桥梁毕业设计结构设计

1结构设计
1.1方案比选
1.1.1设计标准和规范
设计标准
1、线路等级：公路一级
2、设计车速：60km/h
3、桥面设计宽度：双向四车道，两侧各设2.0m人行道，2m（人行道）+7m（车行道）+2m（分隔带）+7m（车行道）+2m（人行道）=20m。

4、桥面坡度：桥面横向坡度1.5%，桥面纵坡0.7%。

5、设计荷载：公路I级；人群荷载：3.0KN/m2。

6、地震基本烈度：7度，设计基本地震加速值为0.10g。

设计规范
1、公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62-2004
2、公路桥涵设计通用规范 JTG D60-2004
1.1.2方案比选概述
赫章大桥处于云贵高原乌蒙山脉北段。

地势北高南低，属构造侵
蚀剥蚀型河谷地貌。

大桥跨越赫章后河。

桥区植被不发育，主要为荒地。

桥区附近海拔1490m--1810m，相对最大高差320m。

现对桥梁的形式进行方案比选，比选原则如下：
（1）安全与舒适性
整个桥跨结构及各部分构件，在制造、运输、安装和使用过程中应具有足够
的强度、刚度、稳定性和耐久性，以满足桥梁安全性的要求。

现代桥梁设计越来
越强调舒适度，要控制桥梁的竖向与横向振幅，避免车辆在桥上振动与冲击，以
满足桥梁舒适性的要求。

（2）适用性
桥上应保证车辆和人群的安全畅通，并应满足将来交通量增长的需要。

桥下
应满足泄洪等要求。

建成的桥梁应保证使用年限，并便于检查和维修。

（3）经济性
设计的经济性应占较重要的位置。

经济性除建桥费用，还应考虑未来综合发
展及养护和维修等费用。

（4）美观
一座桥梁，应与周围的景致相协调。

有合理的结构布局和优美的轮廓是美观
的主要因素，不应把美观片面地理解为豪华装饰。

在安全、适应和经济前提下，
尽可能使桥梁具有美观性。

根据该桥的桥位地质、实际地形和水文资料，综合各备选方案上部结构形式
及安全性、经济性、施工条件等因素，最后比选出三种桥型方案。

拟定备选方案如下：
方案一：连续梁桥，布跨形式为：103m+150m+103m；
方案二：单塔斜拉桥，布跨形式为：200m+200m；
方案三：T型刚构桥，布跨形式为：88m+140m+140m+88m。

三个桥梁方案均可满足条件，具体方案比较如下：
1.1.3三跨预应力混凝土连续梁桥（103m+150m+103m）
（1）桥型介绍
预应力混凝土连续箱梁是常用的一种桥梁结构形式，属于超静定体系。

其在恒载、活载作用下，产生的支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载的作用，使其内力状态比较均匀合理。

结构刚度大，变形小，动力性能好，主梁变形挠曲线平缓，有利于高速行车。

可采用悬臂施工法、顶推法、逐跨施工法施工，充分应用预应力技术的优点使施工设备机械化，生产工厂化。

预应力结构通过高强钢筋对混凝土预压，不仅充分发挥了高强材料的特性，而且提高了混凝土的抗裂性，促使结构轻型化，因而预应力混凝土结构具有比钢筋混凝土结构大得多的跨越能力。

（2）尺寸拟定
①桥跨布置
预应力混凝土连续梁、连续刚构桥主跨一般不宜大于200m，主跨大于200m时应与其他桥型进行充分比选论证；一般情况下边中跨比不小于0.55，在过渡墩较高、边跨现浇段难以采用落地支架现浇时，边中跨比最小可采用0.53，以保证结构在最不利荷载作用下边墩支座有一定压力。

边跨跨径约为中跨的0.6～0.8倍，按此经验初步确定桥跨布置为：103m+150m+103m，总长为356m.布置图如下图所示。

②截面尺寸
为提高箱梁的承载能力，改善主梁的应力状况，箱梁应有足够的高度。

箱梁根部梁高宜控制在主跨跨度的1/16~1/20，跨中梁高宜控制在主跨跨度的
1/30~1/50，考虑到新的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）的实施和荷载标准的调整，在净空不受限制的条件下可适当增加梁高，梁高宜按二次抛物线变化。

截面尺寸拟订中，单箱单室顶板宽度一般小于20 米，单箱双室顶板宽度约为25米，双箱单室可达40米左右。

支点截面的梁高H约为（1/16-1/20）L（L—为中间跨跨长），跨中梁高H约为（1/1.5 -1/2.5）H。

底板厚度与主跨之比宜为1/140-1/170，跨中区域底板厚度可按构造要求设计。

截面细部构造图如下图所示。

（3）施工方案设计
连续梁桥的施工方法有先简支后连续法、顶推施工法、悬臂施工法等等，本次施工采用悬臂浇筑法施工。

1.1.4单塔斜拉桥（200m+200m）
（1）桥型介绍
斜拉桥主要由主梁、索塔、斜拉索三大部分组成，斜拉桥的基本受力特点是：受拉的斜索将主梁多点吊起，并将主梁的恒载和车辆等其它荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。

主梁在斜拉索的各点支撑作用下，像多跨弹性支承的连续梁一样，使得弯矩值得以大大的降低，这不但可以使主梁尺寸大大减小，而且由于结构自重显著减轻，既节省了结构材料，又能大幅度的增大桥梁的跨越能力。

此外，斜拉索轴力的水平分力对主梁施加了预压力，从而可以增加主梁的抗裂性能，节约了主梁中的预应力钢材的用量。

（2）桥跨布置
对于主梁支撑于塔墩的支撑体系，为承受支点截面较大的负弯矩，在局部区段可加大梁高或加厚翼缘板厚度。

从横向风力稳定性角度考虑，采用双索面，拉索布置为扇形，混凝土主梁拉索间距多数为6～10m,取为8m，。

根据主梁的受力要求或为了减小索面，拉索的竖直分力越大越好，考虑到主塔上拉索不能过于密集，主塔上拉索间距一般取1.6～2.2m。

①桥跨布置
此桥采用单塔双索面斜拉桥，跨度为200m+200m，主梁上斜拉索间距顺桥向取8m，主塔上斜拉索间距竖向取2m，设其塔高为90m,其布置图如下图所示。

②截面尺寸
根据高跨比的经验值，取梁高为3m,全桥采用等截面箱型截面，其细部构造图如下图所示。

（3）施工方法设计
对于斜拉桥可以采用现浇施工，也可采用拼装预制梁的方法施工，还可采用转体施工。

就施工条件而论，转体施工无法进行，此桥采用拼装施工可以缩短工期，而且还可保证质量。

1.1.5T型刚构桥（88m+140m+140m+88m）
（1）桥型介绍
T刚构，是预应力混凝土梁桥常见形式之一。

因其自身具有的结构轻巧、跨度大、施工机械化和装配化程度高等特点，而被广泛应用。

T型刚构桥是在简支预应力桥和大跨钢筋土箱梁桥的基础上，在悬臂施工的影响下产生的。

其上部结构可为箱梁、桁架或桁拱，与墩固结形成整体，桥型美观、宏伟、轻型，适用于大跨悬臂平衡施工，可无支架跨越深水急流，避免下部施工困难或中断航运，也不需要体系转换，施工简便。

（2）尺寸拟定
①桥跨布置
桥梁全长共4跨。

在桥垮布置时从结构上应使每个T构的悬臂长度相等，全桥挂梁等长。

本方案拟定T构的悬臂长度为52m，挂梁的计算跨径取用36m，其布置如下图所示。

②截面尺寸
T构横截面全宽21m采用双箱单室，箱宽5.48m，箱梁间顶板长4.84m，外侧悬臂板1.6m，人行道悬臂长度1.0m。

其细部构造如下图所示。

（3）施工方法设计
T构采用分箱分段悬臂浇筑施工。

T构悬臂长52m，分13个节段，每一节质量不超过180t。

两个单箱分别悬浇施工，箱间用0.5m现浇带相连，再用横向预应力降两箱组成整体截面。

使用箱梁内滑模板施工，特别用在薄腹板的高大截面以及钢筋和管道密集的箱梁，能够提高工效，减轻施工荷载，缩短工期，改善劳动强度和提高施工质量。

1.1.6方案比选总结
最终方案的确定应遵循“安全、适用、经济、美观”的原则，综合考虑各个方案结构合理性、方案的造价、施工难度和外观等方面的优缺点，确定最终方案。

本桥为跨越水库的公路桥，而非城市桥梁，对桥梁美观需求不高。

斜拉桥虽然跨越能力大，但是其造价很高，而且维护费用高，需定期进行换索工作。

并且拉索的张拉控制麻烦，索力调整对桥梁的线形及受力影响很大，施工工艺及精度要求很高。

同时拉索是柔性体系，风力作用下会震动，需采用相应的措施，不然会影响桥上行车舒适及安全，再者斜拉桥横向刚度小，变形大。

故在此公路桥设计中不推荐采用。

当采用T型刚构桥时，为三向预应力体系，纵向预应力筋采用高强钢丝组成的钢束，锚头采用钢制锥形锚具，纵向钢束分有直束、竖弯束和平竖弯束，布置在箱梁的顶板和腹板内。

每孔挂梁的施工周期约为11d，工期太长，故不宜采用。

预应力混凝土连续梁桥是预应力桥梁中的一种，其线条明快流畅，与周围景观搭配协调，具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点且施工简单。

在造价方面，成本低，在公路桥设计中采用得较多，有很多可以参照的工程实例。

同时设计计算简单，故在本次设计中采用。

各方案各指标如下表所示。

综上所述,经过前面的比较，本次设计选择三跨预应力混凝土连续梁桥方案作为赫章大桥的设计方案。

1.2初步设计
1.2.1设计基本资料
赫章大桥位于毕威高速公路上,是毕威高速上的一座特大桥。

大桥位于贵州省赫章县境内,地质复杂、地势险峻。

赫章大桥的建设，对保障交通畅通和城镇发展起着不可替换的作用。

大桥的起点桩号为K99+634.0，终点桩号为K100+090.0，桥梁全长为456m。

设计标准
1、线路等级：公路一级
2、设计车速：60km/h
3、桥面设计宽度：双向四车道，两侧各设2.0m人行道，2m（人行道）+7m（车行道）+2m（分隔带）+7m（车行道）+2m（人行道）=20m。

4、桥面坡度：桥面横向坡度1.5%，桥面纵坡0.7%。

5、设计荷载：公路I级；人群荷载：3.0KN/m2。

6、地震基本烈度：7度，设计基本地震加速值为0.10g。

设计规范
1、公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62-2004
2、公路桥涵设计通用规范 JTG D60-2004
1.2.2主梁截面尺寸的拟定
为提高箱梁的承载能力，改善主梁的应力状况，箱梁应有足够的高度。

箱梁根部梁高宜控制在主跨跨度的1/16~1/18，跨中梁高宜控制在主跨跨度的1/30~1/55，考虑到新的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）的实施和荷载标准的调整，在净空不受限制的条件下可适当增加梁高，梁高宜按二次抛物线变化。

截面尺寸拟订中，单箱单室顶板宽度一般小于20 米，单箱双室顶板宽度约为25米，双箱单室可达40米左右。

支点截面的梁高H支约为（1/16-1/18）L（L—为中间跨跨长），跨中梁高H约为（1/1.5 -1/2.5）H支。

底板厚度与主跨之比宜为1/140-1/170，跨中区域底板厚度可按构造要求设计。

主梁尺寸：主梁采用变截面箱梁，支点梁高为7.5m，与中跨孔径的比值为1/18.67；跨中梁高为3m，与中跨孔径的比值为1/46.67。

主梁截面具体尺寸如下图所示。

1.3桥面板计算
桥面铺装为2cm厚的沥青混凝土面层和平均厚度为9cm的C40防水混凝土垫层。

箱梁钢筋混凝土的容重为25KN/3
m。

桥面铺装如下图所示。

1.3.1悬臂板计算
右悬臂板存在车辆荷载，所以更加不利，因此只需计算右悬臂板来进行桥面板计算及配筋，下面选取右侧悬臂板进行计算。

（1）恒载内力（以纵向梁宽1m的板梁计算）
计算跨径L=2.7m，悬臂板恒载内力计算图示如下：
①部分平均厚度1h =0.5m ，长度1l =0.55m ，荷载集度g=2.5KN/m ②部分平均厚度h=0.275，长度2l =0.55m ，荷载集度g=6.875KN/m
③部分平均厚度m 2.0h 3=，长度l=1.8m ，荷载集度m /52512.0g 3KN =⨯⨯=
④部分平均厚度0.1m h 22
.04==，长度l=1.8m ，荷载集度m /5.22511.0g 4KN =⨯⨯=
⑤部分平均厚度m 3.0h 5=，长度m 5.0l 5=，荷载集度m /9.62313.0g 5KN =⨯⨯=
⑥部分平均厚度m 2.0h 6=，长度0.3m l 2
2.04.06==+，荷载集度m /6.42312.0g 6KN =⨯⨯=
⑦部分平均厚度m 2.0h 7=，长度m 6.0l 7=，荷载集度m /52512.0g 7KN =⨯⨯= 沥青混凝土面层m /42.021102.0g 8KN =⨯⨯= C40防水混凝土m /07.223109.0g 9KN =⨯⨯= 恒载内力计算如下： 弯矩：
())
1.0()
1.0()()()(277266255314421333222
112129821sg 7
654
32-+------+-+---+-=l l l l l l l l g l l g l l g l l g l l g l g l g l g g M
=-41.528KN ·m 剪力：
7
766554433221198sg )(l g l g l g l g l g l g l g l g g Q ++++++++=
=37.838KN （2）活载内力
按照规范《D60-2004》，验算荷载的后轮着地长度2a =0.2m ，宽度2b =0.6m 。

m H a 42.011.022.02a 21=⨯+=+= m H b 82.011.026.02b 21=⨯+=+= 有效分布宽度： a=3.72m>1.4m
两个后轮的有效分布宽度发生重叠，则： a ’=5.12m 故:
m KN ab P /335.2982
.082.52140
222p 1=⨯⨯⨯==
悬臂根部单位板宽的弯矩为：
)2
()1(11sp b
c pb M -+-=μ
=-56.519KN ·m
悬臂根部单位板宽的剪力为：
1sp )1(pb Q μ+==1.3×33.346×0.82=35.547KN
（3）荷载组合
=-128.960KN/m
=95.171KN
1.3.2桥面中间板计算
显而易见，本桥箱梁桥面中间板的纵横向比列远大于2，故应作为单向板计算。

同时，当41
10133.0t <==h （即主梁抗扭能力较大）时，则：
跨中弯矩：05.0M M c =；
支点弯矩：0s 7.0M M -=。

（其中，0M 为简支板跨中弯矩。

） 对于剪力计算，可不考虑板和主梁的弹性固结作用，简支板的支点剪力即为连续板的支点剪力。

（1）恒载内力（以纵向梁宽1m 的板梁计算）
先计算简支板的跨中弯矩和支点剪力值，根据规范《D60-2004》，梁肋间的板计算跨径：
计算弯矩时：=4.0+0.3=4.3m 计算剪力时：
=4.0m
其中：L —板的计算跨径，0L —板的净跨径。

每延米的恒载g ：
沥青混凝土面层：m KN /42.021102.0g 1=⨯⨯= C40混凝土垫层：m KN /07.223109.0g 2=⨯⨯= 将箱梁承托摊于桥面板上，则： =37.035cm =9.259KN/m
=0.42+2.07+9.259=11.749KN/m
恒载内力计算： b l t l L +≤+=00
=4.37035m =4.4m
故L=4.370m
=28.046KN ·m =23.498KN
（2）活载内力
按照规范《D60-2004》，验算荷载的后轮着地长度m 2.0a 2=，宽度m b 6.02=，则顺桥向轮压分布宽度为：
m H a a 42.011.022.0221=⨯+=+= 垂直于行车方向轮压分布宽度为： m H b 82.011.026.02b 21=⨯+=+= 有效分布宽度计算：
①车轮位于跨径中部时：
l
l a a 32
31≥+=
a+l/3=1.887m, 2l/3=2.933m
a=2.933>1.4m,两个后轮重叠，因此，a=2.933+1.4=4.333m ②车轮位于板的支承处时：
3a 1l
t a ≥
+='
a+t=0.790m, l/3=1.467m
故a=1.467>1.4m, 所以a=2.867m
③车轮位于板的支承附近，距支点距离为x 时，
考虑了相应的有效分布宽度后，每米板宽承受的分布宽度为： P=39.403KN/m P ’=59.551KN/m
计算弯矩时简支板跨中弯矩影响线如下图所示：
将重车后轮作用于板的中央，得简支板的跨中最大弯矩，汽车横向布置如下图所示：
则跨中最大弯矩为：
)
)(1(332211s y A y A y A M p +++=μ
其中A=32.314KN
=73.514KN ·m
计算支点剪力时，荷载必须尽量靠近梁肋的边缘布置，考虑了相应的有效工作宽度后，每米板宽承受的分布荷载如下图所示：
支点剪力计算公式为：
))(1(44332211sp y A y A y A y A Q ++++=μ
=77.203KN
综上所述，可得中间桥面板活载内力如下，荷载组合按照规范《D60-2004》计算：
sp M M M 4.12.1sg 0+=
=1.2×28.046+1.4×73.514=136.575m ⋅KN
sp Q Q Q 4.12.1sg 0+=
=1.2×23.498+1.4×77.203=136.282KN
由于41
<h t ，则：
跨中弯矩：=68.288KN ·m 支点弯矩：=-95.603KN ·m
1.3.3桥面板配筋
（1）悬臂板及中间板支点负弯矩处均采用相同的钢筋抗弯，故只需按其中最不利荷载效应配筋，即m KN M ⋅-=861.135d 。

其中h=80cm ，设净保护层厚度a=3cm ，若选用直径d=12mm 的HRB335钢筋，则有效高度为：
m d a h 764.0006.003.08.02
h 0=--=--=
由)
2(f 00x
h bx M cd d -≤γ
解得x=0.00757m 验算满足规范要求。

As=605.6
选用直径为12mm 的HRB335钢筋时，钢筋的间距为15cm ，此时单位长度行车道所提供的钢筋面积2754mm A S =。

验算截面承载力： x=0.00943m
=160.385KN ·m>128.960KN ·m
故满足要求。

（2）中间板跨中截面处的抗弯钢筋计算如下：
由上述计算得跨中断面弯矩m KN M d ⋅=503.74，其高度为30cm ，设净保护层
cm a 3=，若选用直径为12mm 的HRB335钢筋，则有效高度为：
m d a h h 264.0006.003.03.02
0=--=--=
根据)
2(f 00x
h bx M cd d -≤γ
解得x=0.01181m 验算满足要求。

As=944.8
选用直径12mm 的HRB335钢筋时，间距为10cm 。

此时单位长度行车道板所提供的钢筋面积21131mm A S =。

验算截面承载力： x=0.01414m
=81.379KN ·m>68.288KN ·m
故承载力满足要求。

1.3.4二期恒载计算
二期恒载的计算时，顺桥向采用每延米计算。

计算如下：
栏杆：m KN /04.112232.02.1=⨯⨯⨯
人行道铺装：m KN /5.342235.23.0=⨯⨯⨯
防撞护栏：m KN /32.194232.022
.04.05.03.0=⨯⨯⨯++⨯）（
行车道铺装：m KN /86.34223709.021702.0=⨯⨯⨯+⨯⨯）（ 搭板：m /6252.12.0KN =⨯⨯
m KN /72.105686.3432.195.3404.11g 2=++++=∑
平均分配给每根箱梁：m
KN /86.52272
.105g 2==
1.4主梁纵向预应力钢束的估算与布置
1.4.1主梁建模单元的划分
由于采用Midas civil 建模，计算结构内力，并进行结构验算，主梁建模单元的划分下如图所示。

1.4.2悬臂法FCM的施工顺序
悬臂法施工时，采用对称施工，具体的施工顺序如下图。

1.4.3内力组合
根据《公路桥涵设计通用规范》（D60-2004）要求，通过Midas civil 进行内力组合，考虑承载能力极限状态基本组合、正常使用极限状态长期组合、正常使用极限状态短期组合三种荷载组合。

（1）承载能力极限状态基本组合
公路桥涵结构按承载能力极限状态进行设计时，应采用以下两种作用效应组合：基本组合和偶然组合，由于本设计不考虑偶然作用的影响，故只采用基本组合。

基本组合是承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用标准值效应的组合，其基本表达式为：
00111
2
()m n
ud Gi Gik Q Q k c Qj Qjk i j S S S S γγγγψγ===++∑∑
或 0011
2
()m n
ud Gid Q d c Qjd i j S S S S γγψ===++∑∑
式中 ud S —承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；
0γ—结构重要性系数，按《通规》JTG D60-2004表1.0.9规定的结构设计
安全等级采用，对应于设计安全等级一级、二级和三级分别取1.1、1.0和0.9；
Gi γ—第i 个永久作用效应的分项系数，应按《通规》JTG D60-2004表4.1.6
的规定采用；
Gik S 、Gid S —第i 个永久作用效应的标准值和设计值；
1Q γ—汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的分项系数，取1Q γ=1.4。

当某个可变作用在效应组合中其值超过汽车荷载效应时，则该作用取代汽车荷载，其分项系数应采用汽车荷载的分项系数；对专为承受某作用而设置的结构或装置，设计时该作用的分项系数取与汽车荷载同值；计算人行道板和人行道栏杆的局部荷载，其分项系数也与汽车荷载取同值；
1Q k S 、1Q d S —汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的标准值和设计值；
Qj γ—在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）、风荷载
外的其他第j 个可变作用效应的分项系数，取Qj γ=1.4，但风荷载的分项系数取Qj γ=1.1；
Qjk S 、Qjd S —在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其
他第j 个可变作用效应的标准值和设计值；
c ψ—在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其
他可变作用效应的组合系数，当永久作用与汽车荷载和人群荷载（或其他一种可变作用）组合时，人群荷载（或其他一种可变作用）的组ψ=0.80；当除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外合系数取
c
ψ=0.70；尚有三尚有两种其他可变作用参与组合时，其组合系数取
c
ψ=0.60；尚有四种及多于四种可变作用参与组合时，其组合系数取
c
ψ=0.50。

种的可变作用参与组合时，取
c
承载能力极限状态基本组合内力值
结构设计
第 25
页 （2）正常使用极限状态短期效应组合
作用短期效应组合是永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合基本表达式为:
11
1
m
n
sd Gik j Qjk i j S S S ψ===+∑∑
式中 sd S —作用短期效应组合设计值；
1j ψ—第j 个可变作用效应的频率值系数，汽车荷载（不计冲击力）1ψ=0.7，
人群荷载1ψ=1.0，风荷载1ψ=0.75，温度梯度作用1ψ=0.8，其他作用
1ψ=1.0；
1j Qjk S ψ—第j 个可变作用效应的频率值。

正常使用极限状态短期效应组合内力值
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
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（3）正常使用极限状态长期效应组合
作用长期效应组合是永久作用标准值效应与可变作用准永久遇值效应的组合,其基本表达式为：
21
1
m
n
ld Gik j Qjk i j S S S ψ===+∑∑
式中 ld S —作用长期效应组合设计值；
2j ψ—第j 个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击力）
2ψ=0.4，人群荷载2ψ=0.4，风荷载2ψ=0.75，温度梯度作用2ψ=0.8，其他作用2ψ=1.0；
2j Qjk S ψ—第j 个可变作用效应的准永久值。

正常使用极限状态长期效应组合内力值
结构设计
承载能力极限状态基本组合、正常使用极限状态短期效应组合、正常使用极限状态长期效应组合的内力包络图如下图所示。

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