博物館結(jié)構(gòu)：文物陳列系統(tǒng)的防震性能研究

　　近年來，隨著我國博物館文博事業(yè)的飛速發(fā)展以及豐富人民群眾文化生活的需要，客觀上要求博物館的數(shù)量、建筑體量不斷加大，文物藏品日益增多。這將使得博物館結(jié)構(gòu)不斷向著新穎性、多功能、高層、大跨、隔震減震等方向發(fā)展，許多難題也隨之而來。例如，結(jié)構(gòu)體系的新穎容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不對稱、偏心情況；文物藏品的增多將促使文物陳列層不斷升高，從而造成其防震性能降低。此類新問題的出現(xiàn)將對博物館的防震性能產(chǎn)生較大影響，而當(dāng)前對這方面的研究往往將建筑結(jié)構(gòu)的抗震和館藏文物的防震分割開來，缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理念引導(dǎo)；這使得當(dāng)前博物館較難有效地保證大震作用下文物的防震安全。為此，《博物館結(jié)構(gòu)-文物陳列系統(tǒng)的防震性能研究》一書在對博物館結(jié)構(gòu)及文物震害特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，以文物的防震安全為研究重點(diǎn)，從博物館結(jié)構(gòu)、文物、結(jié)構(gòu)文物系統(tǒng)三方面，采用試驗(yàn)、理論推導(dǎo)和有限元建模計(jì)算等方法研究地震作用機(jī)理、防震性能及防震優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；分析了地震波作用類型、輸入強(qiáng)度、陳列柜和文物的重心高度四類因素的組合變化對文物陳列系統(tǒng)的防震性能的影響規(guī)律；提出了文物防震設(shè)計(jì)的主要控制指標(biāo)及其判定依據(jù)；研發(fā)了文物懸吊減震系統(tǒng)并建立了計(jì)算模型；對文物的破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的判別式；對博物館防震設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了優(yōu)選，提出其防震分析應(yīng)優(yōu)先采用有限元法進(jìn)行建模計(jì)算，并通過實(shí)例對其分體式和整體式計(jì)算方法進(jìn)行了研究；對博物館結(jié)構(gòu)文物系統(tǒng)的防震安全體系進(jìn)行了分析，結(jié)合試驗(yàn)和理論分析計(jì)算，研究了其防震控制方法，給出了其防震性能水準(zhǔn)，并提出了加速度破壞準(zhǔn)則和博物館整體系統(tǒng)的加速度控制路線圖。本文具體研究工作如下：（１）針對當(dāng)前許多博物館的文物防震通常是憑經(jīng)驗(yàn)，沒有對其進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)密的地震危害性分析、試驗(yàn)和理論計(jì)算，因而造成其實(shí)際的防震效果好壞缺乏可信度的情況，本文以歷次震害中破損均比較嚴(yán)重的陶瓷器文物陳列系統(tǒng)為原型制作了２層框架結(jié)構(gòu)模型，并考慮浮放、尼龍線拉結(jié)固定、懸吊減震三類情況對文物陳列系統(tǒng)進(jìn)行了防震性能振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；分析了地震波的作用類型、輸入強(qiáng)度、陳列柜及文物的重心高度、防震措施等因素的變化對其防震性能的影響規(guī)律。（２）針對當(dāng)前對博物館文物系統(tǒng)的防震性能衡量指標(biāo)不明確的問題，本文對模型結(jié)構(gòu)的位移和加速度放大系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行了分析，提出對于文物的防震設(shè)計(jì)應(yīng)首先以加速度指標(biāo)作為控制指標(biāo)。為了有效地提高文物系統(tǒng)的防震性能，本文研發(fā)了懸吊減震系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的尼龍線拉結(jié)固定的文物的防震性能相比，當(dāng)?shù)卣疠斎胼^弱（ＰＧＡ＜０．２０犵）時(shí)，此系統(tǒng)對文物的減震效果并不明顯；但當(dāng)?shù)卣疠斎胼^強(qiáng)（ＰＧＡ＞０．２０犵）時(shí)，此系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的減震效果，且其減震效果隨著地震輸入的增大而相應(yīng)增強(qiáng)。（３）通過對采用傳統(tǒng)防震措施的文物的防震性能進(jìn)行分析，指出陶瓷器文物的主要破壞方式是滑移和傾覆；陳列柜、文物的固定程度對文物的防震性能具有較大的影響。據(jù)此，根據(jù)陳列柜是否固定在地面或樓板面上、文物是否固定在陳列柜上，將可移動(dòng)文物陳列系統(tǒng)的抗震計(jì)算模型分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種類型；對四類模型進(jìn)行了滑移分析、搖晃分析和滑移搖晃耦合分析；研究了地震作用機(jī)理，并提出了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)判別式。（４）對振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中用四角尼龍線拉結(jié)固定的可移動(dòng)文物進(jìn)行了地震作用分析，推導(dǎo)出其允許地震輸入值的表達(dá)式。以文物試件為例，分為水平、豎向兩向地震作用和僅考慮水平地震作用兩種情況計(jì)算了試件的地震響應(yīng)；計(jì)算結(jié)果表明，豎向地震作用對文物的影響不可忽略。通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果可知，文物懸吊系統(tǒng)對文物的減震效果明顯。對單層可移動(dòng)文物懸吊減震系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行了建模分析；對多層可移動(dòng)文物陳列系統(tǒng)中的多層懸吊式、單層多吊式減震系統(tǒng)的計(jì)算模型進(jìn)行了分析。結(jié)合懸吊減震系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果和與單擺減震系統(tǒng)的動(dòng)力特性的對比分析，建立了懸吊減震計(jì)算模型；提出了其減震機(jī)理，并驗(yàn)證了可移動(dòng)文物懸吊減震系統(tǒng)的有效性。（５）對博物館設(shè)計(jì)中常見的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了優(yōu)選，提出鋼筋混凝土框架、框剪結(jié)構(gòu)相對適合用于博物館防震，并對其防震性能進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。針對當(dāng)前常用的等效剪切模型和彎曲剪切模型偏重于平面分析，不能準(zhǔn)確地反映出地震作用下復(fù)雜結(jié)構(gòu)中同一樓層上不同點(diǎn)的地震響應(yīng)，立體分析法需考慮結(jié)構(gòu)各層的質(zhì)量、剛度、偏心距、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等多種因素的耦聯(lián)影響，計(jì)算過程復(fù)雜且精度不高的現(xiàn)狀，提出應(yīng)采用有限元分析法進(jìn)行建模計(jì)算。以８層鋼筋混凝土框架、框剪結(jié)構(gòu)為例，研究了各結(jié)構(gòu)在同等情況下，不同樓層上的相同節(jié)點(diǎn)和同一樓層上不同節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，同一結(jié)構(gòu)中不同樓層上的相同節(jié)點(diǎn)、同一樓層上不同節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)均不相同；地震作用的豎向分量對文物地震響應(yīng)的影響較大，在博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略。（６）以８層框剪對稱、非對稱結(jié)構(gòu)博物館建筑為例，對博物館整體系統(tǒng)的分體式和整體式有限元分析模型進(jìn)行了研究。通過對比分析提出：分體式建模傳力路徑明確，適合于單個(gè)文物陳列系統(tǒng)的研究，但對于不同類型、不同強(qiáng)度地震作用下建筑結(jié)構(gòu)各樓層上不同文物陳列系統(tǒng)的地震響應(yīng)需單獨(dú)計(jì)算，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。整體式建模直接通過地震分析求得文物的地震響應(yīng)，減少了地震能量的傳遞損失，因而適合用于多個(gè)文物陳列系統(tǒng)地震作用的整體研究；其缺點(diǎn)是文物系統(tǒng)對地震的響應(yīng)并不明顯，因而使分析結(jié)果相對有所偏差。（７）對博物館結(jié)構(gòu)文物陳列系統(tǒng)各組成部分間的隔震減震控制方法進(jìn)行了分析。對基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)間隔震減震控制中的剛體分析模型、多質(zhì)點(diǎn)平動(dòng)體系分析模型、多質(zhì)點(diǎn)體系平動(dòng)搖擺分析模型進(jìn)行了討論；為了降低地震作用對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞影響，提出了一種文物陳列架減震梁的設(shè)計(jì)方法。結(jié)合試驗(yàn)和理論分析結(jié)果，提出了博物館結(jié)構(gòu)-文物陳列系統(tǒng)的防震性能水準(zhǔn)。以文物陳列系統(tǒng)的振動(dòng)控制為主要控制指標(biāo)，提出了加速度破壞準(zhǔn)則和博物館整體系統(tǒng)的加速度控制路線圖。對基于博物館整體系統(tǒng)防震安全的鉛芯橡膠隔震支座（ＬＲＢ）與磁流變阻尼器（ＭＲＤ）隔震減震混合控制體系進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并對其關(guān)鍵控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

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