桥梁初步设计方案比选.docx
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桥梁初步设计方案比选.docx
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桥梁初步设计方案比选
桥梁初步设计
1工程概况本册设计为猛河大桥初步设计,猛河位于湖南省境内。
大桥的建设对推动该地区的经济发展具有十分重要的意义。
本桥设计综合考虑该地区地形、地貌、通航、河床特征、泄洪要求,在满足使用要求的前提下,力求结构经济安全,施工方便。
2设计规范
1.《公路工程技术标准》(JTGB01-2003);2.《公路桥涵设计通用规范》(JTG-2004);3.《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG-2004);4.《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024-1985);5.《公路工程可靠度设计统一标准》(GB/T50283-1999);6.《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000);7.《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ026-90);8.《公路工程抗震设计规范》(JTJ005-96);
9•《钢结构设计规范》(GBJ17-88).
3技术标准
根据设计要求,主要技术指标如下:
1.设计荷载:
一级公路,双向六车道;
2.设计车速:
80km/h;
3•桥面宽度:
双幅分离式,每幅桥宽17.5m:
0.5m防撞栏+2m人行道+2.5m右路肩+11.25m行车道+0.75m左路肩+0.5m防撞栏,两幅桥之间间距0.5m.
4.桥面坡度:
纵坡3%,横坡1.5%;
5•通航标准:
III-
(2)级1个航道,双向通航孔,净高H为10m净宽B为150m上低宽b为131m侧高h为6m,通航水位为326.473m;航道等级川-
(2)6.设计洪水频率:
按百年一遇洪水频率,设计水位为337.765m;7.设计基准期:
100年。
4水文地质概况
本桥工程区段为K3+70旷K4+400,桥址位于内陆河,环境类别为I类(温暖或寒冷地区的大气环境、与无侵蚀性的水或土接触的环境),桥位与河道两岸顺直。
两堤间距约700m桥址河床断面属宽滩式河床断面。
地质勘探结果表明,桥位区地质情况一般,河滩位置依次是低液限黏土,容许应力[c0]=250KPa;弱风化泥质灰岩,容许应力[c0]=1000KPa;微弱风化泥质灰岩,容许应力[c0]=1200KPa;微风化白云质灰岩,容许应力[c0]=2000KPa,河槽部分依次是砂砾层,容许应力[c0]=550KPa,砂卵层,容许应力[c0]=1200KPa根据上述地质条件,设置端承桩。
5大桥设计方案
5.1大桥总体方案构思
全面贯彻“安全、实用、经济、美观”的技术方针。
(1)造价要求。
所选桥型力求技术先进,结构独特有别于附近已建桥梁,同时满足工程数量省、造价低、投资少、经济合理的原则。
(2)施工要求。
所选桥型应满足有成熟施工经验、所需施工设备少、工艺简单的要
求,以减小施工难度、加快施工进度、节省投资金额、保证施工质量。
(3)通航要求。
为减少船舶撞墩的机率,确保桥梁的安全,适当增大和合理布置通航孔跨径,并且抵抗船舶撞击具有足够的安全,同时所选桥应保证在施工时不能影响船只通行。
(4)景观要求。
桥梁作为一种功能性的结构物,同时也是一种美学的艺术。
所以在满足桥梁实用功能和桥下通航要求的前提下,力求桥梁造型美观,使大桥与周围环境相协调。
并应最大限度地减少施工对河水及周围环境的污染。
基于以上原则再结合地质实际情况以及中国现有的常见桥型,本次设计选取了四种桥型:
连续刚构桥,独塔双索面斜拉桥,三跨连续下承式钢管混凝土拱桥,自锚式混凝土悬索桥。
最后综合各种因素,选取连续刚构桥作为推荐方案。
5.2方案一:
连续刚构桥
5.2.1主桥设计
(1)总体布置
1.方案构思随着交通运输特别是一级级公路的迅速发展,对行车平顺舒适提出了更高的要求。
而悬臂梁桥和T形刚构桥由于形变比较大的原因均难满足这个要求,超静定结构的连续钢
构桥以其结构刚度大、变形小、伸缩缝少和行车平稳舒适等突出优点而得到迅速发展。
与连续梁桥相比,连续刚构桥在墩顶处由恒载产生的弯矩要小,所以在特大跨连续梁体系桥中,一般考虑采用连续刚构桥。
变截面连续刚构桥立面多采用不等跨布置,边主跨比一般为0.5〜0.692,梁底曲线可采用二次抛物线、折线和介于折线与二次抛物线之间的1.5〜1.8次抛物线,其中抛物线的变化规律应与连续梁的弯矩变化规律接近。
本桥河床较为平坦,基岩埋深较浅,可以使用较大跨径以满足通航和泄洪要求。
由
于是III-
(2)级航道,通航净宽为150m设一个通航孔,考虑到桥墩布置、地质、地形和通航富余等条件,取主跨为160m连续刚构桥的边主跨比为:
0.5〜0.692之间,本桥考虑取两桥台之间长度为700m由于桥位地质条件好,而引桥的标准跨为一般30m40m或50m,,故跨径布置为:
2X50+40+50(预制预应力简支T梁)+100+160+100+3X50(预制预应力简支T梁)=700m这时边主跨比100/160=0.625满足要求。
图1.1连续刚构桥方案总体布置图(单位:
cm)
2.桥面标高确定:
(1)竖曲线设计:
根据《公路工程技术规范》高速公路竖曲线半径一般取值为4500m、最小值为3000m但考虑到避免桥台高度过低,在桥梁竖曲线和纵坡满足规范的前提下,本方案竖曲线半径采用R=3000m竖曲线基本要素为:
竖曲线长度L=270m切线长T=135m竖曲线外距E=3.04m
(2)桥面标高:
本桥桥面标高根据设计水位、桥下通航(通车)净空、桥两端引道标高的需要,并结合桥型跨径等综合考虑。
1按设计水位计算桥面标高,计算公式如下:
式中:
Hmin——桥面最低高程(m);
Hj——设计水位(m(设计水位记入壅水、波浪高度等);
hj——桥向净空安全值(m);
ho——桥梁上部结构建筑高度。
Hmin
337.765+1.5+3+0.10
=342.365m(主桥跨中桥面标高)
2按通航水位计算桥面标高:
式中:
Hmin——桥面最低高程(m)
Hth——设计最高通航水位(m)
HM——通航净空高度(m)
Vho
桥梁上部结构建筑高度,包括桥面铺装层高度(m)
Hmin=326.473+10+3++0.1=339.573m(主桥跨中桥面标高)
3按路堤通车处计算桥面标高:
路堤通车处通车净空4.5m,上部结构建筑高度3.0m,设计跨中桥面标高为:
43.352+3+4.5=49.852m。
综合上述标高,本方案标高取为49.852(跨中桥面标高),由路堤通车处跨线标高确
(2)上部结构设计
主桥上部结构采用变截面箱梁,C50混凝土,桥梁宽度17.5m,箱梁顶板宽度取
17.5'.0m,底板宽取10.0m。
根据《桥梁工程》通常梁性刚柔桥,支点处箱梁截面的高跨比在1/16〜1/20之间,跨中截面梁高约为支点截面梁高的1/2.5〜1/3.5,故本桥支点处梁高取9.5m,高跨比为1/20,跨中梁高取4m跨中截面梁高为支点梁高1/3,高跨比为1/60箱梁顶板厚取30cm腹板及底板采用变截面,腹板厚度由墩跨中40cm?
逐渐过渡至墩顶60cm?
底板厚度由墩跨中35cm厚逐渐过渡至墩顶80cn厚。
梁高、底板厚度按二次抛物线变化,以满足受力及桥梁线形上的需要,腹板厚度按直线变化。
本桥方案由于桥面宽度的要求,考虑采用单箱单室断面,单箱单室断面构造简单,受力明确,施工方便。
图1.2连续刚构桥方案主梁横截面图(单位:
cm)
3)下部结构设计
本桥地形平坦,通航孔布置范围较广,由钻探资料,本桥主要地层第一层为沙砾层、第二层为砂卵层,采用端承桩,入岩深度大于三倍桩直径,因此主桥基础采用端承桩基础。
主桥桥墩为双肢薄壁桥墩,主桥设4m厚钢筋混凝土承台。
主桥基础米用钻孔灌注桩,选择在枯水季节钻孔施工,主墩每墩桩数为24根,桩端入持力层厚度亦大于桩直径3倍。
图1.3连续刚构桥方案主桥桥墩大样图(单位:
cm)
5.2.2引桥设计
(1)桥跨布置
2X50+40+50m(预制预应力简支T梁)+主跨部分+3X50m>
(2)上部结构设计
引桥上部结构采用标准跨径为40m的预应力简支T梁,梁高为2m,预制宽度为2m,主梁吊装就位后浇筑0.4m的湿接缝,T梁间距为2m,跨中腹板厚度为0.2m,跨中马蹄宽度为0.5m,高度为0.25m,斜坡高度0.15m,支点截面腹板厚度变为0.5m。
图1.4连续刚构桥方案引桥主梁截面图(单位:
cm)
(3)下部结构设计
引桥桥墩采用圆柱式桥墩,桥墩直径为1.5m,每一横截面共设有四个桥墩,每一个桥墩下面设置1.0m直径的圆柱桩,中心距为2.5倍桩径,圆柱桩之间设置横系梁。
。
(4)桥台设计
本方案中,桥下地基良好,桥台接线处填土高度大约为10m左右,采用构造简单,费用较低的重力时桥台是比较合理的选择。
具体桥台的尺寸请参照相关图纸。
5.3方案二:
独塔双索面斜拉桥
5.3.1主桥设计
(1)总体布置:
8X40m预应力混凝土简支T梁+160m^180m(双塔双索面斜拉桥)+50m+30预应力混凝土简支!
梁=750m>
图1.5斜拉桥型总体布置图(单位:
cm)
1.方案构思:
独塔斜拉桥在河床地质、地形条件较好时,经济性比较好,可以省去一个桥塔,无索区比双塔斜拉桥长,拉索用量少;其次,其活载最大挠度发生在拉索区,对受力有利,受收缩徐变及温度梯度的影响较小;再次,其结构布置灵活,施工也比较方便,可采用悬臂浇筑、转体施工等方法。
鉴于这些优点,并结合当地的地质条件,桥位处基岩埋深较浅,且均匀一致,承载力高,河槽偏于西岸,属于不对称情形,同时河面宽度约400m在其经济跨径的范围内,另外,桥位处视野开阔,高耸的桥塔进一步增加了大桥雄伟的气势,因此独塔斜拉桥是一个很具有竞争力的方案。
2.桥面标高确定:
(1)竖曲线设计:
根据《公路工程技术规范》高速公路竖曲线半径一般取值为10000m
最小值为6500m但考虑到避免桥台高度过高,在桥梁竖曲线和纵坡满足规范的前提下,
本方案竖曲线半径采用R=10000m竖曲线基本要素为:
竖曲线长度L=400m切线长T=200m竖曲线外距E=2m(
(2)桥面标高:
本桥桥面标高根据设计水位、桥下通航(通车)净空、桥两端引道标高的需要,并结合桥型跨径等综合考虑。
①按设计水位计算桥面标高,计算公式如下:
式中:
Hmin桥面最低咼程(;
hj——设计水位(m(设计水位记入壅水、波浪高度等)
hj——桥向净空安全值(m);ho——桥梁上部结构建筑高度。
Hmin
337.765+1.5+2.5+0.10
=341.865m(主桥跨中桥面标高)
②按通航水位计算桥面标高:
式中:
Hmin——桥面最低高程(m)
Hth——设计最高通航水位(m)
HM
通航净空高度(m)
Hmin=326.473+10+2.5+0.1=339.073m(主桥跨中桥面标高)
(2)上部结构设计
1.主塔:
桥面以上主塔顺桥向宽7m桥面以下至承台逐渐过渡到10m横桥向厚度为4m。
桥塔总高度为108.8m,桥面以上高为89.50m。
2.主梁:
主梁梁高为2.5m,桥面板行车道做成1%的双向横坡,桥面全宽26.5m。
主梁截面采用混凝土形式,其截面形式见图:
图1.6主梁截面形式(单位:
cm)
3斜拉索:
斜拉索采用直径8mr的低松弛高强平行镀锌钢丝束。
斜拉索外层防护采用热挤双层PE防护套,外层防护套的颜色可根据景观要求选用。
边跨斜拉索布置14m+17<8m+10m主
跨斜拉索布置15m+17<8m+29m索横向间距为25.50m。
全桥共设2X18对斜拉索。
主塔两侧斜拉索的设计以避免产生较大的塔身弯矩为原则。
斜拉索两端用冷铸锚分别锚固于索塔和主梁上。
斜拉索与主梁上的耳板采用销铰式连接,通过耳板用高强螺栓与主梁连接,斜拉索中心线在耳板平面内摆动。
(3)下部结构设计
主桥基础采用端承群桩基础。
考虑到美观性,枯水期桩不外露,承台位置尽可能靠
近最低水位,本设计取承台中心面与最低水位平齐。
承台尺寸取为36.00m(横桥向)
X12.00m(纵桥向)X4.0m(高)。
基础由21根直径为①2.0询勺桩组成,纵向3排,间距4m
横向7排,间距5m持力层厚度大于三倍桩劲。
5.3.2引桥设计
(1)桥跨布置
8X40m(预制预应力简支T梁)+主跨部分+50m+40m
(2)上部结构设计
引桥上部结构采用标准跨径为40m勺预应力简支t梁,梁高为2m预制宽度为2m主梁吊装就位后浇筑0.4m的湿接缝,T梁间距为2m跨中腹板厚度为0.2m,跨中马蹄宽度为0.5m,高度为0.25m,斜坡高度0.15m,支点截面腹板厚度变为0.5m。
图1.7连续刚构桥方案引桥主梁截面图(单位:
cm)
(3)下部结构设计
引桥桥墩采用圆柱式桥墩,桥墩直径为1.8m,每一横截面共设有四个桥墩,每一个桥墩下面设置2.0m直径的圆柱桩,圆柱桩之间设置横系梁。
具体布置参考图纸。
(4)桥台设计
本方案中,桥下地基良好,桥台接线处填土高度大约为10m左右,采用构造简单,费用较低的重力时桥台是比较合理的选择。
具体桥台的尺寸请参照相关图纸。
5.4方案三:
三跨连续下承式钢管混凝土拱桥
5.4.1主桥设计
(1)总体布置
方案取为三跨连续中承式钢管混凝土拱桥。
主桥长700m,主跨长300m,采用对称布置。
图1.8拱桥桥型总体布置图(单位:
cm)
1.方案构思
拱桥是我国公路上使用广泛的一种桥型,在竖向荷载作用下,两端产生水平推力,使拱内产生轴向压力,大大减小了拱圈的弯矩,应力分布均匀,跨越能力较大,拱圈的
弧形使结构摆脱了单纯的直线组合,形式鲜活美观。
下承式拱桥不仅保持了拱桥一般的力学特点,特别是桥梁标高受限时,采用下承式拱桥可以降低桥面标高,方便两端的接线,更重要的是下承式拱桥的拱圈中的巨大水平推力可以由系杆来承受,从而减小拱桥对地基的要求,使基础造价降低
2.桥面标高确定
(1)竖曲线设计:
根据《公路工程技术规范》高速公路竖曲线半径一般取值为4500m、最小值为3ooom但考虑到避免桥台高度过高,在桥梁竖曲线和纵坡满足规范的前提下,本方案竖曲线半径采用R=3000m竖曲线基本要素为:
竖曲线长度L=270m切线长T=135m竖曲线外距E=3.04m。
(2)桥面标高:
本桥桥面标高根据设计水位、桥下通航(通车)净空、桥两端引道标高的需要,并结合桥型跨径等综合考虑。
1按设计水位计算桥面标高,计算公式如下:
式中:
Hmin——桥面最低高程(m);
Hj——设计水位(m(设计水位记入壅水、波浪高度等);
hj——桥向净空安全值(m);
ho——桥梁上部结构建筑高度。
Hmin
337.765+1.5+2+0.10
=341.365m(主桥跨中桥面标高)
2
按通航水位计算桥面标高:
式中:
Hmin——桥面最低高程(m)
Hth
设计最高通航水位(m)
Hmin=326.473+10+2+0.1=338.573m(主桥跨中桥面标高)
综合上述标高,本方案标高取为338.573(跨中桥面标高),由路堤通车处跨线标高
确定
(2)上部结构设计
1.拱肋设计引桥上部主跨采用中承式悬链线无铰拱,结构采用钢管混凝土桁架,六支桁式断面,沿拱轴拱肋采用变高度(拱脚钢管中心距8m,拱顶钢管中心距4m),预制宽度为4m边拱拱肋采用上承式双肋悬链线半拱,计算跨径为75m矢高为35m矢跨比为1/4.3,每肋由高4m,宽4n钢筋混凝土箱梁组成,两肋间设有一组“K”字和一组“米”字钢管桁式架横撑,它们与边拱端部固结的预应力混凝土端横梁一起,组成一个稳定的空间梁系结构
2.系杆及吊杆设计系杆设计是拱桥中的一个关键问题,一方面要考虑系杆与拱肋的连接,保证系杆能很好的与拱肋共同受力;另一方面又要考虑系杆与行车道之间的相互作用,避免桥面因阻碍系杆的受拉而遭破坏。
该桥系杆布置箱梁的中间室内,两端锚固于边跨混凝土箱梁梁段横梁处锚体之上,锚体为钢筋混凝土结构,采用C5C混凝土,锚体及拱座处埋设系杆预埋钢管。
吊杆在同一截面内设置双吊杆,以有利于拱肋横向稳定。
一般吊杆间距为4~10m,吊杆间距初步拟定为7.0m,全桥共设37对吊杆。
每根吊杆采用①7的低松弛钢绞线,采用双层HDP全防腐体系,双层HDP之间设一隔离层,锚具采用OVM-LZ冷铸墩头锚,分别锚固与拱肋钢管顶端和箱梁锚固室内的腹板上。
5.4.2引桥设计
(1)桥跨布置
2X50m+40+50(预制预应力简支T梁)+主跨部分+30m+30m
(2)上部结构设计
引桥上部结构采用标准跨径为40m的预应力简支T梁,梁高为2m预制宽度为2m主梁吊装就位后浇筑0.4m的湿接缝,T梁间距为2m跨中腹板厚度为0.2m,跨中马蹄宽度为0.5m,高度为0.25m,斜坡高度0.15m,支点截面腹板厚度变为0.5m。
图1.9连续刚构桥方案引桥主梁截面图(单位:
cm)
(3)下部结构设计
引桥桥墩采用圆柱式桥墩,桥墩直径为1.8m,每一横截面共设有四个桥墩,每一个桥墩下面设置2.0m直径的圆柱桩,圆柱桩之间设置横系梁。
具体布置参考图纸。
(4)桥台设计
本方案中,桥下地基良好,桥台接线处填土高度大约为10m左右,采用构造简单,费用较低的重力时桥台是比较合理的选择。
具体桥台的尺寸请参照相关图纸。
5.5方案四:
自锚式混凝土悬索桥
5.5.1主桥设计
(1)总体布置
1.方案构思
自锚式悬索桥与传统悬索桥的最大区别有两个,其一是主缆锚固于边跨加劲梁
(即锚跨),因而可以利用加劲梁的水平支承能力来平衡主缆水平分力;利用锚跨自重来平衡主缆拉力的竖向分力,可节省庞大的锚碇工程。
其二,可利用主缆水平分力为加劲梁提供压应力,因而加劲梁可采用普通混凝土结构,节省了预应力费用。
自锚式悬索桥具有传统悬索桥的主要审美特征,又能够给我们一种格外的厚重、敦实、雄伟的感受。
现代桥梁除了满足自身的结构要求外,也越来越注重景观设计,因此,自锚式悬索桥应用前景是很乐观的。
表1.1国内外自锚式悬索桥参数:
桥名
跨度
矢跨比
加劲梁
地点
三汊矶湘江大桥
132+328+128
1/5.0
钢梁
中国
苏州竹园大桥
33+90+33
1/8.0
钢-混凝土梁
中国
日本此花大桥
120+300+120
1/6.0
钢梁
日本
韩国永宗大桥
125+300+125
1/5.0
钢梁
韩国
参考上表设计资料,本桥总体布置为:
7X40m(预制预应力混凝土T形梁)+75m+230m+75(r自锚式混凝土悬索桥)+50m+40m(预制预应力混凝土T形梁)
图1.10自锚式悬索桥方案总体布置图(单位:
cm)
2.桥面标高确定
本桥桥面标高根据设计水位、桥下通航(通车)净空、桥两端引道标高的需要,并结合桥型跨径等综合考虑。
①按设计水位计算桥面标高,计算公式如下:
式中:
Hmin——桥面最低高程(m);
hj——设计水位(m(设计水位记入壅水、波浪高度等);
hj——桥向净空安全值(m);
ho——桥梁上部结构建筑高度。
Hmin36.61+1.5+2.8+0.10
=41.01m(主桥跨中桥面标高)
②按通航水位计算桥面标高:
式中:
Hmin——桥面最低高程(m)
Hth——设计最高通航水位(m)
Vho
HM——通航净空高度(m)
桥梁上部结构建筑高度,包括桥面铺装层高度(m)。
Hmin=32.05+10+2.8++0.1=44.95m(主桥跨中桥面标高)
3按路堤通车处计算桥面标高:
路堤通车处通车净空4.5m,上部结构建筑高度2.1m,设计跨中桥面标高为:
39.052
+2.1+4.5+2.05=47.702m。
综合上述标咼,本方案标咼取为47.702m(跨中桥面标咼)。
2)上部结构设计
1.加劲梁
自锚式悬索桥中的恒载由主缆来承受,而活载还需要由主梁来承受,所以主梁必须有一定的抗弯刚度,主梁的形式以采用具有一定抗弯刚度的箱形断面较为合适。
本方案选用钢箱梁,减轻了体系的自重,在一定的跨度允许范围内,使桥梁的安全性指标、适用性指标、经济性指标、美观性指标得到了完美的统一。
对结构受力而言,由于采用了自锚体系,将索锚固于主梁上,利用主梁来抵抗水平轴力。
■.
4*.眦.1岸迴|
7BD
——2卸迦十阳——
1花0卡叫
图1.11主梁断面图(单位:
cm)
2.桥塔及基础设计
本桥索塔塔高42m(主梁底部以上),采用钢筋混凝土门式桥塔,由两根塔柱及一道横梁组成,塔柱在纵向、横向均为等宽度。
塔柱底面高程24.805m,塔顶高程为95.702m
索塔包括塔柱、横梁以及索塔附属设施(索塔内爬梯、除湿系统)。
为加强索塔横向连系,提高索塔横向稳定性,索塔设置一道预应力混凝土箱形横梁。
(3)下部结构设计
塔基采用钻孔群桩基础,塔基采用21根直径2.0m的钻孔桩,桩底嵌入基岩层1.5-2
倍桩径;桩长15.56m,承台厚度为4m
5.5.1引桥设计
参见此前引桥设计方案。
5.6桥型方案比选
在桥梁方案比选中,要注意下列四项主要标准:
安全、功能、经济与美观,其中自然以安全与经济为重。
下面对四个方案进行简述:
桥型方案比较表:
万案
项目
第一方案
第二方案
第三方案
第四方案
预应力混凝土连
续钢构桥
独塔斜拉桥
下承式连续钢管
拱桥
自锚式混凝土悬
索桥
1
分孔
7X40m+100m+
8X40m
8X40m
7X40m
180m+100m+50
m+40m
+160m+180m
+50m+40m
+95+110m+95m
+40m+50m+40m
+75m+230m
+75m+50m+40m
2
桥长
750m
750m
750m
750m
3
纵坡
2%
1%
1%
1%
4
施工难
易
主桥主跨跨度
180m跨度很大,对于悬臂施工技术以及所采用的材料有较咼的要求,弓1桥预制吊装,质量易保证,工序简单。
索力调整控制复杂,主梁悬臂施工,索塔爬模施工技术成熟,工期较短;引桥用预制架设,质量高,工期短。
主梁采用移动模架施工,临时墩较多,影响通航;缆
索架设拱肋时要修建临时索塔,工
程量大;
主桥跨度240m跨度较小,需要先悬臂拼装施工主梁,施工复杂,工序多,技术尚不成熟。
5
接线标
高
44.902m
44.902
44.902m
44.902m
6
适用性
1•双向通航孔,主孔道150m通
航性好;
2•满足泄洪要求,适用性好;
3.施工技术成熟,悬臂施工合
理。
4.主桥桥
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