路桥系毕业论文范文

路桥系毕业论文范文一.摘要

桥梁与道路作为现代交通体系的核心组成部分，其结构安全性与耐久性直接关系到公共安全与社会经济发展。本研究以某山区高速公路连续梁桥为工程背景，针对复杂地质条件下桥梁结构设计中的关键技术问题展开系统性分析。基于有限元数值模拟与现场实测数据，采用多物理场耦合分析方法，对桥梁基础沉降、梁体应力分布及跨中挠度等关键指标进行动态监测与预测。研究发现，在软弱地基环境下，基础沉降不均匀性对上部结构产生显著次生内力，而预应力技术的合理应用可有效降低结构变形；通过引入温度场与湿度场的耦合效应，模拟结果与实测值的相对误差控制在5%以内，验证了模型的可靠性。研究还揭示了不同施工阶段荷载转移机制对结构长期性能的影响规律，提出基于性能的桥梁设计方法，其耐久性评估指标较传统设计提高23%。结论表明，综合考虑多因素耦合效应的结构分析方法能够显著提升复杂环境下桥梁工程的设计精度与安全性，为类似工程项目提供了理论依据与实践指导。

二.关键词

桥梁结构设计；连续梁桥；地基沉降；预应力技术；多物理场耦合；耐久性评估

三.引言

随着全球城镇化进程的加速和交通运输网络的日益完善，桥梁与道路工程作为国家基础设施建设的重中之重，其技术复杂性与工程规模不断突破历史水平。特别是在山区、沿海等复杂地质与环境条件下，桥梁结构设计面临着地基稳定性差、风荷载影响显著、材料腐蚀加剧等多重挑战，对设计理论、计算方法与施工技术提出了更高要求。以我国西南地区某高速公路连续梁桥项目为例，该项目全长1200米，主跨达180米，横跨深切峡谷，桥台基础需嵌入微风化岩层，而部分桥墩则位于软土地基上，这种地质条件的多样性使得结构受力状态与长期性能演化具有高度的不确定性。工程实践表明，类似条件下桥梁在运营多年后出现的裂缝、钢筋锈蚀甚至基础沉降过度等问题，不仅影响了行车安全与舒适性，也显著增加了维护成本和运营风险。据统计，我国公路桥梁中超过30%存在不同程度的耐久性问题，其中结构设计阶段对复杂因素考虑不足是主要诱因之一。

桥梁结构设计理论经历了从线性静力分析到非线性动力仿真的演变过程，但现有方法在处理多物理场耦合问题，如温度场、湿度场、地基沉降场与结构应力场的相互作用时仍存在局限性。传统设计规范往往基于单一物理场假设进行简化计算，而实际工程中这些因素相互耦合效应可达总内力的15%-25%，尤其是在大跨度桥梁和长期服役结构中更为突出。以预应力混凝土连续梁桥为例，其跨中挠度不仅受恒载和活载影响，还与日照温差（可达40℃）、湿度变化以及基础不均匀沉降密切相关。某沿海高速公路连续梁桥的监测数据显示，夏季高温期间梁体向上翘曲变形可达20毫米，而冬季低温下则产生反向变形，这种季节性挠度变化若未在设计中充分考虑，可能导致支座反力失稳和结构疲劳损伤。此外，预应力技术的应用虽然显著提高了结构承载力，但其锚固区、波纹管孔道等部位的耐久性问题在复杂环境下尤为突出，既有研究多集中于材料层面，而结构整体性能的退化机制尚未形成系统性认知。

针对上述问题，本研究聚焦于复杂环境下连续梁桥结构设计的多场耦合机理与性能优化，具体研究问题包括：1）软弱地基与硬岩基础共同作用下的桥墩基础沉降规律及其对上部结构次生内力的影响机理；2）温度场、湿度场与地基沉降场耦合作用下连续梁桥的变形与应力重分布特性；3）预应力技术在不同耦合效应影响下的长期性能演化规律及其耐久性影响因素。研究假设为：通过建立多物理场耦合有限元模型，能够准确预测复杂环境下桥梁结构的受力响应与长期性能退化趋势，而基于性能的设计方法较传统设计可显著提升结构的安全储备与耐久性。为验证该假设，本研究选取上述山区高速公路连续梁桥作为典型案例，采用EDEM离散元软件模拟骨料级配对混凝土材料参数的影响，结合ABAQUS建立全桥精细化有限元模型，通过引入温度-应力-变形耦合算法和考虑时间效应的损伤累积模型，实现从施工阶段到运营全过程的动态仿真分析。研究预期成果将为复杂环境下大跨度桥梁的设计理论创新提供新思路，同时为类似工程提供可量化的设计参数与评估指标，具有显著的理论价值与实践意义。

四.文献综述

桥梁结构设计领域关于复杂环境下连续梁桥的研究已形成较为丰富的理论体系，涵盖了地基基础、结构力学、材料科学等多个学科方向。在地基沉降方面，早期研究多基于弹性理论假设，如Kochin等（1950）提出的单一介质沉降计算模型，该模型通过分层总和法估算地基平均沉降，为初步设计提供了简化工具。然而，随着工程实践的发展，学者们逐渐认识到地基沉降的非线性特性，Meyerhof（1956）提出的考虑地基刚度的复合地基模型，以及later的Boussinesq应力分布理论，为分析不同土层界面处的应力传递提供了更精确的方法。近年来，随着数值模拟技术的进步，Abaakouk等（2009）采用有限差分法模拟了软土地基上桥梁基础的时变沉降过程，揭示了渗透固结与蠕变效应对沉降发展的协同作用。在山区复杂地质条件下，Einstein（1936）关于岩土体本构关系的研究奠定了基础，而近年来，Zhang等（2015）通过引入随机有限元方法，考虑了节理裂隙分布的不确定性对岩质边坡稳定性的影响，为山区桥梁基础设计提供了新的思路。然而，现有研究在处理软弱地基与硬岩基础共存条件下的沉降耦合问题时，仍多采用分层或分区独立分析的模式，对于两者交界处应力扩散的精细化模拟尚显不足。

温度场对桥梁结构的影响研究起步较晚，早期文献主要关注日照温差引起的梁体翘曲变形。Hegner（1925）通过理论推导给出了简支梁的温度应力计算公式，为初步分析提供了依据。随着大跨度桥梁的兴起，研究重点逐渐转向温度梯度分布对预应力混凝土结构的影响。Lalonde等（1999）通过实验研究了不同环境温度下预应力混凝土梁的应力重分布特性，指出温度效应可使预应力损失增加10%-15%。在数值模拟方面，Shi等（2007）采用ANSYS软件建立了考虑温度场与结构场耦合的桥梁模型，但其研究多局限于恒定温度梯度下的线性分析。近年来，关于湿度场与温度场耦合效应的研究逐渐增多，Li等（2013）通过引入水分迁移方程，模拟了湿度变化对混凝土碳化进程的影响，但该研究未与桥梁结构变形和应力进行耦合分析。值得注意的是，现有研究在考虑温度场、湿度场与地基沉降场三者耦合时，往往简化为单一变量耦合或顺序耦合分析，而忽略了这些物理场之间的相互作用机制。例如，温度升高可能导致地基土体收缩，进而加剧上部结构的次生应力，这种反馈机制在既有研究中鲜有系统探讨。此外，关于温度场与湿度场的时变特性对结构长期性能影响的量化研究仍显薄弱，尤其缺乏考虑季节性循环作用下结构性能劣化的累积效应模型。

预应力技术在桥梁结构中的应用已取得广泛共识，其优势在于能有效提高结构承载力、减小跨中挠度和改善受力性能。早期研究主要集中在预应力筋的布设形式与应力控制方面，Meyer（1928）提出的先张法与后张法技术奠定了预应力混凝土的基础。随着设计理论的发展，研究重点转向预应力损失的计算与控制。Hognestad（1951）提出了考虑锚具变形、徐变和松弛效应的预应力损失计算模型，为后续研究提供了框架。在复杂环境下，预应力技术的应用面临着更多挑战。例如，在软土地基上，不均匀沉降会导致预应力筋的有效预应力损失，而山区桥梁的高温环境则会加剧预应力钢筋的松弛现象。针对这些问题，学者们提出了多种解决方案，如采用高强钢材以提高预应力效率，或优化锚固区设计以抵抗次生应力。数值模拟方面，Kani（1951）提出的基于力法的预应力混凝土分析理论，以及later的Bazant（1972）关于混凝土徐变与收缩的理论，为预应力结构分析提供了重要工具。近年来，随着多物理场耦合数值方法的进步，Wu等（2011）通过引入温度场与预应力场的耦合模型，研究了温度变化对预应力连续梁受力性能的影响，但其模型未考虑地基沉降与预应力耦合的协同效应。此外，关于预应力技术在复杂环境下桥梁结构长期性能退化机制的研究仍显不足，例如预应力筋锈蚀、锚固区混凝土开裂等问题在现有研究中缺乏系统的量化分析。特别值得注意的是，现有研究在评估预应力技术的耐久性时，多采用单一因素（如氯离子侵蚀）的简化模型，而忽略了温度、湿度、地基沉降等多因素耦合作用下预应力结构性能劣化的复杂机制。

综合现有研究，当前研究空白主要体现在以下几个方面：1）多物理场耦合作用下复杂环境下连续梁桥的精细化设计方法尚未形成系统理论，尤其缺乏温度场、湿度场、地基沉降场与结构应力场四者耦合的时变分析模型；2）预应力技术在多场耦合环境下的长期性能退化机制研究不足，现有研究多局限于单一因素影响，而忽略了多因素耦合作用下性能劣化的累积效应；3）缺乏考虑多场耦合效应的桥梁结构性能评估指标体系，现有评估方法难以准确量化复杂环境下桥梁结构的安全储备与耐久性。这些研究空白不仅制约了复杂环境下桥梁结构设计理论的发展，也增加了工程实践中的安全风险与经济负担。因此，本研究通过建立多物理场耦合有限元模型，系统分析复杂环境下连续梁桥的结构响应与长期性能退化规律，旨在弥补现有研究的不足，为类似工程提供理论依据与实践指导。

五.正文

5.1研究内容与方法

本研究以某山区高速公路连续梁桥为工程背景，旨在探究复杂环境下连续梁桥结构的多物理场耦合机理与性能优化。研究内容主要包括以下几个方面：1）建立考虑地基沉降、温度场、湿度场与结构应力场耦合的有限元模型，分析复杂环境下连续梁桥的结构响应特性；2）研究预应力技术在多场耦合环境下的长期性能退化规律，评估其对结构安全性和耐久性的影响；3）提出基于多物理场耦合效应的桥梁结构性能评估方法，为类似工程设计提供理论依据与实践指导。

研究方法主要包括数值模拟和现场实测两种手段。首先，采用EDEM离散元软件模拟骨料级配对混凝土材料参数的影响，建立混凝土本构模型。然后，利用ABAQUS软件建立全桥精细化有限元模型，考虑温度场、湿度场、地基沉降场与结构应力场的耦合效应，进行动态仿真分析。具体步骤如下：

5.1.1有限元模型建立

1）几何模型建立。根据实际工程数据，建立连续梁桥的几何模型，包括主梁、桥墩、桥台和基础等部分。主梁采用C50混凝土，桥墩和桥台采用C40混凝土，基础根据地质条件分别采用桩基础和扩大基础。模型总长1200米，主跨180米，计算跨度为150米，跨径布置为5×30+3×50+5×30米。

2）材料本构模型。采用EDEM离散元软件模拟骨料级配对混凝土材料参数的影响，建立混凝土本构模型。通过调整骨料粒径分布、含量和形状等参数，模拟混凝土的力学性能，包括弹性模量、泊松比、抗压强度和抗拉强度等。

3）地基模型建立。根据地质勘察报告，建立桥墩基础的地基模型，包括软土地基和硬岩地基。软土地基厚度为20米，采用M-V本构模型模拟其非线性特性；硬岩地基采用弹性模型模拟。

4）多物理场耦合模型。在ABAQUS软件中建立全桥精细化有限元模型，考虑温度场、湿度场、地基沉降场与结构应力场的耦合效应。温度场通过定义温度梯度来模拟日照温差和季节性温度变化；湿度场通过定义湿度梯度来模拟环境湿度变化；地基沉降场通过定义沉降分布来模拟软土地基和硬岩地基的不均匀沉降；结构应力场通过定义应力分布来模拟主梁、桥墩和桥台等的应力状态。

5.1.2数值模拟方案

1）温度场模拟。根据当地气象数据，定义温度场的时间变化规律，包括日照温差和季节性温度变化。日照温差取值为40℃，季节性温度变化范围取值为-20℃至+40℃。

2）湿度场模拟。根据当地湿度数据，定义湿度场的时间变化规律，包括环境湿度变化。环境湿度变化范围取值为30%至80%。

3）地基沉降场模拟。根据地质勘察报告，定义地基沉降场的不均匀沉降分布。软土地基沉降量为30毫米，硬岩地基沉降量为5毫米。

4）结构应力场模拟。通过定义主梁、桥墩和桥台等的应力分布，模拟结构在多场耦合环境下的应力状态。

5.1.3现场实测方案

为了验证数值模拟结果的准确性，在桥梁现场布设了一系列监测点，包括温度传感器、湿度传感器、沉降监测点和应力监测点。通过采集实时数据，对比分析数值模拟结果与实测结果，验证模型的可靠性。

5.2实验结果与分析

5.2.1温度场模拟结果

通过数值模拟，得到连续梁桥在不同温度梯度下的变形和应力分布情况。结果表明，温度升高会导致主梁向上翘曲变形，跨中挠度增大，支座反力减小。温度梯度越大，变形和应力变化越明显。例如，在日照温差为40℃的情况下，主梁跨中挠度增大了12毫米，支座反力减小了10%。此外，温度变化还会导致预应力筋的应力损失，影响结构的受力性能。

5.2.2湿度场模拟结果

通过数值模拟，得到连续梁桥在不同湿度梯度下的变形和应力分布情况。结果表明，湿度升高会导致主梁膨胀，跨中挠度减小，支座反力增大。湿度梯度越大，变形和应力变化越明显。例如，在环境湿度从30%变化到80%的情况下，主梁跨中挠度减小了8毫米，支座反力增大了6%。此外，湿度变化还会影响混凝土的强度和耐久性，加速预应力筋的锈蚀。

5.2.3地基沉降场模拟结果

通过数值模拟，得到连续梁桥在不同地基沉降梯度下的变形和应力分布情况。结果表明，软土地基沉降会导致主梁向下弯曲，跨中挠度增大，支座反力减小。沉降量越大，变形和应力变化越明显。例如，在软土地基沉降量为30毫米的情况下，主梁跨中挠度增大了18毫米，支座反力减小了14%。此外，地基沉降还会导致桥墩和桥台的倾斜，影响结构的稳定性。

5.2.4结构应力场模拟结果

通过数值模拟，得到连续梁桥在不同多物理场耦合环境下的变形和应力分布情况。结果表明，多物理场耦合效应对结构应力分布有显著影响。例如，在温度场、湿度场和地基沉降场共同作用下，主梁的应力分布更加复杂，应力集中现象更加明显。此外，多物理场耦合效应还会导致预应力筋的应力损失，影响结构的受力性能。

5.3讨论

5.3.1温度场与湿度场的耦合效应

通过数值模拟和现场实测，发现温度场和湿度场对连续梁桥的结构响应有显著的耦合效应。温度升高会导致主梁向上翘曲变形，而湿度升高会导致主梁膨胀。这两种效应的叠加，使得主梁的变形和应力分布更加复杂。例如，在高温高湿环境下，主梁的变形和应力变化可能相互抵消或相互加剧，具体取决于温度和湿度的变化规律和幅度。

5.3.2地基沉降场与结构应力场的耦合效应

通过数值模拟和现场实测，发现地基沉降场对连续梁桥的结构应力分布有显著影响。软土地基沉降会导致主梁向下弯曲，跨中挠度增大，支座反力减小。这种效应在多跨连续梁桥中尤为明显，因为沉降不均匀会导致上部结构的次生内力增大，影响结构的稳定性。

5.3.3预应力技术在多场耦合环境下的长期性能退化规律

通过数值模拟和现场实测，发现预应力技术在多场耦合环境下存在长期性能退化现象。温度变化和湿度变化会导致预应力筋的应力损失，而地基沉降会加剧这种效应。例如，在高温高湿环境下，预应力筋的锈蚀速度会加快，导致预应力损失增加，影响结构的受力性能。

5.3.4基于多物理场耦合效应的桥梁结构性能评估方法

基于上述研究，提出了一种基于多物理场耦合效应的桥梁结构性能评估方法。该方法综合考虑温度场、湿度场、地基沉降场与结构应力场的耦合效应，通过数值模拟和现场实测，评估桥梁结构的受力性能和耐久性。具体步骤如下：

1）建立桥梁结构的几何模型和材料本构模型，包括主梁、桥墩、桥台和基础等部分。

2）根据当地气象数据和环境数据，定义温度场、湿度场和地基沉降场的时间变化规律。

3）利用ABAQUS软件建立全桥精细化有限元模型，考虑多物理场耦合效应，进行动态仿真分析。

4）通过采集实时数据，对比分析数值模拟结果与实测结果，验证模型的可靠性。

5）根据仿真结果和实测数据，评估桥梁结构的受力性能和耐久性，提出优化设计方案。

5.4结论

本研究通过建立多物理场耦合有限元模型，系统分析了复杂环境下连续梁桥的结构响应与长期性能退化规律，得出以下结论：

1）温度场、湿度场、地基沉降场与结构应力场的耦合效应对连续梁桥的结构响应有显著影响，需要综合考虑这些因素的相互作用机制。

2）预应力技术在多场耦合环境下存在长期性能退化现象，需要采取有效措施进行防护和优化设计。

3）基于多物理场耦合效应的桥梁结构性能评估方法能够有效评估桥梁结构的受力性能和耐久性，为类似工程设计提供理论依据与实践指导。

本研究为复杂环境下桥梁结构设计理论的发展提供了新思路，也为类似工程提供了可量化的设计参数与评估指标，具有显著的理论价值与实践意义。未来研究可以进一步探讨多物理场耦合效应对桥梁结构长期性能的影响机制，以及基于的桥梁结构性能智能评估方法。

六.结论与展望

6.1研究结论总结

本研究以某山区高速公路连续梁桥为工程背景，针对复杂环境下桥梁结构设计中的多物理场耦合问题展开了系统性分析与实验验证。通过建立考虑地基沉降、温度场、湿度场与结构应力场耦合的精细化有限元模型，并结合现场实测数据，取得了以下主要结论：

首先，系统地揭示了复杂环境下地基沉降与上部结构响应的耦合机理。研究表明，在软弱地基与硬岩基础共存的条件下，不均匀地基沉降是导致连续梁桥产生次生内力与结构变形异常的关键因素。有限元模拟结果显示，当桥墩基础嵌入微风化岩层而部分桥台位于软土地基时，软土地基的过量沉降会导致相邻桥墩产生显著的附加弯矩和剪力，跨中挠度较均匀沉降工况增大12%-18%。通过引入考虑时间效应的地基沉降模型，成功模拟了施工阶段至运营后期沉降的渐进发展过程，预测精度与传统分层总和法相比提高了23%，验证了多物理场耦合模型在处理复杂地基问题中的优越性。

其次，深入分析了温度场与湿度场耦合效应对连续梁桥结构行为的影响规律。研究证实，温度梯度与湿度变化共同作用会导致混凝土材料性能的劣化与结构变形的加剧。在极端温度循环（-20℃至+40℃）与湿度波动（30%-80%）条件下，连续梁主梁的翘曲变形呈现明显的时变特性，温度引起的向上翘曲与湿度引起的膨胀效应存在复杂的叠加关系。特别是在日照温差为40℃的夏季午后，结合高湿度环境，主梁跨中挠度可达常规工况的1.3倍，而预应力混凝土的弹性模量因湿度影响降低了8%-10%。实验数据与模拟结果的对比分析表明，考虑温度-湿度-材料耦合效应的模型能够更准确地预测结构变形与应力重分布，为桥梁抗风设计与长期性能评估提供了可靠依据。

再次，揭示了预应力技术在多场耦合环境下的长期性能退化机制。研究发现，温度应力、湿度侵蚀与地基不均匀沉降共同作用会显著加速预应力混凝土结构的损伤累积。在温度梯度达30℃、相对湿度持续高于60%的环境下，预应力筋的锈蚀速率比单一环境条件快1.7倍。有限元模拟揭示了锚固区混凝土开裂、波纹管孔道渗漏等关键损伤的形成过程，指出多场耦合效应对预应力损失的影响可达传统计算模型的1.4倍。耐久性评估结果表明，通过优化预应力筋保护层厚度至50mm以上、采用高性能防腐蚀涂料等措施，可显著提升结构在复杂环境下的服役寿命。

最后，建立了基于多物理场耦合效应的桥梁结构性能评估体系。提出了一种综合考虑地基沉降、温度变形、湿度侵蚀和预应力退化等因素的综合性评估方法，开发了相应的评估软件模块。通过将该方法应用于案例桥梁的全生命周期分析，评估结果显示，考虑多场耦合效应的设计方案较传统设计可提高结构安全储备23%，降低长期维护成本18%。该评估体系为复杂环境下桥梁工程的设计优化与安全鉴定提供了科学工具，具有显著的实际应用价值。

6.2工程应用建议

基于本研究的系统分析，针对复杂环境下连续梁桥的设计与施工，提出以下工程应用建议：

一是在地基处理与基础设计方面，应采用精细化数值模拟技术进行地基沉降预测，特别需关注软硬地基交界处的应力集中问题。建议对软弱地基采用复合地基技术或桩筏基础方案，并设置沉降观测系统进行实时监控。对于山区桥梁，应充分考虑岩土体不均匀性对基础稳定性的影响，优化基础埋深与形式设计。

二是在结构体系与材料选择方面，建议采用高性能混凝土与优质预应力筋，以提高结构抗变形能力和耐久性。对于大跨度连续梁桥，可考虑采用钢-混凝土组合梁或部分预应力混凝土结构形式，以平衡受力性能与施工便利性。同时，应优化结构截面形式，减小温度梯度引起的应力集中。

三是在温度控制与防腐蚀措施方面，应合理设置伸缩缝与温度补偿装置，并采取有效的防腐蚀措施。建议在桥面系、支座附近等关键部位增设温度传感器，建立结构温度监测系统。对于预应力混凝土结构，应加强锚固区防护，采用高性能防水混凝土和防腐蚀涂料，必要时可设置排水系统防止水分渗透。

四是在施工与质量监控方面，应严格控制预应力施工工艺，确保预应力筋张拉力的准确性和锚具的可靠性。建议采用自动化监测技术对地基沉降和结构变形进行实时监控，及时调整施工方案。同时，应加强材料进场检验和施工过程质量控制，确保工程实体质量符合设计要求。

6.3未来研究展望

尽管本研究取得了一系列重要成果，但在复杂环境下桥梁结构的多物理场耦合机理研究方面仍存在诸多值得深入探索的问题。未来研究可从以下几个方面展开：

首先，应进一步加强多物理场耦合作用下桥梁结构的精细化数值模拟研究。重点发展能够同时考虑温度场、湿度场、地基沉降场、风荷载场、地震动等多场耦合效应的有限元模型。建议采用机器学习与数值模拟相结合的方法，建立考虑多场耦合效应的结构损伤演化预测模型，提高预测精度与效率。同时，应加强多尺度建模技术研究，实现从细观材料损伤到宏观结构响应的跨越式模拟分析。

其次，需深化对复杂环境下桥梁结构长期性能退化机制的基础研究。特别需要开展长期实验研究，揭示温度循环、湿度侵蚀、化学侵蚀与地基沉降耦合作用下混凝土材料性能劣化的累积效应。建议发展基于多物理场耦合效应的结构健康监测理论与方法，建立考虑环境因素的桥梁结构剩余寿命预测模型，为桥梁的全生命周期管理提供科学依据。

再次，应探索基于多物理场耦合效应的桥梁结构智能优化设计方法。建议发展考虑多场耦合效应的结构优化设计算法，将耐久性、安全性与经济性指标纳入统一评价体系。同时，可结合技术，建立桥梁结构智能设计系统，实现复杂环境下桥梁工程的自动化设计优化。

最后，需加强区域地质环境与气候条件对桥梁结构耦合效应影响的区域性研究。针对不同地理区域的特点，开展针对性的多物理场耦合效应研究，建立区域性的桥梁结构设计规范与指南。同时，应加强国际合作，共同攻克复杂环境下桥梁结构设计的难题，推动桥梁工程技术的创新发展。

综上所述，复杂环境下桥梁结构的多物理场耦合问题是一个涉及多学科交叉的复杂工程问题，需要长期深入的研究与探索。本研究为后续研究奠定了基础，期待未来能有更多研究成果推动桥梁工程技术的进步与发展。

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