尚守平，崔向龍

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南長沙410000)

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基礎(chǔ)隔震研究與應(yīng)用的新進(jìn)展及問題

尚守平，崔向龍

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南長沙410000)

摘要：基礎(chǔ)隔震是一種創(chuàng)新、可靠、發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦图夹g(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在基礎(chǔ)理論與實際應(yīng)用中都取得了很大的進(jìn)步。本文簡要介紹了基礎(chǔ)隔震的基本原理、必要條件及幾種常見的隔震裝置，詳細(xì)介紹了近年來國內(nèi)基礎(chǔ)隔震領(lǐng)域的最新理論進(jìn)展與實踐成果，重點介紹了鋼筋瀝青隔震、玻璃珠石墨滾動滑移體系、砂墊層滑移體系等農(nóng)村基礎(chǔ)隔震技術(shù)，目前隔震研究主要為造價偏高的橡膠隔震，不適于在村鎮(zhèn)地區(qū)推廣，村鎮(zhèn)建筑的隔震研究、應(yīng)用仍很落后，針對這一現(xiàn)狀，提出了研發(fā)、推廣一種廉價、高效、適于村鎮(zhèn)建筑的基礎(chǔ)隔震裝置的迫切性。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)隔震 ；農(nóng)村民居；隔震裝置

0引言

建筑物基礎(chǔ)隔震技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種新技術(shù)，經(jīng)過了短短幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為了一種可靠、有效的結(jié)構(gòu)減震技術(shù)，并在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣?；A(chǔ)隔震技術(shù)被譽為20世紀(jì)以來最具代表性的革新性抗震技術(shù)，為工程抗震和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的創(chuàng)新方向和研究思路[1-2]。特別是近年來全球范圍內(nèi)地震頻發(fā)，采用了基礎(chǔ)減震技術(shù)的結(jié)構(gòu)在地震中往往表現(xiàn)出優(yōu)越的抗震性能，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)減震的研究也越來越受到國內(nèi)外專家學(xué)者的重視。國內(nèi)外許多專家對基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)行了卓有成效的探索與研究[3-6]，很多技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到實際工程當(dāng)中，并經(jīng)受住了實際地震的考驗。另外，近年來一些專家還積極的探索適用于廣大村鎮(zhèn)建筑的廉價、高效的基礎(chǔ)隔震裝置，進(jìn)行了系統(tǒng)性的試驗研究，取得了豐碩的成果[7-10]。

1基礎(chǔ)隔震的原理及基礎(chǔ)隔震裝置的必要條件

1.1基礎(chǔ)隔震原理

圖1　隔震原理示意圖Fig.1　Isolation principle diagram

基礎(chǔ)隔震設(shè)計是在房屋基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震支座和阻尼裝置等構(gòu)件，組成具有整體復(fù)位功能的隔震層，延長結(jié)構(gòu)體系的自振周期，用來減少傳入上部結(jié)構(gòu)的地震作用，獲得合適的減震效果[11]。對于結(jié)構(gòu)高寬比小于4、變形主要以剪切變形為主的低矮建筑，結(jié)構(gòu)剛度較大，自振周期一般較短，自振周期正好處于地震波輸入能量的主頻段上，上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)放大很多(見圖1中A點)，設(shè)置了基礎(chǔ)隔震裝置的結(jié)構(gòu)，自振周期延長，在阻尼保持不變的情況下，上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)有效降低(見圖1中C點)，如果能夠增大結(jié)構(gòu)的阻尼，則加速度反應(yīng)仍可以減小(見圖1中D點)。因此，實際工程中人們往往通過基礎(chǔ)隔震裝置與阻尼器聯(lián)合來進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震設(shè)計。

1.2基礎(chǔ)隔震裝置的必要條件

基礎(chǔ)隔震技術(shù)的本質(zhì)就是使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件與可能引起破壞的地震地面運動分離開來，這種分離或解耦是通過增加系統(tǒng)的柔性和提供適當(dāng)?shù)淖枘醽韺崿F(xiàn)的[12]。目前比較成熟且在實際工程中應(yīng)用較多的隔震體系主要有：疊層橡膠墊隔震體系、摩擦滑移隔震體系、摩擦擺隔震體系以及最近出現(xiàn)的適于農(nóng)村民居的鋼筋瀝青復(fù)合隔震體系[13]、玻璃珠石墨滾動滑移體系[14]以及砂墊層隔震體系[15]。

綜合來看，一種優(yōu)秀的隔震裝置必須具備以下幾個必要的條件，才能很好的應(yīng)用于實際工程并得到推廣。

①足夠的豎向承載能力。隔震層是設(shè)置在基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)之間的裝置，必須具備較大的豎向承載力，才能安全的支撐上部結(jié)構(gòu)的重力及使用荷載，保證結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)及地震作用下不發(fā)生倒塌。

②合適的剛度?；A(chǔ)隔震系統(tǒng)首先必須具有足夠大的初始剛度，保證在風(fēng)及常年水平微小荷載作用下結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過大的位移，滿足正常使用要求，另外與上部結(jié)構(gòu)相比，隔震層剛度應(yīng)足夠小，保證在地震來臨時，有效減小上部結(jié)構(gòu)的加速度，且上部結(jié)構(gòu)在地震作用下只做小位移平動。結(jié)構(gòu)的層間位移很小，即使在罕遇地震作用，結(jié)構(gòu)也基本處于彈性狀態(tài)。

③良好的復(fù)位功能。隔震裝置必須具有合格的彈性變形能力，保證在地震作用下發(fā)生較大的彈性形變的同時具有瞬時復(fù)位功能，滿足結(jié)構(gòu)的正常使用要求。沒有彈性恢復(fù)力的隔震體系運動時不是振動，是平動。不具有瞬時彈性復(fù)位功能的隔震系統(tǒng)，由于難以控制最大位移，又不能使用限位器使運動的結(jié)構(gòu)質(zhì)點產(chǎn)生急剎車效果，故難以滿足結(jié)構(gòu)的正常使用要求。

④較低的經(jīng)濟造價。造價問題一直是制約基礎(chǔ)隔震技術(shù)推廣的一個瓶頸。實踐證明，橡膠隔震技術(shù)也能夠經(jīng)受住地震考驗，與常規(guī)的抗震技術(shù)相比，造價偏高仍是阻礙其推廣的主要問題。橡膠隔震支座研究較活躍的同時，汶川、玉樹地震，大量的村鎮(zhèn)建筑倒塌，人員傷亡慘重。不得不說有關(guān)農(nóng)村民居的隔震、抗震研究與推廣還很落后，開發(fā)一種專門針對于村鎮(zhèn)建筑的基礎(chǔ)隔震技術(shù)十分迫切。我們可以根據(jù)建筑的重要性選擇不同的隔震技術(shù)，像醫(yī)院、學(xué)校、實驗室等，建筑內(nèi)有很多靈敏度高、作用重大的設(shè)備,建筑物內(nèi)的重要設(shè)備很有可能在整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞的情況下?lián)p毀、失靈，造成重大損失[16]。對于這些重要的建筑，我們可以選擇造價較高的疊層橡膠隔震技術(shù)，而對于廣大的村鎮(zhèn)地區(qū)住宅，可以考慮造價較低的鋼筋瀝青復(fù)合隔震技術(shù)或者砂墊層技術(shù)。幾種基礎(chǔ)隔震技術(shù)都有自身的優(yōu)勢與特點，配合使用，大面積、大幅度地造福于廣大老百姓。

因此，我們認(rèn)為，真正能為百姓可靠減災(zāi)的隔震技術(shù)最低要求(或者說必須條件)應(yīng)為上述4點。

2基礎(chǔ)隔震研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，人們對隔震技術(shù)的研究與試驗越來越多，開發(fā)出的隔震裝置越來越豐富，基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了一些新的動向[17-19]，值得我們進(jìn)一步總結(jié)。除了傳統(tǒng)的橡膠基礎(chǔ)隔震技術(shù)仍然具有多項優(yōu)越性能之外，摩擦擺隔震體系、滑動摩擦隔震體系、鋼筋瀝青隔震體系、組合隔震體系也有了新的突破與發(fā)展，進(jìn)一步豐富了工程人員在隔震設(shè)計時的技術(shù)手段。

2.1橡膠隔震體系

橡膠隔震支座是目前國內(nèi)研究最多、應(yīng)用比較成熟的一種基礎(chǔ)隔震裝置，并且已經(jīng)形成了一套比較完善的體系，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)中第12章“隔震和消能減震設(shè)計”對橡膠隔震支座的性能與設(shè)計有明確規(guī)定[20]。傳統(tǒng)橡膠隔震支座主要分為標(biāo)準(zhǔn)疊層橡膠支座、鉛芯疊層橡膠支座、高阻尼橡膠支座三種。除了上述三種橡膠支座外，還出現(xiàn)了造價較低、適于村鎮(zhèn)地區(qū)使用的纖維增強工程塑料板夾層橡膠隔震支座(SFRPB)[21]和工程塑料板橡膠隔震支座[22]。

疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)在設(shè)計理論與實際應(yīng)用上已經(jīng)比較成熟[23-27]。對于自振周期較小的結(jié)構(gòu)減震效果優(yōu)越，且經(jīng)濟指標(biāo)比較合理。其不足之處主要是對豎向振動一般沒有減振效果，易與自振周期較長的水平振動產(chǎn)生共振，影響到隔震支座本身的安全[28]?？傮w上來看，對于重要的、有精密儀器的建筑可以采用疊層橡膠隔震體系，造價有一定提高[29]，對于一般的農(nóng)村民居，采用橡膠隔震技術(shù)不夠經(jīng)濟，需要采用更為廉價、高效的隔震技術(shù)。

為了克服傳統(tǒng)疊層橡膠隔震支座自重大、造價昂貴、安裝工藝復(fù)雜的缺點，國內(nèi)外學(xué)者對橡膠隔震支座做了不同的嘗試與改進(jìn)。美國學(xué)者 Kelly[30]于1999年提出采用纖維增強復(fù)合材料(FRP)代替疊層橡膠支座中的鋼板，從而降低造價與支座重量，引起各國學(xué)者關(guān)注與研究。廣州大學(xué)王斌等[31]在此支座基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，提出了纖維增強工程塑料板夾層橡膠隔震支座( SFRPB)，對其進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)性能的試驗研究，該支座隔震效果好、性能更加穩(wěn)定。同時，譚平等[32]提出了一種新型簡易橡膠隔震支座——工程塑料板橡膠隔震支座，并對此支座進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)性能的試驗研究與工程應(yīng)用。該支座采用不飽和聚酯纖維加強復(fù)合材料板替代鋼板，具有自重輕、價格低廉、適于安裝等優(yōu)點。上述兩種簡易橡膠支座對傳統(tǒng)橡膠支座應(yīng)用于村鎮(zhèn)建筑做了有益的探索，對于簡易橡膠支座的耐久性問題是值得研究的課題。

2.2滑動摩擦隔震體系

滑動摩擦隔震支座是一種常見的基礎(chǔ)隔震體系，國內(nèi)外專家做了大量的試驗與研究[33-37]。它的主要原理是利用基礎(chǔ)底面與支撐面之間的相對滑移產(chǎn)生摩擦力來消耗地震作用，地面激勵比較小時，結(jié)構(gòu)與地面之間的摩擦力克服地震作用，防止結(jié)構(gòu)滑動；地面激勵超過一定強度時，結(jié)構(gòu)地震作用超過摩擦力，隔震層滑動面產(chǎn)生滑動，進(jìn)行隔震。此時，即使地面激勵繼續(xù)增大，上部結(jié)構(gòu)的地震作用也將保持不變?；瑒幽Σ粮粽痼w系包括純摩擦力滑移隔震系統(tǒng)(P-F)[38]、帶恢復(fù)力的摩擦力滑移隔震系統(tǒng)(R-FBI)[39]和帶限位裝置的摩擦力滑移隔震系統(tǒng)(S-LF)[40]。樊劍等[41]提出了帶限位裝置的摩擦滑移隔震系統(tǒng)(圖2)，限位裝置包括由彈簧和阻尼組成的限位器和剛性限位壁。S-LF既解決了純滑移摩擦力隔震裝置的復(fù)位問題，又具有較佳的隔震效果，是對P-F和R-FBI隔震體系的改良，但是限位裝置應(yīng)是柔性的或彈性的，不應(yīng)該是剛性的。由于限位壁為剛體壁，在罕遇地震作用下，限位器及上部結(jié)構(gòu)有可能與限位壁發(fā)生撞擊而損壞。如何解決在大變形情況下設(shè)置限位塊的裝置不會因為撞擊而破壞以及上部結(jié)構(gòu)不容易滑出基礎(chǔ)范圍產(chǎn)生傾覆仍是滑移摩擦隔震體系面臨的主要問題。

圖2　帶限位裝置的摩擦力滑移隔震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

曹萬林等[42]提出了一種玻璃珠砂漿層基礎(chǔ)滑移隔震體系，它由上下基礎(chǔ)梁、低強度玻璃珠砂漿層及基礎(chǔ)梁間限位裝置組成。隔震層位于基礎(chǔ)上梁與下梁之間，由摩擦系數(shù)較低的玻璃絲布板和具有潤滑作用的玻璃珠、石墨粉復(fù)合而成。研究了玻璃珠砂漿強度隨配合比、骨料取代率、齡期的變化規(guī)律，并且提出了制備低強度玻璃珠砂漿的方法及系統(tǒng)的施工工藝[43]。該技術(shù)專門針對村鎮(zhèn)建筑，造價低廉，施工簡便，具有較好的應(yīng)用價值。竇遠(yuǎn)明等[44-45]研究了砂墊層摩擦滑移隔震體系，并且進(jìn)行了剛體塊代替剛度較大砌體結(jié)構(gòu)的振動臺試驗，研究了砂墊層相對密實度對減震率的影響，結(jié)果表明隨著砂墊層密實度增加，減震效果減小。同時研究了不同砂礫級配對砂墊層減震效果的影響，結(jié)果表明單一粒徑的砂墊層減震效果優(yōu)于連續(xù)級配的砂墊層。錢國楨等[46]研究了改性瀝青阻尼墊(SBS)[47]及約束砂墊層的隔震性能，并且分別應(yīng)用在農(nóng)村民居示范工程中，通過人工激勵進(jìn)行了振動臺試驗，實測結(jié)果表明，兩種方法在小震時隔震效果不明顯，在中震、大震時，減震效果顯著，適于在高烈度地區(qū)推廣使用。曹曉輝等[48]提出了一種新型滑移隔震裝置，滑移材料主要為二硫化鉬，采用一種軟鋼實體圓錐棒作為限位消能裝置，加工簡單、成本較低。并且建立了力學(xué)模型，通過有限元分析了框架結(jié)構(gòu)在小、中、大震情況下的表現(xiàn)，減震效果良好。

2.3鋼筋瀝青復(fù)合隔震體系

汶川、玉樹地震給國家?guī)沓林貫?zāi)難，特別是廣大村鎮(zhèn)地區(qū)，大量房屋倒塌，人員傷亡慘重，這在一個側(cè)面反映出我們國家在村鎮(zhèn)隔震、減震方面的研究與推廣的缺失。國內(nèi)尚守平等[49]較早意識到這個問題，提出了一種廉價、高效、適于低矮農(nóng)村民居使用的鋼筋瀝青復(fù)合隔震層技術(shù)。鋼筋瀝青復(fù)合隔震體系的原理是在基礎(chǔ)與房屋底圈梁之間設(shè)置隔震層，隔震層包括上、下圈梁，水平隔震鋼筋，瀝青，磚墩四部分。豎向鋼筋作為主要的受力構(gòu)件，承受上部荷載。利用鋼筋瀝青隔震層中豎向鋼筋水平向的彈性剛度相對于豎向的彈性剛度小很多的特性,保證隔震層豎向承載力較大，水平剛度較小,從而延長結(jié)構(gòu)的自振周期,獲得較好的隔震效果[50]。多遇地震作用下，隔震層水平隔震鋼筋處于彈性狀態(tài)，上部結(jié)構(gòu)基本保持不動或小位移平動，變形主要集中在隔震層，由于水平隔震鋼筋始終處于彈性狀態(tài)，隔震層具有自復(fù)位功能。罕遇地震作用下，水平隔震鋼筋屈服，上部結(jié)構(gòu)落在磚墩上繼續(xù)滑動，結(jié)構(gòu)仍然不會發(fā)生倒塌。在磚墩之間填充有瀝青油膏(油膏不承受重力荷載)，主要防止鋼筋發(fā)生銹蝕及增加阻尼[51]。復(fù)合隔震層構(gòu)造圖見圖3。

圖3　鋼筋瀝青復(fù)合隔震層構(gòu)造圖

在鋼筋瀝青復(fù)合隔震層的基礎(chǔ)上開發(fā)出復(fù)合隔震墩，并且做了大量的試驗研究[52-53]。試驗表明：鋼筋瀝青復(fù)合隔震層體系隔震效果優(yōu)越。目前，鋼筋瀝青復(fù)合隔震層體系已經(jīng)在實際工程中得到了應(yīng)用[54]，現(xiàn)場實測結(jié)果表明：隔震層可以明顯的降低上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

鋼筋瀝青復(fù)合隔震層隔震體系造價低廉，取材容易。對于5層以下的農(nóng)村民居隔震效果明顯而且易于施工，非常適合在廣大村鎮(zhèn)地區(qū)使用。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的隔震墩解決了隔震支座的裝配化生產(chǎn)問題，更利于該技術(shù)的實用。對于鋼筋瀝青復(fù)合隔震層的設(shè)計已經(jīng)有了相應(yīng)的規(guī)范[55]，正致力于使這一新興減震技術(shù)為大面積的第三世界貧民帶來福音。

2.4摩擦擺隔震體系

根據(jù)幾何構(gòu)造的不同現(xiàn)有的摩擦擺隔震體系可以分為曲面式、溝槽式、曲面溝槽混合式摩擦擺隔震支座三類。為了解決傳統(tǒng)平面滑移支座無法自動復(fù)位的缺點，Zayas等[56]人對其進(jìn)行了改進(jìn)，在美國加州大學(xué)伯克利分校研究開發(fā)了摩擦擺隔震支座(FPS)[57]。該裝置具備滑動摩擦隔震系統(tǒng)的一系列優(yōu)點，同時特有的滑動圓弧面保證了良好的自動復(fù)位功能，不需要另外安裝阻尼向心構(gòu)件。這使摩擦擺隔震支座在實際應(yīng)用中更為簡便，增加了隔震裝置的可靠度[58]。摩擦擺隔震系統(tǒng)的工作原理是滑塊置于凹形曲面的底盤中，地震作用來臨時，滑塊滑至凹形曲面的高處，消耗地震能量，同時由于上部結(jié)構(gòu)自身重力荷載作用，滑塊自動向低處滑動，實現(xiàn)自動復(fù)位功能。為使頂板始終保持平衡，滑塊上部設(shè)計為曲面，摩擦擺隔震裝置的復(fù)位力的大小取決于底盤曲面的曲率及支座的剛度。隔震系統(tǒng)的周期和剛度可通過選取合適的曲率半徑來控制，阻尼由動摩擦系數(shù)來控制。具體構(gòu)造見圖4。

圖4　摩擦擺隔震支座構(gòu)造圖

國內(nèi)外學(xué)者對摩擦擺裝置做了大量的試驗研究[59-60]。試驗結(jié)果表明：摩擦擺隔震支座具有穩(wěn)定的滯回性能及可靠的耐久性，在溫度、壓應(yīng)力、長期動態(tài)加載的影響下仍具有很高的可靠性。但由于滑塊滑至凹形曲面的高處時，增加了結(jié)構(gòu)的豎向振動，使得這一問題還在摸索解決中。由于具有自限位、復(fù)位的天然優(yōu)勢且隔震效果顯著，摩擦擺隔震支座在未來的隔震領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間。

2.5組合隔震體系

目前最常見的組合隔震體系主要是由疊層橡膠隔震體系與滑移摩擦隔震體系并聯(lián)而成。其可以利用疊層橡膠支座提供系統(tǒng)的彈性恢復(fù)力，同時充分發(fā)揮了滑移摩擦隔震系統(tǒng)的耗能減震作用。這樣既解決了橡膠支座對于長周期水平振動存在共振危險性的難題，也改善了純滑移摩擦隔震系統(tǒng)的復(fù)位問題。對高層建筑，橡膠隔震體系延長結(jié)構(gòu)的周期有限，組合隔震系統(tǒng)一般會取得較好的隔震效果[61]。

3結(jié)語

本文闡述了一個好的基礎(chǔ)隔震體系必須滿足的幾個條件，并且首次提出把經(jīng)濟指標(biāo)作為衡量一個隔震支座性能好壞的一個條件。性能優(yōu)異、價格低廉、取材容易的隔震支座更有利于在實際工程中推廣與應(yīng)用。本文介紹了近年來國內(nèi)外在基礎(chǔ)隔震特別是村鎮(zhèn)建筑基礎(chǔ)隔震研究與應(yīng)用的新進(jìn)展與新技術(shù)，鋼筋瀝青復(fù)合隔震體系、約束砂墊層隔震體系等作為近年來農(nóng)村基礎(chǔ)隔震領(lǐng)域的新成果，有著自身獨特的優(yōu)勢與特點，填補了我們國家在農(nóng)村基礎(chǔ)隔震領(lǐng)域研究的空缺，有著良好的發(fā)展前景。

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(責(zé)任編輯唐漢民梁健)

New progress and problems in research and application of base isolation

SHANG Shou-ping, CUI Xiang-long

(Colledge of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410000, China)

Abstract:Base isolation is a new technology which is innovative and reliable, and it has huge potential for development. After decades of development, it has achieved great progress in the basic theory and practical application. The basic principles and necessary conditions of base isolation are introduced, and several common isolation devices are presented. The latest theoretical progress and practical achievement in the field of base isolation in recent years, especially steel-asphalt isolation, glass bead-graphite roll slip system, sand cushion slip system and other rural base isolation technologies, are elaborated. However, the present isolation research mainly focuses on high-cost rubber vibration one which is not suitable for promotion in rural areas, where also suffered from serious earthquake disasters. In view of that, the urgency of the study and the promotion of base isolation device which is cheap, efficient and suitable for rural construction are proposed.

Key words:base isolation; rural houses; isolation devices

中圖分類號：TU352.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0021-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0021

通訊作者：尚守平(1953—)，男，山東黃縣人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師;E-mail: sps@hnu.edu.cn。

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAJ08B02)；湖南省科技重點項目(064SK4057)

收稿日期：2015-06-02；

修訂日期：2015-12-15

引文格式：尚守平，崔向龍.基礎(chǔ)隔震研究與應(yīng)用的新進(jìn)展及問題[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(1)：21-28.