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地震工程学论文
地震工程学概述
汪维安
(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)
摘要:
本文从地震的成因开始,介绍了世界和我国主要的地震断裂带分布。
接着结合近年来国内外几次大地震,阐明了土木工程结构物震害情况及其特点,并对其震害原因进行了细致分析。
随后详细介绍了基于性能的抗震设计方法,对其设计原理、主要内容做了详尽的阐述。
最后简要介绍了各国抗震规范的沿革,及其抗震设计方法。
关键词:
地震动;震害;桥梁结构;基于性能的抗震设计;规范
IntroductionofEarthquakeEngineering’sSubject
Wangwei’an
(SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan610031,China)
Abstract:
InthisPaper,startedfromcauseofearthquakes,maindistributionbeltofearthquakefaultsinearthquakeandChinawasdisplayed.Basedonthelatelyearthquakeeventsathomeandabroad,earthquakedamageofcivilengineeringstructuresanditscharacterwasintroduced,thecauseofaboveearthquakedamagewasanalyzedindetail.Combinedwithitsdesignprincipleandthemaincontents,anewdesignmethodofPerformance-baseSeismicDesign(PBSD)wasexpounded.Intheend,theamendmentofspecificationsofearthquakeResistantDesigninsomedifferentcountriesanddesignmethodsinabovespecificationswassummarized.
Keywords:
earthquakegroundmotion;earthquakedamage;bridgestructure;Performance-baseSeismicDesign;Specification
0引言
地震是一种较为常见的自然灾害,最近5年全世界范围内已经发生了“5.12“汶川大地震,“1.12”海地大地震,“3.11”日本东太平洋大地震,这些地震的发生均造成了惨重的生命财产损失。
目前我国经济建设迅猛发展,同时也带动了交通基础设施的发展,可以说当今全球最大的土木工程建设在中国。
在公路、铁路、市政工程中,桥梁作为生命线工程,对其进行抗震理论研究是十分有意义的。
1地震与震灾
1.1地震成因及其分布
地震是一种较为常见的自然现象,关于地震的成因早期倾向于断层破裂学说,近期的观点则侧重于板块构造运动的观点,即认为它是地壳岩石中长期积累的变形在瞬时内转换为动能的结果[1]。
地震成因的宏观背景可以用板块构造学说解释[1]。
板块构造学说的有关理论,从大陆漂移说开始,已有六十多年的历史。
按照板块构造的理论,地球外壳约一百公里厚的部份称为岩石圈,由许多块体构成,这些块体即称为板块。
主要板块包括太平洋、欧亚大陆、澳洲、南美洲、北美州、印度洋及南极大陆等七块,若加上如菲律宾海板块等较小的板块,全世界约有十四个板块。
这些板块下方的软流圈因为热力作用可产生对流运动。
板块学说主张新的海洋地壳不断从中洋脊的裂谷中产生,将老的岩石圈向两则推移,海洋板块中的岩石圈一面不断生长,一面也要不断消灭,岩石圈消灭的地方是在两个板块相撞的地方,当两板块相碰撞的时候,其中有一板块被迫下降进入地球内部,慢慢加热,最後被吸收到地函中,周而复始的循环。
据统计,全球85%左右的地震发生于板块边界带上,仅有15%左右发生于大陆内部或板块内部。
地震成因的局部机理是弹性回跳理论[1]。
1906年,旧金山大地震发生后,H.F.Reid根据地表的变形而提出弹性反弹理弹解释圣安地列斯断层的形成。
假设地层为弹性体,侧地层中的应力不断地使地层产生变形,积累应变能,当地层变形达某一程度,地层中强度较弱的位置无法再承受时,地层就突然沿著强度较弱处错动,并瞬间释放出地层中所积累应变能,而发生地震。
此强度较弱处即为断层。
下图图1为美国西部加州SanAndreas断层[4],图2为5.12汶川地震中白鹿镇中心小学教学楼附近断层[6]。
图1SanAndreas断层图25.12地震中白鹿镇中心小学断层
地震可分为天然地震和人为地震两类[1],天然地震主要有构造地震和火山地震。
构造地震是地震工程研究的主要对象。
而在地震的危害中浅源地震对结构物的危害最大。
全世界主要有三个地震带,见下图3,分别为环太平洋地震带(Circum-Pacificseismiczone)、欧亚大陆地震带(Alpine-Humalayanseismiczone)和中洋脊地震带(Mid-oceanRidgeseismiczone)这些地震带与全球性的板快构造(Platetectonics)及其演化有密切的关系。
大体而言,这些地震带都发生在板块边缘。
环太平洋地震构造系是一个具有全球尺度的一级构造系,它基本上是大洋岩石圈与大陆岩石圈相聚合的边缘构造系[1]。
大陆构造系的主体是北纬20-50°之间的大陆地震秘籍环带,不仅包含欧阳大陆的地震,也包括北美大陆的地震。
大陆地震震源浅,震中密集成带,它一方面与板块构造运动相关,另一方面又与板内小板块构造密切相关。
图3地球主要地震带分布
根据板块构造学说,中国位于欧亚板块的东南端,冻结太平洋板块,南邻印澳板块。
我国大陆受到太平洋向西、印澳板块向北、欧洲板块向东的推动和挤压。
当这种挤压应力在大陆岩石圈中持续积累,以致超过岩石圈所能承受的限度时,大陆地壳就会破裂而产生地震。
同时从板内地震产生的断层观点看,由于地质构造的差异,使得岩石圈断裂分为大小不一、差异明显的各种断裂块体,由此构成多层、多级断层构造。
我国的台湾省位于环太平洋地震带上,西藏、新疆、云南、四川、青海等省区位于喜马拉雅-地中海地震带上,其他省区处于相关的地震带上。
图4为我国大陆断块构造分区略图,中国地震主要分布在五个区域:
台湾地区、西南地区(川滇地区)、西北地区、华北地区、东南沿海地区和23条地震带上。
图5为四川省主要的深大断裂分布图。
从图5可以看出四川省境内主要存在三大断裂带,即:
龙门山断裂、鲜水河断裂及安宁河断裂,呈“Y”字形分布,”5.12”汶川大地震即发生在龙门山断裂带及其沿线上。
图4中国断块构造分区略图图5四川省主要的深大断裂分布图
1.2地震及其灾害介绍
地震灾害具有突发性和毁灭性,全世界每年平均发生破坏性地震近千次,其中震级达7级或7级以上的大地震约十几次。
伴随着地震发生,地震给人类带来了巨大的损失及难以抚平的创伤。
我国地震区域广阔而分散,地震频繁而强烈,20世纪至今,震级等于或大于8级的强震已经发生10余次之多,其中发生与人烟稠密之处者,损失惨重。
表1给出了世界历史上比较有名的大地震及其简要情况。
表1世界上较著名的大地震
世界大地震
时间
地点
震级
死亡人数
美国旧金山大地震
1906.4.18
旧金山及周围地区
8.3
700余人
日本关东大地震
1923.9.1
日本横滨、东京一带
7.9
14.3万人
中国唐山大地震
1976.7.28
中国唐山
7.6
25万人
日本阪神大地震
199.1.17
日本神户
7.2
5400余人
汶川大地震
1998.5.12
四川汶川、北川一带
8
约8万余人
海地大地震
2010.1.12
海地太子港
7
22.25万人
日本本州岛海域地震
2011.3.11
宫城县以东太平洋海域
9
1-2万人
地震震害常划分为直接震害和间接震害两类[1],直接震害主要包括地基失效和结构破坏两个方面。
地震次生灾害的主要形式有爆炸、火灾、水灾、海啸、泥石流、以及由于滑坡、塌方引起的结构物破坏。
地震对土木工程结构造成的破坏系统地揭示了结构在设计和施工方面的缺陷,因此调查研究在地震中破坏的和幸存下来的结构对于改进结构设计理论和施工方法都具有极大的价值。
下面简要介绍一下最近几次破坏性大的地震造成的桥梁震害情况。
(1)河北唐山地震
1976年7月28日,唐山市发生7.8级地震。
地震的震中位置位于唐山市区。
这是中国历史上一次罕见的城市地震灾害。
顷刻之间,一个百万人口的城市化为一片瓦砾,人民生命财产及国家财产遭到惨重损失。
北京市和天津市受到严重波及。
地震破坏范围超过3万平方公里,有感范围广达14个省、市、自治区,相当于全国面积的三分之一。
地震发生在深夜,市区80%的人来不及反应,被埋在瓦砾之下。
极震区包括京山铁路南北两侧的47平方公里[2]。
图6唐山地震中倒塌的滦河桥图6唐山地震后变形的铁轨
区内所有的建筑物均几乎都荡然无存。
一条长8公里、宽30米的地裂缝带,横切围墙、房屋和道路、水渠。
震区及其周围地区,出现大量的裂缝带、喷水冒沙、井喷、重力崩塌、滚石、边坡崩塌、地滑、地基沉陷、岩溶洞陷落以及采空区坍塌等。
地震共造成24.2万人死亡,16.4万人受重伤;毁坏公产房屋1479万平方米,倒塌民房530万间;直接经济损失高达到54亿元。
地震时行驶的7列客货车和油罐车脱轨。
蓟运河、滦河上的两座大型公路桥梁塌落,切断了唐山与天津和关外的公路交通。
市区供水管网和水厂建筑物、构造物、水源井破坏严重。
图6为地震中倒塌的滦河桥场景,图7为地震中严重变形的铁轨。
开滦煤矿的地面建筑物和构筑物倒塌或严重破坏,井下生产中断,近万名工人被困在井下。
三座大型水库和两座中型水库的大坝滑塌开裂,防浪墙倒塌。
410座小型水库中的240座震坏。
6万眼机井淤沙,井管错断,占总数的67%。
沙化耕地3.3万多公顷,咸水淹地4.7万公顷。
唐山市及附近重灾县环境卫生急剧恶化,肠道传染病患病尤为突出。
(2)日本阪神大地震
发生在1995年1月17日的日本阪神大地震,震中位于淡路岛北部离神户市区西部10Km处,震级为M7.2。
地震持续时间约20s,记录到的水平运动加速度峰值约为0.8g,竖向运动最大加速度约为0.3g。
这次地震使神户地区所有铁路、公路和快捷交通系统均遭受了严重破坏,地震还引起火灾以及土壤液化、地盘下陷等[3]。
它是日本自1923年关东大地震以来伤亡人数最多,经济损失最大的一次破坏性地震。
在此次地震中,最严重的桥梁震害出现在阪神Hanshin高速公路神户段,约有20余Km长度的墩柱发生剪切或弯曲破坏。
一座高架桥共有18根独住墩被剪断,常500m左右的连体向一侧倾倒。
图8为倒塌的神户市区内的高架桥,图9为正在修复中的被地震剪坏的高架桥桥墩。
图8神户市区内倒塌的高架桥图9修复中的被地震剪坏的高架桥桥墩
(3)四川汶川“5.12”大地震
2008年5月12日14时28分,四川汶川发生了里氏8.0级特大地震,震中位于北纬31.0度、东经103.4度。
由于汶川地震的震源深度仅为19Km,属于大陆浅源地震,地震释放的巨大能量得以通过地震波广泛向外传播,影响范围之广,处少数地区外整个中国均有明显震感。
汶川地震造成长达300余公里的地表破裂,破裂时间持续约80s,断层从汶川县映秀镇向东北方向一直延伸至青川、宁强一带,地震裂缝、地表裂隙、隆起等地面现象随处可见,最大地面隆起达到6m。
断层穿过之处山河为之改观,道路、桥梁、房屋等各类建筑物更是损失惨重[6][8]。
图10为汶川地震主震的持续时间;图11为汶川地震中的龙门山主断裂带;图10为汶川地震的地震动峰值参数图;图13为汶川地震的地震烈度分布示意图;图14为距离震中映秀18Km的卧龙台站观测到的地震动记录。
图10汶川地震的主震持续时间图11汶川地震的龙门山主断裂分布
图12汶川地震主震的地震动峰值参数图图13汶川地震主震区的地震烈度分布
图14卧龙台站观测的汶川地震各个方向的地震动时程记录
汶川地震使四川省交通基础设施损毁十分严重,损失十分巨大。
一是受损范围广,灾害造成全省21条高速公路、16条国省道干线公路、2.4万公里农村公路的路基路面、桥梁隧道等结构物不同程度受灾。
其中损坏国省道干线桥梁670座、隧道24座[6][8]。
图15为震后落梁的庙子坪大桥引桥的立面图及侧面图[5]。
庙子坪岷江大桥是都汶高速公路跨越紫平铺水库的特大桥,地震后引桥10#、11#墩间50mT梁出现了落梁。
125+220+125m连续刚构主桥5号主墩墩底及其承台出现出现了裂缝。
地震发生时庙子坪大桥主桥刚刚合拢,桥面铺装已经完成,但引桥的伸缩缝尚未安装。
图16、图17均为都汶二级公路上震塌的百花大桥[6]。
该桥位于映秀镇下游约2Km,建成于2004年12月设计荷载为汽-20、挂-100,地震烈度按Ⅶ度设防;平面上大桥第1、2联位于左偏曲线内,第5、6联位于右偏曲线内。
全桥长496m,桥宽8m,最大墩高30.3m;上部构造分为6联,跨径组合为4-25+5-25+1-50+3-25+5-20+2-20m,除第3联采用简支T梁外,其余各联均为连续梁,第1-2联、第5-6联之间采用牛腿构造搭接;下部构造为双柱式桥墩、轻型桥台、桩基础。
地震中原桥第五联5×25m连续箱梁上部全部倒塌,其余梁体纵横向移位,墩身倾斜,系梁严重开裂,部分墩身已经压溃,随时都有倒塌可能。
图155.12地震中落梁的庙子坪大桥(立面及侧面)
图16百花大桥第五联倒塌图17百花大桥桥墩墩身压溃
图18百花桥1#墩顶梁体移位图19百花桥19#墩底混凝土压溃
图20都汶高速被震坏的顺河桥图21被山体砸毁的都汶二级路映秀大桥
图20为都汶高速公路上被全部震坏落入河中的顺河桥,原桥为多跨的简支空心板桥;为避免阻水,下部设置为独住墩,桩基础。
图21为5.12汶川地震中被崩塌体砸断的彻底关大桥[6][8],彻底关大桥建于2007年,为11-30m的Ⅰ形组合梁及2-20米的空心板梁,桥墩设计为柱式墩、桩基础。
地基基础河床内覆盖层自上而下分别为人工堆积层、块碎石土、漂卵石土、砾石质粉土、砾质砂和砾石土,除彻底关隧道进口处揭露的花岗岩外,其余钻孔未揭露岩层。
地震中该桥遭受了断墩、落梁、崩塌体掩埋等多种震害。
图22开裂、塌陷的都汶高速路面图23塌方掩埋的龙洞子隧道洞口
图22为都汶高速公路上开裂的路面场景,最宽处路面开裂宽度达16cm,竖向沉降18cm。
图23为都汶高速龙洞子隧道进口被掩埋的状况,右洞进口又有巨石落下,隧道洞口的衬砌已局部垮塌,洞口的挡墙已部分外倾。
(4)日本“3.11”东北部海域9级特大地震
2011年3月11日14时46分(北京时间13时46分)发生在西太平洋国际海域的里氏9.0级地震,震中位于北纬38.1度,东经142.6度,震源深度约20公里。
地震持续时间达5分钟,诱发了超过10米高的海啸,根据后续研究表明,海啸最高达到23米,它不仅冲刷了日本东北部海岸建构筑物、船只、汽车等所有地面物品,还引起了火灾、核电站设施爆炸、核泄漏和上万人死亡。
据统计,自有记录以来,此次的9.0级地震是全世界第五高,1960年发生的智利9.5级地震和1964年阿拉斯加9.2级地震分别排第一和第二。
图24为日本“3.11“地震的地震烈度分布图(日本气象厅公布),从图中可以看出其沿岸地段地震烈度最高达到最高等级7度,相当于我国地震烈度12度,许多地段达到6度,外围地区在5度左右。
图24“3.11”地震地震烈度分布图25“3.11”地震震中附近位移场
本次地震的破裂范围:
南北长450km,东西宽150km;破裂速度:
2.0km/s;破裂持续时间:
300S,比汶川地震多3分钟;最大断层滑移量:
18m(据日本国立地球科学与防灾研究所资料)。
图25为GPS观测到的日本“3.11”地震同震位移场分布图,地震后日本国土地理院所在位置产生了最大东向4米位移。
“3.11”日本大地震的特点是:
①震级高。
震级大达到9级,是日本有史以来记录到的最大震级地震。
②地震持续时间达5分钟,汶川地震长3分钟,持续震动对建筑结构破坏显然要严重。
这里需要说明的是,由于日本是一个多地震国家,且经济发达,地面构建筑物的抗震设防标准明显地比我们国家的标准要高,在相同的地震破坏条件下,地震灾害会比我国轻。
③海啸。
由于本次地震在海域地壳出现局部隆起最大达4米左右,引发了浪高10米的海啸。
海啸应该说是严重地震灾害的主因。
图26为被海啸摧毁的仙台机场;图27为日本名取市海啸横扫后的沿海房屋;图28为位于日本茨城霞浦的鹿行大桥因地震而倒塌,旁边一座在建中的大桥也受到波及;图29为位于45号线上的Tenno桥梁,在“3.11“大地震中,出现了支座拔出破坏及拱顶横撑局部屈曲的病害;图30为一3跨钢桁架连续梁桥完全被海啸摧毁,上部结构移位至上游350m距离。
④严重的福岛核电站核泄漏灾害。
在地震期间安全关闭,但是没有能够证关闭后的安全问题。
图31为地震后被关闭的広野核电站,此图为海啸来袭的场景。
图26“3.11”地震后的仙台机场图27“3.11”地震后的名取市沿海房屋
图28日本茨城霞浦的鹿行大桥图2945号线的Tenno桥梁支座破坏
图30被海啸摧毁的连续梁桥图31地震后关闭的広野核电站
在以上几次国内外大地震震害实例中,结构物在地震中均遭受了严重破坏。
公路、桥梁结构作为生命线工程,在灾后保通、抗震救灾方面显得尤为重要,汶川大地震中,庙子坪大桥的落梁、百花大桥及彻底关大桥的倒塌、青川县S105沙洲大桥的破坏均给抗震救灾带来了非常不利的影响。
这些桥梁的破坏是抗震设计理论、方法的直接试验场,因此对震害桥梁成因的分析就显得尤为重要,它是建立正确的抗震设计方法,采取有效减震、抗震措施的科学依据。
桥梁的破坏直接表现在垮塌、落梁、移位、挡块破坏、墩身破坏、桥台破坏、地基破坏、支座破坏、伸缩缝破坏方面,而间接震害则变现为由次生灾害引起的砸坏、掩埋、淹没、推移等。
对于桥梁上部结构,其震害主要为:
支座破坏、落梁、碰撞、位移转动;对于下部结构,其震害主要为:
墩柱的弯曲破坏,墩柱的剪切破坏以及桩基承台的破坏;对于桥梁地基基础则主要表现为:
地表的位移、砂土的液化以及地表断裂的破坏。
对比1976年的唐山大地震、1995年的阪神大地震、2008年的汶川大地震及最近的”3.11”日本东太平洋大地震,它们都属于浅源型地震。
桥梁灾害的直接震害一次较一次轻。
唐山地震中位于Ⅶ度至Ⅺ度区内的130座公路梁式桥,倒塌18座,占13.86%;严重破坏20座,占15.36%;中等破坏34座,占26.15%;轻微损伤25座,占19.23%;完好或基本完好的33座,占25.38%。
在震后调查的32座拱桥中,有6座倒塌,占调查总数的18.75%;2座严重破坏,占6.25%;8座中等破坏,占25%;6座轻微损坏,占18.75%;10座基本完好,占31.25%。
震后需要重建或修复得拱桥占调查拱桥总数的50%,而震后需要重建或修复得拱桥占调查拱桥总数的55%。
从以上数据可以看出拱桥的震害要轻于梁式桥。
从受力机理上讲,拱桥由于基础要承受较大的水平推力,而且早期修建的拱桥多为石砌拱桥和双曲拱桥,其延性抗震能力较差,不利于抗震。
但由于能够修建拱桥的桥址处其地基地质状况均要优于梁式桥的场地状况。
由此看见在地震分析中场地条件是影响结构物抗震性能的重要因素。
不良的场地及地质条件,放大了地震波,延长了结构物的自震周期,加剧了结构物的震动。
阪神地震后,根据日本道路协会的震害调查,在地震中,钢筋混凝土桥墩和钢桥桥墩的破坏十分严重,其中倒塌和不可修复的钢筋混凝土桥墩和钢桥墩分别占调查总数的8%和4%,严重破坏的分别占5%和10%,中等破坏的分别占25%和39%[2]。
震害分析表明,阪神大地震中按照新的规范(1980年及其以后)设计的桥梁,其震害较轻,这主要是由于新的抗震规范引入了延性设计的概念及增设了防落梁措施。
同时阪神地震中高架桥桥墩的损坏表明,矮墩及独住墩的设计思想是有欠缺的。
在抗震设计中矮墩主要表现为剪切破坏,高墩主要表现为弯曲破坏。
对于矮墩基础需要配置足够的抗剪钢筋及受力主筋,对于在地震动作用下基础刚度较大的基础,需要考虑减隔振措施以减少控制截面的地震力作用。
汶川地震中,对于震害调查的国省干道调查的1081座桥梁,损毁需要重建的桥梁占3.1%,改建的桥梁占11.55%,大修桥梁占11.26%,而对于震害调查的高速公路及其重点项目的576座桥梁,摧毁需要重建的桥梁占0.53%,改建的桥梁占11.45%,需要大修的桥梁占2.97%[6]。
从以上数据可以看出高等级公路桥梁的震害要轻于低等级公路桥梁的震害;另外从广元及重灾区青川县得到的桥梁震害调查也表明,拱桥的病害要明显小于梁式桥。
在汶川地震中桥梁挡块的破坏较为严重,但其有效地防止了上部结构的落梁,尤其在在建的都汶高速公路上除了庙子坪大桥引桥落梁外,其余桥梁有效地避免了上部结构的落梁(次生灾害引起的桥梁垮塌除外)。
汶川地震中直线、规则桥梁的病害要明显轻于斜弯桥梁;简支桥梁的病害要轻于连续梁桥;桩基础桥梁的病害要轻于扩大基础,震区设置牛腿、挂梁的结构其接触面上均有较大的不可恢复的位移,乃至出现了上部结构的落梁,百花大桥第五联连续梁的倒塌以及成都市三环路武侯立交某定向匝道牛腿处出现的大于5cm的位移就是很好的例证。
桥梁梁体间或上下部结构之间的碰撞,是一种强烈的非线性耗散能量的方式,根据汶川地震的桥梁震害调查,梁间的碰撞及由于碰撞引起的落梁、挡块开裂、梁体的宏观及微观损失较为明显,如何精确地模拟桥梁碰撞瞬间的工作状态及碰撞后的能量耗散机理,或是通过构造措施,如梁体纵横向增设橡胶挡块,设置拉链等防落梁措施,设置粘滞阻尼或磁流变阻尼来减少构筑物间的碰撞概率;亦或通过允许有限的、可控的碰撞来耗散能量,达到较少控制对控制截面或控制构造的应力水平,是当前抗震研究中非常有意义的课题[9]。
2011年3月11日日本本州东部海域发生9级地震震动破坏,大面积海啸冲刷、核电站核经受长时间震动破坏引发的核泄漏-将成为抹不去的长久灾难。
通过有限的资料我们可以看到地震对日本桥梁的损害方面,直接震害并不是特别突出,反而是此生灾害引起的桥梁病害,地震后发生了大规模的海啸,其巨大的能量造成了不少桥梁的倒塌、移位,核电站结构的损坏、房屋结构的冲毁。
同样在汶川地震中,不少桥梁的损坏直接是由次生灾害引起的,如前述的顺河大桥、映秀大桥,还有在抗震救灾保通方面就有重要影响的彻底关大桥,都是由于山体滑坡、崩塌或滑坡引起的泥石流冲刷而破坏,图32、图33即为在地震中被巨石砸毁的彻底关大桥。
图32汶川地震中的彻底关大桥图33灾后重建中的彻底关大桥
因此在桥梁抗震设计时,选址是首当其冲的任务,选择较为有利的路线走廊,对既选线路进行专门的针对性的场地评价,确定合适的路线方案,对控制性的桥隧工程进行具体详尽的研究,选择合适的桥型、桥跨、桥梁结构形式,再进行具体的抗震设计就显得至关重要。
在进行场地评价时,需要弄清楚结构物所经位置的断层构造、
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