化阶段。

建造阶段的风险多来自设计、施工的失误和疏忽;正常使用阶段的风险主要来自非正常的外界活动,特别是自然和人为的灾害;而老化阶段的风险则主要来自各种损伤的积累和正常抗力的丧失。

具体分析如下。

1.4.1建造阶段的事故原因

钢结构建造阶段具体分为设计、制作、安装三个阶段。

1.设计阶段

目前钢结构设计人员相对较少,设计经验及水平较低,虽然已有先进的各种设计软件,但由于设计人员过分依赖计算机,缺乏工程背景和经验,人工干预的能力较差。

另外,在追求低用钢量或低造价的市场残酷竞争下导致结构的可靠性偏低。

在该阶段人为错误的影响是最主要的。

常见的设计问题如下:

(1)结构选型及设计方案不合理;

(2)计算简图不当,结构计算错误;

(3)荷载取值与实际受力情况不符;

(4)材料选用不妥,不能满足工程需求;

(5)节点构造不合理,造成致命缺憾;

(6)对施工阶段特点和使用阶段特殊要求欠考虑。

2.制作阶段

目前,用于钢结构制作的先进设备及生产线不断问世,钢结构制作向全自动化方向发展已成为主流。

但除了一些大型的钢结构制造厂家有能力做到之外,还有一大批的制造厂停留在半自动化甚至是手工操作阶段。

另外,再好的设备也是由人操作和管理的,该阶段常见的问题如下:

(1)不按图纸要求制作,任意修改施工图;

(2)制作尺寸偏差过大;

(3)制作工艺不良,设备落后;

(4)缺少熟练技术工人和高素质管理人员;

(5)不能严格遵守施工及验收规范和操作规程的相关规定;

(6)不按照有关标准规范检查验收;

(7)存在偷工减料行为。

3.安装阶段

装配化程度高是钢结构的一大特点,该阶段出现事故的概率与施工组织设计紧密相关,具体问题如下:

(1)安装顺序及工艺不当,甚至错误;

(2)吊装、定位、校正方法不正确;

(3)临时支撑刚度不足,安装中的稳定性差;

(4)现场焊接及螺栓施工质量达不到设计要求;

(5)防火及防腐做法不达标;

(6)存在偷工减料行为。

1.4.2正常使用阶段事故的原因

建筑结构领域大量的理论研究工作是集中在结构的正常使用阶段,国家颁布的有关规范证实了这一点。

但与建造阶段及老化阶段相比,该阶段的平均风险函数往往最低,这是结构领域研究的一个误区。

钢结构同样如此,该阶段存在的问题如下:

(1)使用不当引发过大的地基下沉;

(2)超载使用;

(3)任意开洞、局部改造削弱了构件截面和结构整体性;

(4)生产条件改变,但未进行必要的鉴定与加固;

(5)生产操作不当,造成构件或结构损坏但未及时修复;

(6)使用条件恶劣,又不认真执行结构定期检查维修规定;

(7)不可抗力。

如战争、火灾、水灾、地震、爆炸等。

美国世贸中心倒塌属于该类。

1.4.3老化阶段事故的原因

建筑物和人一样,历经几十年风雨沧桑,疾病缠身,甚至患上顽症、病入膏肓。

钢结构工程在以上各种缺陷和隐患的累积损伤下,其寿命将受到严重威胁,该阶段钢结构事故出现的可能性较大,究其原因,可归为老年病或耐久性问题。

为避免该阶段事故发生,应大力开展钢结构残余可靠度理论以及鉴定与加固的研究工作。

1.5事故的一般处理程序

钢结构事故的处理程序也是十分重要的一项研究内容。

分析事故的最终目的是为了处理事故。

由于事故处理的复杂性、危险性、连锁性、选择性、及技术难度大等特点。

因此事故处理必须持科学、慎重的观点,并严格遵守一定的处理程序。

1.5.1事故处理必备的条件

1.处理目的应十分明确。

2.事故情况清楚。

一般包括事故发生的时间、地点、过程、特征描述、观测记录及发展变化规律等。

3.事故性质明确。

通常应明确三个问题:

一是结构性还是一般性问题;二是实质性还是表面性问题;三是事故处理的紧迫程度。

4.事故原因分析准确、全面。

事故处理就像医生给人看病一样,只有弄清病因,方能对症下药。

5.事故处理所需资料齐全。

资料的是否齐全直接影响到分析判断的准确性和处理方法的选择。

1.5.2事故处理的基本要求及注意事项

事故处理通常应达到四项要求:

1.安全可靠、不留隐患;

2.满足使用或生产要求;

3.经济合理;

4.施工简便、安全;

要达到上述要求,事故处理必须注意以下事项:

(1)综合治理

首先应防治原有事故处理后引发新的事故,其次注意处理方法的综合应用,以取得最佳效果。

再者,一定要消除事故根源,不可治表不治里。

(2)事故处理过程中的安全

国内外有些钢结构事故在处理过程中或者说在加固改造的过程中倒塌,造成了更大的人员伤亡和财产损失,为避免此类事故的发生,应注意以下问题。

对于严重事故,岌岌可危,随时可能倒塌。

因此在处理之前必须有可靠的支护;

对需要拆除的承重结构部分,必须事先制定拆除方案和安全措施;

凡涉及结构安全的,处理阶段的结构强度和稳定性十分必要,尤其是钢结构容易失稳应引起足够重视;

重视处理过程中由于附加应力引发的不安全因素;

在不卸载条件下进行结构加固,应注意加固方法的选择以及对结构承载力的影响。

例如,国内曾发生过钢屋架受拉弦杆及腹杆由于采用端焊缝加固致使截面软化从而引发的倒塌事故。

(3)事故处理的检查验收工作

目前,对新建筑施工,由于引入工程监理,在“三控两管一协调”方面发挥了重要作用。

但对于建筑物的加固改造和事故处理,检查验收工作重视程度不够,应予以加强。

1.5.3事故处理程序

钢结构事故虽然有其特殊性,但事故处理程序与建筑事故大同小异,一般工作程序为:

申报或委托→成立鉴定小组→事故调查→事故原因分析→结构可靠性鉴定→事故调查报告→处理前复查→处理方案→处理设计→施工方案→施工检查验收。

1.申报和委托

凡重大工程事故,施工单位无权处理,必须上报。

2.成立鉴定小组

鉴定小组的成立通常应与委托方签定合同,明确鉴定的目的范围。

3.事故调查

事故调查一般分为初步调查和详细调查。

主要调查事故的内容、范围、性质、为事故原因分析及处理方法确定提供依据。

4.事故原因分析

钢结构的事故原因在本章的第四节已有论述。

5.结构可靠性鉴定

通常包括安全性、适用性和耐久性三项内容。

6.事故调查报告

通常包括以下内容:

工程概况,事故概况,事故是否作过处理,事故调查中的实测数据和各种试验数据,事故原因分析,结构可靠性鉴定结果,事故处理建议。

7.处理前复查

处理前复查工作的重点是查清是否留有隐患,确定事故直接原因及性质,并认真做好记录工作,必要时应拍摄照片或录像。

8.处理方案

处理方案确定的依据是事故调查报告、实地勘察成果以及用户的要求等。

9.处理设计

处理设计既要保证安全,也要注意经济性及可行性。

尤其合理的构造对钢结构十分重要。

通常钢结构加固应优先采用电焊连接,在确有困难时再采用高强螺栓或铆钉,一般禁止使用普通螺栓。

在此值得一提的是钢结构在负荷条件下禁止采用端焊缝,避免加固过程中倒塌。

10.施工方案

施工方案是确保设计要求和满足规范要求的关键。

不合理或错误的施工方案将导致加固过程中新的事故发生。

通常注意以下几点,一是施工顺序的合理安排,二是正确选择工艺参数,力求减少残余变形及残余应力,三是加固焊接应在0°C以上环境进行;四是注意高温焊接对结构安全的影响。

11.施工检查验收

事故处理完毕后,应根据规范规定及设计要求进行检查验收,并办理竣工验收文件。

1.6钢结构事故的防范措施

事故作为一种不幸事件,它的发生虽然给人们一些经验和教训,但我们应该尽力做好事故的防范工作,本着“防范于未然”的原则,将事故消灭在萌芽之中。

通常可以从工程技术、教育及管理三个方面采取预防措施。

1.工程技术措施

工程技术措施内容广泛

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