贵州平寨连续刚构桥施工控制例子.docx
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贵州平寨连续刚构桥施工控制例子
大跨径连续刚构桥施工控制实例
――贵州平寨特大桥
长沙理工大学土木与建筑学院
二零零八年五月
一、工程概况
平寨特大桥位于沪瑞国道主干线GZ65(贵州境)镇宁至胜境关高速公路上。
分左右幅,双向4车道,桥宽24.5m,设计行车速度80km/h,设计汽车荷载汽-超20;主桥为130m+3×235m+130m的预应力混凝土连续刚构桥,主桥箱梁采用单箱单室截面,刚构根部梁高13.4m,跨中梁高4.1m,下部结构采用双肢薄壁墩,最高墩高100m。
全桥平面位于直线段,最大纵坡为4.6%,最小纵坡为2.8%;横桥向为双向2.0%的横坡。
平寨特大桥主桥如图1.1所示。
图1.1平寨特大桥主桥桥型示意图(单位:
m)
1.1主要技术标准及荷载
(1)道路等级:
双向四车道高速公路
(2)计算行车速度:
80km/h;
(3)桥面宽度:
0.5m(防撞护栏)+11.0m米(行车道)+1.5m(中央分隔带)+11.0m(行车道)+0.5m米(防撞护栏)=24.5m。
(4)桥梁设计荷载:
汽车—超20级,挂车—120。
(5)地震基本烈度6度,大桥按7度设防。
(6)所用材料及相关特性参数:
主梁:
C50砼;
KN/m3,
MPa。
;
预应力钢筋:
MPa,
MPa。
桥墩、横系板、支撑垫石:
C50砼
预应力钢筋与管道壁的摩擦系数
;
管道每米局部偏差对摩擦的影响系数
;
预应力钢筋采用两端张拉,一个锚具变形、钢筋回缩及垫板压缩值
;
预应力钢绞线的张拉控制应力取
MPa和
MPa两种。
二、计算分析
2.1计算模型
主桥按平面杆系结构取计算模型(图1-1~图1-5),主梁单元的长度按照施工节段划分形式确定,一般为2~4.5米长。
全桥共分为472个单元,455个结点。
结点选取原则为:
主梁上的结点取在主梁施工节段线与截面形心线的交点处,桥墩上结点取在墩的形心线位置处。
2.2受力阶段划分
本桥除16m长的0号梁段在四个托架上浇筑,两个11.5m长的边跨现浇梁段在支架上现浇以外,其余梁段均采用悬臂浇筑法施工。
根据本桥的施工特点,一个标准梁段(如i节段)的施工过程分为三个状态(计算工况):
1移挂篮;
2浇注第i号梁段混凝土;
3混凝土待强,张拉i号梁段预应力束。
边跨、次边跨和中跨合龙的计算工况如下:
1对称拆除悬臂施工挂篮;
2解除桥墩的横系梁;
3合龙段两侧结点处各压重300kN,安装合龙段吊架(按40T计算);
4安装合龙段刚性联结;
5现浇合龙段混凝土,去合龙段两侧压重;
6去合龙段刚性联结
7混凝土待强,张拉合龙段预应力束;
施工阶段和运营阶段(算至成桥后五年)的整个计算共分为153个工况。
具体内容详见表1。
施工阶段划分表1
梁段号
工况号
内 容
1
1
桩基及承台施工
2~12
主墩墩身施工
13
0#块施工
14
上挂篮反力
2
1
移挂篮
2
1#块施工
3
张拉1#块预应力
3
1
移挂篮
2
2#块施工
3
张拉2#块预应力
4
1
移挂篮
2
3#块施工
3
张拉3#块预应力
5
1
移挂篮
2
4#块施工
3
张拉4#块预应力
6
1
移挂篮
2
5#块施工
3
张拉5#块预应力
7
1
移挂篮
2
6#块施工
3
张拉6#块预应力
8
1
移挂篮
2
7#块施工
3
张拉7#块预应力
9
1
移挂篮
2
8#块施工
3
张拉8#块预应力
10
1
移挂篮
2
9#块施工
3
张拉9#块预应力
11
1
移挂篮
2
10#块施工
3
张拉10#块预应力
12
1
移挂篮
2
11#块施工
3
张拉11#块预应力
13
1
移挂篮
2
12#块施工
3
张拉12#块预应力
14
1
移挂篮
2
13#块施工
3
张拉13#块预应力
15
1
移挂篮
2
14#块施工
3
张拉14#块预应力
16
1
移挂篮
2
15#块施工
3
张拉15#块预应力
17
1
移挂篮
2
16#块施工
3
张拉16#块预应力
18
1
移挂篮
2
17#块施工
3
张拉17#块预应力
19
1
移挂篮
2
18#块施工
3
张拉18#块预应力
20
1
移挂篮
2
19#块施工
3
张拉19#块预应力
21
1
移挂篮
2
20#块施工
3
张拉20#块预应力
22
1
移挂篮
2
21#块施工
3
张拉21#块预应力
23
1
移挂篮
2
22#块施工
3
张拉22#块预应力
24
1
移挂篮
2
23#块施工
3
张拉23#块预应力
25
1
移挂篮
2
24#块施工
3
张拉24#块预应力
26
1
移挂篮
2
25#块施工
3
张拉25#块预应力
27
1
移挂篮
2
26#块施工
3
张拉26#块预应力
28
1
移挂篮
2
27#块施工
3
张拉27#块预应力
4
安装边跨现浇段临时支架及施工边跨现浇段
29
1
对称拆除挂篮
2
解除10#、13#墩的横系梁
3
10#、13#墩的悬臂端加压重,安装合龙段吊架
4
合龙段刚性联结
5
施工边跨合龙段单元、去边跨压重
6
拆除边跨合龙口刚性联结
7
张拉边跨合龙段预应力
30
1
拆除边跨临时支撑
2
解除11#、12#墩的横系梁
3
11#、12#墩的悬臂端加压重;同时边跨去吊架,次边跨及中跨上吊架
4
安装次边跨合龙段刚性支承
5
施工次边跨合龙段单元、去次边跨压重
6
拆除次边跨合龙口刚性联结
7
张拉次边跨合龙段预应力
31
1
拆除次边跨吊架
2
中跨合龙口刚性联结
3
施工中跨合龙段单元、去中跨压重
4
拆除中跨合龙口刚性联结
5
张拉中跨合龙段预应力
6
拆除中跨合龙段吊架,全桥合龙
32
1
两边跨浇筑C50聚丙烯纤维桥面铺装
2
张拉边跨底板剩余预应力束(BZ06-BZ07)
3
两次边跨浇筑C50聚丙烯纤维桥面铺装
4
张拉次边跨底板剩余预应力束(ZZ02,ZZ10-ZZ13)
5
中跨浇筑C50聚丙烯纤维桥面铺装
6
张拉中跨底板剩余预应力束(ZZ02,ZZ10-ZZ13)
7
全桥浇筑8cm沥青混凝土的桥面铺装
33~37
1~6
计算成桥后五年的徐变
2.3恒载内力计算结果
恒载内力计算主要列出以下计算结果:
1.最大悬臂状态时(即27号梁段预应力张拉后)主梁各结点累计位移(见图2)。
2.成桥时(即二期恒载施工完毕)主梁各结点累计位移(见图3)。
3.最大悬臂状态时(即27号梁段预应力张拉后)主梁上下缘恒载应力(见图4)。
4.成桥时(即二期恒载施工完毕)主梁上下缘恒载应力(见图5)。
5.成桥五年后主梁上下缘恒载应力(见图6)。
图2 最大悬臂状态时主梁累计位移图
图3 成桥时主梁累计位移图
图 14号梁段预应力张拉后主梁恒载应力图
图4 最大悬臂状态下主梁恒载应力图
图5 成桥时主梁恒载应力图
图6 成桥五年后主梁恒载应力图
2.4活载内力计算的主要计算参数
依据施工图纸,本桥的主要荷载如下:
1)汽车荷载:
汽车-超20级,以单幅桥进行计算,为单向两车道,不考虑车道折减系数,横向不均匀系数取为1.05;
2)挂车荷载:
按挂车-120,横向不均匀系数取1.2;
3)温度荷载:
考虑主梁的温度变化,且在截面内按线性变化考虑。
a.整体温差:
±15℃。
b.局部温差:
箱梁截面上下缘温差为±5℃。
4)混凝土收缩徐变
该桥为预应力混凝土桥梁,混凝土的收缩徐变对施工过程中主梁的内力和变形影响较大,故在计算中进行了考虑。
为方便程序计算,按桥梁规范将收缩徐变的计算公式模拟成指数函数形式,用初应变法计算混凝土的收缩徐变影响。
混凝土收缩徐变的影响力包括两部分:
施工过程中的影响量和运营过程中的影响量,成桥后计算五年的时间。
参数按中国桥涵设计规范JTJ023-85采用。
5)荷载组合
组合1——结构自重+汽车
组合2——结构自重+汽车+砼收缩徐变+温度(4种温度荷载的最不利者)
组合3——结构自重+挂车
计算分析均采用正常使用极限状态,荷载组合中不计荷载组合系数。
2.5运营阶段主要计算结果
取组合组合Ⅰ下计算结果为代表,主梁的内力及位移图如下所示:
图7 组合Ⅰ下主梁轴力包络图
图8 组合Ⅰ下主梁剪力包络图
图9 组合Ⅰ下主梁弯矩包络图
图10 组合Ⅰ下主梁竖向位移包络图
图11 组合Ⅰ下主梁下缘应力包络图
图12 组合Ⅰ下主梁上缘应力包络图
2.6计算总结
1、结构计算时采用的相关参数均以贵州省交通规划勘察设计研究院提供值为准。
由于预应力筋的计算参数对主梁应力有较大的影响,因此,建议在施工过程中对其进行现场试验,以便准确监测主梁内预应力钢筋的实际有效预加力值。
2、施工过程中主梁的拉应力均在0.9
以内,压应力均在14.9
以内(见图6~图7)。
因此,施工过程中主梁的应力满足要求。
3、成桥时及成桥五年后主梁压应力均在12.0
以内,见图8~图9。
4、荷载组合时,主梁的竖向位移(见图13、19、25)的最大值为
(向上),最小值为
(向下)(未计恒载产生的挠度)。
5、荷载组合时,主梁的下缘应力(见图14、20、26)最大值为
(拉),最小值为
(压),满足要求。
6、荷载组合时,主梁的上缘应力(见图15、21、27)最大值为
(拉),最小值为
(压),满足要求。
注:
墩柱底其余单元未示出。
注:
墩柱底其余单元未示出。
注:
墩柱底其余单元未示出。
三、现场测试与参数识别
为了确保施工控制的顺利实施,施工过程中各项技术参数的准确测定至关重要,它是进行施工控制的必要初始参数,它为施工计算提供了实测依据,是最终实现施工控制目的的最关键的一步。
以下介绍平寨特大桥现场测试的内容及结果。
3.1施工过程监控与控制
3.1.1主梁施工的测试内容与要求
每一个施工梁段分为以下三个工况:
1)挂篮前移并立模定位。
测试内容:
挂篮立模标高和悬臂梁段标高(当前段及滞后两段,共三段)。
工况要求:
①必须确保空挂篮处于悬臂支承状态,不能有钢筋或其他施工荷载在挂篮上;②检测时间避开局部温差影响(在一天中结构内温度场最均匀的时间);③立模标高误差≤±5mm。
2)主梁混凝土浇筑完成。
测试内容:
主梁悬臂梁段标高(当前段及滞后两段,共三段)。
工况要求:
①应尽量减小温度影响;②按梁底标高误差≤±30mm的要求校核。
3)预应力张拉完成。
测试内容:
主梁悬臂梁段标高(当前段及滞后两段,共三段)。
工况要求:
①应尽量减小温度影响;②按梁底标高标高误差≤±30mm的要求校核。
主梁及桥墩截面应力应变观测:
观测次数选在每阶段的2)或3)工况(每隔3~4个梁段)测读一次以及合龙前后和二期恒载后等典型工况测读。
3.1.2主梁挠度观测
1、主梁线形监控内容
测定主梁挠度、主梁轴线偏差和桥墩位移的变化情况,主要观测混凝土浇筑前、浇筑后及预应力张拉后挂篮各控制点的高程、主梁高程等。
2、测点布置
每一梁段悬臂端截面梁顶纵向距梁端10cm处,在距两腹板外侧50cm的位置分别设立2个标高观测点,防撞栏杆内侧设立2个标高观测点。
测点须用短钢筋预埋设置并用红漆标明编号,测点钢筋露出混凝土表面5cm。
当前现浇梁段悬臂端截面在底模上设立两个临时标高观测点,作为当前梁段控制截面的梁底标高,并给出相应于梁顶位置处对应两个测点的高程关系。
为了确保桥面的平顺性,以利于桥面铺装的顺利实施,在控制梁底标高的同时,施工方要采取有效方法控制梁高、桥面横坡和桥面的平整性。
测试方法:
用精密水准仪(NA2)测量测点标高,用高精度全站仪监测主墩上临时水准点标高。
3、测试结果
主梁挠度测量是通过测定主梁各标高控制点在各工况条件下的标高或者测点间的相对高差来实现的,本桥标高监控情况如下:
1、立模标高
立模标高是保证主梁标高和线形平顺性的首要关键工序,立模标高误差均保证在≤±5mm。
(1)左幅各梁段立模标高实测值与理论值的误差曲线如图3.1所示。
图3.1各个桥墩上主梁立模标高误差(单位:
m)
(2)右幅各梁段立模标高实测值与理论值的误差曲线如图3.2所示。
图3.2右幅各桥墩上主梁立模标高误差(单位:
m)
2、主梁各梁段至最大悬臂工况时的标高误差≤±L/5000,并且≤±30mm,相邻节段间局部线形标高误差≤±10mm,主梁整体线形平顺流畅。
(1)左幅各梁段到最大悬臂状态时标高实测值与理论值的误差曲线如图5所示。
图3.3左幅各桥墩上主梁至最大悬臂工况时标高累计误差(单位:
m)
(2)右幅各梁段到最大悬臂状态时标高实测值与理论值的误差曲线如图3.4
图3.4右幅主梁最大悬臂状态时标高累计误差(单位:
m)
(3)左幅各梁段到全桥合拢状态时的标高实测值与理论值的误差曲线如图3.5所示。
图3.5左幅各桥墩上主梁桥桥合拢时标高累计误差(单位:
m)
从图中可以看出,左幅跨中梁段与理论值相比明显下挠,而次边跨1/4跨附近的部分梁段上拱过多。
主要原因是由于跨中合拢段施工时,部分底板预应力束没有按设计要求及时张拉,而是在次边跨合拢后才张拉,此时全桥合拢结构体系已经改变,造成成桥后跨中梁段明显下挠,而次边跨梁段上拱过多。
由此可见合拢段施工时预应力张拉顺序对本桥的受力状态及线型变化影响较大。
(4)右幅各梁段到全桥合拢时的标高实测值与理论值的误差曲线如图3.6所示。
图3.6右幅各桥墩上主梁桥桥合拢时标高累计误差(单位:
m)
(5)左幅全桥桥面铺装后的标高实测值与理论值的误差曲线如图3.7所示。
图3.7左幅铺装后的实测值与理论值的误差图(单位:
m)
(5)右幅全桥桥面铺装后的标高实测值与理论值的误差曲线如图3.8所示。
图3.8右幅铺装后的实测值与理论值的误差图(单位:
m)
3.1.3预应力的施工控制
(1)、内容与要求
预应力钢束张拉后常常会出现主梁混凝土结构的应力不足和主梁两侧或上下游应力不对称的问题。
导致这些问题的原因是多方面的,也很复杂,除预应力的6大损失外,与张拉设备、张拉方法和张拉时机也有密切的关系,从施工工艺上,减少预应力损失的主要途径包括:
张拉设备的完好性、张拉的技巧性和张拉温度的合理性3个方面。
张拉设备除按施工规范定期检定外,必须明确每台顶的标定曲线、泵油速度与张拉力的关系曲线。
预应力钢束两侧和上下游对称张拉,以减少不对称张拉引起的预应力损失。
如果各顶的标定趋向不一致,在张拉时应根据各泵的标定特性掌握泵油的速度,控制两端和上下游各顶张拉力的大小。
为了减小不对称因素,可以采取分级(5~8级)同步的方式,或者采取交换顶的位置进行张拉。
为了减小预应力损失,对于短索,可超张拉(≤105%σcon)以减小锚口损失;而长索,则采取延长持荷时间,以减小沿程摩阻损失。
预应力钢束应在梁体温度比较均匀的状态下,必须避开高温时段进行张拉。
高温状态下张拉对主梁顶板索的预应力影响最大,当主梁在高温状态下或上下表面温差较大时,主梁沿纵向伸长,且上下表面伸长量不同。
张拉预应力钢束后,由于钢束与混凝土表面存在温差,且钢束温度梯度与混凝土温度梯度不同,当梁体温度一致时,两者间由温度变化产生的位移存在差别,引起钢束预应力损失。
因此,在施工过程中,必须把握张拉时机。
预应力控制的内容:
钢束伸长量、锚下应力、锚口损失值、锚具压缩量及钢束内缩值、孔道摩阻损失值、孔道压浆密实度等。
a)钢束伸长量、锚具压缩量及钢束内缩值:
预应力筋的实际伸长量是按照两端同时张拉程序阶段测量后得到的。
即在张拉预应力筋时,应调整到初应力σ0,该初应力一般为张拉控制应力στ的10%,此时量取缸体的初始伸长值L1和夹片外露长度λ1;初应力以下的推算长度,同采用相邻等级的伸长值。
张拉至20%时,再量取缸体伸长量和L2和夹片外露长度λ2;当张拉至控制应力στ时,量取缸体的伸长值LK和夹片外露长度λK;则预应力筋张拉的实际伸长值为:
若不考虑工具锚夹片在张拉过程中外露长度的变化,即
,则预应力筋的实际伸长值计算公式可简化为:
伸长量校核与判断:
采用应力控制方法张拉预应力筋时,应以伸长值进行考核,实际伸长量与理论伸长值应符合设计要求M,若设计无明确规定时,则实际伸长值与理论伸长值应控制6%以内,即:
-M≤L理-L实≤M,如果校核不满足上式要求,应暂停张拉,待查明原因采取措施后,方可继续张拉,若符合上述要求,则表明采用应力控制方法张拉预应力筋时,应力控制是准确可靠的。
锚具压缩量可用位移计单独测出。
b)锚下应力、锚口损失值:
采用在锚下和锚口附近埋设应变计进行应变测试来换算锚下应力和锚口损失值。
c)孔道摩阻损失值:
在箱梁的预应力束中取具有代表性的钢束为测试束,按《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)的要求,在选定的测试钢束两端安装千斤顶,并在钢束两端贴应变片,采用单端分级张拉,记录张拉端与非张拉端的油表读数及应变片测试值等,然后对端头的预应力损失进行计算,并与按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》取值对照,通过对测试数据分析,利用最小二乘法回归可得预应力筋与管道壁的摩擦系数
和管道每米局部偏差对摩擦的影响系数
。
但实测数据离散性可能较大,这是因为影响管道摩擦系数的因数很多,如管道直径及其偏差程度、钢筋表面的粗糙度及顺直度,特别是成孔胶管的定位方式及浇筑混凝土震捣等,影响
值和
值甚大。
所以,监控过程中一定要确保施工质量,以降低摩擦系数。
用钢束伸长量来换算孔道摩阻损失值,是一种简单可行的方法。
虽然不能准确地换算出沿程的损失情况,但可以整体上把握预应力的孔道摩阻损失,能基本满足工程要求。
(2)、测试数据
由于篇幅所限,取一部分有代表性的数据做分析,以下为钢束张拉记录表:
11#墩左幅箱梁标准节段钢束张拉记录表
节段编号:
13#理论伸长值(L=727.1mm)
钢束编号
张拉断面
百分比
10%
50%
100%
总伸长量(mm)
内侧腹板
13#块
张拉值(KN)
403
2313
4283
693
油表读数(Mpa)
4.2
23.3
43
W13
伸长值(mm)
44
200
414
11#墩左幅箱梁标准节段钢束张拉记录表
节段编号:
15#理论伸长值(L=830.8mm)
钢束编号
张拉断面
百分比
10%
46%
100%
总伸长量(mm)
内侧顶板
15#块
张拉值(KN)
425
1996
4296
779
油表读数(Mpa)
4.3
20
43
TY-16
伸长值(mm)
6
200
467
从实测数据中计算出实际伸长量与理论伸长量的误差,一般不超过6%,但由于实际施工过程中各种因素的影响,部分预应力索达不到要求。
取左幅部分代表性梁段的预应力索做比较如下:
10号墩
W13
W14
TY-15
TY-16
理论
727.1
776
830.8
830.8
实际
669
740
808
834
差值%
5
5
3
1
11号墩
W13
W14
TY-15
TY-16
理论
727.1
776
830.8
830.8
实际
693
736
803
795
差值%
4
5
3
4
图3.9左幅部分代表性梁段的预应力张拉差值图
(3)、误差原因分析及施工建议
(3.1)造成短束伸长值相对误差偏大的原因:
1)在张拉过程中实测伸长量己包括千斤顶前端锚具至后端工作锚这段钢绞线在张拉过程中的伸长值,而理论计算时未计入该段伸长值。
2)工具锚的工作夹片在张拉受力过程中有一定的回缩(因工作夹片回缩引起的张拉力损失问题可通过超张拉方法来解决,超张拉的应力引起钢绞线伸长量等于工作夹片回缩量,或设计时考虑该部分应力损失),用钢绞线的张拉伸长值减去每个张拉端3~5mm的工作夹片回缩量再进行计算,结果符合规范的要求。
(3.2)造成长束伸长值相对误差偏小的原因:
预应力筋伸长量直接反映预应力筋的应力大小,若伸长量偏小、预应力筋的应力低于设计值,对工程质量影响较大。
长束应采用两端张拉,规定“两端张拉”可采用一端张拉另一端补足张拉应力的方法施工,但这样会因长束预应力筋钢绞线与孔道波纹管的正反摩擦等,造成钢绞线伸长量减小;有时相对误差达-10%左右。
从上图所示,在施工过程中存在这样的问题。
束长超过120m时,必须采用两端同步对称张拉,以减小孔道摩擦引起的应力损失。
这样施工后长束的相对误差能达到规范±6%的。
3.1.4应力应变
连续刚构桥施工过程中的应变测试主要是对桥墩、主梁的应变进行监测,了解墩梁控制截面的应力状态,确保结构施工安全。
通过对典型工况下各关心截面的应变进行测试与分析,结果表明:
各截面应变的实测值介于不考虑砼收缩徐变的理论应变值与考虑砼收缩徐变的理论应变值之间,反映出控制截面的应力是正常的,所有截面均处于受压状态,结构静力状态良好。
1、测试方法
应变测试元件全部采用振弦式应变计,仪器采用振弦式应变检测仪测试,同时所有的测试元件都应有可靠的标定数据。
2、测点布置
全桥主梁上共选取12个截面(边跨最大正弯矩截面,支点截面、次边跨
截面及
截面,支点截面、中跨
截面及
截面)布置应力应变测点,两幅桥交错布置。
桥墩上只在桥墩顶部布置测点。
截面上的测点布置通常重点测试上下缘处的值,各截面的具体位置见附图1,其中,11-11、4-4、7-7、10-10截面为箱梁控制截面(其中11-11及4-4在左幅桥,7-7及10-10在右幅桥),13~16截面为桥墩应变测试截面,其余截面为箱梁一般截面。
应变测试通常重点测试截面上、下缘处的应变值,箱梁应变测试断面测点布置图见图3.9和图3.10,主墩应变测试断面测点布置图见图3.11。
注:
1.图中尺寸以米计;
2.图中1~12为箱梁应变监测断面,其中11-11、6-6及10-10为控制截面,其余为一般截面;
3.图中13~16为桥墩应变监测断面;
4.图中1-1、3-3、7-7、9-9、11-11截面为右幅桥应变监测截面,其余截面为左幅桥应变监测截面。
图3.9 平寨特大桥主桥应变观测点纵向布置图
图3.10 箱梁控制截面纵向应变测点布置图(含剪力滞测点,尺寸单位:
厘米)
图3.11 箱梁一般截面纵向应变测点布置图(尺寸单位:
厘米)
图3.12 主墩应变测试断面测点布置图(尺寸单位:
厘米)
应变测试时间为施工过程中每个梁段的混凝土浇筑、预应力张拉及各跨合拢等典型工况;并可以和标高测试数据一起与理论数据进行比较,指导后续工况的施工。
3、测试结果
取10号墩顶关心截面的应变值为代表,各工况下的测量值与理论值比较如下图所示:
图3.1110#墩顶关心截面的应
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