《館藏文物防震規(guī)范》關(guān)鍵技術(shù)——防震安全設(shè)計研究

馬伯濤，宋毛毛，吳來明，葛家琪

(1. 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京　100120； 2. 上海博物館，上?！?00231)

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·研究報告·

《館藏文物防震規(guī)范》關(guān)鍵技術(shù)——防震安全設(shè)計研究

馬伯濤1，宋毛毛1，吳來明2，葛家琪1

(1. 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京100120； 2. 上海博物館，上海200231)

摘要：《館藏文物防震規(guī)范》WW/T 0069-2015，基于館藏文物防震安全提出館舍、展陳和文物全系統(tǒng)防震安全理念、設(shè)計方法和具體措施。本研究針對館藏文物防震設(shè)計方法、適用范圍、展柜及文物安全性判別等關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究。首先，提出了“地震波+館舍+展柜+文物”的全過程全系統(tǒng)防震設(shè)計理念；其次，針對浮放展柜及文物，進(jìn)行地震作用下安全性分析研究；第三，與Getty博物館研究成果對比，驗證本研究理論的正確性與可靠性。分析得出：文物防震安全與文物高寬比、支撐接觸面摩擦系數(shù)、安放處加速度峰值等因素有關(guān)；引入了抗滑動安全系數(shù)和抗傾覆安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計，可充分保證文物安全性。

關(guān)鍵詞：館藏文物；防震；浮置文物；安全性判別

0　引　言

博物館是展現(xiàn)社會歷史文明和社會發(fā)展過程的窗口。我國是歷史文化大國，文物眾多，截止2015年3月，據(jù)全國可移動文物普查數(shù)據(jù)顯示，全國經(jīng)過認(rèn)定并登錄的可移動文物已超過1268萬件，并以平均每天6萬件的速度增加。將大量可移動文物集中到博物館中保存，有利于文物保護(hù)修復(fù)和日常防護(hù)管理，但增加了在突發(fā)災(zāi)害下文物大規(guī)模損毀的風(fēng)險。2008年5·12汶川地震造成不少于3169件(套)館藏文物損毀，其中一級文物16件(套)，二級文物20件(套)，三級文物184件(套)。

中國博物館文物分布與地震烈度區(qū)劃表明，博物館文物主要分布于地震區(qū)，超過50%的國家級博物館位于7度及以上高烈度抗震設(shè)防區(qū)。歷次震害分析表明，地震動經(jīng)歷博物館館舍、展柜、文物底座，其中任何一環(huán)節(jié)出現(xiàn)震害，均會危及文物安全。在中國大陸，針對博物館館舍防震安全有強(qiáng)制性規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，并施行嚴(yán)格的設(shè)計審查及工程質(zhì)量檢查制度；而針對博物館文物防震安全卻沒有規(guī)范要求，大部分博物館文物沒有系統(tǒng)有效的防震措施。因此，博物館防震安全設(shè)計理念與裝置有待提升。

國內(nèi)專家針對常規(guī)的館藏文物提出經(jīng)驗公式法，通過經(jīng)驗總結(jié)和回歸分析得到地震動從震源到文物傳播過程中的動力放大系數(shù)，得到文物安放處的震動響應(yīng)，進(jìn)而對文物防震安全進(jìn)行評判。吳來明[1]、王忠良[2]等以上海博物館為例，討論了上海市及周邊地區(qū)的地震動參數(shù)，通過反應(yīng)譜分析和時程分析計算了文物安放處樓層地震動所致振動響應(yīng)，提出了樓層反應(yīng)譜，用于快速計算樓層動力響應(yīng)；張俊勇[3]等將浮放物假設(shè)為剛性體，給出了浮放物由靜止開始搖晃的判別條件，其安全穩(wěn)定與浮放物的高寬比、質(zhì)量、水平和豎向加速度相關(guān)；陸欽年和熊立紅[4]通過理論推導(dǎo)給出了考慮豎向地震作用的設(shè)備滑移判別式。已有研究一般通過浮放文物的宏觀運(yùn)動響應(yīng)判別其安全性[5]，對館藏文物地震響應(yīng)分析和安全性評價沒有考慮館舍對藏品震動響應(yīng)的影響[6]。本研究提出“地震波+館舍+展柜+文物”的全過程全系統(tǒng)防震設(shè)計理念[7]，綜合考慮文物安全與文物高寬比、支撐接觸面摩擦系數(shù)、安放處豎向加速度峰值等因素，分析浮放物在地震作用下的安全性，并與Getty博物館研究成果進(jìn)行對比研究。

1　全系統(tǒng)防震設(shè)計理念

文物防震設(shè)計時應(yīng)考慮各地區(qū)地震動特性差異，地震動經(jīng)歷博物館館舍、館內(nèi)每個展柜，傳至館藏文物的地震作用效應(yīng)各異，館藏文物地震響應(yīng)分析和設(shè)計應(yīng)基于館舍和館藏文物的雙重防震安全，充分體現(xiàn)防震性能化設(shè)計理念。按照地震動傳播過程“從震源發(fā)生，傳遞至建筑結(jié)構(gòu)各樓層，經(jīng)展柜傳至館藏文物”進(jìn)行分析，建立“地震波+館舍+展柜+文物”全模型，分析館舍結(jié)構(gòu)、展柜及文物之間的相互振動影響及動力耦合作用，得到文物的真實(shí)振動響應(yīng)；通過抗震安全指標(biāo)評價其安全性，并輔以現(xiàn)場動力特性實(shí)測進(jìn)行驗證，給出合理的分析方法和經(jīng)驗參數(shù)。文物全系統(tǒng)防震設(shè)計理念(圖1)應(yīng)考慮以下四個方面：

1) 全系統(tǒng)安全目標(biāo)。震害分析表明，地震動經(jīng)歷館舍、展柜、文物底座，其中任何一環(huán)節(jié)出現(xiàn)震害，均會危機(jī)文物安全，應(yīng)建立“地震波+館舍+展柜+文物”全系統(tǒng)防震安全性能目標(biāo)，文物展陳防震應(yīng)從博物館館舍、展柜或展陳臺座、文物本身三個方面考慮。

2) 個性化安全設(shè)計。每個地區(qū)地震動特性不同，地震動經(jīng)歷博物館館舍、館內(nèi)每個展柜，傳至每個館藏文物的地震作用效應(yīng)各異。因此，每個館藏文物均應(yīng)進(jìn)行“地震波+館舍+展柜+文物”的全系統(tǒng)安全目標(biāo)地震作用全過程性能分析及個性化安全目標(biāo)。

3) 館舍展陳防震措施。館藏文物與展具、展具與館舍之間多為浮放關(guān)系，其安全性基本只與館舍的加速度效應(yīng)相關(guān)；目前館舍及展具基本采用增強(qiáng)剛度即“堵(抗)”的方法防震，造成文物加速度響應(yīng)的放大；故基于文物安全需求，博物館館舍、展具、文物底座應(yīng)采取隔震、消能減震(“疏導(dǎo)措施”)，以降低地震下文物的加速度響應(yīng)。

4) “私人定制”的防震產(chǎn)品。綜合考慮不同地區(qū)地震烈度、博物館館舍結(jié)構(gòu)類型及文物的個體差異，對文物防震裝置進(jìn)行系統(tǒng)化全過程性能設(shè)計，有效控制每個文物不同的地震響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)文物防震安全性的“私人定制”。

充分考慮到我國各地區(qū)震源特征、館舍結(jié)構(gòu)、文物種類和等級的差異性，《館藏文物防震規(guī)范》WW/T 0069-2015中，基于館藏文物防震安全提出館舍、展陳和文物全系統(tǒng)防震安全理念設(shè)計方法和具體措施。館藏文物地震效應(yīng)分析簡化方法如下：

1) 抗震設(shè)防烈度不超過6度地區(qū)的博物館內(nèi)館藏文物，如文物結(jié)構(gòu)形式簡單，高寬比小于3且重量較輕，可采用經(jīng)驗公式法計算館藏文物地震作用效應(yīng)。

2) 文物高寬比小于3的，應(yīng)考慮文物與展柜動力耦合影響采用數(shù)值模擬法進(jìn)行地震作用效應(yīng)計算；樓蓋豎向振動卓越頻率不大于5Hz時，應(yīng)計入豎向地震的影響?？拐鸪薜膹?fù)雜博物館結(jié)構(gòu)、建于不利場地的博物館內(nèi)館藏文物，以及高寬比不小于3或單體文物質(zhì)量大于1噸的文物，應(yīng)考慮館舍結(jié)構(gòu)、展柜、館藏文物動力耦合影響采用數(shù)值模擬法進(jìn)行地震作用效應(yīng)計算。

3) 珍貴文物及博物館內(nèi)重點(diǎn)保護(hù)文物，應(yīng)采用試驗分析法進(jìn)行館藏文物與展柜組合的模型振動臺試驗，分析館藏文物及展柜的地震作用效應(yīng)。振動臺試驗的地震波輸入應(yīng)采用文物展柜安放處的樓(地)面地震波，通過場地地震波和博物館結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬確定。

下文理論分析主要針對上述1)方法中的經(jīng)驗公式法開展。

圖1　文物全系統(tǒng)防震設(shè)計理念Fig.1　Whole-system shockproof design idea of cultural relics

2　浮置文物防震安全設(shè)計之經(jīng)驗公式法

2.1基本規(guī)定與參數(shù)計算

浮置文物安全性分析對于形體較為規(guī)則的文物，假定其質(zhì)量為m、底邊寬度b、高度為h；對于形體較為復(fù)雜的文物，應(yīng)分區(qū)分塊確定文物的質(zhì)量mi、高度hci等。根據(jù)文物的質(zhì)量與外形尺寸，確定質(zhì)心，并得出質(zhì)心至支承面的垂直距離hc。

對于質(zhì)量均勻、形狀規(guī)則對稱的文物，hc按式(1)計算：

hc=0.5×h

(1)

對于質(zhì)量不均勻或形狀不對稱的文物，hc按式(2)計算：

hc=∑mihci/∑mi

(2)

式中，hc為文物質(zhì)心至支承面的垂直距離；h為文物高度；mi為某質(zhì)點(diǎn)i的質(zhì)量；hci為某質(zhì)點(diǎn)i至支承面的垂直距離。

由于地震發(fā)生時，地震波沿平行浮置文物底面短邊情況傳播更不利，故只考慮短邊所在豎直面內(nèi)的平面安全計算。需考慮豎向地震作用時，按單一頻率考慮，底部水平及豎向地震加速度分別按式(3)、(4)計算：

ah=ah0sin(ωht+φh)

(3)

av=av0sin(ωvt+φv)

(4)

式中，ah、av為浮置文物在水平或豎向地震加速度；ah0、av0為浮置文物水平或豎向地震加速度最大值，以向右或向下為正向；ωh為水平向地震頻率；φh為水平向地震的初始相位角。

偏安全考慮，兩者同時作用時，假定水平地震與豎向地震同時達(dá)到各自最大值ah0及av0，并形成不利組合。僅考慮浮置文物底面與其基座兩點(diǎn)接觸，靜摩擦系數(shù)μ0，定義已知量b、h，文物質(zhì)量為m，計算簡圖見圖2。

圖2　文物計算簡圖Fig.2　Calculate picture of cultural relics

2.2滑動驗算

當(dāng)文物的水平慣性力不大于底面靜摩擦力時，該文物保持靜止。只有水平地震作用時，水平慣性力最大值FIh=mah0，最大靜摩擦力為μ0mg，考慮文物抗滑動安全系數(shù)ks，底面水平力不大于靜摩擦力需滿足：ksmah0≤μ0mg，整理可得水平加速度的限值見式(5)。

(5)

當(dāng)豎向地震作用(加速度)不可忽略時，水平慣性力最大值仍取FIh=mah0，計入豎向加速度對摩擦力的不利作用，最大靜摩擦力為μ0m(g-0.65av0)，底面水平力不大于靜摩擦力需滿足ksmah0≤μ0m(g-0.65av0)，整理可得此時水平加速度的限值見式(6)。

(6)

式中，μ0為浮置文物與支承面之間的靜摩擦系數(shù)，ks為抗滑動安全系數(shù)，建議取值1.2～1.6，當(dāng)防震設(shè)防等級高時取大值。

2.3傾覆驗算

為保證文物在地震作用下不發(fā)生傾覆，假定文物質(zhì)量沿高度分布均勻，設(shè)浮置文物tanα=h/b，文物旋轉(zhuǎn)角度為θ，旋轉(zhuǎn)后角度為α0，且tanα0=h0/b0，分析簡圖如圖3所示。

圖3　文物抗傾覆分析簡圖Fig.3　Anti-overturn analysis of cultural relics

浮置文物不發(fā)生傾覆，浮置文物旋轉(zhuǎn)后角度應(yīng)滿足α0=α+θ≤90°，抗傾覆力矩M抗應(yīng)大于傾覆力矩M，即(mg-FIv)b0+FIhh0≥0，則浮置文物旋轉(zhuǎn)角度θ應(yīng)滿足式(7)。

≤90°-arctan(h/b)

(7)

由于地震作用時浮置文物的旋轉(zhuǎn)角度θ計算及監(jiān)測難度較大，理論公式難于實(shí)施，故偏于安全考慮，將浮置文物不搖晃作為不發(fā)生傾覆的判別條件，為保證文物不發(fā)生搖晃，需滿足豎向反力F3、F4均不小于0。對圖2所示的A點(diǎn)取矩，即滿足式(8)要求。

F4×b+FIh×h/2=FIv×b/2+mg×h/2

(8)

式中，F(xiàn)Iv為豎向慣性力最大值，F(xiàn)Iv=mav0；FIh為水平慣性力最大值，F(xiàn)Ih=mah0；F4為轉(zhuǎn)動中心點(diǎn)A點(diǎn)的豎向反力。只有水平地震作用時，計入浮置文物抗傾覆安全系數(shù)k0，由F4≥0，得：k0mah0h≤mg×b，整理可得此時水平加速度的限值為式(9)。

(9)

當(dāng)豎向地震作用(加速度)不可忽略時，由F4≥0得：k0ah0h≤(g-0.65av0)b，整理可得此時水平加速度的限值為式(10)。

(10)

式中，k0為抗傾覆安全系數(shù)，建議取值1.2～1.6，當(dāng)抗震設(shè)防等級高時取大值；h/b為浮置文物的高寬比。

3　與Getty博物館研究成果對比

3.1浮放文物安全判別

國外對文物在地震作用下的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，美國Getty博物館[8]已有研究主要通過確定文物寬高比來預(yù)測地震下文物可能出現(xiàn)的狀態(tài)，如搖晃、滑動或傾覆情況。

文物出現(xiàn)滑動或擺動通過地震加速度峰值來衡量，當(dāng)?shù)卣鹚郊铀俣确逯?ah0)大于文物寬高比(文物寬度b與高度h的比值b/h)，即達(dá)到式(11)時，文物會發(fā)生搖晃或滑動。

ah0≥b/h

(11)

如果文物底部和所在表面之間是光滑的，則文物會滑動，如果表面之間粗糙或不平，則更可能搖晃。文物是否會傾覆通過地震最大速度來確定，當(dāng)文物寬高比和地震最大水平速度(V0)關(guān)系滿足式(12)時，則文物會發(fā)生傾覆。

(12)

不論擺動、滑動還是傾覆都基于文物寬高比b/h的比值和重心位置?；贕etty博物館地震數(shù)據(jù)代表值(水平加速度峰值687cm/s2，速度峰值33.9cm/s)，可得文物發(fā)生各種可能狀態(tài)與寬高比的關(guān)系曲線，如圖4所示。

與Getty博物館研究成果對比可知：

1) Getty博物館文物地震安全性只考慮了文物的寬高比和重心位置，本研究通過理論推導(dǎo)得出：文物安全與水平加速度峰值、文物高寬比、摩擦系數(shù)及豎向加速度峰值有關(guān)，并引入了抗滑動安全系數(shù)ks及抗傾覆安全系數(shù)k0；

2) Getty博物館以地震峰值速度評判文物傾覆，而本研究以搖晃作為傾覆判別，較之相對保守，主要考慮其作為監(jiān)測系統(tǒng)中文物安全穩(wěn)定預(yù)警來說，更具可行性與可靠性。

3.2實(shí)例對比驗證

選取長方體浮置物體驗算，底面為30cm×30cm，高50cm，浮置文物與支承面之間的靜摩擦系數(shù)為0.5，地震作用下水平加速度峰值為687cm/s2，速度峰值為33.9cm/s。

圖4　文物狀態(tài)與寬(b)高(h)比的關(guān)系曲線Fig.4　Relationship of relics’ status and it’s ratio of width and height

根據(jù)Getty博物館研究，浮置物體不發(fā)生滑動需滿足：ah0≤b/h；該浮置物體水平加速度峰值為：ah0=687cm/s2≈0.7g，b/h=0.6g；

兩公式判斷均為滑動，但對比可知本研究的滑動判別條件較為保守，且對于高寬比較小的物體，滑動判別結(jié)果偏于不安全。

對比可得，根據(jù)Getty博物館提出的速度判別該物體不會傾覆，但本研究理論分析結(jié)果表明該物體會發(fā)生傾覆，實(shí)際工程中建議對該物體進(jìn)行隔震處理，降低物體的水平加速度以滿足物體抗傾覆要求。

4　結(jié)　論

基于國內(nèi)館藏文物防震安全現(xiàn)狀，本研究提出館藏文物防震全系統(tǒng)全過程防震設(shè)計理念，針對浮放文物在地震作用下安全穩(wěn)定問題進(jìn)行分析，并與Getty博物館研究成果進(jìn)行對比研究，主要結(jié)論與建議如下：

1) 浮置文物的滑動判別，主要考慮文物質(zhì)心處的水平慣性力與底面靜摩擦力的關(guān)系，保證地震峰值加速度不超過限值要求；

2) 為保證文物不發(fā)生傾覆，需限定浮置文物在地震作用下的旋轉(zhuǎn)角度，但其計算及監(jiān)測難度較大，理論公式難于實(shí)施，故偏于安全考慮，建議將文物不搖晃作為不發(fā)生傾覆的判別條件；

3) Getty博物館文物地震安全研究考慮文物的寬高比和重心位置，與本研究研究成果對比，驗證了本研究理論的正確性與可靠性；Getty博物館在文物搖晃判別方面，其理論可行，但考慮可操作及可行性及文物保護(hù)可靠性，更建議采用本研究方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳來明，王忠良，高華平，等.博物館文物的防震保護(hù)研究(1)——傳統(tǒng)抗震措施與現(xiàn)代隔震技術(shù)[J].文物保護(hù)與考古科學(xué), 2001，13(2):49-51.

WU Lai-ming， WANG Zhong-liang， GAO Hua-ping，etal. Research on protection from earthquake of cultural relics in museum(1) —traditional anti-shock methods and modern isolating techniques[J]. Sci Conserv Archaeol， 2001，13(2):49-51.

[2] 王忠良， 高華平， 吳來明，等.博物館文物的防震保護(hù)研究——設(shè)防地震動輸入及文物防震保護(hù)參數(shù)的確定[J]. 工程抗震，2004， (1): 18-25.

WANG Zhong-liang， GAO Hua-ping， WU Lai-ming，etal. Research on protection from earthquake of cultural relics in museum —input earthquake wave and confirm of protect parameter [J]. Earthquake Resist Eng， 2004， (1): 18-25.

[3] 張俊勇，唐家祥，江宜城. 地震中房屋基礎(chǔ)隔震對室內(nèi)浮放設(shè)備的防護(hù)作用[J]. 振動與沖擊, 1998， 17(4): 62-65.

ZHANG Jun-yong， TANG Jia-xiang， JIANG Yi-cheng. Safeguard for the indoor free-standing equipment of the base-isolated building under earthquake[J]. J Vibration Shock， 1998， 17(4): 62-65.

[4] 陸欽年， 熊立紅. 浮放設(shè)備的抗震設(shè)計[C]//第五屆全國地震工程會議論文集，北京：1998: 745-751.

LU Qin-nian， XIONG Li-hong. Anti-seismic design of free-standing equipment[C]// The 5th Nationwide Earthquake Project Conference Paper， Beijing: 1998: 745-751.

[5] 周乾， 閆維明. 汶川地震可移動文物震害研究[J]. 文物保護(hù)與考古科學(xué)， 2010， 22(3): 36-41.

ZHOU Qian， YAN Wei-ming. Analysis of damage to free-standing culture relics caused by the wenchuan earthquake[J]. Sci Conserv Archaeol， 2010， 22(3): 36-41.

[6] 周乾， 閆維明， 紀(jì)金豹. 館藏浮放陶瓷文物地震搖晃響應(yīng)振動臺試驗[J]. 文物保護(hù)與考古科學(xué)， 2013， 25(3): 48-53.

ZHOU Qian， YAN Wei-ming， JI Jin-bao. Response to oscillation of a free-standing museum cultural relic under earthquake conditions by shaking table tests[J]. Sci Conserv Archaeol， 2013， 25(3): 48-53.

[7] 葛家琪.博物館文物防震技術(shù)和系統(tǒng)解決方案[R]//博物館文物展陳防震技術(shù)國際學(xué)術(shù)研討會會議報告，2015：04.

GE Jia-qi. Full system shockproof solutions of culture relics collection[R]//Report of the International Symposium on Advances of Protection Devices for Museum Exhibits， 2015：04.

[8] Mckenzie L， David A， Farrar B J，etal. Seismic mount making: a review of the protection of objects in the J.Paul Getty Museum from earthquake damage[M]//Advances in the protection of museum collections from earthquake damage， 2008：47-50.

(責(zé)任編輯謝燕)

收稿日期：2015-05-25；修回日期：2015-08-04

基金項目：文物保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研究制訂計劃項目資助(WW2008-009-T)，中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司技術(shù)進(jìn)步研發(fā)項目資助(技12技-2)

作者簡介：馬伯濤(1981—)，2009年博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，研究方向為結(jié)構(gòu)工程、文物防震保護(hù)工程，E-mail：36283468@qq.com

文章編號：1005-1538(2016)02-0001-06

中圖分類號：P315.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Key technology of ‘Specifications for Seismic Protection of Museum Objects’——research on seismic-proof safety design

MA Bo-tao1， SONG Mao-mao1， WU Lai-ming2， GE Jia-qi1

(1. China Aviation Planning and Design Institute (Group) Co.， Ltd，Beijing 100120， China;2.ShanghaiMuseum，Shanghai200231，China)

Abstract:In the‘Specifications for Seismic Protection of Museum Objects’(WW/T 0069-2015), a design method and specific measures for whole-system seismic protection safety, including the safety of buildings, showcases and collections is proposed based on the seismic protection safety of museum objects. In this article, several key technical issues related to the preservation of museum objects are investigated, including seismic protection methods, applicative scope, and an estimate of the safety of showcases and relics. First, the whole-system (seismic waves+ buildings+ showcases+ relics) seismic protection design idea is described. Secondly, a safety analysis study of free-standing showcases and relics under earthquake conditions is carried out. Thirdly, the accuracy and reliability of the theory is demonstrated by comparison with research result from the Getty Museum. It is concluded that seismic protection safety of the relics is connected with ratio of width to height, the contact surface friction coefficient and the vertical peak acceleration. The introduction of anti-slip and anti-overturning safety measures guarantees adequate safety of the relics.

Key words:Museum object; Seismic protection; Free-standing object; Safety estimate