建筑设计,横向边框架组合荷载计算及结构设计.doc
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毕业设计(论文)任务书 系: 专 业: 建筑工程技术 学 生 姓 名: 学 号: 设计(论文)题目: 某高校院系综合楼的设计 建筑设计,横向边框架组合荷载计算及结构设计 起 迄 日 期: 设计(论文)地点: 指 导 教 师: 专业负责人: 发任务书日期: 目录 1 摘要 ……………………………………………………………………………3 2 前言 ……………………………………………………………………………4 3 结构设计说明 …………………………………………………………………5 3.1 工程概况 ………………………………………………………………5 3.2 设计主要依据和资料 …………………………………………………5 3.3结构方案的选型及布置 ………………………………………………7 4 结构设计计算说明书 ………………………………………………………9 4.1竖向恒载作用下的横向框架内力计算 …………………………… …9 4.2竖向活荷载作用下横向框架内力计算 …………………………………21 4.3 内力组合计算 ……………………………………………………………31 5 框架梁的配筋计算 …………………………………………………………38 6 框架柱的配筋计算 ………………………………………………………44 6 结论 ……………………………………………………………………… 48 7 致谢 ……………………………………………………………………………49 参考文献 ………………………………………………………………………… 50 摘要 本结构计算选用横向边框架为计算单元,采用手算的简化计算方法,其中计算框架在竖向荷载下的内力时使用的弯距二次分配法,不但使计算结果较为合理,而且计算量较小,是一种不错的手算方法。本设计主要通过工程实例来强化大学期间所学的知识,建立一个完整的设计知识体系,了解设计总过程,通过查阅大量的相关设计资料,提高自己的动手能力。 关键词:框架、梁、柱、结构设计、配筋 前言 结构设计是土木工程毕业设计的重要阶段,是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。 本组毕业设计题目为«某高校院系综合楼的设计»。在结构前期,我温习了«结构力学»、«土力学与基础工程»、«混凝土结构»、并借阅了«混凝土规范»、«荷载规范»、«砌体规范»、«地基规范»等规范。在网上搜集了不少资料,并做了笔记。在结构设计中期,我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行计算和分析。本组在成员齐心协力,发挥了大家的团队精神。在结构设计后期,主要进行设计手稿的电脑输入和计算出图(并有一张手画基础图),并得到老师的审批和指正,使我圆满的完成了任务,在此表示衷心的感谢。 结构设计的八周里,在指导老师的帮助下,经过资料查阅、设计计算、以及外文的翻译, 加深了对新规范、规程、手册等相关内容的理解。巩固了专业知识、提高了综合分析、解决问题的能力。在进行内力组合的计算时,进一步了解了Excel;在绘图时熟练掌握了AutoCAD,等专业软件。以上所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求。 框架结构设计的计算工作量很大,在计算过程中以手算为主,辅以一些计算软件的校正。由于自己水平有限,难免有不妥和疏忽之处,敬请各位老师批评指正。 3.结构设计说明 3.1 工程概况 本工程为某高校院系综合楼的建筑及结构设计(包括建筑设计,横向边框架组合荷载计算及结构设计),该建筑为框架结构,层数为五层,建筑面积约8000 平方米。根据该房屋的使用功能及建筑设计要求,进行了平立面及剖面的设计,主体结构为5 层,层高均为4m。填充墙采用蒸压粉煤灰混凝土砌块,外墙300mm,内墙200mm;门为实木门,门洞尺寸1.0m×2.1m;窗为铝合金窗,窗洞尺寸1.8m×2.4m。楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构,板厚120mm。 3.2 设计主要依据和资料 3.2.1 设计依据 a) 国家及江苏省现行的有关结构设计规范、规程及规定。 b) 本工程各项批文及甲方单位要求。 c) 本工程的活载取值严格按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)执行。 3.2.2 设计资料 1 房屋建筑学 武汉工业大学出版社 2 混凝土结构(上、下) 武汉理工大学出版社 3 基础工程 同济大学出版社 4 建筑结构设计 东南大学出版社 5 结构力学 人民教育出版社 6 地基与基础 武汉工业大学出版社 7 简明建筑结构设计手册 中国建筑工业出版社 8 土木工程专业毕业设计指导 科学出版社 9 实用钢筋混凝土构造手册 中国建筑工业出版社 10 房屋建筑制图统一标准(BG50001-2001) 中国建筑工业出版社 11 建筑结构制图标准(BG50105-2001) 中国建筑工业出版社 12 建筑设计防火规范(GBJ16—87) 中国建筑工业出版社 13 民用建筑设计规范(GBJI0I8-7) 中国建筑工业出版社 14 综合医院建筑设计规范(JGJ49-88) 中国建筑工业出版社 15 建筑楼梯模数协调标准(GBJI0I-87) 中国建筑工业出版社 16 建筑结构荷载规范(GB5009-2001) 中国建筑工业出版社 17 建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001) 中国建筑工业出版社 18 混凝土结构设计规范(GB50010—2002) 中国建筑工业出版社 19 地基与基础设计规范(GB5007-2002) 中国建筑工业出版社 20 砌体结构 中国建筑工业出版社 21 简明砌体结构设计施工资料集成 中国电力出版社 22 土木工程专业毕业设计指南 中国水利水电出版社 23 土建工程图与AutoCAD 科学出版社 24 简明砌体结构设计手册 机械工业出版社 25 砌体结构设计手册 中国建筑工业出版社 26 砌体结构设计规范(GB50010—2002) 中国建筑工业出版社 全部图纸尺寸除标高以米为单位外均以毫米为单位。本工程结构图中所注标高均为结构标高。 3.3结构方案的选型及布置 3.3.1 确定结构体系 本工程采用框架承重,现浇整体式钢筋砼楼板,墙体200厚KP1空心砖墙。 3.3.2 梁柱截面的确定 梁、柱截面尺寸的初步确定: (1)梁截面尺寸估算 梁截面高度一般取梁跨度的 1/12~1/8 进行估算,梁宽取梁高的1/3~1/2。本方案中边横梁高为7200×1/12=600mm , 截面宽度取600×1/2=300mm , 可得梁的截面初步定为b×h=300×600。各种梁截面见表4.1 表3.1 梁截面尺寸表(mm) 混凝土等级 横梁(b×h) 纵梁(b×h) 次梁(b×h) AB 跨、CD 跨 BC 跨 C30 300×600 300×400 300×600 300×500 (2)柱的截面尺寸估算 根据柱的轴压比限值按下列公式计算: a)柱组合的轴压力设计值 N=βFgEn[1] gE为折算在单位面积上的重力荷载代表值,近似的取(12~15)kN/m2; n 为验算截面以上的楼层层数。 b)计算过程: 对于边柱: N=βFgEn=1.3×25.92×14×5=2358.72 KN Ac=N/[μN]fc=2358.72×103/(0.8×14.3)=206181.82 mm² 对于中柱: N=βFgEn=1.25×34.56×14×5=3024.00 KN Ac=N/[μN]fc= 26433.66 mm ² 综合以上计算结果并考虑其它因素取边柱和中柱截面为600mm×600mm。 表3.2 柱截面尺寸(mm) 层次 混凝土等级 b×h 1-5 C30 600×600 3.3.3 结构布置及计算简图 图3-1 4.结构设计计算说明书 4.1 竖向恒载作用下的横向框架(KJ-1)内力计算 4.1.1 竖向恒载计算 1、屋面框架梁线载标准值 屋面恒载为4.18kN/m2 边跨框架梁自重(含粉刷)为: 3.2kN/m 中跨框架梁自重(含粉刷)为: 1.78kN/m 屋面板传给边跨梁的线载为: 4.18×(5+1)/2×2/5=5.02kN/m 屋面板传给中跨梁的线载为: 4.18×2×1/2/2=2.09kN/m 女儿墙自重: 0.2×0.5×14=1.4 kN/m 2、楼面框架梁线载标准值 楼面恒载为4.31KN/m2 边跨框架梁自重(含粉刷)为: 3.2kN/m 中跨框架梁自重(含粉刷)为: 1.78kN/m 楼面板传给边跨梁的线载为: 4.31×(5+1)/2×2/5=5.17kN/m 楼面板传给中跨梁的线载为: 4.31×2×1/2/2=2.16kN/m 墙自重: 0.2×2.9×14+0.02×2.9×2×20=10.44 kN/m 3、屋面框架节点集中荷载标准值 (1)、边柱 纵向框架梁传来的屋面板自重 4.18×4/2=8.36kN 边柱纵向框架梁自重(含粉刷) 5.02×2=10.04kN 0.5m高女儿墙自重 0.5×0.2×2×14=2.8kN 女儿墙粉刷 0.5×0.02×2×2×20=0.8kN GA= GD=22kN (2)、中柱 纵向框架梁传来的屋面板自重 8.36+4.18×3/2=14.63kN 中柱纵向框架梁自重(含粉刷) 5.02×2=10.04kN GB=GC=24.67kN 4、楼面框架节点集中荷载标准值 (1)、边柱 边柱纵向框架梁自重(含粉刷) 10.04kN 楼面板自重 4.18×4/2=8.36kN 纵向框架梁传来的墙自重 0.2×2×2.9×14=16.24kN 墙粉刷 2×0.02×1/2×4×2.9×20=4.64kN 框架柱自重(含粉刷) 4.064×2.9=11.79kN GA=GD=51.07kN (2)、中柱 中柱纵向框架梁自重(含粉刷) 10.04kN 楼面板自重 8.36+4.31×3/2=14.83kN 纵向框架梁传来的墙自重 16.24kN 墙粉刷 4.64kN 框架柱自重(含粉刷) 25.38kN GA=GD=71.13kN 5、竖向恒载作用下的结构计算简图 图4-1 4.1.2 竖向荷载作用下横向框架(KJ-1)内力计算 1、求各梁端的固端弯矩 第五层 MAB= -MBA= MCD= -MDC= -ql2= -×9.62×52= -20.04kNm MBC= -MCB = MCD= -MDC= -ql2= -×5.27×22= -1.76kNm 第一~四层 MAB= -MBA= -ql2= -×16.49×52= -34.35kNm MBC= -MCB = -ql2= -×12.06×22= -4.02kNm 2、计算各梁和柱的分配系数 各梁柱的线刚度及相对线刚度如下图所示: 图4-2 梁柱的分配系数如下表所示 表4-1 层 次 五 层 四、三、二层 底 层 节 点 A B C D A B C D A B C D 转 动 刚 度 S 左梁 — 5.76 134 5.76 — 5.76 1 5.76 — 5.76 1 5.76 上柱 — — — — 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 下柱 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 6.16 6.16 6.16 6.16 右梁 5.76 1 5.76 — 5.76 1 5.76 — 5.76 1 5.76 — ΣS 12.45 13.45 13.45 12.45 19.13 20.13 20.13 19.13 18.61 19.61 19.61 18.61 分 配 系 数 左梁 — 0.43 0.07 0.46 — 0.27 0.05 0.3 — 0.29 0.05 0.31 上柱 — — — — 0.35 0.34 0.34 0.35 0.36 0.34 0.34 0.36 下柱 0.54 0.5 0.5 0.54 0.35 0.34 0.34 0.35 0.33 0.31 0.31 0.33 右梁 0.46 0.07 0.43 — 0.3 0.05 0.27 — 0.31 0.05 0.29 — 注:在计算分配系数时,除底层柱外的其余各层柱,其线刚度均应乘以折减系数0.9。 3、用弯矩分配法计算梁、柱端的弯矩 注:各节点间的传递系数均为1/2。 图4-3 4、利用支座弯矩和实际荷载求边跨跨中弯矩 经过推导,可得边跨跨中弯矩为: M中= -+(g+q)l2 式中:M1、M2——分别为梁左右两端的支座弯矩 q——梁上所受的均布荷载值 g——梁自重的均布荷载 l——梁的总跨度 故各层梁边跨的跨中弯矩为: 第五层: MAB = MDC =-+×9.62×52 =13.83kNm MBC中= -2.41+×5.27×22 =0.23kNm 第四层: MAB =-+×16.49×5 2 =20.19kNm MBC中=-4.59+×12.06×22 =1.44kNm 第三层: MAB =-+×16.49×5 2=20.01kNm MBC中=-4.61+×12.06×22 =1.42kNm 第二层: MAB =-+×16.49×5 2=19.99kNm MBC中=-4.61+×12.06×22 =1.42kNm 第一层: MAB =-+×16.49×5 2=19.99kNm MBC中=-4.87+×12.06×22 =1.16kNm 5、各层弯矩迭加 图4-4 6、根据弯矩图利用平衡条件及实际荷载求剪力及轴力 (1)、第五层 图4-5 VA= VD=(15.71+×9.62×52-16.75)/5=23.84kN VB左= VC右=(16.75+×9.62×52-15.71)/5=24.26kN NA= ND=23.84+22=45.84KN 图4-6 VB右= VC左=(2.41+×5.27×22-2.41)/2=5.27kN NB= NC=5.27+24.26+22=51.53kN (2)、第四层 VA= VD=(30.34+×16.49×52-32.35)/5=40.82kN VB左= VC右=(32.35+×16.49×52-30.34)/5=41.63kN NA= ND=23.84+51.07+40.82=115.73kN VB右= VC左=12.06kN NB= NC=12.06+71.13+41.63+51.53=176.35kN (3)、第三层 VA= VD=(30.52+×16.49×52-32.52)/5=40.83kN VB左= VC右=(32.52+×16.49×52-30.52)/5=41.63KN NA= ND=115.73+40.83+51.07=207.63kN VB右= VC左=12.06kN NB= NC=12.06+71.13+41.63+176.35=301.17kN (4)、第二层 VA= VD=(30.57+×16.49×52-32.52)/5=40.84kN VB左= VC右=(32.52+×16.49×52-30.57)/5=41.62kN NA= ND=40.84+51.07+207.63=299.54kN VB右= VC左=12.06kN NB= NC=12.06+41.62+71.13+301.17=425.98kN (5)、第一层 VA= VD=(28.7+×16.49×52-30.32)/5=40.9kN VB左= VC右=(30.32+×16.49×52-28.7)/5=41.55kN NA= ND=40.9+51.07+299.54=391.51kN VB右= VC左=12.06kN NB= NC=12.06+41.5+71.13+425.98=550.67kN 经整理可得: 图4-7 7、进行弯矩调幅 弯矩调幅时:支座调幅0.85,跨中调幅1.15。 图4-8 4.2 竖向活载作用下的横向框架(KJ-6)内力计算 4.2.1竖向活载计算 1、屋面框架梁线载标准值 屋面活载为0.7KN/m2 屋面板传给边跨梁的线载为: 0.7×1/2×(5+1)×2/5=0.84KN/m 屋面板传给中跨梁的线载为: 0.7×1/2×1×2/2=0.35KN/m 2、楼面框架梁线载标准值 本例楼面、楼梯活载取2.0KN/m2。 楼面板传给边跨梁的线载为: 2×1/2×(5+1)×2/5=2.4KN/m 楼面板传给中跨梁的线载为: 2×1/2×1×2/2=1KN/m 3、屋面框架节点集中荷载标准值 A柱(D柱)集中力: 0.7×1/2×4×2/2=1.4KN B柱(C柱)集中力: 1.4+0.7×1/2×(4+2)×1=3.5KN 4、楼面框架节点集中荷载标准值 A柱(D柱)集中力: 2×1/2×4×2/2=4KN B柱(C柱)集中力: 4+2×1/2×(4+2)×1=10KN 5、竖向活载作用下的结构计算简图 图4-9 4.3.2 竖向荷载作用下横向框架(KJ-6)内力计算 1、求各梁端的固端弯矩 第五层 MAB= -MBA= MCD= -MDC=-ql2= -×0.84×52= -1.75KNm MBC= -MCB =-ql2= -×0.35×22= -0.12KNm 第一~四层 MAB= -MBA= MCD= -MDC= -ql2= -×2.4×52= -5KNm MBC= -MCB=-ql2= -×1×22 =-0.33KNm 2、计算各梁和柱的分配系数 各梁柱的线刚度及相对线刚度如下图所示: 图4-10 梁柱的分配系数如下表所示: 表4.2 层 次 五 层 四、三、二层 底 层 节 点 A B C D A B C D A B C D 转 动 刚 度 S 左梁 — 5.76 134 5.76 — 5.76 1 5.76 — 5.76 1 5.76 上柱 — — — — 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 下柱 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 7.4330.9 6.16 6.16 6.16 6.16 右梁 5.76 1 5.76 — 5.76 1 5.76 — 5.76 1 5.76 — ΣS 12.45 13.45 13.45 12.45 19.13 20.13 20.13 19.13 18.61 19.61 19.61 18.61 分 配 系 数 左梁 — 0.43 0.07 0.46 — 0.27 0.05 0.3 — 0.29 0.05 0.31 上柱 — — — — 0.35 0.34 0.34 0.35 0.36 0.34 0.34 0.36 下柱 0.54 0.5 0.5 0.54 0.35 0.34 0.34 0.35 0.33 0.31 0.31 0.33 右梁 0.46 0.07 0.43 — 0.3 0.05 0.27 — 0.31 0.05 0.29 — 注:在计算分配系数时,除底层柱外的其余各层柱,其线刚度均应乘以折减系数0.9。3、用弯矩分配法计算梁、柱端的弯矩 注:各节点间的传递系数均为1/2。 图4-11 4、利用支座弯矩和实际荷载求边跨跨中弯矩 经过推导,可得边跨跨中弯矩为: M中= -+(g+q)l2 式中:M1、M2——分别为梁左右两端的支座弯矩 q——梁上所受的均布荷载值 g——梁自重的均布荷载 l——梁的总跨度 故各层梁边跨的跨中弯矩为: 第五层: MAB = MDC =-+×0.84×52 =1.06KNm MBC中=-0.15+×0.35×22= 0.03KNm 第四层: MAB = MDC =-+×2.4×52 =2.94KNm MBC中=-0.42+×1×22= 0.08KNm 第三层: MAB =-+×2.4×52 =2.92KNm MBC中=-0.4+×1×22=0.1KNm 第二层: MAB =-+×2.4×52 =2.92KNm MBC中=-0.4+×1×22=0.1KNm 第一层: MAB =-+×2.4×52 =3.23KNm MBC中=-0.45+×1×22=0.05KNm 5、各层弯矩迭加 图4-12 6、根据弯矩图利用平衡条件及实际荷载求剪力及轴力 (1)、第五层 VA= VD=(1.54+×0.84×52-1.6)/5=2.09KN VB左= VC右=(1.6+×0.84×52-1.54)/5=2.11KN NA= ND=2.09+1.4=3.49KN 图4-14 VB右= VC左=0.35KN NB= NC=0.35+3.5+2.11=5.96KN (2)、第四层 图4-15 VA= VD=(4.35+×2.4×52-4.58)/5=5.95KN VB左= VC右=(4.58+×2.4×52-4.35)/5=6.05KN NA= ND=5.95+4+2.09=12.04KN 图4-16 VB右= VC左=1KN NB= NC=1+10+6.05+5.96=23.01KN (3)、第三层 VA= VD=(4.47+×2.4×52-4.69)/5=5.96KN VB左= VC右=(4.69+×2.4×52-4.47)/5=6.04KN NA= ND=5.96+4+12.04=22KN VB右= VC左=1KN NB= NC=1+10+6.04+23.01=40.05KN (4)、第二层 VA= VD=(4.48+×2.4×52-4.69)/5=5.96KN VB左= VC右=(4.69+×2.4×52-4.48)/5=6.04KN NA= ND=5.96+4+22=31.96KN VB右= VC左=1KN NB= NC=1+10+6.04+40.05=57.09KN (5)、第一层 VA= VD=(4.2+×2.4×52-4.35)/5=5.97KN VB左= VC右=(4.35+×2.4×52-4.2)/5=6.03KN NA= ND=5.97+4+31.96=41.93KN VB右= VC左=1KN NB= NC=1+10+6.03+57.09=74.12KN 经整理可得: 图4-17 7、进行弯矩调幅 弯矩调幅时:支座调幅0.85,跨中调幅1.15。 图4-18 4.3 内力组合 一、对竖向恒载、活载作用下的梁端弯矩进行调幅。(梁端统一取调幅系数0.8,而跨中弯矩利用平衡条件求得 表 4.3 竖向恒荷作用下的梁端弯矩调幅 荷载类型 竖向恒荷作用下的梁端弯矩调幅 荷载位置 B端 C端左 BC跨中截面 C右=D BC跨中截面 层次 调幅前 调幅后 调幅前 调幅后 调幅前 调幅后 调幅前 调幅后 调幅前 调幅后 5 56.88 51.19 64.62 58.16 58.42 64.50 14.22 12.80 8.33 5.63 4 86.67 78.00 89.44 80.50 56.96 65.77 10.2 9.18 5.04 4.10 3 85.4 76.86 88.72 79.85 57.96 66.67 10.42 9.38 5.34 4.30 2 85.83 77.25 89.04 80.14 57.59 66.33 10.33 9.30 5.25 4.22 1 78.09 70.28 83.27 74.94 64.34 72.41 12.59 11.33 7.51 6.25 表 4.4 竖向活荷作用下的梁端弯矩调幅 荷载类型 竖向活荷作用下的梁端弯矩调幅 荷载位置 A端 B左 AB跨中截面 B右=C左 BC跨中截面 层次 调幅前 调幅后 调幅前 调幅后 调幅前 调幅后 调幅前 调幅后 调幅前 调幅后 5 20.5 18.45 23.62 21.26 22.07 15.05 4.79 4.31 2.09 1.61 4 26.72 24.05 27.84 25.06 16.85 19.58 3.7 3.33 1.0 0.63 3 25.9 23.31 27.16 24.44 17.6 20.25 3.9 3.51 1.2 0.81 2 26.03 23.43 27.25 24.53 17.49 20.15 3.87 3.48 1.17 0.78 1 23.69 21.32 25.54 22.99 19.51 21.98 4.53 4.08 1.83 1.38 4.3.1 一榀框架的内力组合 根据以上内力计算结果,我们可进行框架各梁柱控制截面的内力组合。由于结构的对称性,梁每层有五个控制截面,柱分为A柱、B柱,每层柱有两个控制截面。采用的组合形式为: (1)活荷载起控制作用的组合(即基本组合) (2)恒荷载起控制作用的组合 一、 框架梁内力组合 (1).边跨梁: 表 4.5 边跨梁内力组合表(表中弯矩单位为kN·m,轴力单位为kN) 层数边跨 截面 内力 恒载① 活载② 内力组合 1.2×①+1.4×② 1.2×(①+0.5×②) 1.35①+1.4×0.7② 五层 左 M -51.19 -18.45 -87.26 -28.32 -116.67 -87.1875 V 65.12 24.09 111.87 103.80 81.39 111.5202 中 M 64.5 15.05 98.47 90.28 82.58 101.824 右 M -58.16 -21.26 -99.56 -46.06 -119.04 -99.3508 V -67.28 -24.95 -115.67 -84.50 -106.91 -115.279 四层 左 M -78 -24.05 -127.27 -7.37 -208.69 -128.869 V 80.19 24.36 130.33 137.38 84.31 132.1293 中 M 65.77 19.58 106.34 95.81 85.54 107.9779 右 M -80.5 -25.06 -131.68 -21.23 -202.04 -133.234 V -80.95 -24.68 -131.69 -85.42 -138.48 -133.469 三层 左 M -76.86 -23.31 -124.87 59.01 -271.45 -126.605 V 80.11 24.34 130.21 153.29 68.19 132.0017 中 M 66.67 20.25 108.35 104.21 80.10 109.8495 右 M -79.85 -24.44 -130.04 30.66 -251.63 -131.749 V -81.03 -24.7 -131.82 -69.51 -154.61 -133.597 二层 左 M -77.25 -23.43 -125.50 102.53 -316.05 -127.249 V 80.12 24.35 130.23 165.38 56.13 132.025 中 M 66.33 20.15 107.8- 配套讲稿:
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