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高层建筑结构智能型式优化的现状与趋势

?196?哈尔滨工业大学学报第38卷

ES知识库更新困难无自学习功能的不足.

3)CBR系统应用与解决问题的范围扩大.CBR通过类比推理与适应性修改可形成与旧实例不同的创新解答,克服了传统基于演绎推理的Es将所有问题答案都预先包含在知识库中,不具有创新求解能力及解决问题领域狭窄的不足.4)CBR系统的实现过程简单,问题求解简捷、速度快,有预警功能.CBR一般不需考虑问题求解的具体细节,能很快提供一个解决方案,避免了传统Es推理链较长且每次都从头开始进行问题求解的不足,实例的复用也将节省大量时间;cBR系统还可通过保存失败的工程实例,来预警并防止其再次出现.

5)cBR系统问题求解质量高,易被用户接受.cBR的结果是以已有实例为基础的,更易被用户接受,且可避免神经网络系统无法对其结论给出解释等的不足.

2.3基于CBR的智能型式优化问题求解过程及工程应用

CBR是人工智能新兴的一种重要推理技术,在推理中,cBR从实例库检索与当前问题相似的实例集,经评价后部分或全部地复用或经适应性修改后再利用,并可在实例库中保存新实例,以实现实例的动态学习.基于CBR的智能型式优化问题求解过程包括:实例获取(获取源实例)、实例表征、实例检索(获取相似可行方案)、方案评价、方案优选与重用、实例修改、实例学习等过程旧8|.鉴于cBR的上述特征,及其符合人类喜欢借鉴已有实例来进行决策的习惯,近年来,该技术在建筑等领域得到了广泛的应用.如国外的Dom—eshek、Faltings和Schmitt分别开发了基于案例的建筑方案设计系统Archie_29I、CADREl3…,Maller等开发了基于实例的高层建筑结构设计实例重用系统cADsYN,Soibelman研制了用于结构概念设计的系统M—RAM¨刈等.在我国,土木工程领域的CBR系统的研究剐刚起步,如刘西拉等研制了高层建筑结构初步设计的CBR系统旧2|,邢方亮等开发了基于神经网络的结构选型实例推理系统∞纠等.文献[34,35]中研制了基于实例推理与智能算法的高层结构智能型式优化系统.

2.4存在的问题

1)实例库中的实例数量与质量是决定cBR系统质量的关键,但要获得大量的实例及其详细的设计资料,目前还有一定困难.且所使用的知识是有限相似实例(属浅层知识),不能利用隐含在大量实例背后结构型式优选的规律性等深层知识.

2)在实例检索时,可采用多种实例检索方法,采用不同方法时,其检索结果不同.仅根据相似性来选择结构型式,缺乏科学依据,常蕴涵有一定的风险性,且实例的缺陷辨识困难.

3)实例库中的实例是一定历史阶段的产物,当新问题与实例库中的旧问题相似时,限于当前的技术、经济、材料、环境等条件的变化,对原来问题有效的求解策略,对现在类似问题可能是无效的.该方法显然在结构型式创新方面存在不足.为弥补ES与CBR的不足,研究又一种新的基于知识发现(KDD)的智能型式优化方法.

3基于KDD的智能型式优化方法研究现状与特征

3.1知识发现的产生与现状

KDD是指从存储在数据库、数据仓库或其他信息存储容器中的大量领域背景数据里筛取信息,发现有价值知识的过程,这些知识是隐含的、事先未知的、用概念、规则、规律、模式和可视化等来表征的mJ.KDD技术在型式优化领域的应用研究刚刚起步,但其作为自动知识获取的有效工具无疑具有广阔的应用前景,如文献[37]中建立了基于关联分析、决策树、遗传算法与神经网络的智能型式优化KDD方法,并从不同角度获取了型式优化知识.

3.2知识发现的特征

1)KDD是在数据库不同层次上进行的隐含信息挖掘,其结果不一定严格,且其结果主要是隐含的、并可用规则和规律等形式来表征;数据库查询是基于原始字段进行的、事先清楚查询内容的被动查询,且其结果集是严格的.

2)与基于RBR的ES相比,KDD的知识获取具有量大、高效、自动和智能化程度高等特征,而前者所用知识的获取往往是通过人工方式获取,效率低、难度大且有限.

3)与CBR相比,KDD可以根据解决问题的需要自动获取隐含于大量实例信息中的深层规律性知识,而CBR只能获取以若干实例形式表征的具体解决方案的浅层知识.

3.3基于KDD的智能型式优化问题求解过程基于KDD的智能型式优化问题求解过程主要包括:数据准备(包括从信息源收集与准备数据源、数据选取、数据精化与预处理、数据转换等)、数据挖掘(包括确定主题、挖掘模式选择与挖掘等)、结果解释与评价获取有用知识、利用获取知识获得可行方案、方案评价与优选等过程(见图1).

第2期

张世海,等:高层建筑结构智能型式优化的现状与趋势

.197.

信思源腺始敢据集目标数据预处理数据变抉后数据

发现的信息有用知识知识库产生备选方案方案性能评价方案优选

选取抽样预处理数据变换数据挖掘解释评价

图l

基于知识发现的智能型式优化问题求解过程

依据上述过程,在文献[35]中实现了基于后发展趋势.

KDD的智能型式优化系统.实践证明,该型式优

4.2集成智能结构型式优化方法

化方法能够利用KDD方法,有效地发现隐含在大

领域专家往往能够巧妙、有机地协同利用逻量工程实例信息中结构智能型式优化设计的深层辑思维、类比联想与形象思维、创造性思维甚至灵规律性知识,KDD方法是ES、cBR系统知识获取感与顿悟等智能行为,来解决型式优化这类不良方法的必要补充,它可从不同的侧面、用不同的方结构问题,这种协同思维是人类的一种更高级智

法在工程实例“富矿”中开采高层结构智能型式

能活动,任何单一的智能方法均不能很好地模拟

优化知识,将大量的以很高代价才形成的实例领域专家的上述协同思维过程而有效地解决结构“信息资源”转化为指导解决领域实际工程问题

型式优化问题,为将高级智能移植到结构智能型的“知识财富”,基本解决了长期以来一直困扰的式优化领域,充分发挥和利用各种智能方法的优结构智能型式优化知识获取“瓶颈”问题,也为提

势,克服其不足,将Es、cBR、KDD等方法进行组

高现代高层结构型式优化质量开拓了新的思路、

合,即可形成若干种集成的智能型式优化方法.集

方法、手段和途径.

成后的智能化型式优化方法可兼有所集成方法的4结构智能型式优化方法的发展趋势

4.1

智能结构型式优化方法的趋势

兼容各法与各相关学科与技术之长,融合利

用面向对象、智能数据库、实例推理、知识发现、智能算法、智能设计、模式辨识、决策科学等相关领域的最新研究成果,打通各种方法与手段间的联系通道,建立结构型式智能产生与创新、评价与决策的方法,构建集成的智能型式优化方法,将是今

共同优点,其解决型式优化问题的能力与智能水平更高.

4.3

基于ES、CBR、KDD的集成智能结构型式优化方法特征

鉴于领域专家在解决结构型式优化问题时思

维方式、所用知识与经验是多种多样的具体情况,在文献[34],[35]中初步建立了基于ES与cBR、KDD的集成智能型式优化方法,图2给出了该方法的系统模型,该模型具有以下特征.

L‘==型一!===三竺兰竺兰竺笔皇!===型一一j

i’==<兰竺竺竺些冀兰兰璧-=型j

图2

高层建筑结构集成智能型式优化系统模型

1)能较好地模拟专家进行问题求解时的联2)可以根据解决结构选型问题的需要,直接想、推理、评判、综合、决策及顿悟与智能涌现等逻

利用已有工程实例信息,并可自动获取隐含于大辑、形象、创造性与灵感思维过程.在一定程度上量工程实例信息中的规律性知识,有效地解决了克服了传统基于知识系统的推理方法单一、智能传统基于知识系统知识获取困难的不足.为充分不健全、创新能力差等方面的局限与不足.

利用与开采工程实例“富矿”提供了新的方法.

高层建筑结构智能型式优化的现状与趋势

作者:张世海, 王力, 欧进萍, 王光远, ZHANG Shi-hai, WANG Li, OU Jin-ping, WANG Guan-yuan

作者单位:哈尔滨工业大学,土木工程学院,黑龙江,哈尔滨,150090

刊名:

哈尔滨工业大学学报

英文刊名:JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

年,卷(期):2006,38(2)

引用次数:1次

参考文献(37条)

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37.王光远.张世海.刘晓燕.欧进萍高层结构方案实例库系统及其在结构智能选型中应用[期刊论文]-工程力学2003(4)

相似文献(10条)

1.学位论文董军递阶结构系统理论及巨型结构悬挂体系振动控制研究1998

高层建筑结构的最新成就常常综合体现了结构工程的发展水平.近年来,高层建筑在风和地震作用下的振动控制研究及应用成为结构工程前沿课题之一,也是结构控制理论和应用发展最为迅速的领域,取得了令人瞩目的成就.发展易于控制的高效结构系统是当前和今后相当长一段时间内最富吸引力的关键方向之一,该文在这方面作了一些初创性的工作,主要内容为:(1)、以系统科学思想为指导,提出了一类易于控制的结构系统-递阶结构系统,分析了这种新型结构系统的特征和用于高层建筑的优越性;讨论了合适的表达方法,重点推导了分阶模态集结法的有关表达式;在此基础上详细进行了频域分析,并以二自由度体系为代表进行了具体的参数分析.(2)、提出了新的阻尼表达方法,可以合理确定复杂阻尼结构阻尼参数.(3)、给出了动力时程分析的一个高效方法-位移递归法;提出了适用于局部非线性情况下提高时程分析效率的位移递归法.(4)、为进行风作用下振动控制时程模拟,用时间序列分析中AR模型方法实现了考虑空间相关性的高层建筑脉动风荷载时程模拟;计算简捷方便.(5)、研究一种实际的递阶结构系统-巨型框架悬挂体系.提出了巨型框架和悬挂楼层合适的分析方法.归纳了巨型框架主要影响因素和影响规律;分析了巨型框架和悬挂楼层的动力特性和它们组成的递阶结构系统的特性.(6)、建立了巨型结构悬挂体系风作用下控制微分方程和便于控制分析设计的分阶模态集结法降阶表达.提出了完整的风振控制设计方法,给出了传递函数、响应功率谱、响应方差具体计算公式以及优化设计思想.(7)、作为理论应用实例,完成了沈阳国税局大楼风振响应和减振效果分析,并详细研究了悬挂楼层参数对减振效果的影响,提出了巨型结构悬挂体系风振控制设计步骤.(8)、用边界层风洞模拟实验进一步深入研究了巨型结构悬挂体系风振响应特征和被动控制效果.完成了9个方案的风洞实验,进行了理论结果与实验结果的对比分析.(9)、用时程模拟方法研究了水平和竖向地震载作用下巨型结构悬挂体系响应.

2.学位论文徐晓龙高层建筑结构的智能半主动振动控制研究2006

结构振动半主动控制研究包括控制装置和控制策略的研究两个部分。虽然结构振动半主动控制的研究已经取得了长足进展,许多半主动控制装置也已经成功应用于实际工程之中,然而关于结构振动半主动控制策略的研究仍存在许多问题。被控结构系统的非线性、时变、时滞、强耦合、分布参数以及非确定性等复杂因素的影响,给振动控制策略的研究带来很大困难。结构振动智能半主动控制策略的研究为解决以上问题开辟了一条有效途径。在这方面进行深入研究具有重要的理论价值和工程实用价值。

本文在充分借鉴现代控制理论、智能控制理论、系统辨识技术、计算智能方法、新材料技术的基础上,结合国际上通用的第三阶段非线性Benchmark建筑结构模型,进行了较完整的高层建筑结构振动智能半主动控制系统的研究。本文的主要研究内容如下:

1.提出了一种基于人工神经网络的结构系统辨识方法,克服了传统系统辨识中出现的问题,能够真实反映结构动态特性,并通过对20层Benchmark建筑结构的辨识仿真,验证了本文所提方法的有效性和实用性。

2.提出了一种基于粒子群优化算法的结构系统参数辨识方法。针对人工神经网络模型跟踪辨识方法不能得到辨识结构的真实物理参数的问题,用粒子群中的粒子表征结构物理参数,以最大似然准则为PSO算法的适应度函数,建立了20层钢结构系统的辨识模型,得到结构的物理参数。

3.全面阐述了可用于土木建筑结构振动控制的各种智能控制算法,包括模糊逻辑控制理论、人工神经网络技术、遗传算法和粒子群优化算法等,并介绍了用作半主动作动器的智能驱动材料——磁流变液及制成的磁流变阻尼器。同时,还介绍了地震激励高层建筑非线性反应控制Benchmark问题的定义和17个性能评价指标。

4.首次提出了一种地震激励高层建筑非线性反应的半主动模糊神经网络控制方法。基于分区控制的思想大大简化了模糊神经网络控制器的内部拓扑结构,按照加速度传感器的布置方式设置不同的控制区域,简化模糊神经网络控制器的控制范围,不同区域的控制器仅负责该区域控制策略的推理判断和实施。编制程序进行了非线性地震反应的数值仿真分析。分析结果表明:半主动模糊神经网络控制策略,可以有效地抑制高层建筑的非线性地震反应,减小强烈或罕遇地震对建筑结构的破坏。

5.提出一种改进的遗传算法进行高层建筑结构半主动控制作动器位置的优化设计。这种方法成功解决了约束非线性整数优化问题,实现了在半主动控制策略下作动器位置设置的优化设计。数值仿真表明,利用改进遗传算法可进行半主动控制系统的作动器在不同振动控制目标下的优化设计,计算时间短,可靠性高,适合工程实际应用。

6.首次引入粒子群优化算法,针对另一类约束非线性整数优化问题进行了相应的改进,对可重复位置设置及大数量作动器位置约束优化问题进行了研究。数值仿真表明,利用改进的粒子群优化算法,可进行半主动控制系统的作动器在不同振动控制目标下的优化设计,获得比一般非优化设计更好的控制效果。

3.期刊论文高层结构智能选型知识发现及方法比较-四川建筑科学研究2005,31(5)

首先,介绍了知识发现的产生及其与数据挖掘的区别与联系,较系统地分析了知识发现的研究与应用现状,给出了知识发现的特征、问题求解过程及

8种常用的知识发现方法;其次,明确地指出了高层结构智能选型知识发现的4个主要原因,提出了高层结构实例信息的5个典型特征;最后,对作者已建立的

6种高层建筑结构智能选型知识发现方法的特征与适用范围等进行了比较,指出了它们具有较好的互补关系而非竞争关系.上述工作为解决结构智能选型知识获取"瓶颈"问题及在结构选型过程中充分利用已有工程实例资源等提供了新的手段与方法.

4.学位论文杜飞高层建筑深基坑开挖数值分析理论及其应用的研究1998

目前的高层建筑深基坑开挖数值分析方法主要是以平面有限元法为主,开发的研究及应用程序很多,甚至象SUPER SAP-5或SAP50这样的一些通用结构分析程序也包含有这方面的内容,但是,一方面,这些传统的数值分析方法中,一些基本的问题还没有很好解决,如土体模型的选用方法、模型参数的确定等;另一方面,一些新的数值技术,如模糊数值方法,还有待应用于基坑开挖的研究中,因为它们更能反映和分析出事物的本质特征.该论文正是针对这些基本而又是关键的问题展开研究,并提出自己的见解.1.该文根据基坑开挖过程中,土体性态不断变化的特点,运用模糊集理论,并结合灰色系统理论,发展了一种岩土工程数值分析中选用土体本构关系的"模糊综合评价选择"模型,同时提出了具体选择量佳土体模型的量化准则,编制了相应的计算机程序;2.对土体本构模型的使用状况进行了讨论,筛选出六个经过多次验证能较准确地模拟常见地基土力学性能的本构模型,作为土体模型选择方法中的待选择模型集合,并分别讨论了各个模型中参数的确定方法;3.利用一种新的土-结构接触面单元变形理论,推导出了其平面六节点滑动单元的有限元计算公式;对基坑开挖场地的初始应力场特点进行了分析,采用了一种较为合理的计算初始应力的方法;对基坑开挖卸荷效应进行了较为详细的分析,建立了一个较为合理的基坑开挖荷载计算公式;4.分别建立了基坑开挖非线性有限元分析的位移法和混合单元法计算公式,前者用于分析不排水条件下土体及支护结构系统的行为,后者用于分析考虑孔隙水压力消散影响时土体及支护结构系统的行为,在此基础上编制了相应的计算机程序;5.运用模糊集理论及概率、统计分析方法,分别建立了判断基坑深部旋转滑动稳定性、坑底土体隆起稳定性以及管涌失稳的新的数值方法;6.作为上述数值分析理论的应用,该论文运用所编制的基坑开挖非线性有限元程序,以支护桩为例,分析了基坑几何尺寸、支护挡墙的刚度、支撑条件以及坑底土体加固等因素对深基坑开挖性状的影响,得到了一些有理论和工程实际意义的结论,供工程实践参考.

5.会议论文张世海.刘晓燕.涂庆.欧进萍.王光远知识发现及其在高层结构智能选型中应用2004

首先,介绍了知识发现的产生及其与数据挖掘的区别与联系,较系统地分析了知识发现的研究与应用现状,给出了知识发现的特征、问题求解过程及基于工程实例库的8种常用的知识发现方法;其次,明确地指出了从高层实例库中进行结构选型知识发现的4个主要原因,提出了高层结构实例信息的5个典型特征;最后,对作者已建立的6种高层建筑结构智能选型知识发现方法的特征与适用范围等进行了系统比较,指出了它们在基于工程实例库的知识发现过程中,具有较好的互补关系而非竞争关系.上述工作既为人们深入了解和认识知识发现及工程实例信息特征、选择或构建恰当的知识挖掘方法等奠定了基础,也为解决长期以来一直困扰人们的结构选型知识获取"瓶颈"问题及充分利用已有工程实例等提供了新的手段与方法.

6.学位论文梁芳慧基础隔震结构系统的参数优化研究2006

本论文的研究对象是框架一剪力墙隔震结构的建筑物,采用叠层橡胶垫隔震支座,运用国际通用的有限元结构分析程序ETABS对其进行分析与研究。

论文分别建立了隔震结构和传统抗震结构体系的三维空间有限元模型,并用时程分析法分析了叠层橡胶垫隔震结构的受力特点,给出了高层隔震建筑的上部结构的最大绝对加速度、最大位移和隔震层的最大绝对加速度、最大位移反应特点等内容。理论计算的结果表明:隔震体系安全可靠,计算简便;隔震结构在水平地震作用下的位移反应以“整体平动”为主,结构的变形集中在隔震层。

论文对上部结构相同的隔震建筑和不隔震建筑的抗震效果进行了比较。研究表明:具有叠层橡胶垫支座的框架一剪力墙结构具有明显的减震效果

,水平地震作用大大地减小了。隔震结构的基底剪力,顶层最大绝对加速度、最大位移和隔震层的最大绝对加速度、最大位移都远远小于不隔震结构的计算结果。

本文对影响高层建筑隔震效果的参数进行了分析。首先探讨了隔震系统的有效刚度、阻尼比、屈服后刚度比及屈服剪重比等因素对结构地震响应的影响。其次对地震波的调整方法进行了讨论,并用位移反应谱对结构的最大位移反应进行验算。计算分析结果表明,对具有叠层橡胶垫支座基础隔震系统的高层建筑结构的隔震系统阻尼比取值0.30左右时隔震效果比较明显,结构顶层最大位移、隔震层最大绝对加速度和最大位移与地震波强度基本上呈线性关系,隔震效果明显受到地震波频率的影响。

7.学位论文孙宗鹏大跨连体复杂高层建筑结构抗震性能分析2009

连体结构是通过连接体将不同的结构连在一起,体型比较复杂,因此连体结构的受力一般比单体结构或多塔楼结构更复杂。由于连体的存在,使得原来彼此独立的各单体结构成为一个复杂结构系统中的一部分,在地震作用下连接体的存在使得原来独立发生振动的塔楼要相互作用、相互影响,因而其反应远比单体结构和无连接体的多塔结构要复杂,会出现较强的平扭耦联等现象,因此连接体的设置改变了结构的动力特性。

浙江东港开发区拟建高层双塔连体办公楼,两座塔楼地上十八层,结构总高度81.4m,为高层钢筋混凝土框架剪力墙结构,该结构顶部三层为58m净跨的连接体结构,属于竖向不规则结构。鉴于该结构体系的复杂性,本文采用通用有限元程序ANSYS对该结构进行数值模拟分析,以其能更深入全面地了解该结构的抗震性能。

本文首先对计算模型进行了模态分析、振型分解反应谱分析、弹性动力时程分析及弹塑性静力推覆分析,通过对计算结果的分析,该结构能够满足抗震设防要求,在罕遇地震作用下,仍然具有足够的安全储备。通过调整连接体部分材料的性能参数,分别计算了减小连接体刚度及增大连接体刚度时的结构抗震性能,通过对比分析,讨论连接体刚度对连体结构抗震性能的影响。最后,本文对只考虑行波效应的非一致激励输入下结构的抗震性能做了初步计算,讨论了该结构在非一致激励下的整体抗震性能。

8.会议论文何思龙.祖小涛形状记忆合金增强钢筋混凝土自诊断与自适应智能结构系统的研究1997

该文研制了为研究桥梁及高层建筑钢筋混凝土智能结构所需要的通用系统,并对形状记忆合金增强钢筋混凝土智能结构进行了初步的试验研究。

9.学位论文王文民连接方式及连体跨度对双塔连体结构受力性能的影响分析2008

近年来,随着工程技术的发展,高层建筑形式日趋多样化。为了满足建筑艺术和城市规划对高层建筑体型的新要求,在建筑物的立面上开大洞或几座建筑物用若干楼层连为一个整体,就构成了连体建筑。连接体的跨度有几米长的,也有几十米长的,且可以沿建筑物竖向布置一个或几个。由于连体的存在,使得原来彼此独立的各单体结构成为一个复杂结构系统中的一部分。在地震作用下由于连接替的存在使得原来独立发生振动的塔楼要相互作用、相互影响,在地震作用下的反应远比单体结构和无连接体的多塔结构受力复杂,会出现较强的耦联振动、扭转加大等现象,因此连接体的设置改变了结构的动力特性。

根据连接体与塔楼的连接方式的不同,可将连体结构分为强连接方式和弱连接方式两类。当连接体与两侧塔楼之间刚接或铰接时,此时即为强连接方式,连接体可与塔楼结构整体协调,共同受力。当连接体较弱,无法协调两侧塔楼共同工作时,可做成弱连接,即连接体一端与结构铰接,一端做成滑动支座;或两端均做成滑动支座。此时,两塔楼结构独立工作,连接体受力较小。当采用阻尼器作为限位装置时,也可归为弱连接方式。这种连接方式既能减轻连体及支座受力,又能控制连体的振动在允许范围内。

本文主要考虑了连体结构中连接方式及连体跨度对结构的动力特性及地震响应的影响,分别考虑几种不同的连接方式和连体跨度,对连接方式考虑的是非对称双塔结构,对连体跨度考虑的是对称双塔结构。本文研究的连接方式主要有:两端刚接、两端铰接、一端铰接一端橡胶支座、两端橡胶支座、两端橡胶支座加阻尼器,而所考虑的连体跨度分别为:12m、18m、24m、30m、36m。对这些连接方式和连体跨度情况下的结构应用有限元分析软件分别建模、分析计算,得到各种情况下的结果,并对这些结果进行分析,从而得到不同连接方式和连体跨度对连体结构的影响结果。然后,根据现有的试验条件,对钢支撑连接以及阻尼器连接的连体结构试验模型进行了动力特性试验和激振试验,从试验角度对有限元分析的结果进行了证明。最后,对问题进行小结得到有关结论,并指出了进一步研究的方向。

10.期刊论文王宏彬.孙建峰.吴海欣.余建星.孙大军后张力无粘结预应力高层建筑抗震可靠性研究-地震工程与

工程振动1999,19(4)

本文以天津市房地产开发(集团)河西友谊小区综合楼为研究对象,研究其在地震作用下高层建筑的可靠性,探索高层建筑结构系统的抗震可靠性分析方法.本文还对比一般框架梁柱结构与后张无粘结预应力板柱结构抗震可靠性的差异,研究层数变化时可靠性所受的影响,得到满意的结果.

引证文献(1条)

1.吴晓杰.王全凤框剪结构抗震设计的关键技术[期刊论文]-福建建筑 2008(11)

本文链接:https://www.doczj.com/doc/3312760922.html,/Periodical_hebgydxxb200602013.aspx

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