李 莘,黃程遠(yuǎn)
(1.廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530028;2.廣西廣播電視大學(xué),廣西 南寧 530000)
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淺談模數(shù)式橋梁伸縮裝置的選型及改進(jìn)
李 莘1,黃程遠(yuǎn)2
(1.廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530028;2.廣西廣播電視大學(xué),廣西 南寧 530000)
在橋梁設(shè)計(jì)中,橋梁伸縮裝置的選型是否得當(dāng)對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)影響很大。文章分析了幾種典型結(jié)構(gòu)的模數(shù)式伸縮裝置的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性,提出了模數(shù)式伸縮裝置選型應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題,以及對(duì)現(xiàn)有模數(shù)式伸縮裝置進(jìn)行細(xì)部改進(jìn)的思路。
橋梁;模數(shù)式伸縮裝置;工作原理;結(jié)構(gòu)體系;選型;改進(jìn)
Discussions on Type Selection and Improvement of Modular Bridge Retractable Device
模數(shù)式橋梁伸縮裝置是橋梁伸縮裝置的一大類(lèi)別,相對(duì)于橡膠伸縮裝置、梳齒板式伸縮裝置等,其性能更優(yōu)良,耐磨、抗滑、防水、抗老化性能好,車(chē)輛荷載下振動(dòng)和噪聲小,橋面平順,行駛舒適性好,使用壽命長(zhǎng),在高等級(jí)公路上應(yīng)用尤為廣泛。但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,一些模數(shù)式伸縮裝置發(fā)生了早期病害。本文對(duì)模數(shù)式伸縮裝置的幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹和分析,提出模數(shù)式伸縮裝置選型應(yīng)注意的一些問(wèn)題,也提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些改進(jìn)建議,希望能對(duì)模數(shù)式伸縮裝置的選型、設(shè)計(jì)工作有所幫助。
模數(shù)式橋梁伸縮裝置,俗稱(chēng)毛勒伸縮裝置,因模數(shù)式伸縮裝置結(jié)構(gòu)由德國(guó)的毛勒·索尼公司首創(chuàng)并申請(qǐng)專(zhuān)利而得名。除毛勒公司外,其他國(guó)外伸縮裝置專(zhuān)利生產(chǎn)廠商還有美國(guó)的迪斯·布朗公司,瑞士Magba公司等。2004年發(fā)布的中華人民共和國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁伸縮裝置》(JT/T 327-2004)將此類(lèi)鋼-橡膠組合結(jié)構(gòu)的伸縮裝置統(tǒng)稱(chēng)為模數(shù)式伸縮裝置。
模數(shù)式伸縮裝置采用剛性連接,傳力可靠;機(jī)械密封,防水性能強(qiáng);其彈性支承體系可保證消音減震;多條中梁與橡膠帶組合,保證伸縮裝置與兩側(cè)橋面及路面銜接平順,行駛舒適度好;鳥(niǎo)型橡膠帶伸縮自如,與型鋼銜接緊密,密封性能好。從實(shí)踐上看,模數(shù)式伸縮縫是性能相對(duì)優(yōu)良的橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)類(lèi)型。
模數(shù)式伸縮裝置從20世紀(jì)60年代由德國(guó)毛勒公司首先研發(fā)成功,在數(shù)十年時(shí)間里其結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn),各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的產(chǎn)品層出不窮。我國(guó)自20世紀(jì)80年代末引入模數(shù)式伸縮裝置,由于其相對(duì)于其他類(lèi)型伸縮裝置的顯著優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。在我國(guó),使用最廣泛的模數(shù)式伸縮裝置是毛勒伸縮裝置,此外還有布朗等其他專(zhuān)利廠商,加上為數(shù)眾多的國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的仿毛勒伸縮裝置。在細(xì)部結(jié)構(gòu)上,不同廠商的產(chǎn)品往往有所區(qū)別。根據(jù)其細(xì)部構(gòu)造主要是位移/間距控制體系的區(qū)別,我們將模數(shù)式伸縮裝置分為以下幾個(gè)類(lèi)別,并加以評(píng)述。
2.1 直梁連桿式體系
直梁連桿式伸縮裝置因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于生產(chǎn),曾經(jīng)在國(guó)內(nèi)廣泛使用。其支承體系為直梁式結(jié)構(gòu),而位移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為鉸鏈連桿式機(jī)械傳動(dòng),加工精度和潤(rùn)滑條件要求很高,在后期運(yùn)營(yíng)中容易因鉸鏈的潤(rùn)滑不足而失效;此外,連桿承受較大的水平及豎向力作用,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求非常高,在重載、超載車(chē)作用下容易因應(yīng)力過(guò)大發(fā)生桿件脫焊、卡銷(xiāo)沖斷等問(wèn)題,導(dǎo)致位移/間距控制體系失靈,最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。直梁連桿式體系并非一無(wú)是處,關(guān)鍵在于嚴(yán)格控制加工精度及提高焊接質(zhì)量,但由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)加工精度和焊接質(zhì)量控制不嚴(yán),使得以上問(wèn)題更顯突出,在實(shí)際運(yùn)用中造成伸縮裝置提前報(bào)廢。目前該型模數(shù)式伸縮裝置已基本退出國(guó)內(nèi)市場(chǎng),但尚有大量公路橋梁正在使用該結(jié)構(gòu)形式的伸縮裝置,該型伸縮裝置也屬于現(xiàn)存病害較多的伸縮裝置類(lèi)型之一。
2.2 斜梁式體系
斜梁式伸縮裝置是由平行于橋梁接縫方向的中梁、邊梁與接縫方向成一定夾角的斜向支承梁及位移箱組成的伸縮裝置支承傳動(dòng)機(jī)構(gòu),利用斜向支承梁與中梁交角的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)縫寬的等距控制(見(jiàn)圖1)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:(1)單根支承橫梁斜向支承在支承箱內(nèi);(2)各支承橫梁位置制造和安裝精度要求較高,易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)自鎖和支承元件早期磨損,縫寬均勻性較差;(3)伸縮縫位移時(shí),支承橫梁要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),支承橫梁上的支承元件產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)角,不僅承壓還承受扭力,易損壞。
圖1 斜梁式體系結(jié)構(gòu)示意圖
斜梁式體系同樣存在著受力情況復(fù)雜、加工精度要求高的問(wèn)題,且承受重載、超載車(chē)作用時(shí)支承元件產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)角,使得受力情況更為不利。該型伸縮裝置目前已基本退出國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。
2.3 直梁式體系
各型鋼之間采用串聯(lián)布置高分子剪切彈簧,通過(guò)串聯(lián)高分子剪切彈簧的等量剪切變形來(lái)實(shí)現(xiàn)縫寬的等距控制(見(jiàn)圖2)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:?jiǎn)胃С袡M梁支承在支承箱體內(nèi),與所有中梁形成滑動(dòng)副,支座橫梁在眾多中梁的作用下,支座橫梁、中梁壓緊支座橡膠、彈性支座橡膠長(zhǎng)期處于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài);中梁壓緊支座橡膠、彈性支座橡膠同橫梁形成的摩擦副長(zhǎng)期處于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)且潤(rùn)滑條件不好,容易造成早期損壞;隨著位移量的增大,支承箱體尺寸變化不大,能可靠地同梁端、橋臺(tái)錨固,適用于各種大位移量伸縮裝置;每個(gè)位移控制單元的橡膠剪切彈簧串聯(lián)聯(lián)接控制伸縮裝置位移,剪切位移控制彈簧位于中梁的底面,在橋梁的三維運(yùn)動(dòng)作用下,橡膠剪切彈簧處于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài),剪切彈簧在拉壓交變應(yīng)力下容易發(fā)生早期的疲勞破壞;剪切位移控制彈簧的剪切力直接作用在中梁上,中梁受到彈簧的彎矩作用,影響中梁的直線度和扭轉(zhuǎn)度,使大位移伸縮裝置的縫寬均勻性較差,影響行車(chē)的舒適性;橡膠剪切彈簧呈規(guī)律性布置在中梁的底面,中梁底部加工了許多連接橡膠剪切彈簧的螺栓孔,削弱了中梁的強(qiáng)度,在最大載荷作用下,極易產(chǎn)生因應(yīng)力集中而導(dǎo)致中梁的疲勞斷裂;中梁下支座使用情況較為惡劣,對(duì)彈性元件及螺栓要求較高;生產(chǎn)成本相對(duì)較低。
圖2 直梁式體系結(jié)構(gòu)示意圖
直梁式體系在結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用上存在種種弊端,但因?yàn)槠潆S伸縮量的增大,控制箱尺寸變化不大的特點(diǎn),加上生產(chǎn)成本相對(duì)低廉,導(dǎo)致目前市場(chǎng)上還大量存在該類(lèi)型的模數(shù)式伸縮裝置,也是不少?lài)?guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商在480~2 000 mm級(jí)別的模數(shù)式伸縮裝置的主打產(chǎn)品。
2.4 柵格式體系
各支承橫梁之間串連布置有位移控制彈簧,通過(guò)串聯(lián)結(jié)構(gòu)、壓力相等的位移控制彈簧產(chǎn)生等量變形來(lái)實(shí)現(xiàn)縫寬的等距控制(見(jiàn)圖3)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:在單個(gè)支承單元內(nèi)有多根支承橫梁,每根中梁對(duì)應(yīng)一根橫梁,每條中梁均被剛性地焊接在分配的支承橫梁上,由此鋼梁形成內(nèi)部能夠伸縮移動(dòng)的柵格。每根橫梁受力簡(jiǎn)單、可靠;位移箱尺寸隨著縫數(shù)的增加不斷增大,位移量超過(guò)640 mm后,控制箱尺寸已經(jīng)過(guò)于龐大,最佳適用位移量為160~480 mm,最高不超過(guò)640 mm;采用多組位移控制彈簧控制位移,位移控制彈簧分布在橫梁的兩側(cè),彈簧主要承受單向壓/拉力,受力簡(jiǎn)單,動(dòng)作可靠;聚氨酯發(fā)泡塑料制成的高分子彈簧對(duì)壓縮變形敏感度高,自由伸縮時(shí)縫寬控制均勻,反應(yīng)靈敏,能可靠地保證縫寬均勻性,而且壓縮彈簧的初始預(yù)壓力可消除支座和橫梁的摩擦力,保證伸縮時(shí)中梁能隨時(shí)位移;支承梁由分別位于支承梁上下的彈性支承元件支承。這種安置方式在伸縮縫運(yùn)動(dòng)方向上提供了彈性和滑動(dòng)的支承?;瑒?dòng)彈簧的預(yù)壓縮防止支承元件偏移,同時(shí)也補(bǔ)償了制造上的公差。彈性支承也可以消除邊梁在滑移表面的壓力。此外,為了補(bǔ)償邊梁不可避免的高度差,滑動(dòng)支承的設(shè)計(jì)可以吸收支承梁的合成傾斜度,減小抗扭剛度;成本相對(duì)較高。
圖3 柵格式體系結(jié)構(gòu)示意圖
實(shí)踐證明,柵格式體系是較為成功的模數(shù)式伸縮裝置體系,其支承及位移控制系統(tǒng)受力簡(jiǎn)單、清晰,動(dòng)作可靠,縫寬控制均勻,中梁位移順暢,在梁體轉(zhuǎn)角不大的情況下使用十分可靠,且加工精度要求不高。柵格體系的伸縮裝置關(guān)鍵技術(shù)在于聚氨酯發(fā)泡塑料制成的高分子彈簧,該部件目前國(guó)內(nèi)多數(shù)廠商依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口,少部分實(shí)力較強(qiáng)的廠商已可自行研發(fā)制造,但實(shí)際使用效果是否達(dá)到國(guó)外進(jìn)口的高分子彈簧的水平還有待于時(shí)間檢驗(yàn)。柵格式體系主要有兩點(diǎn)不足:(1)在位移量增加的情況下支承橫梁、控制彈簧的數(shù)量明顯增加,控制箱體積增大,顯著增加生產(chǎn)成本;(2)隨著位移量增長(zhǎng),控制箱體積明顯增加,無(wú)法應(yīng)用于伸縮量超過(guò)640 mm的橋梁伸縮縫部位。
2.5 轉(zhuǎn)軸式體系
由于直梁式體系存在的弊端,德國(guó)毛勒公司決心尋找更加先進(jìn)的大位移量模數(shù)式伸縮裝置體系替代直梁體系,于20世紀(jì)90年代結(jié)合斜梁式、柵格式、直梁式等多種體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),經(jīng)改進(jìn)研發(fā)而成轉(zhuǎn)軸式體系伸縮體系(見(jiàn)圖4)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:支承橫梁采用斜向布置方式,每個(gè)位移控制箱只設(shè)一根支承橫梁,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,伸縮裝置牢固可靠;能滿(mǎn)足橋梁在各個(gè)方向大角度轉(zhuǎn)動(dòng)的要求;采用四連桿機(jī)構(gòu)位移控制原理,無(wú)論伸縮量多大,都能保證各縫間距均等;支承橫梁能同時(shí)為所有中梁提供橫向剛性支承,這是該種伸縮縫所特有的性能;轉(zhuǎn)軸式體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在個(gè)別中梁發(fā)生病害時(shí),可以將發(fā)生病害的中梁拆除更換,而不影響伸縮縫的控制機(jī)構(gòu)。也就是說(shuō),如發(fā)生中梁損壞病害,只需短時(shí)中斷交通單獨(dú)更換發(fā)生病害的中梁,不需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間封閉大修。根據(jù)毛勒公司介紹,轉(zhuǎn)軸式體系結(jié)構(gòu)極為堅(jiān)固耐用,國(guó)外的一些橋梁主體實(shí)例已正常使用超過(guò)20年,預(yù)計(jì)其整體壽命可達(dá)50年左右。
轉(zhuǎn)軸式體系的控制箱不會(huì)隨位移量的增大、中梁數(shù)目的增多而明顯增加,且其結(jié)構(gòu)能適應(yīng)不同方向的變形,目前為德國(guó)毛勒公司在640 mm以上大位移量模數(shù)式伸縮裝置的主打產(chǎn)品。
圖4 轉(zhuǎn)軸式體系結(jié)構(gòu)照片
根據(jù)筆者在橋梁養(yǎng)護(hù)管理中的經(jīng)驗(yàn),模數(shù)式伸縮裝置在冬季發(fā)生橡膠條拉壞、承壓及壓緊支座脫落、支承橫梁失穩(wěn)病害的情況不少。在此提出模數(shù)式伸縮裝置選型時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題供參考:
(1)模數(shù)式伸縮裝置發(fā)展時(shí)間長(zhǎng),體系結(jié)構(gòu)多樣,生產(chǎn)廠商魚(yú)龍混雜,宜謹(jǐn)慎選擇模數(shù)式伸縮裝置的體系結(jié)構(gòu),并詳細(xì)審查伸縮裝置結(jié)構(gòu)圖紙,選擇實(shí)力較強(qiáng)、生產(chǎn)加工質(zhì)量過(guò)硬的生產(chǎn)廠商。
(2)在計(jì)算伸縮量時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮當(dāng)?shù)氐淖罡吆妥畹陀行鉁刂怠?/p>
(3)除當(dāng)?shù)刈罡吆妥畹陀行囟?、收縮、徐變、汽車(chē)制動(dòng)力之外,其他可能影響伸縮裝置變形的因素有:梁端轉(zhuǎn)角;由于日照、日落引起的豎向及橫向梯度溫差,導(dǎo)致伸縮裝置豎向、橫向變形;彎橋的汽車(chē)離心力導(dǎo)致伸縮裝置橫向錯(cuò)動(dòng);某些斜橋的端跨采用不等跨梁長(zhǎng)導(dǎo)致伸縮縫不等量變形等。有些影響伸縮量的因素不易精確計(jì)算,故計(jì)算伸縮量時(shí)要考慮一定的富余量,即伸縮量增大系數(shù)β。根據(jù)JTGD62-2012的規(guī)定,伸縮量增大系數(shù)應(yīng)取為1.2~1.4。
(4)模數(shù)式伸縮裝置的邊梁與中梁以及中梁之間的型鋼間隙最大為8cm,但在實(shí)際工作狀態(tài)下,密封橡膠帶在冬天不應(yīng)拉展至極限,夏天也不應(yīng)收縮至頂死,否則密封橡膠帶容易發(fā)生早期損壞,并有可能造成承壓及壓緊支座損壞、支承橫梁失穩(wěn)。同時(shí)應(yīng)考慮模數(shù)式伸縮裝置在運(yùn)營(yíng)中因構(gòu)件潤(rùn)滑不足、伸縮縫不等量變形等原因,無(wú)法保證各處型鋼間隙完全一致?;谝陨峡紤],建議最好把模數(shù)式伸縮裝置每道間隙容許80mm的伸縮量作偏安全考慮,在拉伸和收縮兩個(gè)狀態(tài)下各預(yù)留10mm的富余工作寬度,即將每道型鋼間隙允許的伸縮量由80mm偏安全考慮減為60mm,作為模數(shù)式伸縮裝置的理想工作狀態(tài)下的允許伸縮量,即160型在理想工作狀態(tài)下的伸縮量為120mm,240型在理想工作狀態(tài)下的伸縮量為180mm。
在橋梁養(yǎng)護(hù)工作中,筆者實(shí)地接觸了多種模數(shù)式伸縮裝置,并跟蹤了解其在使用過(guò)程中病害的發(fā)生、發(fā)展的情況,對(duì)伸縮裝置病害也做了相應(yīng)分析,產(chǎn)生了模數(shù)式伸縮裝置細(xì)部設(shè)計(jì)改進(jìn)的相關(guān)思路,現(xiàn)陳述如下:
(1)可考慮適當(dāng)增加支承橫梁的長(zhǎng)度,這有利于防止因橋梁支座剪切變形、重車(chē)荷載沖擊、極端天氣等額外不利因素作用下支承橫梁的穩(wěn)定性,保證模數(shù)式伸縮裝置在各種不同環(huán)境下的正常使用。
(2)支承橫梁直接承受從中梁傳來(lái)的車(chē)輛沖擊荷載作用,僅靠承壓及壓緊支座穩(wěn)固作用未必可靠,只要壓緊及承壓支座發(fā)生磨損,支承橫梁就會(huì)松動(dòng)、下沉,直接導(dǎo)致其承載的中梁失穩(wěn)。因此,可考慮在支承橫梁兩端增設(shè)鉸接。
(3)承壓支座是一種比較容易發(fā)生病害的部件,往往在對(duì)一條模數(shù)式伸縮裝置進(jìn)行跟蹤檢查時(shí),首先就會(huì)發(fā)現(xiàn)承壓支座發(fā)生變形,究其原因:(1)目前社會(huì)上的運(yùn)輸車(chē)輛超載現(xiàn)象比較嚴(yán)重,致使負(fù)責(zé)直接承受由支承橫梁傳遞來(lái)的車(chē)輛荷載的承壓支座受力狀況惡化;(2)支承橫梁在承受車(chē)輛沖擊荷載時(shí),會(huì)發(fā)生少許偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致支承橫梁與承壓支座的接觸面出現(xiàn)小部分脫空,這也同樣造成了承壓支座的受力狀況惡化。可以考慮適當(dāng)增加承壓支座的平面尺寸,建議在橫向及縱向兩個(gè)方向都適當(dāng)加大尺寸,這有利于改善承壓支座的受力狀況,保證承壓支座的使用壽命。
(4)壓緊及承壓支座固定通常采用一枚短固定銷(xiāo),一旦承壓支座產(chǎn)生較明顯的永久變形,這些短固定銷(xiāo)就有可能無(wú)法限制承壓支座,致使承壓支座向外部分滑移出位移箱,而在部分截面受力的情況下會(huì)導(dǎo)致承壓支座快速損壞并加速脫出,最終導(dǎo)致承壓支座脫落,支承橫梁下沉,加速整體結(jié)構(gòu)的損壞??煽紤]在承壓支座的四個(gè)水平側(cè)面均設(shè)置限位塊,并保證限位塊在車(chē)輛荷載反復(fù)作用下保持穩(wěn)定,以及采用截面為正方形的固定銷(xiāo),并適當(dāng)增加固定銷(xiāo)長(zhǎng)度。
(5)適當(dāng)增大中梁鋼和支承橫梁的焊接面積和焊接強(qiáng)度,當(dāng)采用兩段式型鋼焊接生產(chǎn)時(shí),應(yīng)在工廠完成整體焊接拼裝工作,保證伸縮裝置在長(zhǎng)期承受車(chē)輛沖擊荷載作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
(6)為防止位移箱結(jié)構(gòu)受泥沙、灰塵等雜質(zhì)污染,影響機(jī)構(gòu)動(dòng)作及影響支承元件潤(rùn)滑,可考慮在位移箱開(kāi)口處設(shè)置密封膠皮。
理論分析與實(shí)踐證明,模數(shù)式橋梁伸縮裝置具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。但由于模數(shù)式伸縮裝置存在多種體系結(jié)構(gòu),其性能與適應(yīng)性各有差異,且生產(chǎn)廠家魚(yú)龍混雜,即使是同一結(jié)構(gòu)的模數(shù)式裝置,其細(xì)部設(shè)計(jì)也存在較大區(qū)別。在目前社會(huì)上重載、超載車(chē)輛大量存在、伸縮裝置受力狀況惡劣的情況下,部分模數(shù)式伸縮裝置在運(yùn)營(yíng)中快速出現(xiàn)了病害,導(dǎo)致使用壽命提前終結(jié)。希望本文對(duì)模數(shù)式伸縮裝置的進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)和改進(jìn)起到有益的參考與交流的作用。
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LI Xin1,HUANG Cheng-yuan2
(1.Guangxi Beibu Gulf Investment Group Co.,Ltd.,Nanning,Guangxi,530028;
2.Guangxi Open University,Nanning,Guangxi,530000)
In bridge design,the proper type selection of bridge retractable device has great effect on bridge operations.This article analyzed the advantages and disadvantages and adaptability of modulus retractable devices with several typical structures,proposed several issues which need more attention in the type selection of modulus retractable devices,and proposed the ideas for the detailed improve-ment of existing modulus retractable devices.
Bridge;Modulus retractable device;Working principle;Structure system;Type selection;Improving
李 莘(1978—),工程師,研究方向:高速公路養(yǎng)護(hù);
黃程遠(yuǎn)(1982—),工程師,研究方向:土建工程和管理。
U445.7+4
A
10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.012
1673-4874(2015)11-0054-05
2015-09-30