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    绍兴曹娥江袍江大桥船撞桥墩撞击力分解

  • 上传人: 娟**
  • 文档编号:18790933
  • 上传时间:2018-12-06
  • 文档格式:PDF
  • 文档页数:4
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    1、绍兴曹娥江袍江大桥船撞桥墩撞击力分析 朱忠义 , 杨 峰 6 1 绍兴 曹娥 江袍江大桥 船撞桥墩撞击力分析 朱 忠义 , 杨峰。 ( 1 绍 兴市 曹娥江 袍江 大桥建 设工 程指 挥部 , 浙 江 绍 兴 3 1 2 0 7 1 ; 2 宁波大 学机械 学 院 , 浙江 宁波 3 1 5 2 1 1 ) 摘 要 : 绍兴曹娥江袍江大桥主桥为( 4 0 +1 8 5 +1 8 5 +1 8 5 +4 0 )m 带边拱 的 3跨 中承式 系杆拱 桥 , 为 了解大 桥在发生船桥 相撞 时的状况 , 对大桥船撞桥墩撞击力进行计算 。采用 2个 国内规范的计算公式 、 3个国际桥梁和结 构工程协会。

    2、 ( I AB S E ) 指南 中的公式进行计算 , 同时 建立有 限元模型 进行仿 真计算 。经过 对 比分析 , I AB S E指 南 中 的索尔一诺 特一格林那 ( S K G) 公式 与有 限元仿 真结 果基本 一致 , 适 用于 大桥 的最 大撞击力 计算 ; 桥墩遭受 船舶撞 击时 , 最大碰撞力远大 于桥墩本身设计 的抗撞强度 , 因此需要设计 防撞 装置来保 护桥 墩。 关键词 :系杆拱桥 ; 桥 墩 ; 撞击 力; 有限元法 中图分类号 : U4 4 3 2 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 6 1 。

    3、一O 4 1 引 言 船撞 桥 问题 的研 究 起始 于 2 O世 纪 6 O年代口 。 1 9 8 0年美 国 阳光 高 架桥 ( S u n s h i n e S k y wa y B r i d g e ) 发 生被撞 事件 后 , 国 际上 才 真 正 开 始关 于船 桥 碰撞 问题的系统研究 , 主要研究成果文献有: 船舶撞 击 桥墩 问题 的综述 和 指 南 、 船 舶 碰撞 公 路 桥 梁 设 计指南 、 船舶 碰撞桥 梁手册 等。国内的研 究在 2 O世 纪 9 O年 代 才 展 开 4 , 公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范 、 铁 路桥 涵地基 和基 础设 计规 范 。

    4、中都有 相关 的 内容规 定 。船撞桥 问题 本质 上是一 个复 杂 和困难 的 冲击动 力学 问题l_ 5 , 但是 就实 际设计 工作 而言 , 不 论 是桥 梁设计 师或 者是 船 舶 设计 师 , 首先 考 虑 的是 如 何 科 学地确 定碰 撞 力 。对 于 如何 确 定 碰 撞 力 , 一 般 现有 的方法 有 3 类 : 标 准规范 公式 计算 、 有 限元仿 真 计 算 、 实验测 量 。3 类 方法 各 有优 缺 点 , 在解 决 实 际 问题 时应相 互配合 。 2工程概 况 曹娥 江袍 江 大桥 位 于 袍 江新 区的东 北 面 , 是 连 接建设 中的嘉绍跨 江 大桥 。

    5、、 江滨组 团 的重要 通道 , 也 是促进 绍兴 袍江工 业 区“ 二次 创业 ” 的重 大基 础设 施 工程 。大桥 建成后 , 必将 对 袍 江 乃 至 整个 绍 兴 接 轨 大上 海 、 融入 长三 角 、 提 升城 市综 合竞争 力产 生积 极 而深 远 的影 响 。 大桥全 长约 2 2 k m, 主桥 为 ( 4 0 +1 8 5 十 1 8 5 + 1 8 5 +4 0 )m 带 边 拱 的 3跨 中 承 式 系 杆拱 桥 ( 见 图 1 ) 。桥 梁净 宽为 4 0 m, 双 向 8车道 。远离 主航 道 的 桥墩 ( 见 图 2 , 高 度 基 准 为水 平 面) 由 2个。

    6、 矩 形 墩 台 图 1绍 兴 曹 娥江 袍江 大 桥 L L L 单位 : 图 2绍 兴 曹娥 江 袍 江 大 桥桥 墩 结构 示 意 组成 , 墩上 立柱 采 用 钢 管混 凝 土 结 构 。主航 道 两 侧 的桥墩 由上 、 下 游 2个墩 台直 接连接 组成 。 根 据 当 时大桥 建 设 期 间曹 娥 江航 道规 划 , 大 桥 区主航道 的通航 等 级 为 3级 , 大桥 有 可 能遭 受 到 载 重 量为 1 0 0 0 t 海 轮 的撞 击 , 而大桥 桥墩设 计 的水平 抗撞 强 度 为 1 0 0 0 k N。 目前 , 由 于 船 撞 桥 事 故 频 发 , 研究 曹娥 。

    7、江袍 江 大桥 的抗船 撞 能 力 以保 护大 桥 在 船桥相 撞 突发事 故 发 生 时 的安 全 , 就 显得 尤 为 重 要 l 6 。由于桥墩 在 承 受不 同船 舶 撞击 力 时 , 都 需 要 保 证其不 被破 坏 , 所 以文 中采 用大桥 的最小 桥墩 ( 见 图 2 ) 可能遭 受 的最大 载重量 船舶 正撞进 行分 析 。 3碰撞 力计 算 现 有各 种 规 范 中的 船撞 桥 碰撞 力 计算 公 式 , 本 收稿 日期 : 2 0 1 0 1 2 1 6 作者简介: 朱忠义( 1 9 6 2 一) , 男 , 高级工程师 , 1 9 8 9年毕业于河北建筑工程学 院给水排。

    8、水专业, 工学学士 ( Ema i l : z z y 6 2 0 9 1 6 1 6 3 c o rn) 。 6 2 世 界 桥 巢 2 0 1 1 年第 5 期 质上都 是建立 在船撞 桥的 刚体 或 弹性 体整体 碰撞 的 简单理 论基础 上 , 再 作 若 干修 正 的半 经 验公 式 。该 项 目计算时希望把船舶 的速度作为变量代人计算, 符合要 求 的有 2个 国 内规 范 的计 算 公式 、 3个 国际 桥梁和结构工程协会( I AB s E ) 指南 中的计算公式。 3 1 公路 桥涵设 计通用 规范 船 撞力计算 公式 我国 公路桥涵设计通用规范 7 ( J T G D6 0。

    9、 2 0 0 4 ) 规定( 基于动量与冲量关系分析得到) 船舶或 漂浮 物对桥墩 ( 刚性 ) 的 冲击力 按下式计 算 : P Wv Tg ( 1 ) 式 中 , P 为 漂 流 物 撞 击 力 ( k N) ; W 为 漂 流 物 重 力 ( k N) , 应根据 河流 中漂流物情 况按 实 际调查 确定 ; 对漂流物是水流速度 ( m s ) , 对船是船舶相对桥墩 的撞击 速 度 ; T为撞 击 时 间 ( s ) , 应 根 据 实际 资料估 计 , 一般 用 1 s 进行估 算 ; g为重 力加速 度 。 3 2 铁路桥涵地基与基础设计规范 船撞力计算 公式 我国 铁 路桥涵地基。

    10、与基础设计规范 L 8 ( T B 1 0 0 0 5 一a o o 5 ) 第 4 4 6条规 定墩 台承受船 舶或排 筏的撞击力可按下式计算 : 厂 广 Pg o s i n a ( 2 ) V 0 1 1 0 2 式 中, P 为撞 击力 ( k N) ; g为 动能 折减 系数 , 当船 只 或排筏斜 向撞击墩台( 指船舶或排筏驶近方向与撞 击 点 处墩 台 面法 线方 向不一 致 ) 时 可采 用0 2 , 正 向 撞击 ( 指船舶或排筏驶 近方向与撞击点处墩 台面处 法线方向一致) 时可用 0 3 ; 为船只或排筏撞击墩 台时 的速 度 ( m s ) , 此 项 速度 对 于 船。

    11、舶 可 采 用 航 运 部门提供的数据 , 对于排筏可采用筏运期水流的速 度 ; 口为船舶或排筏驶近方向与墩 台撞击点处切线 所成 的夹 角 , 应根 据具 体 情况 确 定 , 如有 困难 , 可采 用 a -2 0 。 ; 为船 舶 重 或排 筏 重 ( k N) ; C , 、 C 2 为船 舶或排筏、 墩台圬工和防撞装置的平均弹性变形系 数 , 缺乏资料时可假定 C 1 + O 0 0 0 5 m k N。 此式可同时用于计算正撞力和侧撞力。n角在 计 算正撞 力 时仅与墩 尖 角 度有 关 ; 在计 算 侧撞 力 时 应 根 据具体情 况作一 分析 。 3 3 敏 诺斯基 一捷 勒一。

    12、沃易荪 ( MGW) 公式 MGW 公 式 。 为 : P 一 0 0 2 4 ( v D ) 。 ( 3 ) 式 中 , P 为撞 击 力 ( MN) ; 为 船速 ( m s ) ; D 为 船 舶 满载排水 量 ( t ) 。 3 4 索尔 一诺 特 一格林那 ( S K G) 公式 S KG公式 为 : Pn 诅 = = =0 8 8 ( Dw T ) ( v 8 ) ( D D ) 。 ( 4 ) 式 中 , P 为最 大 撞 击力 ( MN) ; Dw T 为 船 的载 重 量 ( t ) ; 为撞 击 时 的船速 ( m s ) ; D 为撞 击 时船 的排 水量 ( t ) ;。

    13、 D 为船舶满 载排水量 ( t ) 。 计算船舶满载撞击桥墩的最大撞击力时, 只需 满 足 D 一D 即可 。 3 5 AAS HTO船撞 力计算公 式 美国 AAS HTO船撞力计算公式n 叩为: P 一 0 1 2 ( 5 ) 式 中 , P 为 撞 击 力 ( MN) ; Dw 为 船 的 载 重 量 ( t ) ; 为船速 ( m s ) 。 3 6 公式估算载重量 1 0 0 0 t 海轮对大桥桥墩的撞 击力 结果 计算 采用 的海轮载 重量为 1 0 0 0 t , 排 水量 约 为 2 0 0 0 t 。 当海轮 撞击 大桥 桥 墩 时 , 若 假 定桥 墩 为 刚 性体 , 。

    14、根据上述公式计算 1 0 0 0 t 的海轮对桥墩的撞 击力 , 结果见 表 1 。 表 1 不同公式计算船擅桥墩撞 击力 4 有 限元仿真计 算 船撞桥仿真计算模型 的前处理采用美国 E T A 公 司 的 F E MB软 件, 仿 真计 算 用 L s - d y n a软件 完成 。 4 1 数值计算模型 有 限元模 型包括 桥墩 承 台 以及 载 重量 为 1 0 0 0 t 的散货船 见图 3 ( a ) , 并按照实际几何尺寸建立 的全尺寸模型。在数值计算中, 假定大桥墩台为刚 性体 。根据造 船部 门提供 的载重 量 1 0 0 0 t 散货 船 图纸 , 建立了船 的计算模型。。

    15、船头部分是完全根据 图纸建模 见图 3 ( b ) , 其余非碰撞 区则进行 了简化 处理 ; 但 考虑 了在模型 上合理 地分布质 量进行 配重 , 使整个 模型 的质量 中心处于整 船模型 的后三分 之一 位 置 , 这样 既能保 证 外壳 的结构 力 学 特性 尽 可能 符 合实 际, 又能 减少有 限单元 数 , 从 而降 低计算 工 作 量 。 载重 1 0 0 0 t 船 的模 型总共划 分 为 1 3 0 1 3个壳 单元 , 节 点 数 目为 1 1 0 0 2个 , 材 料本 构 模 型选 定为 弹塑性材料 ; 载重量 1 0 0 0 t 船撞击条件下桥墩部分 8 6 4 2。

    16、 3 7 1 5 9 5 9 5 5 3 6 1 4 7 0 1 1 1 2 5 8 O 9 6 1 3 6 7 9 1 l 9 8 7 6 5 1 3 5 7 9 4 8 2 6 O O 1 1 2 2 4 6 8 0 t 绍兴曹娥江袍江大桥船撞桥墩撞击力分析 朱忠义 , 杨 峰 6 3 ( a ) 船舶撞击桥墩 ( b ) 船 头 内 部 结 构 图 3有 限 元模 型 划 分为 2 8 8 0个 实体单 元 , 节 点数 目为 3 5 9 1 个 。对 于船 舶材 料 : 钢 材 , 取 杨 氏模量 E= = : 2 1 0 GP a , 泊 松 比 1 7 一0 2 3 , 密度 r 。

    17、一7 8 3 1 0 。 k g m。 , 屈服 强度 S 6 3 0 0 MP a ; 对 于桥 墩 材 料 : 钢 筋 混 凝 土 , 取 杨 氏模 量 E一 3 0 GP a , 泊 松 比 一0 2 0 , 密 度 r 一 2 51 0 。 k g m。 。 4 2 计算 边界 条件 船在 水 中行驶 时 , 由于水 的浮力 和阻 力作 用 , 船 是很 难侧 翻或 船头 上 翘 的 , 计算 很 难 模 拟 水 浮力 和 阻力 对船 的作 用 , 因此计算 模 型 中进 行 了简化 处理 , 即约束 了船竖 直 方 向 ( y 轴 方 向) 的位 移 , 来 防 止船 侧 翻或船 头。

    18、上翘 。船与桥墩 之间采用 面面接触分析 。 4 3 计算 工况 计算 过程 中 的 初 始 条 件 : 桥 墩 固定 , 无 防 撞 装 置 , 1 0 0 0 t 船 的初 速 度 分 别 为 1 5 m s ( 为 2 1 0 节航 速 ) 。船舶 正面撞 击桥 墩 。 4 4 船撞桥墩的模拟计算结果及分析 图 4为载 重量 为 1 0 0 0 t 的船舶分 别 以 2 , 3 , 4 , 5 m s 的速度 正 面撞 击桥 墩时 的碰 撞力 时程 曲线 。表 2为有 限元计 算 的不 同航 行 速度 的船 撞 击 桥墩 时产 生 的最大撞 击力 。研 究 表 明 : 与 前 文 所 述。

    19、 5个 公 式 计算值相 比较 , 有限元计算结果与 S KG公式估算最 接近 ; 其它 公式 与仿真 计算 结果 有所 差别 , 其主要 原 因如 下 : ( 1 )公路 规 范 的计 算 结 果 较 仿 真 计 算 要 小 , 这 是 由其设定 撞击 时 间为 1 S 所致 , 如 图 4所 示 , 真 正 撞击 时 间约在 0 5 S 。这 也 正说 明公 路 规 范撞 击 时 间的设置存 在 着小船偏 大 、 大船 偏小 的问题 。 ( 2 )铁路 规范 中动能 折减 系数 相 当 于考 虑 到能 量耗 散 的经验 系数 , 取值相 对较 小 , 而 其 弹性变 形系 2 2 2 4 。

    20、2 1 8 0 要 H1 6 1 2 : 6 4 2 一 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 00 0 2 5 00 3 0 0 0 时间 m s 图 4船舶撞击桥墩时碰撞力时程曲线 表 2不 同 工 况 的 有 限 元 计 算 结 果 航速 m S 最大撞击力 MN 数对 于钢船 头 与混凝 土桥墩 而 言 , 假定 过大 , 导致 其 计算 结果偏 小 。 ( 3 )MG w 公 式 是 为 计 算 丹 麦 法 罗 桥 ( F a r o b r o e r n e ) 的船 撞 桥 墩 力 而设 计 的 , 而 AAS HT o 的 公式 相 当于 中国铁路 规范 中多个。

    21、 参数综 合成 一个参 数计 算 的特 例 , 这 2 个 公式 计算 有很大 的局 限性 。 ( 4 )S K G 公 式 是 用 于计 算 美 国 阳光 高 架 桥 的 最大撞击力 , 由于其考虑了船只过桥时的实际装载, 所 以其计算 结果 与本 文结果 相对 接近 。 由图 4中 可 以看 到 , 船舶 与 桥墩 的碰撞 时 间少 于 1 S ; 船舶 在航 行 速度 较 小 时 , 撞 击 桥墩 后 能 够停 下来 , 而 当船 舶航 行速 度较 大时 , 在撞击 桥墩后 会产 生二次撞击 , 但其撞击力相对于最大碰撞力而言可 以忽 略不计 。无论 哪 种工况 , 载重 1 0 0 0。

    22、 t 的船舶撞 击 桥 墩时 , 其 撞击 力 远 大 于桥 墩 设 计 的水 平 抗撞 强 度 1 0 0 0 k N, 因此需要设 计 防撞 设施 以保 护桥墩 安全 。 5 防撞研 究 对 于桥 墩 防撞 设施 的研究 , 在 2 0世 纪 8 O年代 , 日本岩 井 聪L 1 提 出桥墩 防撞 设 施按 设 置地 点 ( 力 的承受 处) 可 分 为直接 构造 ( 防撞设 施与 桥墩直 接传 递 撞击 力 , 即撞击 力作 用 在 桥墩 上 ) 和 问接 构 造 ( 防 撞 设施 与桥 墩之 间不 传 递 撞 击力 , 即桥 墩 不 承受 船 舶 撞击 力) 两 大类 , 每大 类 内。

    23、再 按船 舶动 能吸 收的方 式 分 为弹性 变形 型 、 压 坏 ( 弹 塑性 ) 变形 型和变位 ( 重 力 和 阻力) 型 3类 。 由上述 计 算 可 以知 道 , 船 舶 的最 大撞 击 力 远远 大于桥 墩所 能承 受 的安 全 水 平 , 所 以 防撞装 置 初 步 6 4 世 界 桥 梁 2 0 1 1年第 5 期 设 定 为间接构 造 , 具体 形式有 待于进 一步研究 确定 。 6 结 论 本 文采 用 国 内、 外 5个 不 同标 准规 范 中 的计 算 公式对 1 0 0 0 t 船舶 以不 同航行 速 度 正 面撞 击绍 兴 曹娥 江袍江 大桥 桥 墩 工况 的最 大。

    24、 撞击 力 进 行计 算 ; 并根据绍兴曹娥江袍 江大桥本身桥墩 的设计数据, 利用 L s - d y n a有限元软件, 建立有 限元仿 真模型计 算 , 得到不同工况下桥墩承受的最大撞击力 。对两 者进行 比较分 析 , 得到 以下结论 : ( 1 )I A B S E指南 中提 出的 S KG公 式 计算 结果 与有限元仿真计算结果能很好的吻合。但其对实际 工况 的适 用程度 需进一 步验证 。 ( 2 )经验 公式 与有 限元仿 真计 算 结果 都 表 明 , 船 舶 的最 大撞击力 远大 于绍兴 曹娥江袍 江大桥 的桥 墩 的设计抗 撞强度 , 需 要 进一 步 设计 桥 墩 防撞。

    25、 装置 以保护桥墩 。 参 考 文 献 : 1 5尹锡军 船桥碰撞及桥墩防撞设施研究( 硕士学位论文) An a l y s i s o f F o r c e o f I- D 大连 : 大连海 事大学 , 2 0 0 9 2 周兴华 武汉 长江大桥 桥墩防撞研 究 ( 硕士 学位论 文) D 成都 : 西南交通大学 , 2 0 0 4 r 3 Va n Ma n e n S ES h i p Co l l i s i o n s d u e t o t h e P r e s s e n c e o f B r i d g e s i- R B r u s s e l s : I n t 。

    26、e r n a t i o n a l Na v i g a t i o n As s o c i a t i o n ( PLANC),2 0 01 E 4 3戴彤宇 , 聂 武船撞 桥事故 综述 j - I 黑龙 江交通 科 技 , 2 0 0 3 , ( 2 ) : 1 3 1, 5 3陈国虞, 王礼立船撞桥及其防御E M 北京: 铁道工业 出 版社 , 2 0 0 6 6 3姜华, 王君杰美国公路桥梁风险法确定设防船撞力 评述r J 世界桥梁, 2 0 0 8 , ( 4 ) : 6 4 6 7 E 7 3 J T G D 6 0 2 0 0 4 , 公路桥涵设计通用规范E s 1, 。

    27、8 3 TB 1 0 0 0 2 5 2 0 0 5 , 铁路桥涵地基和基础设计规范 s 9 3上海 钢 结构 研究 所船 撞 桥论 文选 ( 内部 参 考资 料) I, z 3 2 0 0 0 E l O 3 A AS HT OGu i d e S p e c i f i c a t i o n s a n d C o mme n t a r y f o r Ve s s e l C o l l i s i o n De s i g n o f Hi g h wa y B r i d g e ( S e c o n d E d i t i o n ) I, c Wa s h i n g t 。

    28、o n D C:Ame r i c a n As s o c i a t i o n o f S t a t e Hi g h wa y a n d Tr a n s p o r t a t i o n Of f i c i a l ,2 0 0 9 1 1 岩井 聪关于船 舶对 桥梁 的安全 设施 E J 3 中国航 海 , 1 9 8 6 , ( 2 ) : 1 5 3 1 6 4 Ve s s e l Co l l i d i ng A P a o j i a n g B r i d g e o v e r C a o e j i a n g Ri v e r g a i n s t P。

    29、i e r o f i n S h a o x i n g ZH U Zh o n g y i ,Y ANG Fe n g ( 1 S h a o x i n g Ci t y Co n s t r u c t i o n He a d q u a r t e r s o f P a o j i a n g B r i d g e o v e r Ca o e j i a n g Ri v e r ,S h a o x i n g 3 1 2 0 7 1 ,C h i n a ; 2 F a c u l t y o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n。

    30、 g a n d Me c h a n i c s ,Ni n g b o Un i v e r s i t y ,Ni n g b o 3 1 5 2 1 1 ,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Th e ma i n b r i d g e o f Pa o j i a n g B r i d g e o v e r Ca o e j i a n g Ri v e r i n S h a o x i n g Ci t y i s a( 4 0 + 1 8 5+ 1 8 5+ 1 8 5 + 4 0) m t hr e e s p a n ha l f t h r o u。

    31、g h t i e d a r c h br i d g e wi t h s i de a r c he s To i n v e s t i ga t e t he c o nd i t i o n o f t h e b r i d g e u nd e r v e s s e l c o l l i s i o n。t he f or c e o f v e s s e l c ol l i di ng a ga i ns t p i e r wa s c a l e ul a t e d Two c a l c ul a t i o n f o r m u l a s i n Chi。

    32、 n e s e Co de a n d t h r e e c a l c ul a t i o n f o r m u l a s i n t h e g u i d e l i n e s o f I n t e r n a t i o n a l As s o c i a t i o n f o r Br i d g e a n d S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g ( I ABS E)we r e e m p l o y e d i n t h e c a l c u l a t i o n a n d t h e f i n i t 。

    33、e e l e me n t mo d e l wa s a l s o e s t a b l i s h e d t o c a r r y o u t s i mu l a t i o n c a l c ul a t i o nThe c o nt r a s t i v e a na l y s i s s h o ws t ha t t h e r e s u l t c a l c u l a t e d b y t he SKG ( Sa u l S v e l s s o n, Kno t t Gr e i ne r ) f o r mu l a i n t he gu i 。

    34、d e l i ne s o f I ABS E b a s i c a l l y a gr e e s wi t h t h e s i mul a t i o n r e s u l t by t he f i n i t e e l e me nt m o d e 1 a n d t he SKG f or mul a i S s u i t a bl e f o r c a l c u l a t i o n o f t he m a x i mu m v e s s e 1 c o l l i s i o n f o r c e o f t he p i e r W he n v 。

    35、e s s e l c o l l i d i n g a ga i ns t a pi e r,t he m a x i m u m c o l l i s i o n f o r c e i s f a r gr e a t e r t h a n t he a nt i c o l l i s i on s t r e n gt h d e s i gne d f o r t h e p i e r Th e r e f o r e,a n t i c o l l i s i o n f a c i l i t i e s s h o ul d b e de s i gn e d t o p r ov i d e p r ot e c t i o n f o r t h e pi e r Ke y wo r ds :t i e d a r c h br i d g e;p i e r;c o l l i s i o n f o r c e ;f i n i t e e l e me n t me t h od 。

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