基于《建筑抗震韧性评价标准》的算例分析

引用文献:

王啸霆 潘鹏 王涛 申洲洋 王海深. 基于《建筑抗震韧性评价标准》的算例分析[J]. 建筑结构,2020,50(16):57-63.

WANG Xiaoting PAN Peng WANG Tao SHEN Zhouyang WANG Haishen. Case study based on Standard for seismic resilience assessment of buildings[J]. Building Structure,2020,50(16):57-63.

作者:王啸霆 潘鹏 王涛 申洲洋 王海深
单位:清华大学土木工程系 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室 中国地震局地震工程与工程振动部门重点实验室中国地震局工程力学研究所
摘要:建筑抗震韧性评价是地震工程领域的研究热点,对于引导业主和设计人员主动加强建筑抵御地震灾害的能力有重要意义。基于《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591—2020)开发了配套的建筑抗震韧性评价软件,并采用该软件对6栋钢筋混凝土建筑进行了韧性评价。结果显示:相对于抗震结构和消能减震建筑,隔震建筑更容易获得较高的抗震韧性等级;上部结构不进行降度设计的隔震建筑可以达到抗震韧性三星级,采用降度设计的隔震建筑基本可以达到抗震韧性二星级,消能减震建筑和抗震性能较好的抗震建筑可以达到抗震韧性一星级;按照现行抗震设计规范下限进行设计的抗震建筑不能满足抗震韧性一星级的要求。对于抗震和消能减震建筑,非结构构件的抗震性能对建筑物抗震韧性的影响显著。
关键词:建筑抗震韧性 国家标准 评价标准 评价软件 算例分析
作者简介:潘鹏,博士,教授,博士生导师,Email:panpeng@tsinghua.edu.cn。
基金:国家重点研发计划资助项目(课题编号2017YFC1500602)。

0 引言

   近年来,抗震韧性成为地震工程领域的研究热点,美国、日本等国家相继提出了韧性的概念并用于抗震的研究 [1,2]。2009年在NEES/E-Defense美日地震工程第二阶段合作研究计划会议上,美日学者首次提出将“可恢复功能城市(Resilient City)”作为地震工程领域的一大发展方向 [3]。2011年,美国国家研究委员会提出了“国家震后可恢复”的目标 [4]。近年来我国相关学者也对建设抗震韧性城市提出了思考和建议 [5,6,7]。2019年杨静等 [8]指出了城市抗震韧性的研究现状及关键科学问题。建筑是人类生活和生产活动主要承载体,也是地震中的受灾主体,提升城市的抗震韧性,其首要环节是提升建筑抗震韧性。

   针对抗震韧性进行建筑设计,需要系统的抗震韧性评价方法。目前国际上有3种常见建筑抗震韧性评价方法,分别是FEMA P-58 [9,10]、REDi Rating System [11]和USRC Building Rating System [12]。田源等 [9]采用FEMA P-58的方法对两栋分别按照美国规范和中国规范设计的42层钢筋混凝土框架-核心筒建筑进行了抗震韧性评价,指出非结构构件的修复费用和修复时间占主导作用。曾翔等 [10]基于FEMA P-58方法对清华大学校园建筑地震经济损失进行了案例分析,指出在设防地震和罕遇地震水平下,总损失主要来自结构构件和位移敏感型非结构构件。李雪等 [11]采用REDi Rating System的方法对181弗里蒙特大厦进行了抗震韧性评价,验证了基于抗震韧性的性能化设计方法的可行性。2017年8月,国家标准委下达制定《建筑抗震韧性评价标准》(简称《标准》)的任务,旨在建立符合中国国情的建筑抗震韧性评价体系。《标准》将引导我国建筑抗震设计进入新的性能化设计阶段,普及可量化的多水准、多目标设计方法,引起相关人员对非结构构件抗震性能的重视和推广新技术在建筑中的应用。两年来经多方努力,该标准已于2020年3月发布并将于2021年2月实施,《标准》编号为GB/T 38591—2020。然而,目前市面上没有与该标准协调的评价软件,因此为推广该标准的工程应用,开发相应的评价软件迫在眉睫。

   本研究基于《标准》编写了建筑抗震韧性评价软件,并利用该软件对6栋钢筋混凝土建筑进行了抗震韧性评价,分析了隔震、消能减震及抗震方案,结构和非结构构件损伤对建筑抗震韧性的影响。

1 清华大学建筑抗震韧性评价系统

   基于《标准》,清华大学开发了抗震韧性评价系统(Tsinghua Earthquake Resilience Ranking System)软件。该系统采用的抗震韧性评价流程和《标准》完全一致,具体如图1所示。

图1 《标准》的抗震韧性评价流程

   图1 《标准》的抗震韧性评价流程  

    

   清华大学建筑抗震韧性评价系统主要包括评价软件和构件易损性数据库两部分。根据评价步骤和所涉及的评价对象,在软件中需要用户依次输入建筑信息,主要包含结构类型、层高、楼层数、楼层建筑面积及与此相应的计算参数;构件信息,主要包括结构构件和非结构构件的易损性信息(即可来源于内置易损性数据库,也可由用户依据《标准》提供的方法自行定义);以及工程需求参数(由弹塑性时程分析得到),软件自动根据工程需求参数计算建筑修复费用、建筑修复时间和人员伤亡3个抗震韧性指标,最后根据韧性指标限值进行建筑抗震韧性评价。

1.1 评价软件

   评价软件主界面包括5个菜单,分别是文件、编辑、计算、查看和帮助,如图2所示。通过“文件”下拉菜单可以新建或打开一个项目。

图2 “清华大学建筑抗震韧性评价系统测试版”主界面

   图2 “清华大学建筑抗震韧性评价系统测试版”主界面   

    

   在项目数据中,需要用户输入建筑信息(图3),结构构件信息(图4)、非结构构件信息(图5)和结构响应信息(图6)等必要信息。建立完整的项目数据后,通过点击“计算”则可进行抗震韧性评价,并通过“查看”获得韧性评价结果。建筑抗震韧性等级以五角星的数量来表示,如图7所示,分一星级到三星级共3个级别。星级越高,建筑的抗震韧性越高。

图3 “建筑信息”界面

   图3 “建筑信息”界面   

    

图4 “结构构件信息”界面

   图4 “结构构件信息”界面   

    

图5 “非结构构件信息”界面

   图5 “非结构构件信息”界面   

    

1.2 构件易损性数据库

   构件易损性数据库主要提供了结构构件和非结构构件的易损性数据。如图8所示,构件的易损性数据包括敏感类型,不同损伤状态下对应的工程需求参数的中位值、方差,构件造价,修复时间以及相关折减系数等。用户在使用时,不仅可以使用系统内置的数据库,也可以根据需要自行定义。

2 算例分析

2.1 建筑结构信息

   表1包含了6栋建筑的基本建筑及结构信息,包括建筑功能、层数、建筑高度、建筑面积等和进行结构建模及弹塑性时程分析时所需要的结构信息。建筑编号首字母中,K代表抗震设计方案,J代表消能减震设计方案,G代表隔震设计方案。

   算例分别包含2栋抗震建筑(K01,K02)、1栋消能减震建筑(J01)和3栋隔震建筑(G01,G02-1,G02-2)。K01,J01和G01建筑为同一栋图书馆建筑的抗震设计方案和减/隔震设计方案,用以考察减/隔震设计对建筑抗震韧性的影响。K02是一栋办公楼的设计方案,其弹性层间位移角为1/564,刚好满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) [13]小震弹性层间位移角限值,K01的弹性层间位移角为1/667,将K01和K02对比以考察结构

图6 “结构楼层响应”界面

   图6 “结构楼层响应”界面   

    

图7 “评价结果”界面

   图7 “评价结果”界面   

    

图8 “构件易损性数据库”界面

   图8 “构件易损性数据库”界面   

    

   设计最低要求对建筑抗震韧性的影响。G02-1和G02-2均为医疗建筑,抗震设防烈度分别为9度(0.4g)和7度(0.15g),而G02-1和G02-2的上部结构均按照7度(0.15g)设计,用以考察隔震建筑上部结构是否降度设计对建筑抗震韧性的影响。

   算例编号及建筑信息 表1

编号 建筑
功能
层数 建筑高
度/m
建筑面
积/m2
抗震设
防类别
结构
类型
抗震设
防烈度
设计地
震分组
场地
类别
抗/减/隔
震情况
结构构件
抗震等级

G01
校图
书馆
4 16.8 5 437 丙类 框架 8度(0.2g) Ⅲ类
隔震设计方案,48个铅芯橡胶支座和6个天然橡胶支座

J01

消能减震设计方案,共使用34个黏滞阻尼器

K01

抗震设计方案,弹性层间位移角1/667
K02 办公楼 6 22.6 2 116.8 丙类 框架 7度(0.15g) Ⅲ类 抗震设计方案,弹性层间位移角1/564

G02-1
医疗楼
裙楼
6 27.3 20 312 乙类 框架
9度(0.4g)
Ⅲ类
隔震设计方案,全铅芯橡胶支座,上部结构降低1度半设计

G02-2

7度(0.15g)

隔震设计方案,全铅芯橡胶支座,上部结构不降度设计

    

   非结构构件和成本信息 表2


编号

非结构构件使用情况
总造价
/万元
结构构
件成本
占比

非结构构件
成本占比

位移敏感型
加速度敏感型

位移
敏感型
加速度
敏感型

X
Y 无方向 无方向(主要区别在于有无电梯和构件的抗震能力)
G01,
J01,
K01
玻璃幕墙(普通);填充墙、隔墙饰面(少量),均为上下端固定 玻璃幕墙(普通);填充墙、隔墙饰面(少量),均为上下端固定 钢混
楼梯
电梯,吊顶,灯具,暖通空调风管,支管及风口,VAV箱带卷盘,冷、热、污水管,蒸汽管道、消防喷淋水管,喷头立管,暖通空调风管。仅有蒸汽管道为抗震能力较好的选型 511.41 14.91% 30.41% 54.68%

K02
填充墙、隔墙饰面,均为上下端固定 填充墙、隔墙饰面,均为上下端固定 钢混
楼梯
吊顶,灯具,配电盘,暖通空调风管,支管及风口,VAV箱带卷盘,冷、热、污水管,消防喷淋水管,喷头立管。均为抗震能力较差的选型 415.70 11.98% 54.21% 33.81%
G02-1,
G02-2
填充墙,上下端固定 填充墙,上下端固定 钢混
楼梯
吊顶,灯具,配电盘,暖通空调风管,支管及风口,冷、热、污水管,蒸汽管道、消防喷淋水管,喷头立管,冷却水管,冷却机组,冷却塔,空气压缩机,暖通空调风管和管道风机,空调系统风机,空气处理机组,变压器,柴油发电机。均为抗震能力较好的选型 2 913.44 26.60% 73.40%

    

2.2 非结构构件和成本信息

   表2包含了所有建筑所用非结构构件的种类、敏感类型、数量等信息。本文算例所涉及各类构件的敏感类型均依据《标准》附录的规定进行判定。绝大多数位移敏感型非结构构件,主要包含填充墙、玻璃幕墙等,均沿主轴方向布置,故按照X,Y两个方向注明其使用情况。由于楼梯的损伤与结构在两个主轴方向上的响应均有关联,所以单独成列。对于加速度敏感型非结构构件,由于其自身性能的对称性(如吊顶)或其在建筑物中分布的复杂性(如给/排水管网),宜归为无方向类非结构构件。不同类型非结构构件对抗震韧性指标的影响存在较显著的区别。例如,隔墙饰面因易受损且单位造价高,对修复费用指标的影响较大,故在表中有意区分其用量多少。而对于填充墙,以往地震中多发因其倒塌致人伤亡的事故,但采用不同连接构造措施填充墙的易损性具有明显差异,故在表中给出其构造措施。本文算例均为实际工程中最常见的两端固定连接。在加速度敏感型构件中,电梯对于修复时间的影响远高于其它构件,因此特意在表中注明。其余构件大致按照抗震性能高低分成两类。K01,J01和G01校图书馆和K02办公楼因为是待加固的既有建筑,采用的加速度敏感型非结构构件绝大多数为抗震性能较差的类型,而G02-1与 G02-2医疗楼裙楼为新建医疗建筑,采用了抗震性能较好的类型。

   同时,为在后续分析中说明修复费用指标中结构构件、位移敏感型和加速度敏感型非结构构件的占比情况,此处也给出了依据《北京市建设工程计价依据-预算定额》 [14]计算得到的建筑物建造成本及3种类型建筑构件所占比例情况。通过分析每个算例中修复费用指标中非结构构件的占比情况,考察非结构构件抗震性能对建筑抗震韧性的影响。

2.3 评价结果

   根据《标准》的建筑抗震韧性等级评价方法,采用设防地震水平下所得的工程需求参数评估建筑是否满足一星级要求,采用罕遇地震水平下所得的工程需求参数评估建筑是否满足二星级、三星级要求。

   首先对所有建筑进行设防地震水平下的抗震韧性等级评价,其结果见表3。表3仅用于判定建筑物是否满足一星级要求,不满足一星级要求的建筑不再进行二星级、三星级的评价。评价结果显示5栋建筑获得了一星级,K02未能满足一星级要求。表3以加粗字体标示出各建筑韧性指标中不满足一星级要求的数据。

   抗震韧性评价结果(设防地震水平) 表3


编号

修复费用/%
修复时间/d 受伤率 死亡率 等级

X
Y X Y X Y X Y

G01
0.01 0.01 0.02 0.04 0.00×100 0.00×100 0.00×100 0.00×100

J01
1.22 0.75 11.38 9.37 8.25×10-6 7.32×10-6 1.10×10-6 1.36×10-9

K01
1.77 1.35 16.97 16.19 4.76×10-5 3.82×10-6 1.35×10-6 1.11×10-6

K02
15.59 16.69 31.43 60.32 2.26×10-6 2.40×10-6 3.89×10-6 4.13×10-4

G02-1
0.51 0.42 11.52 10.68 3.99×10-6 3.14×10-6 3.31×10-7 2.68×10-8

G02-2
0.25 0.52 8.65 14.71 1.17×10-6 6.19×10-6 0.00×100 0.00×100

   注:1)修复费用:在设防地震水平下,建筑修复费用指标κ≤10%,该分项的等级为☆;2)修复时间:在设防地震水平下,建筑修复时间指标Ttot≤30d,该分项的等级为☆; 3)受伤率、死亡率:在设防地震水平下,受伤率指标γH≤10-3且死亡率指标γD≤10-4,该分项的等级为☆;4)等级:采用以上韧性指标中星级最低的一项评价建筑是否达到☆等级。

    

   抗震韧性评价结果(罕遇地震水平) 表4


编号

修复费用/%
修复时间/d 受伤率 死亡率 等级

X
Y X Y X Y X Y

G01
0.34 0.35 3.81 5.29 1.47×10-6 3.19×10-6 0.00×100 0.00×100 ☆☆☆

J01
4.02 3.50 32.49 32.13 1.32×10-3 8.69×10-4 2.20×10-4 1.40×10-4  

K01
6.01 4.71 41.78 41.23 5.36×10-3 5.13×10-3 9.36×10-4 8.96×10-4  

G02-1
1.71 1.51 22.29 20.16 2.35×10-4 1.58×10-4 3.85×10-5 2.49×10-5 ☆☆

G02-2
0.19 0.18 6.32 6.62 7.15×10-7 5.62×10-7 0.00×100 0.00×100 ☆☆☆

   注:1)修复费用:在罕遇地震水平下,当建筑修复费用指标5%<κ≤10%,该分项的等级为☆☆,当κ≤5%,该分项的等级为☆☆☆,否则,仍为☆;2)修复时间:在罕遇地震水平下,当建筑修复时间指标7d<Ttot≤30d,该分项的等级为☆☆,当Ttot≤7d,该分项的等级为☆☆☆,否则,仍为☆。3)受伤率、死亡率:在罕遇地震水平下,当受伤率指标γH≤10-3且死亡率指标γD≤10-4,该分项的等级为☆☆,当受伤率指标γH≤10-4且死亡率指标γD≤10-5,该分项的等级为☆☆☆,否则,仍为☆;4)等级:采用以上韧性指标中星级最低的一项作为建筑的抗震韧性等级。

    

   对已获得一星级的5栋建筑进行罕遇地震水平下的二星级和三星级韧性等级评价,其结果详见表4。下划线表示该项数据满足二星级要求但未达到三星级要求,加粗字体表示该项数据不满足二、三星级的要求。G01,G02-2隔震建筑的韧性等级为三星级,G02-1隔震建筑的韧性等级为二星级。

2.4 具体分析

(1)多层建筑隔/减/抗震比较

   K01,J01和G01韧性指标构成如图9所示,图中加粗线代表《标准》规定的韧性指标的限值。图9(b)中的Stage1表示结构构件修复,Stage2表示非结构构件修复。对比可得,隔震方案对应的韧性指标明显优于消能减震方案和抗震方案。设防地震水平下,相较于消能减震建筑和抗震建筑,隔震建筑的修复费用指标的降幅达到99%,基本上不需要修复时间,即震后可立即投入使用;罕遇地震水平下,修复费用指标降幅分别达到91%和94%,而修复时间指标的降幅则分别达到84%和87%。表明隔震建筑的抗震韧性远优于抗震建筑和消能减震建筑。

(2)抗震建筑

   图10和图11分别展示了抗震建筑修复费用和修复时间两项韧性指标的构成情况。如图11所示,K02在设防地震水平下的结构部分的修复时间已经超过韧性指标限值,表明仅满足现行抗震设计规范下限要求的抗震建筑抗震韧性水平较低,无法获得星级。

(3)隔震建筑

   图12和图13分别展示了隔震建筑修复费用和修复时间两项韧性指标的构成情况。由于地震动输入强度显著降低,结构构件的修复时间大幅降低, G02-2评价结果为三星级。G02-1的韧性评价结果为二星级,其原因为9度地震动在经过隔震层削减作用后,输入到上部结构的地震作用略低于上部结构设计所采用的7度(0.15g)地震水准,从而其韧性表现介于不降度设计的隔震建筑和抗震建筑之间。

(4)非结构构件的影响

   通过整体考察图9(a)中非结构构件占比的情况,可以发现,对于抗震建筑和消能减震建筑,非结构构件对建筑抗震韧性的影响明显高于结构构件。对比K01和J01可以发现,相较于抗震方案,消能减震方案虽然有效降低了结构构件的损伤,但对于加速度敏感型非结构构件的保护效果并不明显。

图9 01图书馆建筑的韧性指标

   图9 01图书馆建筑的韧性指标   

    

图10 抗震建筑修复费用

   图10 抗震建筑修复费用   

    

图11 抗震建筑修复时间

   图11 抗震建筑修复时间   

    

图12 隔震建筑修复费用

   图12 隔震建筑修复费用   

    

图13 隔震建筑修复时间

   图13 隔震建筑修复时间   

    

   通过对比图10中K01和K02非结构构件占比的情况,可以发现K01由于选用了抗震性能较差的电梯等加速度敏感型非结构构件,导致修复费用指标中加速度敏感型非结构构件的占比较高;同时,由于K02的结构层间位移角响应较大并且选用了较多抗震性能较差的填充墙和隔墙饰面等位移敏感型非结构构件,导致修复费用指标中位移敏感型非结构构件的占比较高。

   通过对比图12中G02-1和G02-2非结构构件占比的情况,可以发现隔震建筑中非结构构件对建筑抗震韧性的影响和结构构件基本相等。

2.5 小结

   综上所述,隔震建筑具有更好的抗震韧性,消能减震和抗震建筑在抗震韧性方面表现较差。尤其是对于仅仅满足结构抗震设计最低要求的建筑,不能达到本《标准》建筑抗震韧性的要求。

   消能减震建筑的抗震韧性与隔震建筑差距明显。从结构设计的角度来看,《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016版) [13]和《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297—2013) [15]中对于消能减震结构的抗震要求主要体现在抗震变形方面,且与对抗震结构的要求基本一致。为了更好地实现基于性能的抗震设计要求,规范只建议“消能减震结构的层间位移角限值可比不设置消能减震的结构适当减小”。结合消能减震算例的结果和《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297—2013) [15]第6.5节列出的消能减震结构抗震性能目标,算例建筑在设防地震和罕遇地震水平下均处于性能4阶段(设防地震水平下轻微至接近中等破坏,罕遇地震水平下接近严重破坏)。表明目前规范所采用的消能减震设计方法难以提高建筑抗震韧性。

3 结论

   基于《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591—2020),开发了清华大学建筑抗震韧性评价系统软件,并对6栋建筑进行了韧性评价和结果分析,结论如下:

   (1)运用清华大学建筑抗震韧性评价系统可以准确地对建筑进行抗震韧性评价,评价结果符合规范的设计要求,结果合理。

   (2)按照现行规范设计的抗震、消能减震和隔震建筑的抗震韧性差异明显。隔震建筑最优,抗震建筑最差。在本算例中,上部结构不进行降度设计的隔震建筑可以达到抗震韧性三星级,采用降度设计的隔震建筑基本可以达到二星级;消能减震建筑和抗震性能较好的抗震建筑可以获得一星评价,仅满足现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)下限要求的抗震建筑不具备抗震韧性。

   (3)《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591—2020)中的抗震韧性评价方法可作为一种有效的性能化抗震设计方法,既可与现行性能化设计宏观目标吻合,也能推动隔震、消能减震等抗震技术措施的应用。

   (4)对于抗震和消能减震建筑,非结构构件的抗震性能对建筑物的抗震韧性的影响较大,相较于抗震方案,消能减震方案对于加速度敏感型非结构构件的保护效果并不明显;对于隔震建筑,非结构构件的抗震性能对建筑物的抗震韧性的影响和结构构件基本相等。

    

参考文献[1] 翟长海,刘文,谢礼立.城市抗震韧性评估研究进展[J].建筑结构学报,2018,39(9):1-9.
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[8] 杨静,李大鹏,翟长海,等.城市抗震韧性的研究现状及关键科学问题[J].中国科学基金,2019,33(5):525-532.
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[10] Seismic performance assessment of buildings Volume 2- implementation guide:FEMA P-58[S].Washington,D.C.:Federal Emergency Management Agency,2018.
[11] 李雪,余红霞,刘鹏.建筑抗震韧性的概念和评价方法及工程应用[J].建筑结构,2018,48(18):1-7.
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[13] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010 [S].2016年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.
[14] 北京市建设工程计价依据—预算定额:房屋建筑与装饰工程预算定额[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[15] 建筑消能减震技术规程:JGJ 297—2013 [S].北京:中国建筑工业出版社,2013.
Case study based on Standard for seismic resilience assessment of buildings
WANG Xiaoting PAN Peng WANG Tao SHEN Zhouyang WANG Haishen
(Civil Engineering Department, Tsinghua University Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Tsinghua University Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics,CEA)
Abstract: Seismic resilience assessment of buildings has become a research hot topic in earthquake engineering community, which has a great significance to guide owners and designers to actively enhance the aseismic performance of buildings. A seismic resilience assessment software has also been development based on the Standard for seismic resilience assessment of buildings(GB/T 38591—2020), and the software was used to evaluate the resilience of 6 reinforced concrete buildings. It is found that the base-isolated buildings are much easier to get higher seismic resilience rank compared with conventional seismic resistant buildings and energy dissipation buildings. Energy dissipation buildings that the superstructures designed without considering seismic force reduction effects can achieve three stars seismic resilience. Energy dissipation buildings designed with considering seismic force reduction effects can basically achieve two stars seismic resilience, and energy dissipation and seismic resistant buildings with good seismic performance can achieve one star seismic resilience. Seismic resistant buildings designed according to the lower limit of the current seismic design code cannot meet the requirements of one star seismic resilience. For seismic and energy dissipation buildings, the seismic performance of non-structural components has a significant effect on the seismic resilience of buildings.
Keywords: building seismic resilience; national standard; evaluation standard; assessment software; case study
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