水平隔震裝置在館藏浮放文物保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)展

慕晨曦，閆維明，周 乾

(北京工業(yè)大學(xué) 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124)

博物館文物、歷史人物雕像等浮放文物具有重要的文化和藝術(shù)價(jià)值，文物在地震中的保護(hù)問題成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，引起了越來越多的關(guān)注和研究。在過去的20年里，7級(jí)以上的地震頻頻發(fā)生，按照1893年IS修訂的地震區(qū)劃分圖，60%以上的國家都有可能遇到中度到重度的地震災(zāi)害[1]。國外如2004年10月，日本新 縣發(fā)生6.8級(jí)中越大地震造成大量館藏文物破壞[2];2011年3月11日，日本特大地震和海嘯造成了至少包括4件國寶在內(nèi)的295件文物受到不同程度的損壞[3]。在我國，最典型的震害為2008年5月12日的8.0級(jí)汶川地震造成的文物破壞，據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，僅四川省有216家文物收藏單位的3 169件文物受到了不同程度的破壞，造成了不可估量的損失。實(shí)際上，館藏文物在中、高烈度地震作用下易損性已經(jīng)被證實(shí)，所以文物的防震保護(hù)是我們面臨的一個(gè)至關(guān)重要的問題。

國內(nèi)外大多數(shù)博物館對(duì)文物采取了一定的防震措施。在國內(nèi)主要采用的是傳統(tǒng)的防震手段，包括:側(cè)支法、降低重心法、卡固法、栓線法、膠粘法、減震法。側(cè)支法[5]是利用固定在臺(tái)座上的塑料卡與文物側(cè)面進(jìn)行拉接，通過塑料卡的彈性減震作用減輕文物的傾覆、滑移等震害，適用于較易失穩(wěn)的文物。然而在地震作用下，側(cè)向支架與文物之間的相互作用可能造成文物的破壞。降低重心法是通過改變陳列形式或者在文物中灌注沙子的方法降低文物中心，從而減小文物產(chǎn)生傾覆震害的可能性?？ü谭ㄊ峭ㄟ^安裝塑料卡對(duì)文物的側(cè)移進(jìn)行約束，從而達(dá)到彈性減震作用，但是此種方法在地震作用下容易劃傷文物。栓線法采用尼龍線拉接的方式，通過尼龍線的彈性減震作用減輕文物在地震中產(chǎn)生傾覆震害，適用于高寬比較大且易失穩(wěn)的文物。2011年，周乾[6]等通過足尺比例的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了魚線(尼龍線)加固后館藏文物的抗震性能，試驗(yàn)表明:利用魚線進(jìn)行加固有效地減小了文物在地震中的最大位移與加速度峰值，并且在強(qiáng)度較大的地震中同樣有著良好的減震性能。但是這種方法對(duì)文物的陳列外觀有較大的影響。膠粘法[7]通過數(shù)點(diǎn)微晶蠟、雙面膠或乳膠等物質(zhì)將文物與臺(tái)面相粘接，通過粘接作用減小文物經(jīng)受的地震力，從而提高地震中文物的穩(wěn)定性。此方法僅可用于小質(zhì)量物體，但對(duì)表面易吸附、反應(yīng)或者損傷的文物并不適用。減震法則是通過將減震材料(如泡沫塑料，海綿等)墊在文物底部或錦盒內(nèi)，從而達(dá)到降低文物破壞的可能性，該方法對(duì)文物陳列效果有較大的影響。

與國內(nèi)相比，國外美國、日本、意大利等國家的博物館已考慮采取隔震裝置來保護(hù)文物。由于結(jié)構(gòu)的豎向剛度遠(yuǎn)大于水平剛度，所以在豎直方向上地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小，故水平地震作用成為結(jié)構(gòu)在地震中破壞的主要因素。同樣對(duì)于文物而言，主要也是由于水平方向的地震作用引起文物在地震中的滑動(dòng)、晃動(dòng)以及傾覆等震害，故浮放文物的隔震研究也主要集中于水平方向上。隨著水平隔震技術(shù)的逐漸成熟，水平隔震裝置應(yīng)用的逐漸廣泛，人們開始對(duì)豎向地震作用進(jìn)行研究，研發(fā)出了具有一定隔震效果的豎向隔震裝置和三維隔震裝置。總而言之，與傳統(tǒng)的防震手段相比，隔震裝置具有隔震效果明顯，使用方便，不影響展示效果等明顯優(yōu)勢(shì)。

1 裝置可行性研究

與文物傳統(tǒng)抗震加固方法相比，隔震裝置的優(yōu)勢(shì)在于采取附加裝置安裝在文物底部，不僅不影響文物外觀，而且在地震作用下，通過裝置的運(yùn)動(dòng)，避開地震波的卓越頻率，并大幅度降低文物受到的地震力，從而減輕甚至避免文物受到地震破壞。

由于隔震裝置在文物保護(hù)領(lǐng)域的研發(fā)應(yīng)用相對(duì)于在建筑、機(jī)械、航空等領(lǐng)域應(yīng)用較晚，因此在文物隔震裝置大規(guī)模研發(fā)前，很多學(xué)者開展了相應(yīng)的可行性研究。

1.1 國內(nèi)學(xué)者對(duì)地震作用下文物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地震響應(yīng)的研究

(1)2004年，解放軍理工大學(xué)的王彥林和唐德高[8]對(duì)地震作用下浮放物體的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析研究。試驗(yàn)將浮放物體簡(jiǎn)化成均質(zhì)剛體只做平面運(yùn)動(dòng)，基礎(chǔ)簡(jiǎn)化為剛性平面。采用簡(jiǎn)化后模型進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究了其可能發(fā)生的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及相應(yīng)的控制方程，并且對(duì)物體與基礎(chǔ)發(fā)生碰撞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了探討。試驗(yàn)表明:當(dāng)基礎(chǔ)在地震作用下只做水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，浮放物體可能產(chǎn)生五種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別為:靜止、滑動(dòng)、搖晃、滑動(dòng)搖晃及拋離，分別對(duì)這五種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制方程進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)。并且通過寬高比B/H、摩擦系數(shù)μs、加速度a與重力加速度g的比值三個(gè)影響因素得到浮放物體初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷條件。此外，通過對(duì)物體與基礎(chǔ)碰撞行為的分析得到在碰撞過程中高寬比對(duì)能量耗散的影響。

(2)2005年，王彥林和唐德高[9]進(jìn)行了沖擊作用下浮放設(shè)備的傾倒分析。試驗(yàn)同樣采用上述的簡(jiǎn)化模型，研究沖擊作用下物體搖晃運(yùn)動(dòng)時(shí)影響物體傾倒的因素。通過數(shù)值分析得到碰撞時(shí)對(duì)搖晃中心的力矩平衡方程以及碰撞后的自由振動(dòng)方程，結(jié)果表明:臨界傾倒發(fā)生在碰撞后的自由振動(dòng)階段，且物體傾倒存在尺寸效應(yīng)。

(3)在浮放物體的動(dòng)力響應(yīng)中，高寬比是一個(gè)重要的影響因素，影響著物體在地震作用中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2011年廣州大學(xué)的趙桂峰[10]等提出了抗傾覆高寬比限值的概念，將計(jì)算模型簡(jiǎn)化成平面剪切型串聯(lián)多自由度體系模型，經(jīng)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)-浮放物體的運(yùn)動(dòng)方程;由浮放物體的慣性力與摩擦力的大小關(guān)系得到各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判別條件;此外，通過對(duì)浮放物體的傾覆力矩與抗傾覆力矩大小控制，得到浮放物體保持靜止不發(fā)生傾覆的高寬比限值Dmax。分析表明:摩擦系數(shù)和地震動(dòng)強(qiáng)度對(duì)高寬比限值的影響顯著，強(qiáng)地震動(dòng)和較大的摩擦系數(shù)會(huì)導(dǎo)致高寬比限值較小，從而造成浮放物體的傾覆。

(4)2013年，周乾、閆維明、紀(jì)金豹針對(duì)展柜不同的邊界條件對(duì)浮放文物的滑移響應(yīng)[11]和搖晃響應(yīng)[12]的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。原尺寸的展柜模型分別浮放和固定于振動(dòng)臺(tái)上，在兩種不同邊界條件下進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。在不同強(qiáng)度地震波下，對(duì)展柜和文物的典型節(jié)點(diǎn)的位移和加速度響應(yīng)進(jìn)行分析，試驗(yàn)表明:在強(qiáng)度較小的地震波下，浮放展柜中文物的滑移響應(yīng)和搖晃響應(yīng)相對(duì)較小;在強(qiáng)度較大的地震波下，固定于振動(dòng)臺(tái)的展柜中文物的滑移及搖晃響應(yīng)相對(duì)較小。因此，為了減小文物的滑移和搖晃響，建議將展柜宜以浮放形式為主。

1.2 國外學(xué)者對(duì)文物隔震裝置的可行性理論及試驗(yàn)研究

(1)1999年，日本引用建筑中柔構(gòu)造[13]的概念，利用浮放設(shè)備的滑動(dòng)來消減地震作用。此后將此方法運(yùn)用于文物展柜研究之中，開始對(duì)文物傾倒之前與基面間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，得到了摩擦系數(shù)、面積、重心等因素對(duì)傾倒角度限值的影響。

(2)2003年，意大利卡塔尼亞大學(xué) Calio和Marletta[14]對(duì)文物在被動(dòng)控制下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)對(duì)藝術(shù)品在基礎(chǔ)激勵(lì)下的振動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)控制。藝術(shù)品假設(shè)為一個(gè)對(duì)稱剛體放于剛性基礎(chǔ)底座上，底座連接一個(gè)粘彈性設(shè)備，從而獲得了被動(dòng)控制系統(tǒng)。Calio認(rèn)為受到基礎(chǔ)激勵(lì)后文物在基礎(chǔ)上可能發(fā)生的運(yùn)動(dòng)模式分別為:靜止，滑動(dòng)，搖晃，搖晃+滑動(dòng)，不同的運(yùn)動(dòng)模式下文物的自由度也不同。研究得到了各個(gè)運(yùn)動(dòng)模式之間的轉(zhuǎn)化條件以及每個(gè)階段結(jié)構(gòu)模型的非線性動(dòng)力平衡方程，并且通過數(shù)值模擬試驗(yàn)得到了隔震裝置在隔震效果最佳時(shí)的參數(shù)信息。

(3)2004 年，Calio 和 Marletta[15]通過對(duì)古希臘文物(包括器皿、人物雕像等)在不同地震荷載下的響應(yīng)進(jìn)行分析研究，得到了是否安裝隔震裝置對(duì)文物易損性的影響。試驗(yàn)假設(shè)藝術(shù)品為剛性體放于對(duì)稱的基礎(chǔ)(地板、樓板、臺(tái)面)上，并且認(rèn)為文物只有搖晃一種運(yùn)動(dòng)模式。試驗(yàn)阻止文物進(jìn)行滑動(dòng)，故文物的三個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別為:靜止、反復(fù)搖晃、搖晃導(dǎo)致傾覆。數(shù)值模擬試驗(yàn)首先對(duì)未安裝隔震裝置不同類型器皿和雕塑的易損性進(jìn)行了研究，得到不同高度的器皿以及雕像發(fā)生搖晃響應(yīng)時(shí)的臨界地面加速度。隨后，試驗(yàn)對(duì)裝有不同周期隔震裝置的器皿和雕像進(jìn)行了分析，得到了此時(shí)發(fā)生搖晃運(yùn)動(dòng)時(shí)的臨界地面加速度以及搖晃與傾覆兩種狀態(tài)的臨界運(yùn)動(dòng)方程。試驗(yàn)表明:隔震裝置有效的提高了產(chǎn)生搖晃運(yùn)動(dòng)的臨界地面加速度，達(dá)到了良好的隔震效果。隔震裝置周期越大，隔震效果越明顯，相應(yīng)的，產(chǎn)生的最大位移也隨之增大。

(4)2008年，Roussis等[16]采用了與 Calio和Marletta相同的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并且認(rèn)為文物具有滑動(dòng)和搖晃兩種運(yùn)動(dòng)模式，開展了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)對(duì)隔震系統(tǒng)的隔震效果進(jìn)行了分析，研究表明:隔震裝置使剛體的振動(dòng)響應(yīng)(轉(zhuǎn)動(dòng)幅度、碰撞次數(shù)以及整體振動(dòng)持續(xù)時(shí)間)有較大的衰減，其中轉(zhuǎn)動(dòng)幅度衰減量達(dá)到了5倍以上。同時(shí)試驗(yàn)研究了隔震基礎(chǔ)與阻礙物的碰撞對(duì)文物易損性的影響。采用經(jīng)典的碰撞理論，假設(shè)碰撞后的響應(yīng)有兩種:① 繞著撞擊點(diǎn)晃動(dòng);②在碰撞發(fā)生后晃動(dòng)停止，物體只進(jìn)行水平滑動(dòng)。通過試驗(yàn)研究得到了運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換時(shí)的初始條件，并且通過試驗(yàn)可知隔震基礎(chǔ)與阻礙物的碰撞不但對(duì)系統(tǒng)的速度和能量起著重要影響，對(duì)文物的運(yùn)動(dòng)模式也起著重要的作用。

(5)2010 年，Di和 Contento[17]對(duì)限制位移量的隔震系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了其隔震效果。他們采用了與2003年Calio和 Marletta試驗(yàn)中相同的被動(dòng)控制系統(tǒng)，不同的是:采用了更加接近于文物實(shí)際情況的不對(duì)稱剛體模型，并且在隔震系統(tǒng)中安裝防止文物掉落的安全設(shè)備。試驗(yàn)中模型有兩種破壞方式分別為文物從基礎(chǔ)掉落和文物自身的傾倒，安全裝置則通過限制基礎(chǔ)的最大安全位移來防止文物掉落。試驗(yàn)主要研究摩擦系數(shù)、長(zhǎng)細(xì)比以及安全裝置對(duì)隔震效果的影響，通過對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行大量的參數(shù)分析，結(jié)果表明:該隔震系統(tǒng)對(duì)寬度較大，文物在地震中的響應(yīng)有著積極的作用，但對(duì)長(zhǎng)細(xì)比過大的文物隔震效果相對(duì)較弱。

2 裝置應(yīng)用研究

2.1 水平隔震裝置

(1)滑塊式:滑塊式隔震裝置的特點(diǎn)是通過滑塊滑動(dòng)起到隔震的作用。美國蓋蒂博物館研究出了第一個(gè)針對(duì)大型雕塑和陳列柜的滑塊式隔震裝置[18]。該裝置由滑塊與接觸面的摩擦以及彈簧的變形產(chǎn)生阻尼力?；瑝K滑動(dòng)的軌道也可以設(shè)計(jì)成曲面，2013年，威尼斯建筑大學(xué) Berto等[19]將用于民用建筑的雙曲面滑塊隔震裝置經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，專門為輕小型物體研發(fā)了雙曲面滑塊隔震裝置(圖1)，這種裝置由上下兩個(gè)凹曲面和滑塊構(gòu)成，用拋光的不銹鋼和高強(qiáng)度的熱塑性材料制作上下滑動(dòng)表面，滑塊可以自動(dòng)恢復(fù)到中心位置。物體的振動(dòng)周期只取決于曲面的等效半徑，而與物體質(zhì)量無關(guān)，從而使之更適合于輕小型物體。

圖1 滑塊式隔震裝置

該隔震裝置的周期計(jì)算公式為:

式中:Dmax為最大位移;R*為等效曲率半徑;g為重力加速度;μ為摩擦系數(shù)。

Berto等對(duì)意大利著名雕像的樣本進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過Lowry M提出的等效剛性塊的方法確定雕像各個(gè)部分的質(zhì)心并且用等效剛性塊代替雕塑的各個(gè)部位。根據(jù)等效塊的重量和其不同的布局分別進(jìn)行了五個(gè)試驗(yàn)，其中包括單向試驗(yàn)和雙向試驗(yàn)，并且通過數(shù)值分析驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，得到適用于該隔震裝置的初始條件。

(2)滾軸式:滾軸式隔震裝置是由凹型軌道和滾軸組成了單方向隔震機(jī)構(gòu)，通過在垂直方向設(shè)置兩個(gè)此種隔震機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在水平雙向進(jìn)行隔震。該裝置由滾軸在地震中的轉(zhuǎn)動(dòng)使上部平臺(tái)產(chǎn)生水平運(yùn)動(dòng)。

日本奈良國立博物館[20]為保護(hù)其珍貴的展品，將其放置于設(shè)置偏心滾軸隔震裝置(圖2)的展柜之中。該隔震裝置中設(shè)置獨(dú)立偏心滾軸支撐結(jié)構(gòu)，地震作用下該裝置通過偏心滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使展柜進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，從而起到減震作用。地震結(jié)束后，偏心滾軸可以自動(dòng)回到原位。此外，由于滾軸式隔震裝置的固有周期取決于凹型軌道的曲率，故可以滿足多種類型文物的隔震需求。

(3)滾輪式:在日本，一種軌道曲率可調(diào)的滾輪式隔震裝置 TCR[21](Tuned Configuration Rail)廣泛應(yīng)用于私人樓宇、博物館等建筑中[21]。該系統(tǒng)由八個(gè)輪子和八個(gè)可調(diào)節(jié)曲率的軌道組成(圖3)，軌道安裝在兩個(gè)平行的平臺(tái)上，正交方向上的平臺(tái)可以相互自由的運(yùn)動(dòng)。在此過程中恢復(fù)力由重力提供，而阻尼力由車軸與車輪間的摩擦提供。通過調(diào)節(jié)軌道的曲率，系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的隔震周期。

圖2 偏心滾軸式隔震裝置

圖3 滾輪式隔震裝置

2003年 Bujar等[21]對(duì)滾輪式隔震裝置的隔震效果進(jìn)行了研究。研究通過三維地震振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中隔震裝置通過在任一方向上的水平運(yùn)動(dòng)消耗地震傳遞的能量，從而達(dá)到隔震效果。通過試驗(yàn)可以看出TCR對(duì)加速度響應(yīng)的效果明顯，加速度響應(yīng)可以減小到輸入加速度的1/10～1/12，并且由于該隔震裝置體積小，便于安裝，所以對(duì)于博物館室內(nèi)的館藏文物和室外雕像都是一種較理想的隔震裝置。

(4)滾珠式:滾珠式隔震裝置(圖4)主要包括:放物平臺(tái)和滾珠設(shè)備(上部錐形圓盤、滾珠、下部錐形圓盤)。在地震作用下，下部錐形圓盤產(chǎn)生移動(dòng)，鋼珠隨之產(chǎn)生位移，上部錐形圓盤沿軌道產(chǎn)生相對(duì)于下部圓盤的運(yùn)動(dòng)。在此期間，重力作為恢復(fù)力將鋼珠拉回圓錐角中，在地震停止時(shí)鋼珠自動(dòng)回到初始位置。阻尼力由鋼珠與錐形曲面間的摩擦力提供。該裝置不需要設(shè)置軌道且固定周期取決于錐形面的曲率和重力加速度，適用于不同重量的物體。

圖4 滾珠式隔震裝置

2006年，為了研發(fā)低成本的文物隔震裝置，Onem 等[22]研發(fā)了 Ball-in-Cone(BNC)即滾珠式隔震裝置。該裝置是利用分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)而成，設(shè)備設(shè)計(jì)初期利用文物的復(fù)制樣品進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)備的良好隔震效果。2010年，Erdik等[23]對(duì)伊斯塔布爾博物館中的 BNC裝置進(jìn)行了試驗(yàn)分析。試驗(yàn)表明:滾珠式隔震系統(tǒng)的幾何尺寸和承載力水平都十分適合在文物隔震中使用，并且該裝置是一種成本低、安裝方便、隔震效果較好的隔震設(shè)備。同時(shí)通過該試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)靈活的設(shè)置隔震裝置，例如:局部設(shè)置多個(gè)隔震裝置或者只在某一層、某個(gè)陳列柜設(shè)置隔震裝置，可以更加全面完善的解決文物隔震問題，

2007 年，Guerreiro等[24]對(duì)由 Tun Abdul Razak(TARRC)研究中心研發(fā)的新型滾珠式隔震裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值分析。這種新的隔震裝置由橡膠軌道和在軌道上滾動(dòng)的鋼珠構(gòu)成(圖5)。通過振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)該裝置的各項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)估，并且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行擬合分析其隔震效果。結(jié)果表明:該滾珠式隔震裝置具有高阻尼的特性，在較小的外部激勵(lì)下也可以表現(xiàn)出較好的柔性，滿足不同水平剛度、阻尼以及承載力要求，應(yīng)用范圍十分廣泛，尤其十分適用于較輕的文物隔震方面。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較好的擬合進(jìn)一步驗(yàn)證了隔震裝置的隔震效果。

(5)疊層橡膠式:高阻尼疊層橡膠隔震系統(tǒng)在建筑隔震上有著廣泛的應(yīng)用。由于水平側(cè)移剛度較小而豎向壓縮剛度大，橡膠成為了制作隔震裝置的優(yōu)選材料。用于文物隔震的疊層橡膠支座在設(shè)計(jì)時(shí)可以通過改變隔震器以及受剪橡膠墊的數(shù)量來適應(yīng)不同類型文物的隔震需求。

圖5 新型滾珠式隔震裝置

2000 年 Vestroni和 Cintio[25]通過試驗(yàn)和數(shù)值分析研究了高阻尼疊層橡膠隔震系統(tǒng)(圖6)對(duì)浮放雕像的隔震效果。通過輸入合理的地震信息，試驗(yàn)在頻域和時(shí)域上分別研究了隔震系統(tǒng)的響應(yīng)。試驗(yàn)中用滯回模型來表示隔震裝置的力-位移關(guān)系，將隔震系統(tǒng)視為單自由度滯回體系進(jìn)行研究。試驗(yàn)表明:隔震系統(tǒng)的響應(yīng)類似于一個(gè)等效線性模型，并且其最大位移足以滿足延性需求，該隔震系統(tǒng)有效地減小了傳遞到雕像的加速度。

圖6 疊層橡膠式隔震裝置

2.2 三維隔震裝置

除了以上所敘述的二維隔震裝置以外，隨著研究的深入，對(duì)隔震效果更加顯著的三維隔震裝置的研究也逐漸增多。研究目的在于將水平與豎向的隔震裝置合理的組合，利用其在各自方向上的良好隔震效果實(shí)現(xiàn)文物的三維隔震。

(1)滾珠碟簧組合隔震地板:該隔震地板是通過水平隔震裝置RFPS滾珠摩擦擺和豎直的隔震裝置蝶型彈簧組合構(gòu)成的三維復(fù)合隔震裝置(圖7)。FPS摩擦擺水平隔震支座[26]利用其特有的圓弧滑動(dòng)面使其具有自限、復(fù)位機(jī)制和良好的震動(dòng)穩(wěn)定性。蝶型彈簧隔震支座[27]是一種結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單的豎向隔震裝置，蝶型彈簧的單位體積材料變性能力較大，具有良好的緩沖和吸震能力。日本奈良國立博物館[20]中沿墻布置的展柜固定于建筑之上，且高度相對(duì)較高，故采用可移動(dòng)的隔震地板來減輕其中文物的損傷，隔震地板一般由鋼架橫梁聯(lián)結(jié)多個(gè)隔震裝置構(gòu)成。

圖7 滾珠碟簧組合隔震地板

2012年，姜畔[28]等對(duì)滾珠碟簧組合隔震地板的隔震效果進(jìn)行了分析研究。數(shù)值計(jì)算選取Elcentro地震波作為輸入波，最大水平地面加速度取4 m/s2，并且取豎向地震作用為水平地震作用的2/3倍。經(jīng)計(jì)算得到水平和豎直兩個(gè)方向的加速度和位移響應(yīng)，結(jié)果表明:接觸面的摩擦系數(shù)和滑道半徑是影響加速度和位移響應(yīng)的主要因素，經(jīng)分析得到隔震效果最佳時(shí)所對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)和滑道半徑的取值范圍。兩個(gè)取值范圍包含相同的區(qū)域和變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了三維隔震地板的隔震效果和可行性。

(2)雙線性彈簧-滾珠導(dǎo)桿隔震裝置:2008年Osamu Tanaka等[29]研發(fā)了一種新型的雙線性彈簧-滾珠螺桿三維隔震裝置。該裝置由雙線性彈簧豎向隔震系統(tǒng)和半圓弧形彈簧水平隔震系統(tǒng)構(gòu)成(圖8)。對(duì)該裝置分別進(jìn)行試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明:水平方向的加速度響應(yīng)峰值降低至輸入加速度峰值的1/6，而豎直方向上加速度響應(yīng)峰值降低至輸入加速度的1/2。

(3)彈簧-線性導(dǎo)桿隔震裝置:該隔震裝置由彈簧、線性導(dǎo)桿、導(dǎo)桿和載物平臺(tái)構(gòu)成[30](圖 9)。在地震作用下，線性導(dǎo)桿在導(dǎo)管中豎向運(yùn)動(dòng)，中部彈簧發(fā)生伸縮變形，從而起到減震作用。此外，導(dǎo)管對(duì)于導(dǎo)桿水平運(yùn)動(dòng)的約束作用有效的避免了載物平臺(tái)的擺動(dòng)。經(jīng)試驗(yàn)證明:該隔震裝置在地震作用下可將文物的地震響應(yīng)減低1/2。

圖8 雙線性彈簧-滾珠螺桿三維隔震裝置

圖9 彈簧-線性導(dǎo)桿隔震裝置

3 討論

根據(jù)本文對(duì)文物隔震裝置的綜述可以得出各類文物裝置的特點(diǎn)、適用范圍以及發(fā)展前景，見表1、表2。

通過現(xiàn)有文物水平隔震研究成果的綜述，可以看出大量的試驗(yàn)研究驗(yàn)證了隔震裝置良好的隔震效果，以及加工簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。滾輪、滾珠、滑塊式等隔震裝置均利用隔震基礎(chǔ)的水平運(yùn)動(dòng)吸收和減小地震能量，達(dá)到了良好的隔震效果，但是，這些隔震裝置也存在很多問題，例如:會(huì)產(chǎn)生較大的位移，需要足夠的空間來保證文物不會(huì)因掉落或碰撞造成損傷以及過大的輸入加速度可能導(dǎo)致的局部振動(dòng)等。疊層橡膠式隔震裝置由于其成本低、具有較大的豎向承載力和水平變形能力以及較強(qiáng)的耐反復(fù)荷載的疲勞能力成為了隔震系統(tǒng)中最常用的裝置，在結(jié)構(gòu)或者大型的雕像的隔震中有著顯著的隔震效果。然而，對(duì)于重量很輕、豎向承載力很小的館藏文物而言，該隔震系統(tǒng)具有一定的局限性。此外，該系統(tǒng)還存在著不能承受拉力、拔力、易老化、易腐蝕、受溫度影響大等問題。

表1 水平文物隔震裝置對(duì)比分析

表2 三維文物隔震裝置對(duì)比分析

隨著人們對(duì)文物隔震的愈發(fā)重視，對(duì)于豎直方向以及三維隔震技術(shù)和裝置的研究也逐漸增多。盡管水平地震作用是文物在地震中破壞的主要因素，但是豎向地震動(dòng)對(duì)于文物的影響逐漸被人們加以重視。由于水平方向的地震動(dòng)經(jīng)過隔震裝置后其作用大大減小，所以豎向較小的地震動(dòng)很可能會(huì)起到控制作用，故對(duì)于浮放文物這類依靠重力維持穩(wěn)定的物體來說考慮豎向地震動(dòng)同樣很重要。豎向隔震裝置制作復(fù)雜、成本高，并且往往需要與水平隔震裝置、阻尼器合為一體才能達(dá)到較為理想的隔震效果。因此，研發(fā)出同時(shí)在水平和豎直方向上都具有良好的隔震效果并且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的三維隔震裝置有著重大的意義，這也是今后文物隔震研究的發(fā)展方向。

此外，研究表明:文物的幾何尺寸、剛度、支撐條件、所處建筑物位置等條件對(duì)其地震響應(yīng)有一定影響[31]。故水平文物隔震裝置的研發(fā)還應(yīng)考慮上述因素。

4 結(jié)語

本文對(duì)國外水平文物隔震裝置可行性研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納分析，客觀評(píng)價(jià)了已有研究的成果，并提出了可行性建議。隨著科技發(fā)展和研究深入，隔震技術(shù)將日益成熟、理論和試驗(yàn)研究也將不斷深入，簡(jiǎn)單、高效的隔震裝置在國內(nèi)博物館中得到廣泛應(yīng)用，使文物得到更全面的保護(hù)。

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