变形监测技术与应用读书报告资料.docx
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变形监测技术与应用读书报告资料
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目录
一、概述1
二、水平位移监测2
(一)概述2
(二)基本原理2
(三)测点布设2
(四)常用方法3
1.大地测量法3
2.基准线法6
3.专用测量法7
4.GPS测量法…………………………………………………………………….......…7
三、沉降监测技术8
(一)精密水准测量8
1.水准基点8
2.工作基点8
3.监测点8
4.监测仪器9
5.监测方法与技术要求9
6.监测点的精度要求(mm)10
(二)精密三角高程测量10
1.各方法及其精度10
2.提高三角高程测量精度的措施:
11
(三)液体静力水准测量11
1.基本原理11
2.仪器结构12
3.液面高度测定方法12
4.误差分析13
5.液体静力水准观测技术要求(mm)13
四、桥梁工程变形监测13
(一)概述14
(二)桥梁基础垂直位移监测14
1.基点网的布设14
2.基准点布设14
3.监测点布设15
4.点位结构15
5.垂直位移观测……………………………………………………………………15
(三)桥梁挠度观测16
1.桥面挠度观测16
2.索塔挠度观测16
3.索塔挠度观测目的17
4.恒载挠度观测17
5.活载挠度观测……………………………………………………………………17
6.主梁挠度观测…………………………………………………………….…18
(四)桥梁结构的健康诊断18
五、总结20
一、概述
变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形性态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。
其任务是确定在各种荷载和外力作用下,变形体的形状、大小、及位置变化的空间状态和时间特征。
在精密工程测量中,最具代表性的变形体有大坝、桥梁、高层建筑物、边坡、隧道和地铁等。
变形监测的内容,应根据变形体的性质和地基情况决定。
对水利工程建筑物主要观测水平位移、垂直位移、渗透及裂缝观测,这些内容称为外部观测。
为了了解建筑物(如大坝)内部结构的情况,还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测,这些内容常称为内部观测,在进行变形监测数据处理时,特别是对变形原因做物理解释时,必须将内、外观测资料结合起来进行分析。
变形监测的首要目的是要掌握水工建筑物的实际性状,科学、准确、及时的分析和预报水利工程建筑物的变形状况,对水利工程建筑物的施工和运营管理极为重要。
变形监测涉及工程测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、计算机科学等诸多学科的知识,它是一项跨学科的研究,并正向边缘学科的方向发展。
变形监测工作的意义主要表现在两个方面:
首先是掌握水利工程建筑物的稳定性,为安全运行诊断提供必要的信息,以便及时发现问题并采取措施;其次是科学上的意义,包括根本的理解变形的机理,提高工程设计的理论,进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。
变形监测与常规的测量工作相比较,它们既有相同点,又有各自不同的特点和要求。
具体来说,变形监测具有:
1.周期性重复观测:
变形观测的主要任务是周期性地对观测点进行重复观测,以求得其在观测周期内的变化量。
为了最大限度地测量出建筑物的变形特征数据,减小测量仪器、外界条件等引起的系统性误差影响,每次观测时,测量的人员、仪器、作业条件等都应相对固定。
2.精度要求高:
在通常情况下,为了准确地了解变形体的变形特征和变形过程,需要精确地测量变形体特征点的空间位置,因此,变形监测的精度要求一般比常规工程测量的精度要求高。
例如,在大坝变形监测中,坝体的水平位移监测精度一般要求达到±lmm的精度,对于坝基等特殊部位的监测精度甚至更高。
因此,高精度的测量要求对测量的仪器和作业方法提出了更高的要求。
3.多种观测技术的综合应用:
随着科学技术的发展和进步,变形监测技术也在不断丰富和提高。
相对而言,变形监测的技术和方法较常规大地测量的技术方法更为丰富。
4.监测网着重于研究点位的变化:
变形监测工作主要关心的是测点的点位变化情况,而对测点的绝对位置并不过分关注,因此,在变形监测中,常采用独立的坐标系统。
虽然坐标系统可以根据工程需要灵活建立,但坐标系统一经建立一般不允许更改,否则,监测资料的正确性和完整性就得不到保证。
二、水平位移监测
(一)概述
建筑物的水平位移是指建筑物的整体平面移动。
产生水平位移的原因主要是建筑物及其基础受到水平应力的影响而产生的地基的水平移动。
适时监测建筑物的水平位移量,能有效地监控建筑物的安全状况,并可根据实际情况采取适当的加固措施。
(二)基本原理
设建筑物某个点在第k次观测周期所得相应坐标为Xk、Yk,该点的原始坐标为X0、Y0,则该点的水平位移δ为:
某一时间段(t)内变形值的变化用平均变形速度来表示。
例如,在第n和第m观测周期相隔时间内,观测点的平均变形速度等于:
若t时间段以月份或年份数表示时,则v均为月平均变化速度或年平均变化速度。
(三)测点布设
建筑物水平位移监测的测点宜按两个层次布设,即由控制点组成控制网、由观测点及所联测的控制点组成扩展网;对于单个建筑物上部或构件的位移监测,可将控制点连同观测点按单一层次布设。
控制网可采用测角网、测边网、边角网和导线网等形式,扩展网和单一层次布网有角度交会、边长交会、边角交会、基准线和附合导线等形式。
各种布网均应考虑网形强度,长短边不宜悬殊过大。
为保证变形监测的准确可靠,每一测区的基准点不应少于2个,每一测区的工作基点亦不应少于2个。
基准点、工作基点应根据实际情况构成一定的网形,并按规范规定的精度定期进行检测。
(四)常用方法
1.大地测量法
大地测量方法是水平位移监测的传统方法,主要包括:
交会法、三角网测量法、精密导线测量法等。
大地测量法的基本原理是利用三角测量、交会等方法多次测量变形监测点的平面坐标,再将坐标与起始值相比较,从而得到水平位移量。
该方法通常需人工观测,劳动强度高,速度慢;特别是交会法受图形强度、观测条件等影响明显,精度较低。
(1)交会法
主要包括测角交会、测边交会和后方交会三种方法。
它是利用2个或3个已知坐标的工作基点,测定位移标点的坐标变化,从而确定其变形情况的一种测量方法。
在进行交会法观测时,首先应设置工作基点。
工作基点应尽量选在地质条件良好的基岩上,并尽可能离开承压区,且不受人为的碰撞或震动。
工作基点应定期与基准点联测,校核其是否发生变动。
工作基点上应设强制对中装置,以减小仪器对中误差的影响。
工作基点到位移监测点的边长不能相差太大,应大致相等,且与监测点大致同高,以免视线倾角过大,影响测量的精度。
为减小大气折光的影响,交会边的视线应离地面或障碍物在1.2m以上,并应尽量避免视线贴近水面。
在利用边长交会法时,还应避免周围强磁场的干扰影响。
该方法具有观测方便、测量费用低、不需要特殊仪器等优点,特别适用于人难以到达的变形体的监测工作,如:
滑坡体、悬崖、坝坡、塔顶、烟囱等。
该方法的主要缺点是测量的精度和可靠性较低,高精度的变形监测一般不采用此方法。
1)
前方交会法
在变形点上不便于架设仪器时,多采用前方交会法,如右图所示,A,B点为平面基准点,P点位变形点,由于点A,B的左边为已知,在观测了水平角α,β后,即可求算P点的坐标。
对于不同的周期,点P纵横坐标变化量就是点P的水平位移。
点坐标可按下式计算:
点P位中误差的估算公式为:
式中mβ为测角中误差,ρ′′=206265,D为A、B间距离。
对该式的进一步分析表明:
当γ=90°时,点位中误差不随α,β的变化而变化;当γ>90°时,对称交会时的点位中误差最小,精度最高;当γ<90°时,对称交会时点位中误差最大,对精度不利。
2)测边交会法
如右图所示,仪器架设在A,B点上,通过测定位于变形区影响范围之外两个固定已知目标,即测站P到两个已知点A,B之间的夹角和距离值a,b,即可计算测站坐标,进而推出个监测点的坐标。
A,B之间的距离和方位角可由坐标反算算出,其计算公式如下:
3)后方交会法
如果变形点上可以假设仪器,且与3个平面基准点通视,可采用后方交会法。
如右图所示,A,B,C为基准点,P为变形监测点,当观测水平角α,β后,计算点P的坐标:
后方交会法
(2)精密导线测量法:
在混凝土拱坝廊道内布置折线形导线,以导线端点的倒垂线作基准,用以测量坝内导线点的水平位移只适用于大型混凝土厚拱坝或曲线形重力坝。
如重力拱坝、曲线型桥梁以及一些高层建筑物的位移观测就不如导线测量法、前方交会法以及地面摄影(见第十四章)等方法有利;这些方法可以同时测定建筑物上某观测点在两个方向的位移(即在水平面内的位移)。
与一般测量工作相比,由于变形观测是通过重复观测,由不同周期观测成果的比较中确定观测点的位移;因此这种导线在布设、观测以及计算诸方面都具有其自身的特点,网中各点观测方向较少,除节点外只有两个方向,因而受通视要求的限制较小,易于选点和降低觇标的高度,甚至不需要造标;图形灵活,选点的时候可根据具体情况随时变化,网中边长可以直接测定,因此边长精度较均匀。
但导线网中的多余观测数较少,有时不易直接发现观测值中的粗差,因此可靠性不高。
2.基准线法
基准线法是变形监测的常用方法,该方法特别适用于直线型建筑物的水平位移监测(如直线形大坝等),其类型主要包括:
视准线法、引张线法、激光准直法和垂线法等。
(1)视准线法:
原理:
如图所示:
图为视准线法
点A、B是视准线的两个基准点(端点),d1、d2、d3为水平位移监测点。
观测时将经纬仪置于A点,将仪器照准B点,将水平制动装置制动。
竖直方向转动经纬仪望远镜,分别转至d1、d2、d3三个点附近,用小钢尺等工具分别量取水平位移监测点d1、d2、d3至A—B这条视准线的距离。
根据前后两次量取的距离,得出这段时间内水平位移量。
(2)引张线法:
利用张紧在两工作基点之间的不锈钢丝作为基准线,测量沿线测点和钢丝之间的相对位移,以确定该点的水平位移。
设引张线第i个监测点的首次的读数为L0,本次观测的读数为L,若不考虑端点的位移,则观测点的位移值为:
引张线测量系统的误差主要包括观测误差和外界条件的影响两个方面。
观测误差与所用的观测仪器、作业方法、观测人员的熟练程度等因素有关。
除测点观测误差外,还取决于它的复位误差。
在引张线观测时,由于风的作用,可能会使测线产生明显的偏离,从而产生明显的观测误差。
因此,在观测时,应关闭廊道及通风口门,观测点保护箱应盖严。
适用于大型直线形混凝土的廊道内测点的水平位移观测。
主要用于测定混凝土建筑物垂直于轴线方向的(顺水流方向)水平位移。
(3)激光准直法:
利用激光束代替视线进行照准的准直方法,使用的仪器有激光准直仪,波带板激光准直系统和真空管道激光准直系统等。
适用于大型直线形混凝土坝观测。
对于布设在直线型的土石坝或混凝土坝顶上观测点的水平位移,主要是采用视准线法和激光准直方法观测。
因为它们速度快,精度较高,计算工作也较简单。
当采用这一方法时,主要的是要求它们的端点稳定,所以必须要作适当的布置,采用适当的方法来检核这一要求是否满足。
采用波带板激光准直法观测水平位移,是将激光器和接收靶分别安置在两端固定工作基点上,波带板安置在位移标点上,并要求点光源、波带板中心和接收靶中心三点基本上同在一高度上,这在埋设工作基点和位移标点时应考虑满足此条件。
当激光器发出的激光束照准波带板后,在接收靶上形成一个亮点或“+”字亮线,按照三点准直法,在接收靶上测定亮点或十字亮线的中心位置,即可决定位移标点的位置,从而求出其偏离值。
(4)垂线法:
以坝体或坝基的铅垂线作为基准线,采用坐标仪测定沿线点位和铅垂线之间的相对水平位移。
这种方法适用于各种形式的混凝土坝。
垂线由不锈钢丝制成,钢丝下部吊重锤,悬挂点在上部的称为正垂线;锚固点在基岩深处,依靠顶部浮筒的浮力将钢丝张紧的称为倒垂线。
前者可测相对于悬挂点的相对水平位移,后者可测相对于锚固点的绝对水平位移。
3.专用测量法
即采用专门的仪器和方法测量两点之间的水平位移,如多点位移计、光钎等。
4.GPS测量法
利用GPS自动化、全天候观测的特点,在工程的外部布设监测点,可实现高精度、全自动的水平位移监测,该技术已经在我国的部分水利工程中得到应用。
GPS进行变形监测有以下特点:
测站间无需通视、可同时提供测点三维位移信息、可以全天候监测、操作简便。
三、沉降监测技术
沉降变形监测是采用重复精密水准测量的方法进行的,为此应建立高度的水准测量控制网。
其具体办法是:
在建筑物的外围布设成一条闭合水准环形路线,再由水准环中的固定基准点测定各监测点的高程,这样每隔一定的周期进行一次精密水准测量,将测量的外业成果用严密平差方法,求出各水准点和沉降监测点的高程的最或然值。
其包括:
精密水准测量、三角高程测量、液体静力水准测量。
(一)精密水准测量
精密水准测量精度高,方法简便,是垂直位移监测最常用的方法。
垂直位移监测的测量点分为水准基点、工作基点和监测点三种。
1.
地面岩石标
水准基点
水准基点是垂直位移监测的基准点,一般3~4个点构成一组,形成近似正三角形或正方形,为保证其坚固与稳定,应选埋在变形区以外的岩石上或深埋于原状土上,也可以选埋在稳固的建构筑物上。
其包括:
普通混凝土标、地面岩石标、浅埋钢管标、井式混凝土标、深埋钢管标、深埋双金属标。
2.工作基点
工作基点是用于直接测定监测点的起点或终点。
工作基点应布置在变形区附近相对稳定的地方,其高程尽可能接近监测点的高程。
工作基点一般采用地表岩石标,当建筑物附近的覆盖层较深时,可采用浅埋标志,当新建建筑物附近有基础稳定的建筑物时,也可设置在该建筑物上。
因工作基点位于测区附近,应经常与水准基点进行联测,通过联测结果判断其稳定状况,保证监测成果的正确可靠。
3.监测点
监测点是垂直位移监测点的简称,布设在被监测建(构)筑物上。
布设时,要使其位于建(构)筑物的特征点上,能充分反映建(构)筑物的沉降变形情况,点位应当避开障碍物,便于观测和长期保护,标志应稳固,不影响建构筑物的美观和使用,还要考虑建筑物基础地质、建筑结构、应力分布等,对重要和薄弱部位应该适当增加监测点的数目。
4.监测仪器
不同类型的建筑物,其垂直位移监测的精度要求不尽相同。
同一种建筑物在不同的施工阶段,如公路基础和路面施工阶段,其垂直位移监测的精度要求也不相同;针对具体的监测工程,应当使用满足精度要求的水准仪,采用正确的测量方法;对特级、一级垂直位移监测,应使用DSZ05或DS05型水准仪配和因瓦合金标尺;对二级垂直位移监测,应使用DS1或DS05型水准仪和因瓦合金标尺;对三级垂直位移监测,应使用DS3水准仪和区格式木质标尺或DS1型水准仪和因瓦合金标尺。
仪器的检验:
无论使用何种仪器,开始工作前,应该按照测量规范要求对仪器进行检验;
水准仪的i角误差是最重要的检验项目。
精密水准测量前,还应按规范要求对水准标尺进行检验,其中标尺的每米真长偏差是最重要的检验项目,一般送专门的检定部门进行检验。
5.监测方法与技术要求
采用精密水准测量方法进行垂直位移监测时,从工作基点开始经过若干监测点,形成一个或多个闭合或附合路线,其中以闭合路线为佳,特别困难的监测点可以采用支水准路线往返测量。
标尺零点差的影响
整个监测期间,最好能固定监测仪器和监测人员,固定监测路线和测站,固定监测周期和相应时段。
为了减少i角误差的影响,水准测量规范对前后视距差和前后视距累积差都有明确的规定,测量中应遵照执行。
严格控制前后视距差和前后视距累积差,也可有效地减弱磁场和大气垂直折光的影响。
水准测量规范对观测程序有明确的要求,往测时,奇数站的观测顺序为“后前前后”;偶数站的观测顺序为“前后后前”。
返测时,奇、偶数站的观测顺序与往测偶、奇数站相同。
标尺的每米真长偏差应在测前进行检验,当超过一定误差时应进行相应改正。
6.监测点的精度要求(mm)
注:
n为测段的测站数
(二)精密三角高程测量
精密水准测量因受观测环境影响小,观测精度高,仍然是沉降监测的主要方法;如果水准路线线况差,水准测量实施将很困难。
高精度全站仪的发展,使得电磁波测距三角高程测量在工程测量中的应用更加广泛;电磁波测距三角高程测量代替水准测量进行沉降监测,将极大地降低劳动强度,提高工作效率。
1.各方法及其精度
1)单向观测及其精度
2)
中间法及其精度
3)对向观测及其精度
2.提高三角高程测量精度的措施:
1)缩短视线。
当视线长1000米时,折光角通常只是2″或3″。
在这样的距离上进行对向三角高程测量,其精度同普通水准测量相当;
2)对向观测垂直角;
3)选择有利的观测时间。
一般情况下,中午前后观测垂直角最有利;
4)提高视线高度。
(三)液体静力水准测量
液体静力水准测量也称为连通管测量,是利用相互连通的且静力平衡时的液面进行高程传递的测量方法。
1.基本原理
在两个完全相同的连通容器中充满液体,当液体完全静止后,两个连通管容器内的液面位于同一大地水准面上。
由于制造的容器不完全一致,探测液面高度的零点位置(起始读数位置)不可能完全相同,为求出两容器的零位差,可将两容器互换位置,求得A、B两点的新的高差h为:
2.仪器结构
液体静力水准仪种类较多,但总体上由三部分组成,即液体容器及其外壳、液面高度量测设备和沟通容器的连通管。
根据不同的仪器及其结构,液面高度测定方法有目视法、接触法、传感器测量法和光电机械法等,前两种方法精度较低,后两种方法精度较高且利于自动化测量。
3.液面高度测定方法
1)目视接触法
也可利用转动的测微圆环带动水中的触针上下运动,根据光学折射原理,在观测窗口可以观测到触针尖端的实像和虚像,当两像尖端接触时,在测微圆环上可读出触针接触水面时的高度。
2)电子传感器法
通过电子(电感式、光电式或电容式)传感器不仅可以提高静力水准的读数精度,而且可实现测量的自动化。
4.误差分析
1)连通管中液体不能残存气泡,否则测量结果将有粗差
2)如几何水准测量一样,液体静力水准仪也存在零点差,交换两台液体静力水准仪的位置可以消除其影响
3)温度差影响
4)气压差影响
5)液面到标志高度量测误差
6)液体蒸发影响
7)液体弄脏影响
8)仪器搁置误差
9)仪器倾斜误差影响
10)仪器结构变化影响等
5.液体静力水准观测技术要求(mm)
注:
n为测段的测站数
四、桥梁工程变形监测
(一)概述
桥梁变形观测是桥梁运营期养护的重要内容,对桥梁的健康诊断和安全运营有着重要的意义。
成桥后的结构状态识别和确认,桥梁运营过程中的损伤检测、预警及适时维修制度的建立,有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。
运营中的桥梁结构及其环境所获得的信息不仅是理论研究和实验室调查的补充,而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息。
桥梁安全监测带来的将不仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思,它还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。
(二)桥梁基础垂直位移监测:
桥梁垂直位移观测主要研究桥梁墩台空间位置在垂直方向上的变化。
观测建筑物垂直位移的方法有多种,如:
精密水准测量、连通管测量、GPS测量等;各种方法都有其自身的特点,在实际工程中,应根据工程特点和要求灵活应用。
垂直位移监测方法:
(精密水准测量、三角高程测量、液体静力水准测量、压力测量法、GPS测量)。
(1)、基点网的布设:
为了观测墩台的垂直位移,需建立变形监测基点网,基点网由基准点和工作基点组成。
基准点应尽量选在桥梁承压区之外,但又不宜离桥梁墩台太远。
基准点需成组埋设,以便相互检核。
工作基点一般选在桥台或其附近,以便于观测布设在桥梁墩台上的观测点,测定各桥墩相对于桥台的变形。
而工作基点的垂直变形可由基准点测定,以求得观测点相对于稳定点的绝对变形。
(2)、基准点布设:
①、基准点的选定:
应尽量选在桥梁承压区之外,但又不宜离桥梁墩台太远,以免加大实测工作量及增大测量的累积误差。
一般来说,以不远于桥梁墩台1km-2km为宜。
基准点需成组埋设,以便相互检核。
②、工作基点的选定:
一般选在桥台上,以便于观测布设在桥梁墩台上的观测点,测定各桥墩相对于桥台的变形。
(3)、监测点布设:
观测点的布设应遵循既要均匀又要有重点的原则。
为全面判断桥梁各部分的稳定性,每个桥墩上应布置观测点;对那些受力不均匀、地基基础不良的部位或结构的重要部位,应加密观测点,尤其主桥桥墩更是这样。
主桥墩台上的观测点,应在墩台顶面的上下游两端的适宜位置处各埋设一点,以便研究墩台的沉降和不均匀沉陷(即倾斜变形)。
(4)、点位结构:
基准点的点位结构以确保其稳定为原则,一般可采用地面岩石标,埋设至基岩。
若大桥飞架两山之间,有条件时最好使用平酮岩石标。
观测点的标志结构分引桥与主桥两部分。
引端观测点可采用墙上标志。
由于墩面使用空间的限制,主桥变形观测点遵循一点多用的原则。
(5)、垂直位移观测:
所谓垂直位移观测,就是定期的测量布设在桥墩台上的观测点相对于基准点的高差,以求得观测点的高程,并将不同时期观测点的高程加以比较,得出墩台的垂直位移值。
监测点的观测一般应根据实际情况布设成附合路线或闭合路线。
观测点观测包括引桥观测点观测和水中桥墩观测点的观测。
由于引桥观测点是在岸上,其施测方法与一般水准测量方法相同。
观测方法:
(特大桥梁垂直位移观测的外业工作,包括陆地水准测量;跨墩、跨河水准测量。
)
1、陆地水准测量:
基准点观测与引桥观测点观测均属陆地水准测量。
2、跨墩、跨河水准测量:
主桥观测点位于墩面上,大型桥梁跨距达上百米。
欲实现墩间高程传递,其前、后视距远超出《规范》对一等精密水准测量的最大视距的规定,应采用跨河水准测量法施测。
跨河水准测量的工作量大、耗费人力多,对于跨距相等的桥梁可使用前、后视等距的跨墩水准测量代替。
对长距离跨墩水准测量的作业,必须要有一定的措施提高其观测精度。
选用性能稳定、i角变化小的仪器,仪器与微型水准尺应置于观测墩上,如果需要使用3米水准尺,则必须将其固定在观测点上。
照准方法:
单分划照准双分划照准三分划照准
(三)桥梁挠度观测:
(1)、桥面挠度观测:
桥面挠度是指桥面沿轴线的垂直位移情况。
桥面在外界荷载的作用下将发生变形,使桥梁的实际线形与设计线形产生差异,从而影响桥梁的内部应力状态。
过大的桥面线形变化不但影响行车的安全,而且对桥梁的使用寿命有直接的影响。
(2)、索塔挠度观测:
索塔的挠度是指索塔在高程方向上索塔各点的水平位移分布情况,它包括桥轴线方向的水平位移和垂直于桥轴线方向的水平位移。
索塔产生挠度变形的原因主要有三个方面:
①、由于索塔两侧的拉力不等,而使索塔在顺桥向产生挠度变形;
②、由于索塔受风力、日照等外界环境因素的影响,而产生挠度变形;
③、由于设计与施工的不合理性,而使索塔产生额外的变形。
(3)、索塔挠度观测目的:
①、在索塔建设过程中,随着索塔高度的增加,挠度变形的幅度也急剧增大。
只有准确地掌握索塔摆动和扭转的规律,才能有效地指导施工和相应的施工测量工作
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