分类：建筑论文 时间：2022-02-21 热度：536
摘 要：为研究博物馆所采用量大面广的栓绑法固定馆藏文物的抗震有效性，选取两种典型地震易损文物复制品，开展了文物复制品-固定措施抗震系统振动台试验研究，获得了文物复制品在不同工况下的地震响应及文物复制品与鱼线相互作用响应，并检验了栓绑法固定措施的抗震有效性。建立相应有限元计算模型，并开展参数分析，为进一步补充试验数据、提出量化方法提供必要技术手段。结果表明：有限元数值预测结果与试验结果吻合较好。当地震波加速度峰值较大时，不同类型文物的运动状态有明显区别。文物重心越低，摇摆响应越小，但整体滑移响应增大。与浮放文物相比，采用栓绑法可有效降低文物的摇摆响应及滑移响应，同时适当提高鱼线初始预拉应力可显著降低文物的地震响应和鱼线的内力变化幅度。但当初始预拉应力过大时，对文物作用力较大。对于质地较为脆弱的文物，可在鱼线与文物接触处垫缓冲物来减轻文物的局部损伤。随鱼线初始预拉应力的提高，绑扎鱼线根数对文物运动状态影响减弱。同等条件下，文物高宽比越大，地震响应越强烈，鱼线内力变化幅度越大，宜适当提高鱼线的初始预拉应力达到更好的固定效果。
关键词：栓绑法;馆藏文物;抗震有效性;振动台试验;有限元分析
馆藏文物是重要的文化遗产，历史价值极为重要。陈列展示文物在展出时为保证文物的观赏性和便捷性，通常采取浮放方式放置，但这种存放方式存在一定风险[1]。地震发生时，能量以地震波的形式传至博物馆结构，再以地面波或楼面波的形式作用于文物及展柜。多次地震灾害表明[2 − 7]，不加任何抗震固定措施的浮放文物在地震时易出现滑移、摇摆、滑移+摇摆等运动状态[8 − 13]，进而发生倾覆及碰撞损坏，造成巨大的经济和文化损失，如图 1(a) 所示。我国《馆藏文物防震规范》[14] 中的性能目标要求也是基于文物运动状态，在罕遇地震作用下文物不倾覆、仅发生有限滑移 (不发生碰撞) 并且不损坏。基于上述需求，目前常利用栓绑法固定文物，其中鱼线 (尼龙线) 固定最为常见，鱼线 (尼龙线) 具有较好的弹性和拉结性能，对文物展示干预较小，如图 1(b) 所示，在国内外博物馆中普遍应用[15 − 17]，但在某些情况下，采用鱼线固定后文物依然倾覆，导致震损，如图 1(c) 所示。因此，开展栓绑法固定馆藏文物的影响因素及抗震有效性研究十分必要。
在博物馆整体结构抗震研究基础上[18 − 19]，国内外相关学者围绕采用鱼线 (尼龙线) 固定后馆藏文物的抗震性能开展了研究工作[5, 15 − 17, 20 − 21]。于建军[5] 对采用四角尼龙拉线法的文物输入不同类型及强度的地震波，观察文物的地震响应。结果表明：尼龙线拉结措施在地震动输入小于 0.7 g 时，仍具有较好抗震效果。但当地震强度继续增大，文物依然会破坏。钮泽蓁[15] 将浮放文物和采用尼龙丝绑扎的文物分别放在陈列柜内，将陈列柜放在振动台上并输入简谐波作为激励，考察文物的运动状态。结果表明：浮放文物在强震下倾覆或较大移位难以避免，尼龙丝绑扎是稳定文物的有效措施，但需注意尼龙丝直径，防止发生破断。周乾等[17] 对某轻质陶瓷文物开展了振动台试验，探讨了鱼线固定文物的抗震性能。结果表明：鱼线固定后的馆藏文物在地震作用下加速度和位移响应减小，且地震强度较大时，减震性能依旧良好。
虽然已有研究结果表明栓绑法能够减小文物的地震响应，但针对栓绑法关键影响因素 (文物重心、文物高宽比、鱼线初始预拉应力、鱼线根数等) 对文物运动响应的量化影响规律缺少研究;未监测鱼线内力变化，无法判断鱼线与文物的相互作用程度，无法检验固定措施自身的有效性;同时，缺少准确、适用的数值分析模型供开展参数分析、补充试验数据使用。因此，为考察栓绑法固定措施的抗震有效性，优化固定方法，减少文物震损，本文考虑文物放置方式、重心高度、高宽比、地震波类型及强度、鱼线初始预拉应力、鱼线根数等影响因素，采用振动台试验与数值分析相结合的方法，对浮放及采用栓绑法固定的不同类型典型文物复制品的地震响应进行研究，获得文物复制品摇摆角、滑移及鱼线内力变化规律，为馆藏文物的预防性保护提供参考依据。
1 试验概况
1.1 试件设计
地震易损馆藏文物可包括材质易损、体型易损及放置方式易损。陈列展示的馆藏文物中瓷器是典型的地震易损文物[6]。通过广泛实地调研，一般采用栓绑法的馆藏文物可独立浮放。综合考虑材质易损和体型易损，选取博物馆中最常见的两种瓷瓶形态 (梅瓶和赏瓶) 进行振动台试验及数值分析。为考察文物复制品在实际地震波作用下的动力响应以及栓绑法的抗震固定效果，选取某博物馆首层沿墙柜中放置的文物，以这些文物尺寸为原型，所选用的梅瓶和赏瓶文物复制品试件如图 2 所示，两者高宽比 (高度与最大宽度的比值) 相近、底面直径相近，重心高度不同。试件的主要参数见表 1。
对文物复制品采取栓绑法时最常用鱼线固定法。鱼线的直径为 0.181 mm，用拉力计对鱼线破断拉力进行多次试验，最终测得鱼线破断拉力均值为 0.6555 kg，即破断应力约为 250 MPa。
1.2 试验设备
主要试验设备如图 3 所示。采用水平地震模拟振动台进行加载，台面尺寸为 1 m×1 m，行程为±150 mm，位移精度为 0.02 mm。采用激光位移传感器进行位移测量，精度 70 um，测量中心距离和测量范围为 100±35 mm(本试验可推算角度约为±10º)。采用 S 型微型拉力传感器监测鱼线内力变化，输出灵敏度为 2.0±10% mV/V，量程 100 N，最小分辨率 0.0003 kg，质量 0.1 kg。其他试验设备包括陈列台座、木块支架及采集拉力数据的称重模块等。
1.3 测试内容及测量方案
我国现行《馆藏文物防震规范》[14] 中关于文物处于浮置状态时的滑动及倾覆判别公式主要基于静力理论分析,针对形体较为规则的物体。但因馆藏文物种类繁多、体型各异，文物动力响应与静力理论分析有明显区别。规范中也规定珍贵文物及博物馆内重点保护文物，应采用试验分析法进行馆藏文物振动台试验。
因此，为全面考察文物复制品的真实运动状态，需准确测量文物复制品的地震响应。以梅瓶为例，浮放试验需测定文物复制品的滑移 (或倾覆前最大滑移) 及摇摆角，如图 4(a) 所示。鱼线固定试验需测定文物复制品的滑移、摇摆角及试验过程中鱼线内力变化情况，如图 4(b) 所示。
为测量文物复制品顶部位移，将白色轻质硬板固定在文物复制品顶部，取硬板上位于文物复制品中轴线上一点，在距离此点 65 mm~135 mm 范围内架设激光位移传感器 (确保可测量文物复制品摇摆的±10º范围)，位移传感器的激光束垂直于白色硬板，如图 4(a) 所示。为测量文物复制品底部位移，在瓶身左右两侧距离瓶底一定距离处各粘一个硬纸板，在两纸板相同高度且中心位置分别选取一点，在距离此点 65 mm~135 mm 处放置另外两个激光位移传感器，位移传感器的激光束垂直于纸板，如图 4(a) 所示。
通过螺钉将微型拉力传感器两端分别与鱼线底部及陈列台座连接，来测定鱼线内力变化。试验数据需多次测量，待测量数据稳定后，方可采用。
1.4 地震波选取及试验工况
为考察文物复制品在实际地震波作用下的响应以及栓绑法的抗震固定效果，并尽量降低博物馆结构和展柜对文物运动状态的影响，选取某博物馆首层沿墙柜中放置的文物，振动台试验工况与此边界条件相似。根据《建筑抗震设计规范》[22] 的选波原则，在考虑振动台加载时位移限值要求的同时，从 PEER 太平洋地震数据库中选取 3 条合适的地震波作为输入[23]，地震波详细信息见表 2，以 NO.1~NO.3 进行编号。
为研究地震波类型及强度、鱼线初始预拉应力及重心高度对鱼线固定后文物运动状态的影响，对梅瓶及赏瓶进行鱼线固定系统振动台试验，鱼线初始预拉应力分别取破断应力的 5%、 20%、40%。试验工况如表 4 所示。
根据试验结果，梅瓶及赏瓶的摇摆角及滑移 (或倾覆前最大滑移) 峰值如表 5 所示。可看出当加速度峰值达到 0.4 g 后，梅瓶及赏瓶的摇摆及滑移 (或倾覆前最大滑移) 变化明显，梅瓶与赏瓶在不同地震波的不同加速度峰值下摇摆及滑移时程曲线如图 7 所示。
由表 5 和图 7 可得：① 三条地震波作用下，当加速度峰值较小时，如在加速度峰值为 0.07 g、 0.2 g 时，文物复制品滑移及摇摆响应均较小，响应峰值相近，振动状态均比较稳定;② 在 NO.1 及 NO.2 地震波作用下，梅瓶在加速度峰值为 0.4 g 及 0.62 g 时在地震波峰值点附近发生倾覆，赏瓶在加速度峰值为 0.4 g 时未倾覆，只发生轻微摇摆，在 0.62 g 时倾覆，但倾覆时刻较梅瓶稍晚，在 NO.3 地震波作用下，梅瓶、赏瓶在 0.4 g 及 0.62 g 时均发生倾覆，但赏瓶倾覆时刻均晚于梅瓶，根据《馆藏文物防震规范》[14] 中判别公式，初步预测梅瓶及赏瓶在 0.07 g、0.2 g 工况下不滑移，在 0.4 g、0.62 g 工况下发生滑移，梅瓶及赏瓶在 0.07 g、0.2 g、0.4 g 工况下不倾覆，在 0.62 g 工况下倾覆，然而，以梅瓶为例，在加速度峰值为 0.4 g 时，静力理论分析为不倾覆，但试验过程中，梅瓶在三条地震波加速度峰值为 0.4 g 时均发生倾覆，进一步表明动力响应结果与静力理论分析结果有明显区别;③ 在 3 种地震波作用下，赏瓶的滑移 (或倾覆前滑移) 普遍大于梅瓶在倾覆前的滑移;④ 综合试验现象及以上数据可得，当地震波加速度峰值较大 (如 0.4 g、0.62 g) 时，不同类型文物的运动状态有明显区别，相同条件下，文物重心越低，摇摆响应越小，但整体滑移响应稍有增大，文物重心越高，摇摆响应越大，更容易倾覆;⑤ 三条地震波作用下，当加速度峰值较大时，如在加速度峰值为 0.62 g 时，文物复制品均在地震波达到峰值点后较短时间内发生倾覆，且倾覆前均有较明显滑移。
2.2 鱼线固定文物复制品振动台试验现象分析
由试验现象可知：① 在 3 种不同初始预拉应力作用下，地震波加速度峰值为 0.07 g 及 0.2 g 时，文物复制品基本静止;② 当地震波加速度峰值达到 0.4 g 及 0.62 g 时，由于鱼线固定，文物复制品摇摆幅度与浮放相比显著减小，可有效避免倾覆，当初始预拉应力为破断应力的 5% 时，梅瓶上部摇摆幅度依然较明显，随鱼线初始预拉应力的提高，梅瓶和赏瓶的摇摆幅度显著降低;③ 在鱼线固定试验过程中，因只对文物复制品上部进行约束，底部无任何限制，因此在每种工况下，文物复制品都会产生滑移，但在同一地震波的同一加速度峰值下，文物复制品的滑移随鱼线初始预拉应力的提高而显著减小，与梅瓶相比，赏瓶重心较低，整体表现为更明显滑移现象;④ 整个试验过程中文物复制品和鱼线均未产生破坏。在初始预拉应力为破断应力的 5%，地震波加速度峰值为 0.62 g 时，梅瓶和赏瓶的滑移摇摆如图 8 所示。
鱼线固定后的梅瓶与赏瓶在 3 条地震波下摇摆角及滑移峰值如表 6 所示。
表 5 与表 6 对比可得：鱼线固定后梅瓶与赏瓶的摇摆角及滑移峰值明显小于浮放放置，且随地震波加速度峰值的增加，摇摆角及滑移峰值变小的幅度越明显。即使鱼线初始预拉应力仅为破断应力的 5%，依然可保证文物不发生倾覆，因此栓绑法可有效减小文物的地震响应。
2.3 鱼线固定对文物复制品地震响应影响分析
根据前述分析可得，整体上梅瓶相较赏瓶更容易发生倾覆现象，地震响应表现更剧烈，因此出于篇幅限制，选取梅瓶在不同地震波的不同加速度峰值下的摇摆及滑移时程曲线进行分析，如图 9 所示。
由 3 种地震波下梅瓶摇摆及滑移曲线及表 6 可知：① 随地震强度的增加，梅瓶摇摆及滑移响应逐渐增大，梅瓶的摇摆角及滑移峰值随初始预拉应力的增加而减小;② 在三种地震波加速度峰值为 0.07 g 及 0.2 g 时，梅瓶摇摆及滑移响应均不明显，即使鱼线初始预拉应力仅为破断应力的 5%，摇摆角及滑移峰值均不超过 0.12°(或 0.12 mm)，当初始预拉应力由破断应力的 5% 增至 40%，梅瓶摇摆及滑移曲线变得更加平缓，且峰值均小于 0.03° (或 0.03 mm)，以 NO.1 地震波为例，其时程曲线可近似反映出梅瓶以平衡位置为中心，保持较稳定小幅振动状态;③ 在加速度峰值为 0.4 g 时，梅瓶的摇摆及滑移曲线相对较稳定，但峰值明显增大，如在 NO.3 地震波作用下鱼线初始预拉应力为破断应力的 5% 时，梅瓶摇摆角、滑移峰值接近2°及 1.5 mm，当初始预拉应力由破断应力的 5% 增至 40%，梅瓶摇摆角及滑移峰值均小于 0.09° (或 0.09 mm)。在加速度峰值为 0.62 g，初始预拉应力为破断应力的 5% 时，梅瓶的摇摆及滑移曲线变化不稳定，与加速度峰值为 0.4 g 时相比，峰值显著增大，如在 NO.3 地震波作用下鱼线初始预拉应力为破断应力的 5% 时，梅瓶摇摆角、滑移峰值接近 8°及 26 mm。当初始预拉应力由破断应力的 5% 增至 40%，梅瓶摇摆角及滑移峰值低于 1.3° 及 2.3 mm，因此，与加速度峰值为 0.07 g 及 0.2 g 时相比可看出，鱼线初始预拉应力对文物地震响应的减小作用随加速度峰值的增加而更加显著; ④ 在加速度峰值为 0.62 g 且初始预拉应力为破断应力的 5% 左右时，NO.1 地震波下梅瓶运动状态以摇晃为主，且摇摆与滑移振动曲线较稳定， NO.2 及 NO.3 地震波下梅瓶运动状态以剧烈滑移为主，与 NO.1 地震波作用下相比，摇摆角峰值虽只增大 2°~3°，但滑移峰值增大 21 mm~25 mm，滑移增大显著。由此可见，文物在不同地震波下加速度峰值较大时运动状态有明显区别。——论文作者：王 萌1，闫 一1，傅 萌2，张小朋3，巢 臻3
