預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土大偏心受壓柱試驗(yàn)研究

翟愛良，孫明杰，季昌良，陳樹建，王純合

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018)

0 前 言

采用CFRP材料加固混凝土偏壓柱的研究，通常是采用普通加固，具體表現(xiàn)為在柱周纏繞CFRP布(一般為條帶或全包形式)和在受拉側(cè)粘貼CFRP布復(fù)合加固。這種普通加固能一定程度上改善柱的受力性能，但是往往不能充分利用CFRP材料的高強(qiáng)性能[1-4]。眾所周知，與普通CFRP加固技術(shù)相比，預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)件經(jīng)施加預(yù)應(yīng)力CFRP加固后，可以極大提高結(jié)構(gòu)的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載，提高構(gòu)件的剛度，減少變形，有效抑制裂縫的形成開展，明顯改善結(jié)構(gòu)的工作性能，進(jìn)一步發(fā)揮碳纖維布的高強(qiáng)性能[5-9]。針對以上混凝土柱普通CFRP材料加固方式存在的問題和預(yù)應(yīng)力加固具有的優(yōu)勢，本文針對四根同等強(qiáng)度的混凝土大偏心受壓柱(計(jì)算偏心距 e=140 mm)，采用預(yù)應(yīng)力加固與普通加固方式進(jìn)行試驗(yàn)對比，試驗(yàn)分析預(yù)應(yīng)力CFRP布加固后大偏壓柱的正截面受力性能，研究不同加固方式，對柱的抗壓承載力影響。試驗(yàn)過程中張拉CFRP布以施加預(yù)應(yīng)力，同時(shí)將張緊的CFRP布錨固住，采用自主研發(fā)的新型體外旋轉(zhuǎn)式張拉錨固裝置。使用這種裝置對CFRP布施加預(yù)應(yīng)力，施工工藝簡單，能夠很好地將碳纖維布與混凝土柱粘合在一起，且錨固牢靠，加固效果較好。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)四根混凝土柱，混凝土強(qiáng)度等級均為C30，各柱截面尺寸均為400 mm×200 mm，柱高均為1 200 mm，各柱均采用對稱配筋，縱筋采用HRB335，；箍筋采用HPB235，縱筋配置與數(shù)量經(jīng)計(jì)算滿足大偏心受壓柱要求，箍筋按規(guī)范要求配置，為防止柱兩端出現(xiàn)局部受壓破壞，各柱均在兩端部按規(guī)范要求配置了鋼筋網(wǎng)。具體配筋情況如圖1所示。

圖1 大偏心受壓柱配筋圖

各柱采用不同加固方式，見表1。

表1 各柱不同加固方式

大偏心受壓柱加固采用濕粘法中的條帶間斷式部分包裹法和受拉側(cè)縱向條帶加固相結(jié)合；環(huán)向條帶碳纖維布寬60 mm，長 1 600 mm，粘貼兩層布，條帶與條帶之間間距45 mm；縱向條帶碳纖維布寬60 mm，長1 600 mm，粘貼三層。普通碳纖維布粘貼施工工序均按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行。對Z2柱受拉側(cè)預(yù)應(yīng)力碳纖維布縱向加固，采用自行開發(fā)的“拉錨一體化”機(jī)具對碳纖維布施加張拉力，張拉控制應(yīng)力為其極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的20%，張拉力值控制在15 kN。對Z3柱環(huán)向條帶預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固，采用自行開發(fā)的“環(huán)向張拉錨固”機(jī)具對碳纖維布施加張拉力，張拉控制應(yīng)力為其極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的20%，張拉力值控制在10 kN，對碳纖維張拉完成后，機(jī)具自動(dòng)形成錨固。

Z1、Z2、Z3加固柱碳纖維布布置情況如圖2所示。

圖2 Z1、Z2、Z3加固柱碳纖維布布置情況圖

1.2 撓度測點(diǎn)布置與應(yīng)變片布置

柱中間的撓度計(jì)量程50 mm，位于柱身中央處，上下的撓度計(jì)各距離中央的撓度計(jì)500 mm處。

應(yīng)變片布置，為了測量每根受拉鋼筋和受壓鋼筋的應(yīng)變變化情況，在柱的受力縱筋的中部布置兩片應(yīng)變片，為了量測柱混凝土橫向和縱向應(yīng)變，在柱身碳纖維布之間混凝土表面上粘貼電阻應(yīng)變片，為了測量縱向纖維布和橫向纖維布的應(yīng)變，沿碳纖維布的纖維方向布置長標(biāo)距電阻應(yīng)變片。

1.3 加載過程

試驗(yàn)采用YAW-3000F電液伺服液壓機(jī)，該液壓機(jī)可對2 500 mm高度的柱子進(jìn)行壓力試驗(yàn)，應(yīng)變信息收集采用河北北戴河協(xié)力公司生產(chǎn)的XL3403G靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集分析儀。試件兩端采用刀鉸，以保證柱兩端是鉸接的邊界條件。

各柱在試驗(yàn)前均先對試件進(jìn)行預(yù)加載，檢查各儀器的工作性能，然后以極限荷載10%為級度逐級加載，各級載間停5分鐘，以便于觀測數(shù)據(jù)。加載速率約為5 kN/min。每一級加載均測量混凝土的應(yīng)變、鋼筋的應(yīng)變、碳纖維應(yīng)變以及各百分表的讀數(shù)，同時(shí)應(yīng)用讀數(shù)顯微鏡及時(shí)測量裂縫寬度。加載示意如圖3所示；刀鉸示意如圖4所示。

圖3 試件加載示意圖

圖4 刀鉸示意圖

2 試驗(yàn)過程及破壞現(xiàn)象

2.1 試驗(yàn)柱Z0

試驗(yàn)柱Z0為對比柱，加載初期，隨荷載P的增加，可以看到鋼筋的荷載-應(yīng)變成線性穩(wěn)定增長態(tài)勢，繼續(xù)增大荷載P至325 N時(shí)，首先在遠(yuǎn)離軸向力的受拉側(cè)，離柱頂510 mm出現(xiàn)裂縫1，寬約0.2mm，長約530 mm。加載至350 N時(shí)，分別離柱頂340 mm(裂縫2)，670 mm(裂縫3)處又出現(xiàn) 2條水平裂縫，初始裂縫寬度均在0.2 mm左右，上下兩條裂縫長度分別為420 mm，790 mm。此時(shí)，裂縫1向柱北面，南面開展。隨著荷載P的增加，裂縫不斷增多，并貫穿三面向受壓區(qū)延伸，在一段時(shí)間內(nèi)，裂縫發(fā)展較穩(wěn)定，構(gòu)件處于帶裂縫工作階段。隨著荷載P值的繼續(xù)增加到575 N時(shí)，受拉鋼筋首先屈服，裂縫1成為受拉主裂縫；繼續(xù)增加荷載，受壓區(qū)，混凝土應(yīng)變達(dá)到極限抗壓應(yīng)變，在受壓區(qū)混凝土薄弱處出現(xiàn)縱向裂縫，當(dāng)荷載P達(dá)到640 N時(shí)，受壓區(qū)混凝土壓碎，此時(shí)受壓鋼筋已屈服，壓碎區(qū)大致呈三角形，此時(shí)荷載P值已不能增加，開始回降，說明試件已不能承載，發(fā)生大偏壓破壞。

2.2 試驗(yàn)柱Z1

試驗(yàn)柱Z1為普通CFRP加固，試件剛加載后，Z1柱鋼筋的荷載-應(yīng)變也大致成線性穩(wěn)定增長態(tài)勢。增加荷載至680 N時(shí)，受拉側(cè)，位于離柱頂500 mm和600 mm處分別出現(xiàn)兩條橫向裂縫，裂縫寬度分別為0.10 mm，0.15 mm，離柱頂近的一條裂縫長度在15 mm左右，下邊的一條裂縫在22 mm左右。P值的繼續(xù)增加到730 N時(shí)，在軸向力一側(cè)，受壓區(qū)出現(xiàn)受壓豎向裂縫。隨著荷載 P值的繼續(xù)增加到785N時(shí)，碳纖維布出現(xiàn)輕微“啪啪”的聲音，受壓區(qū)又出現(xiàn)了一些新裂縫，原裂縫開展較迅速，同時(shí)受拉區(qū)又發(fā)現(xiàn)一條新裂縫。當(dāng)加載到890 N時(shí)，受拉側(cè)粘貼碳纖維布處出現(xiàn)“咔咔”響聲，受壓區(qū)裂縫增加明顯，出現(xiàn)壓碎預(yù)兆。當(dāng)加載到965 N時(shí)，壓區(qū)條帶間混凝土先壓碎，隨即此處橫向碳纖維布撕裂，構(gòu)件破壞。

2.3 試驗(yàn)柱Z2

試驗(yàn)柱Z2為受拉側(cè)預(yù)應(yīng)力CFRP加固，試驗(yàn)開始加載時(shí)，Z2柱受拉鋼筋的荷載-應(yīng)變變化明顯比Z0柱和Z1柱的小，隨著荷載P的增加，在軸向力近側(cè)的受壓區(qū)出現(xiàn)受壓縱向裂縫，荷載P繼續(xù)增加，受壓區(qū)縱向裂縫不端擴(kuò)展，受拉區(qū)出現(xiàn)輕微“啪啪”的聲音，但是未發(fā)現(xiàn)混凝土橫向裂縫。當(dāng)加載到1 000 N時(shí)，柱周邊零星掉落似混凝土碎屑，受拉側(cè)碳纖維布出現(xiàn)剝離預(yù)兆。繼續(xù)增加荷載至1 180 N時(shí)，壓區(qū)橫向CFRP布撕裂，構(gòu)件破壞，此時(shí)受拉區(qū)依舊沒發(fā)現(xiàn)明顯的橫向裂縫。

2.4 試驗(yàn)柱Z3

試驗(yàn)柱Z3也采用柱周預(yù)應(yīng)力CFRP加固，試驗(yàn)開始加載時(shí)，鋼筋的荷載-應(yīng)變大致成線性穩(wěn)定增長態(tài)勢；與前邊三個(gè)柱不同的是橫向CFRP布的應(yīng)變情況明顯比前三根柱變化大些。加載一段時(shí)間后，除了柱頂端南區(qū)很小的局部由于澆筑不平，產(chǎn)生了很小的區(qū)域局部受壓裂縫外，其它地方?jīng)]見明顯破壞現(xiàn)象。繼續(xù)加載，受拉側(cè)相繼出現(xiàn)兩條橫向裂縫，一條寬0.25 mm左右，長50 mm左右；一條寬0.15 mm，長1.9 cm；繼續(xù)加載，受壓區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)裂縫，受拉區(qū)出現(xiàn)一條新裂縫，寬0.15mm，長250 mm，其它橫向裂縫開展緩慢。繼續(xù)增加荷載至1 210 N時(shí)，碳纖維布再次出現(xiàn)“啪啪”的聲音，混凝土開始起皮脫落。當(dāng)加載到1 375 N時(shí)，壓碎區(qū)的碳纖維布撕裂，CFRP布撕裂處混凝土立即壓碎，同時(shí)受拉區(qū)縱向碳纖維布發(fā)生局部剝離。

綜上所述，對比柱Z0發(fā)生典型的大偏壓破壞。Z1，Z3受壓區(qū)混凝土壓碎，橫向CFRP布撕裂破壞，Z2發(fā)生CFRP布剝離破壞。整個(gè)試驗(yàn)過程可見預(yù)應(yīng)力CFRP布大偏壓柱加固后，不僅能提高柱的承載力，同時(shí)能有效的改善柱的延性，抑制裂縫的開展。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 正截面受壓承載力

各柱的承載力試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，在大偏壓柱縱橫向粘貼CFRP布后，柱的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載都有很大的提高。這主要是因?yàn)闄M向粘貼CFRP布，加強(qiáng)了對柱的橫向約束作用，提高了柱的抗壓強(qiáng)度，縱向粘貼CFRP布，加強(qiáng)了大偏壓柱受拉側(cè)的抗拉能力，兩者都增加了柱的剛度，特別是預(yù)應(yīng)力加固后，效果明顯。加固前，柱的破壞是典型的大偏壓破壞，加固后柱的破壞變?yōu)樾∑珘浩茐摹Ｖ優(yōu)樾∑珘汉?，橫向預(yù)應(yīng)力CFRP加固后柱Z3，比縱向預(yù)應(yīng)力加固的柱Z2承載力提高效果好。

表2 承載力試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 應(yīng)變變化

3.2.1 鋼筋應(yīng)變

各柱柱中縱向鋼筋應(yīng)變值比較曲線見圖5、圖6所示。

圖5 受拉鋼筋荷載—應(yīng)變曲線

從圖5可以看出，大偏壓柱經(jīng)過CFRP布加固后，承載能力提高，縱向受拉鋼筋應(yīng)變變小，說明抗拉承載力由CFRP布和鋼筋共同承擔(dān)。從圖上曲線的斜率看，加載初期，加固柱的受拉鋼筋應(yīng)變變化基本是線性的，曲線斜率較小。但隨著荷載的增加，混凝土柱受拉側(cè)開裂，受拉區(qū)混凝土退出工作，荷載主要由碳纖維布和鋼筋承擔(dān)，鋼筋應(yīng)變變大，曲線斜率變大。隨著荷載增加，柱Z0鋼筋應(yīng)變變化曲線陡且直，加固柱鋼筋應(yīng)變變化都比較平緩。具體效果:Z2＞Z3＞Z1。

由圖6可以看出，大偏壓柱經(jīng)過加固后，受壓鋼筋屈服荷載明顯都有了一定程度的提高，受力性能都得到了一定程度地改善，預(yù)應(yīng)力加固的Z2，Z3柱表現(xiàn)的尤為明顯。受壓鋼筋屈服后，鋼筋應(yīng)變非線性增長，表現(xiàn)為應(yīng)變曲線變陡變直。加固柱的曲線比未加固平緩光滑，具體為Z3＞Z2＞Z1＞Z0。

圖6 受壓鋼筋荷載—應(yīng)變曲線

由上述兩圖可以看出，鋼筋應(yīng)變曲線與試驗(yàn)現(xiàn)象有較好的一致性；通過鋼筋應(yīng)變曲線可以看出加固后柱的承載力和延性等受力性能得到了很大的改善，預(yù)應(yīng)力加固效果比普通的效果好；柱在預(yù)應(yīng)力加固后，橫向預(yù)應(yīng)力加固比縱向預(yù)應(yīng)力加固對柱的承載力提高效果更好。

3.2.2 碳纖維布應(yīng)變

各加固柱的碳纖維布的應(yīng)變曲線如圖7、圖8所示。

從圖7可以看出，加載初期，柱Z2的受拉側(cè)碳纖維布應(yīng)變比Z1，Z3大，這是因?yàn)槭芾瓊?cè)CFRP布經(jīng)預(yù)應(yīng)力加固后，使縱向碳纖維布更早更緊密地和鋼筋混凝土結(jié)合在一起，對柱的約束由原來的被動(dòng)約束變?yōu)橹鲃?dòng)約束，更早地參與了柱的承載。Z3柱盡管受拉側(cè)的碳纖維布沒有施加預(yù)應(yīng)力，但也可以看出Z3柱的縱向碳纖維布應(yīng)變比Z1大，這是因?yàn)閆3柱的橫向碳纖維布被施加預(yù)應(yīng)力后，對縱向碳纖維的附加錨固作用得到加強(qiáng)，一定程度上幫助了縱向受拉碳纖維布發(fā)揮高強(qiáng)性能。在加載后期，Z1柱的碳纖維布的應(yīng)變變化比Z2柱快，Z2柱的應(yīng)變變化比Z3變化快。這也說明了加固后柱的延性得到了提高，預(yù)應(yīng)力的比普通的效果好。同時(shí)也可以看到在加載初期，受拉碳纖維布應(yīng)變隨荷載增加大致呈線性變化，變化趨勢較緩。隨著混凝土梁開裂，柱的撓度變大，碳纖維布更多的參與承載工作，應(yīng)變變化較之前加快，表現(xiàn)為曲線坡度變大。但是各加固柱達(dá)到極限荷載破壞時(shí)，縱向碳纖維布的應(yīng)變都沒有達(dá)到極限，這與試驗(yàn)中縱向碳纖維布沒有被拉斷相符。

圖7 受拉CFRP荷載—應(yīng)變曲線

圖8 橫向碳纖維布的荷載—應(yīng)變曲線

由圖8可以看出，加載初期，碳纖維布的應(yīng)變很小，直到承載力接近混凝土峰值強(qiáng)度附近，混凝土膨脹體積增大，碳纖維布套箍應(yīng)變急劇增大，直至套箍被拉斷，拉斷時(shí)碳纖維布應(yīng)變達(dá)到或接近其極限應(yīng)變。同時(shí)在加載初期，Z3柱的應(yīng)變變化較明顯，說明CFRP套箍較早的參與了柱Z3的承載；但是隨著荷載的增加，當(dāng)套箍應(yīng)變變化加快，Z1＞Z2＞Z3，這說明預(yù)應(yīng)力加固后，柱的剛度增加了，延性變好了。

3.2.3 混凝土應(yīng)變

各柱的混凝土的應(yīng)變曲線如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 受壓區(qū)混凝土荷載—縱向應(yīng)變曲線

圖10 受壓區(qū)混凝土荷載—橫向應(yīng)變曲線

圖11 受拉區(qū)混凝土荷載—縱向應(yīng)變曲線

由圖9可以看出，加載初期，混凝土受壓區(qū)縱向應(yīng)變大致線性。此時(shí)各柱區(qū)別不明顯；到非線性增長階段，對比柱Z0混凝土的縱向變形發(fā)展較快，曲線陡直。而柱Z1，Z2，Z3由于CFRP加固，曲線還是相對較平緩，特別是柱Z3橫向套箍施加預(yù)應(yīng)力，效果更明顯；在應(yīng)變水平發(fā)展階段，柱Z0柱身開始產(chǎn)生豎向裂縫發(fā)展迅速，有些應(yīng)變片上的電阻絲被裂縫拉斷而使讀數(shù)終止，而加固柱變化相對較緩。構(gòu)件破壞時(shí)加固柱壓區(qū)混凝土被壓碎在曲線未能反映出是因?yàn)閴核閰^(qū)未在測點(diǎn)處。總而言之，混凝土荷載—縱向應(yīng)變曲線表現(xiàn)出加固柱的比對比柱的平緩，預(yù)應(yīng)力加固的比普通加固的平緩，這說明加固后改善了柱的延性，預(yù)應(yīng)力的效果尤為突出。

由圖10可以看出，在加載初期，加固試件的混凝土橫向應(yīng)變的曲線和對比試件的曲線略有偏離，比對比件的曲線平緩，說明加固后由于碳纖維布的約束作用，限制了混凝土的橫向變形，使橫向應(yīng)變值相對較小。對混凝土的橫向約束作用主要是條帶套箍起的作用，因此Z3柱由于對套箍施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行的加固，對混凝土橫向約束作用最明顯，產(chǎn)生的混凝土的橫向應(yīng)變值最小。曲線在受壓鋼筋屈服處發(fā)生斜率突變，曲線變得更陡直，此時(shí)柱的壓力主要由混凝土承擔(dān)，加速了混凝土的橫向膨脹，向外擠壓橫向碳纖維布，使得碳纖維布應(yīng)變變化加快。在達(dá)到柱的極限荷載時(shí)，有的柱的橫向碳纖維布應(yīng)變達(dá)到極限應(yīng)變，這與破壞時(shí)橫向碳纖維布會(huì)發(fā)生撕裂現(xiàn)象相吻合。

由圖11可以看出，加固柱Z1，Z2，Z3柱的曲線與Z0柱相比斜率較小，也就是說CFRP布加固后的受拉區(qū)混凝土的縱向應(yīng)變變化比對比柱小，這是因?yàn)榧庸讨谑芾瓊?cè)粘貼了縱向碳纖維布，對混凝土的縱向變形有了約束，Z3柱的縱向碳纖維布施加了預(yù)應(yīng)力后，混凝土的縱向應(yīng)變變化最慢，說明預(yù)應(yīng)力加固更快更好的發(fā)揮了CFRP布的高強(qiáng)性能。加載初期，受拉區(qū)混凝土縱向應(yīng)變隨荷載增加呈線性變化，趨勢平緩。隨后加載過程中，Z0柱由于受拉鋼筋屈服，混凝土縱向應(yīng)變急劇增加；Z1，Z2，Z3柱由于柱受拉側(cè)縱向的CFRP布加固后，在整個(gè)承載過程中，受拉鋼筋并未屈服，因此混凝土沒有大的縱向應(yīng)變曲線突變，只是在出現(xiàn)小裂縫時(shí)才會(huì)發(fā)生很小的突變。

3.3 撓度

各柱柱中側(cè)向撓度的比較曲線如圖12所示?？梢钥闯?，鋼筋混凝土大偏心受壓柱經(jīng)加固后，極限承載能力提高同時(shí)而撓度減小。構(gòu)件的荷載撓度曲線反映了構(gòu)件的剛度，撓度減小說明剛度增強(qiáng)。從撓度曲線的斜率來看，在加載初期，所有試驗(yàn)柱的荷載撓度曲線的變化基本是線性的，對比柱Z0明顯比加固柱斜率大。說明Z1，Z2，Z3柱被加固后，剛度就有較大提高，尤其Z2柱的斜率減小很明顯，說明CFRP布在施加預(yù)應(yīng)力后，對柱的約束由被動(dòng)約束轉(zhuǎn)為主動(dòng)約束，CFRP布應(yīng)力應(yīng)變滯后的現(xiàn)象明顯減少，參與共同承載的時(shí)間提前。隨著荷載增大，CFRP布對混凝土約束作用逐漸增強(qiáng)，使得構(gòu)件剛度提高的幅度越來越明顯。預(yù)應(yīng)力加固柱Z2，Z3的剛度提高的尤為明顯。Z2、Z3的曲線后期總體上較平緩，破壞呈明顯的延性，說明預(yù)應(yīng)力CFRP布加固柱提高了柱的剛度，延緩了裂縫的開展，經(jīng)加固后的柱延性較好，預(yù)應(yīng)力加固的比普通加固的效果更好。

圖12 各柱柱中側(cè)向撓度的曲線圖

4 結(jié)論與建議

(1)本次大偏壓柱試驗(yàn)過程中，研發(fā)了一套體外旋轉(zhuǎn)式張拉與錨固裝置。該裝置較好的完成了對CFRP布的張拉與錨固工作。整個(gè)預(yù)應(yīng)力加固施工過程這套機(jī)具使用很便捷，并且造價(jià)低，可以重復(fù)利用，適宜實(shí)際工程加固推廣使用。

(2)大偏壓柱在縱橫向粘貼CFRP布加固后，柱的承載力有了明顯的提高；柱受拉區(qū)混凝土裂縫比未加固的出現(xiàn)的晚，裂縫分布均勻且裂縫寬度小，說明加固后柱子的延性明顯提高。

(3)大偏壓柱在縱橫向粘貼CFRP布加固后，柱的破壞形態(tài)由典型多的大偏壓破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑珘浩茐?，破壞時(shí)受拉區(qū)未出現(xiàn)明顯的橫向受拉主裂縫。

(4)大偏壓柱在縱橫向粘貼CFRP布加固，并在對橫向的CFRP布施加預(yù)應(yīng)力比縱向施加預(yù)應(yīng)力對柱的整體承載力提高效果更明顯。

(5)普通 CFRP加固存在應(yīng)變滯后現(xiàn)象，對CFRP材料施加預(yù)應(yīng)力后，大大減少了滯后現(xiàn)象，充分發(fā)揮了CRRP材料高強(qiáng)性能，在采用CFRP布加固實(shí)際工程中應(yīng)優(yōu)先采用對CFRP布施加預(yù)應(yīng)力的加固方式。

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