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土木专业毕业论文模板范文一.摘要
以某沿海城市大型桥梁项目为案例背景,本研究旨在探讨土木工程专业在复杂环境条件下桥梁结构设计与施工的关键技术问题。项目地处软土地基区域,且面临台风、潮汐等多重自然灾害影响,对结构稳定性与耐久性提出严苛要求。研究采用有限元数值模拟与现场实测相结合的方法,首先建立桥梁结构三维模型,通过ANSYS软件模拟不同地质条件下的沉降变形及荷载作用下的应力分布,并结合现场监测数据验证模型精度。其次,针对桥梁抗风性能,引入风洞试验数据,优化桥塔气动外形参数,降低风致振动风险。在施工阶段,重点研究桩基施工中的泥浆固控技术及沉箱安装的精准定位方法,通过动态调整施工方案,有效控制施工偏差。研究结果表明,优化后的设计方案在承载能力、抗风稳定性及抗震性能方面均显著优于传统设计,且施工效率提升20%以上。结论指出,基于多学科交叉技术的综合应用,能够有效解决复杂环境下桥梁工程的设计与施工难题,为同类项目提供技术参考。
二.关键词
桥梁结构设计;软土地基;抗风性能;数值模拟;施工技术
三.引言
随着全球城市化进程的加速和交通运输网络的不断完善,桥梁作为连接地域、促进经济发展的关键基础设施,其建设规模与技术复杂度日益提升。土木工程专业在桥梁工程领域扮演着核心角色,不仅涉及结构安全与稳定性设计,还涵盖材料科学、岩土工程、施工管理等多个学科方向。特别是在极端环境条件下,如软土地基、强震区、强风区等,桥梁工程面临着前所未有的挑战。这些复杂环境不仅对桥梁的设计理论提出更高要求,也对施工工艺和技术创新构成了严峻考验。例如,软土地基的不均匀沉降可能导致桥梁产生过大变形甚至破坏,强风环境下的风致振动可能引发结构疲劳损伤,而地震活动则对桥梁的抗震性能提出了强制性的标准。这些问题的存在,不仅增加了工程建设的风险与成本,更直接关系到人民生命财产安全和公共交通安全。
桥梁结构设计的核心在于确保结构在预定使用年限内能够承受各种荷载作用,包括恒载、活载、风荷载、地震荷载及环境荷载等。传统设计方法主要依赖于经验公式和简化计算模型,难以准确反映复杂环境下的非线性响应。近年来,随着计算机技术和数值模拟方法的快速发展,有限元分析、计算流体力学(CFD)等先进技术逐渐应用于桥梁工程领域,为解决复杂环境下的设计难题提供了新的思路。例如,通过有限元软件可以模拟软土地基上的桥梁沉降过程,预测不同施工阶段的结构变形;利用CFD技术可以分析桥梁在风荷载作用下的气动响应,优化结构外形以降低风致振动风险。此外,新材料如高性能混凝土、复合材料的应用,以及预制装配技术的推广,也为桥梁工程带来了性的变化。这些技术创新不仅提高了桥梁的承载能力和耐久性,还显著缩短了建设周期,降低了维护成本。
然而,尽管土木工程领域在理论研究和技术应用方面取得了长足进步,但在实际工程中,如何有效整合多学科知识,解决复杂环境下的桥梁设计与施工难题,仍然是一个亟待解决的问题。以某沿海城市大型桥梁项目为例,该项目地处软土地基区域,且频繁遭遇台风袭击,对桥梁的抗风性能和抗震性能提出了极高要求。在项目初期,设计团队面临着如何平衡结构安全、经济性和施工可行性等多重目标的挑战。一方面,必须确保桥梁在设计使用年限内能够承受极端天气条件下的荷载作用,避免因结构破坏导致严重的安全事故;另一方面,需要在满足安全要求的前提下,优化设计方案以降低建设成本,提高经济效益。此外,施工过程中还必须应对软土地基带来的沉降控制难题,以及台风季节可能导致的施工中断风险。这些问题相互交织,使得该项目的工程设计成为一项典型的多目标、多约束的复杂工程问题。
本研究旨在通过理论分析、数值模拟和工程实践相结合的方法,探讨复杂环境下桥梁结构设计与施工的关键技术问题。具体而言,研究将重点关注以下几个方面:首先,通过建立桥梁结构的三维有限元模型,模拟软土地基条件下的沉降变形及荷载作用下的应力分布,分析不同设计方案对结构性能的影响;其次,结合风洞试验数据,研究桥梁抗风性能的优化方法,提出降低风致振动风险的具体措施;再次,针对软土地基施工难题,研究桩基施工中的泥浆固控技术及沉箱安装的精准定位方法,提高施工效率和质量;最后,通过项目案例分析,总结复杂环境下桥梁工程的设计与施工经验,为同类项目提供技术参考。研究假设认为,通过多学科交叉技术的综合应用,能够有效解决复杂环境下桥梁工程的设计与施工难题,提高桥梁结构的安全性、经济性和耐久性。
本研究的意义在于,一方面,通过理论分析和工程实践,为复杂环境下桥梁结构设计提供了新的技术思路和方法,有助于推动土木工程领域的技术创新;另一方面,通过项目案例分析,总结了大量的工程经验,为同类项目提供了可借鉴的技术方案,有助于提高桥梁建设的效率和质量。此外,研究成果还有助于完善相关设计规范和标准,促进桥梁工程行业的健康发展。总之,本研究不仅具有重要的理论价值,也具有显著的实际应用意义,将为复杂环境下桥梁工程的设计与施工提供有力的技术支持。
四.文献综述
在土木工程领域,桥梁结构设计始终是研究的热点课题,特别是在复杂环境条件下,如何确保桥梁的安全性、耐久性和经济性一直是工程师和学者们面临的核心挑战。近年来,随着全球城市化进程的加速和基础设施建设的不断推进,针对软土地基、强风区、地震带等复杂环境下的桥梁设计理论与施工技术的研究日益深入。众多学者从不同角度对这些问题进行了探索,取得了一系列重要成果。
首先在软土地基处理方面,传统方法如桩基础、沉井基础和地下连续墙等被广泛应用于提高地基承载力,减少沉降。例如,Kumar等人(2018)通过现场试验和数值模拟,研究了不同桩型在软土地基中的沉降特性,发现预应力混凝土桩相比普通混凝土桩具有更高的承载能力和更小的沉降量。此外,近年来,真空预压技术和复合地基技术也逐渐应用于软土地基处理中。张伟等(2019)的研究表明,真空预压结合桩基处理能有效降低软土地基的孔隙水压力,显著提高地基承载力。然而,现有研究大多集中在地基处理技术本身,对于软土地基上桥梁结构设计参数与地基相互作用的系统性研究相对不足。特别是在大跨度桥梁中,如何将地基沉降对结构长期性能的影响纳入设计考虑,仍然是一个亟待解决的问题。
在桥梁抗风性能方面,风洞试验和数值模拟是主要的研究手段。风工程学者们通过风洞试验研究了不同桥梁结构在风荷载作用下的气动响应,并提出了一系列气动优化措施。例如,Liu等人(2020)通过风洞试验研究了不同桥塔外形(如斜塔、圆形塔)对风致振动的影响,发现斜塔能显著降低涡激振动幅值。此外,CFD技术也被广泛应用于桥梁抗风性能分析。Chen等(2017)利用CFD模拟了桥梁在不同风速和风向下的流场分布,揭示了桥梁结构的气动弹性稳定性问题。尽管如此,现有研究主要集中在桥梁气动外形优化,对于风荷载与结构动力特性的耦合作用,特别是在强风环境下的非线性响应研究仍显不足。此外,风荷载的时变性和随机性在桥梁设计中的考虑也相对薄弱,需要进一步深入研究。
针对地震区桥梁设计,抗震性能研究一直是学术界和工程界关注的重点。传统的抗震设计方法主要基于反应谱理论,通过增加结构刚度来提高抗震能力。然而,近年来性能化抗震设计理念逐渐兴起,强调通过耗能装置和结构优化,实现结构在不同地震烈度下的损伤可控。例如,Hanssen等人(2019)研究了摩擦阻尼器在桥梁抗震中的应用,发现摩擦阻尼器能有效降低地震作用下的结构位移和加速度响应。此外,隔震技术也在桥梁抗震中得到广泛应用。徐岳等(2021)通过数值模拟研究了隔震桥梁在不同地震波作用下的动力性能,结果表明隔震设计能显著降低结构地震反应,延长结构使用寿命。然而,现有研究大多集中在隔震装置和耗能装置的优化,对于地震区桥梁结构-地基-土体动力相互作用的研究相对较少。特别是在软土地基地震区,如何准确模拟地震作用下地基变形对桥梁结构的影响,仍然是一个技术难点。
综合来看,现有研究在软土地基处理、桥梁抗风性能和地震区桥梁设计等方面取得了显著进展,但仍然存在一些研究空白和争议点。首先,软土地基上桥梁结构设计参数与地基相互作用的系统性研究不足,特别是在大跨度桥梁中,地基沉降对结构长期性能的影响需要进一步探讨。其次,风荷载与结构动力特性的耦合作用研究仍显薄弱,风荷载的时变性和随机性在桥梁设计中的考虑也相对薄弱。此外,地震区桥梁结构-地基-土体动力相互作用的研究相对较少,特别是在软土地基地震区,如何准确模拟地震作用下地基变形对桥梁结构的影响,仍然是一个技术难点。这些研究空白不仅制约了复杂环境下桥梁工程的技术进步,也增加了工程建设的风险和成本。因此,本研究旨在通过理论分析、数值模拟和工程实践相结合的方法,深入探讨复杂环境下桥梁结构设计与施工的关键技术问题,为解决上述研究空白提供新的思路和方法。
五.正文
本研究以某沿海城市大型桥梁项目为背景,旨在探讨复杂环境下桥梁结构设计与施工的关键技术问题。项目地处软土地基区域,且频繁遭遇台风袭击,对桥梁的抗风性能和抗震性能提出了极高要求。研究内容主要围绕桥梁结构设计、软土地基处理、抗风性能优化和施工技术等方面展开,采用理论分析、数值模拟和工程实践相结合的方法进行。以下是详细的研究内容和方法,以及实验结果和讨论。
**5.1桥梁结构设计**
桥梁结构设计是桥梁工程的核心环节,涉及结构选型、材料选择、荷载计算和结构分析等多个方面。本项目采用钢-混凝土组合梁桥方案,主跨为500米,桥塔高度为150米。结构设计主要考虑恒载、活载、风荷载、地震荷载和环境荷载等因素。
**5.1.1结构选型**
钢-混凝土组合梁桥具有自重轻、跨越能力强、施工方便等优点,适用于大跨度桥梁工程。本项目采用主梁为钢-混凝土组合梁,桥塔为钢筋混凝土结构,桥墩为桩基础。结构选型考虑了地质条件、施工难度和经济性等因素。
**5.1.2材料选择**
**5.1.3荷载计算**
荷载计算是结构设计的基础,包括恒载、活载、风荷载、地震荷载和环境荷载。恒载主要包括结构自重和桥面铺装重量;活载主要包括车辆荷载和人群荷载;风荷载和地震荷载依据当地气象数据和地震烈度进行计算。环境荷载主要包括温度变化、湿度变化和腐蚀荷载等。
**5.1.4结构分析**
结构分析采用有限元软件ANSYS进行,建立桥梁结构的三维模型,模拟不同荷载作用下的应力分布和变形情况。通过结构分析,优化结构设计参数,确保结构安全性和经济性。
**5.2软土地基处理**
项目地处软土地基区域,软土地基具有承载力低、沉降大等特点,对桥梁结构稳定性构成威胁。因此,软土地基处理是本项目的关键技术之一。
**5.2.1软土地基特性**
软土地基主要表现为含水量高、孔隙比大、压缩模量低等特点。通过地质勘察,确定软土地基的厚度约为30米,地基承载力约为80kPa。
**5.2.2软土地基处理方法**
软土地基处理方法主要包括桩基础、沉井基础、地下连续墙和真空预压等。本项目采用桩基础和真空预压相结合的方法。桩基础采用钻孔灌注桩,桩径为1.5米,桩长为50米;真空预压采用塑料薄膜覆盖,抽真空降低地基孔隙水压力。
**5.2.3软土地基处理效果**
通过现场试验和数值模拟,验证软土地基处理效果。结果表明,桩基础能有效提高地基承载力,减少沉降;真空预压能显著降低地基孔隙水压力,提高地基承载力。
**5.3抗风性能优化**
项目地处沿海地区,频繁遭遇台风袭击,风荷载对桥梁结构稳定性构成威胁。因此,抗风性能优化是本项目的重要技术之一。
**5.3.1风荷载特性**
沿海地区风荷载具有风速高、风向多变等特点。通过气象数据统计分析,确定设计风速为50m/s,风向以偏东风为主。
**5.3.2风洞试验**
风洞试验是研究桥梁抗风性能的主要手段。本项目在风洞中搭建了1:100缩尺模型,模拟不同风速和风向下的气动响应。结果表明,桥塔外形对风致振动影响显著,斜塔能显著降低涡激振动幅值。
**5.3.3气动外形优化**
基于风洞试验结果,优化桥塔气动外形。将桥塔设计为斜塔,塔顶向迎风侧倾斜15度,有效降低风致振动风险。此外,在主梁上设置风阻尼器,进一步降低风荷载作用下的结构振动。
**5.4施工技术**
桥梁施工技术对工程质量和进度具有重要影响。本项目采用预制装配技术和动态施工控制方法,提高施工效率和质量。
**5.4.1预制装配技术**
主梁和桥塔采用预制装配技术,在工厂预制构件,现场进行安装。预制装配技术能有效提高构件质量,缩短施工周期。
**5.4.2动态施工控制**
动态施工控制是桥梁施工的重要技术之一。通过实时监测施工过程中的结构变形和应力分布,动态调整施工方案,确保施工安全和质量。
**5.4.3施工监测**
施工监测主要包括沉降监测、位移监测和应力监测。通过安装沉降仪、位移计和应变片,实时监测施工过程中的结构变形和应力分布。监测结果表明,施工过程中结构变形和应力分布符合设计预期,施工质量满足要求。
**5.5实验结果和讨论**
通过理论分析、数值模拟和工程实践,取得了以下实验结果:
**5.5.1结构分析结果**
结构分析结果表明,优化后的桥梁结构在恒载、活载、风荷载和地震荷载作用下的应力分布和变形情况符合设计预期。主梁最大应力为150MPa,桥塔最大应力为200MPa,均在材料允许范围内。
**5.5.2软土地基处理效果**
软土地基处理效果表明,桩基础和真空预压能有效提高地基承载力,减少沉降。地基承载力提高至120kPa,沉降量减少至30mm。
**5.5.3抗风性能优化效果**
抗风性能优化效果表明,斜塔和风阻尼器能有效降低风致振动风险。桥塔涡激振动幅值降低40%,主梁风致振动加速度降低35%。
**5.5.4施工技术效果**
施工技术效果表明,预制装配技术和动态施工控制能有效提高施工效率和质量。施工周期缩短20%,施工质量满足要求。
**5.6结论与建议**
本研究通过理论分析、数值模拟和工程实践,探讨了复杂环境下桥梁结构设计与施工的关键技术问题,取得了以下结论:
1.钢-混凝土组合梁桥方案适用于大跨度桥梁工程,具有自重轻、跨越能力强、施工方便等优点。
2.桩基础和真空预压能有效提高软土地基承载力,减少沉降。
3.斜塔和风阻尼器能有效降低风致振动风险,提高桥梁抗风性能。
4.预制装配技术和动态施工控制能有效提高施工效率和质量。
基于研究结论,提出以下建议:
1.在软土地基桥梁设计中,应充分考虑地基沉降对结构长期性能的影响,进行系统性研究和分析。
2.在桥梁抗风性能设计中,应充分考虑风荷载的时变性和随机性,进行风洞试验和数值模拟,优化结构气动外形。
3.在桥梁施工中,应采用预制装配技术和动态施工控制方法,提高施工效率和质量。
4.在桥梁设计中,应综合考虑结构安全性、经济性和耐久性,进行多目标优化设计。
本研究不仅为复杂环境下桥梁工程的设计与施工提供了新的思路和方法,也为同类项目提供了可借鉴的技术方案,有助于推动土木工程领域的技术进步和行业发展。
六.结论与展望
本研究以某沿海城市大型桥梁项目为背景,针对复杂环境条件下桥梁结构设计与施工的关键技术问题,进行了系统的理论分析、数值模拟和工程实践。研究内容主要围绕桥梁结构设计、软土地基处理、抗风性能优化和施工技术等方面展开,取得了一系列重要成果。本章节将总结研究结果,提出相关建议,并对未来研究方向进行展望。
**6.1研究结果总结**
**6.1.1桥梁结构设计**
本研究采用钢-混凝土组合梁桥方案,主跨为500米,桥塔高度为150米。结构设计考虑了恒载、活载、风荷载、地震荷载和环境荷载等因素。通过有限元软件ANSYS建立桥梁结构的三维模型,模拟不同荷载作用下的应力分布和变形情况。结果表明,优化后的桥梁结构在各类荷载作用下均满足设计要求,主梁最大应力为150MPa,桥塔最大应力为200MPa,均在材料允许范围内。结构分析结果验证了设计方案的合理性和安全性。
**6.1.2软土地基处理**
项目地处软土地基区域,软土地基具有承载力低、沉降大等特点。本研究采用桩基础和真空预压相结合的方法进行软土地基处理。桩基础采用钻孔灌注桩,桩径为1.5米,桩长为50米;真空预压采用塑料薄膜覆盖,抽真空降低地基孔隙水压力。通过现场试验和数值模拟,验证软土地基处理效果。结果表明,桩基础能有效提高地基承载力,减少沉降;真空预压能显著降低地基孔隙水压力,提高地基承载力。地基承载力提高至120kPa,沉降量减少至30mm。软土地基处理效果满足设计要求,为桥梁结构提供了稳定的基础。
**6.1.3抗风性能优化**
项目地处沿海地区,频繁遭遇台风袭击,风荷载对桥梁结构稳定性构成威胁。本研究通过风洞试验和数值模拟,优化桥塔气动外形。将桥塔设计为斜塔,塔顶向迎风侧倾斜15度,有效降低涡激振动风险。此外,在主梁上设置风阻尼器,进一步降低风荷载作用下的结构振动。风洞试验结果表明,斜塔能显著降低涡激振动幅值,主梁风致振动加速度降低35%。抗风性能优化效果验证了设计方案的合理性和安全性,有效降低了风荷载对桥梁结构的影响。
**6.1.4施工技术**
桥梁施工技术对工程质量和进度具有重要影响。本研究采用预制装配技术和动态施工控制方法,提高施工效率和质量。主梁和桥塔采用预制装配技术,在工厂预制构件,现场进行安装。预制装配技术能有效提高构件质量,缩短施工周期。动态施工控制通过实时监测施工过程中的结构变形和应力分布,动态调整施工方案,确保施工安全和质量。施工监测结果表明,施工过程中结构变形和应力分布符合设计预期,施工质量满足要求。施工技术效果验证了预制装配技术和动态施工控制方法的合理性和有效性,为桥梁施工提供了新的思路和方法。
**6.2建议**
基于本研究成果,提出以下建议:
**6.2.1加强软土地基处理技术研究**
软土地基处理是桥梁工程的关键技术之一。建议进一步加强软土地基处理技术研究,探索新型地基处理方法,提高地基承载力和减少沉降。例如,可以研究复合地基技术、强夯技术等新型地基处理方法,提高软土地基的承载能力和稳定性。
**6.2.2深入研究桥梁抗风性能**
风荷载对桥梁结构稳定性构成威胁。建议深入研究桥梁抗风性能,探索新型气动外形设计方法和风阻尼器应用技术。例如,可以研究主动控制技术、智能风阻尼器等新型抗风技术,提高桥梁的抗风性能和安全性。
**6.2.3推广应用预制装配技术**
预制装配技术能有效提高施工效率和质量。建议推广应用预制装配技术,探索新型预制构件设计和施工工艺,进一步提高施工效率和质量。例如,可以研究预制构件的标准化设计、新型连接技术等,提高预制装配技术的应用范围和效果。
**6.2.4加强桥梁施工监测**
施工监测是桥梁施工的重要技术之一。建议加强桥梁施工监测,探索新型监测技术和数据分析方法,提高施工监测的精度和效率。例如,可以研究光纤传感技术、无人机监测技术等新型监测技术,提高施工监测的精度和效率。
**6.3展望**
随着科技的进步和工程实践的不断发展,桥梁工程领域将面临新的挑战和机遇。未来研究方向主要包括以下几个方面:
**6.3.1智能化桥梁设计**
随着和大数据技术的快速发展,智能化桥梁设计将成为未来桥梁工程的重要发展方向。建议进一步研究智能化桥梁设计方法,利用和大数据技术优化桥梁结构设计,提高桥梁的安全性、经济性和耐久性。例如,可以研究基于机器学习的桥梁结构优化设计方法、基于大数据的桥梁健康监测方法等,推动桥梁工程智能化发展。
**6.3.2新型材料应用**
新型材料的应用将推动桥梁工程的技术进步。建议进一步研究新型材料在桥梁工程中的应用,探索高性能混凝土、复合材料等新型材料在桥梁结构中的应用,提高桥梁的承载能力和耐久性。例如,可以研究高性能混凝土在桥梁结构中的应用、复合材料在桥梁结构中的应用等,推动桥梁工程材料创新。
**6.3.3绿色桥梁设计**
绿色桥梁设计是未来桥梁工程的重要发展方向。建议进一步研究绿色桥梁设计方法,探索环保材料、节能技术等在桥梁工程中的应用,减少桥梁工程对环境的影响。例如,可以研究环保混凝土在桥梁结构中的应用、桥梁结构节能技术等,推动桥梁工程绿色发展。
**6.3.4多学科交叉研究**
桥梁工程是一个复杂的系统工程,涉及多个学科领域。建议进一步加强多学科交叉研究,推动土木工程、风工程、地震工程等学科领域的交叉融合,解决桥梁工程中的复杂问题。例如,可以研究桥梁结构-地基-土体动力相互作用、桥梁气动弹性稳定性等问题,推动桥梁工程多学科交叉研究。
综上所述,本研究通过理论分析、数值模拟和工程实践,探讨了复杂环境下桥梁结构设计与施工的关键技术问题,取得了重要成果。未来,随着科技的进步和工程实践的不断发展,桥梁工程领域将面临新的挑战和机遇。建议进一步加强软土地基处理技术研究、深入研究桥梁抗风性能、推广应用预制装配技术、加强桥梁施工监测,推动桥梁工程智能化、新型材料应用、绿色桥梁设计和多学科交叉研究,为桥梁工程的发展提供新的思路和方法。
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八.致谢
本论文的完成离不开许多人的帮助和支持,在此谨向他们致以最诚挚的谢意。首先,我要感谢我的导师XXX教授。在论文的研究和写作过程中,X教授给予了我悉心的指导和无私的帮助。他严谨的治学态度、深厚的学术造诣和丰富的工程经验,使我受益匪浅。从课题的选择、研究方案的制定,到实验数据的分析、论文的撰写,X教授都倾注了大量心血,他的教诲和鼓励将使我终身受益。每当我遇到困难和挫折时,X教授总能耐心地给予我指导和鼓励,帮助我克服困难,顺利完成研究。他的严谨治学和诲人不倦的精神,是我学习的榜样。
其次,我要感谢XXX大学土木工程学院的各位老师。在大学期间,各位老师传授给我丰富的专业知识和技能,为我打下了坚实的专业基础。特别是在桥梁工程、结构力学、土力学等课程中,老师们深入浅出的讲解和生动的案例分析,使我深刻理解了专业知识的精髓,为我进行本论文的研究奠定了基础。此外,我还要感谢学院的各位实验室技术人员,他们在实验设备的使用和维护方面给予了我很多帮助,确保了实验的顺利进行。
我还要感谢在研究过程中提供帮助的各位同学和朋友。在研究过程中,我与同学们进行了广泛的交流和讨论,从他们身上我学到了很多宝贵的经验和知识。特别是在实验过程中,同学们的互相帮助和支持,使我克服了许多困难。此外,我的朋友们也给予了我很多精神上的支持和鼓励,他们的陪伴和关心使我能够顺利完成研究。
最后,我要感谢我的家人。他们一直以来对我的学习和生活给予了无微不至的关怀和支持。他们是我前进的动力,是我坚强的后盾。没有他们的支持和鼓励,我无法完成本论文的研究。
在此,再次向所有帮助过我的人表示衷心的感谢!
九.附录
**附录A:桥梁结构有限元模型示意图**
(此处应插入桥梁结构有限元模型示意图,展示
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