故宮地下庫房文物儲藏柜防震措施研究

趙守江，劉子哲，戴君武

(1． 故宮博物院，北京 100009； 2． 中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱 150080)

0 引 言

北京市地處燕山地震帶與華北平原中部地震帶的交匯處，又緊鄰汾渭地震帶和郯廬深大斷裂地震帶，是個多震區(qū)，歷史上曾遭受過多次強烈地震的破壞和影響。故宮自1406年(明永樂四年)開始修建，迄今為止，從文獻記錄中查得共經(jīng)歷了二百余次地震的考驗[1]。

地震是難以預(yù)報的突發(fā)性重大自然災(zāi)害，近年來我國發(fā)生的多起強震，給當(dāng)?shù)匾约爸苓叺貐^(qū)的文物造成了巨大破壞，例如2008年汶川地震、2010年玉樹地震以及2013年蘆山地震。其中以汶川地震造成的損失最為慘重，僅四川省文博單位受損的可移動文物就有4 379件(套)，其中珍貴文物208件(套)[2]；庫房受損文物4 280件(套)，占受損文物的97．7%。而文物受損嚴重的主要原因是由于一些地、市、州、縣博物館和文物管理所保護意識較弱，庫房內(nèi)的文物柜架缺乏必要的固定措施，有些柜架完全傾覆。有些開放性文物架設(shè)計為多層，每層周邊無遮擋，在地震時劇烈搖晃。架上的文物彼此碰撞，甚至從柜架四周直接掉落地面摔壞[3]。

由于地震發(fā)生的難以預(yù)報性、巨大不確定性、發(fā)生后果的嚴重性，必須要提前做好文物防震保護措施。故宮博物院其藏品總量多達186余萬件(套)，文物防震工作尤為艱巨。故宮博物院的藏品除了部分用于展覽外，其他一般都是存放于庫房內(nèi)統(tǒng)一管理。地面庫房為原有古建筑，儲藏條件差。為改善文物的保管環(huán)境，故宮于1997年建成了我國第一座地下文物專用庫。地下文物庫共有大小庫房100余座，分兩期建設(shè)：一期工程于1986年開工，到1991年竣工，建筑面積為5 000多平方米；二期工程從1994年開工，到1997年完工，建筑面積達16 000平方米[4]。在故宮地庫建成之后，九十余萬件的院藏文物從地面文物庫房轉(zhuǎn)移到了地下。當(dāng)時出于防火考慮，文物儲藏柜全部為鐵柜，依據(jù)文物種類分別設(shè)計為密集柜、多層柜、抽屜柜和異型柜等(圖1)。除了密集柜，其他比如多層柜，抽屜柜都是采購市面上普通的鐵皮柜，僅內(nèi)部格局有所變化。由于當(dāng)時缺少專業(yè)的防震設(shè)計，柜體沒有穩(wěn)固措施，均浮放于庫房地面上，存在安全隱患。

自2013年4月“平安故宮”工程被國務(wù)院批準立項以來，故宮的文物防震工作一直在有序推進，先后完成了第一期院內(nèi)文物防震評估、第二期文物防震應(yīng)急能力調(diào)研以及雨花閣防震方案、雕塑館隔震設(shè)計等眾多項目。圍繞故宮地下文物庫房防震薄弱環(huán)節(jié)，進行了密集柜樣品及囊匣抗震能力地震模擬試驗。鑒于綿陽博物館中心庫房的密集柜在汶川地震中所展現(xiàn)出的優(yōu)異性能[5]，現(xiàn)階段故宮地庫防震改造的常規(guī)方法也是將獨立儲藏柜替換成鐵質(zhì)密集柜。這樣既可以增加文物安全性，又能提高庫房空間利用率。例如圖1中的庫房，改造后其空間利用率由原來的40．1%提高到58．3%，布局也更簡潔美觀。

但是，在庫房改造過程中遇到了一些困難，進展較為緩慢。首先，故宮地下文物庫房具有特殊性，安防標準比地面庫房更加嚴格。文物保管人員要去提文物，必須要拿到部門主任的簽字條才能獲得文物庫的鑰匙。在進入文物庫前，也要經(jīng)過保衛(wèi)部的檢查登記，之后還有一道分庫房的門禁；其次，故宮地下文物庫是三層全埋式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，庫房四周完全密閉，人員進出與物品搬運主要通過電梯，運輸通道狹窄。換氣依賴通風(fēng)設(shè)備解決，由于設(shè)備陳舊，通風(fēng)透氣性很差，各庫房內(nèi)氣味容易混雜在一起，給保管人員帶來很大困擾。若是對現(xiàn)有庫房整體進行改造，將涉及到文物的周轉(zhuǎn)存放、材料設(shè)備的運輸、庫房的安全保衛(wèi)、以及施工人員的監(jiān)督等，牽涉到眾多部門，不但工作量大、工期長，而且施工會影響到庫房的原有環(huán)境，甚至潛在著諸多不確定因素和安全隱患。因此，亟需變更思路，不能采用一刀切的辦法，要根據(jù)實際困難制定適用的防震措施，避免出現(xiàn)以上問題。

1 措施研究

相較于現(xiàn)有的獨立儲藏柜，軌道式鐵質(zhì)密集柜最大的防震優(yōu)勢在于將眾多單組柜連成了一個整體，減小柜體地震時搖擺幅度，而且柜體之間的防撞條起到一定的吸能減振效果[5]。如果能將獨立儲藏柜用構(gòu)件連成一個整體，再添加一些阻尼器件，或者采取其他措施穩(wěn)固獨立儲藏柜，也就達到了相同的防震效果，不僅簡單快捷，還節(jié)約資金。

同時，考慮到文物庫房情況復(fù)雜，如庫房地面可能不平，文物儲藏柜或許存在變形，柜體間隙大小不一以及在要求不嚴格的情況中儲藏柜往往大體上擺放規(guī)整，實際很難做到整齊劃一等因素，防震裝置的設(shè)計方案和安裝過程一定要靈活可靠，具有一定的容誤差措施，并能夠根據(jù)實際情況變換組裝。

設(shè)計方案要解決的技術(shù)問題是在維持庫房現(xiàn)有格局、不過度增加庫房人員工作量的情況下，裝置能提高文物儲藏柜的防震能力，能夠簡單快速施工，不污染庫房環(huán)境，不給文物帶來額外的風(fēng)險，后期拆卸保養(yǎng)方便且不影響保管人員的日常工作。其基本要求歸納為：安全、適用、經(jīng)濟、美觀。而維持現(xiàn)有布局，盡量避免文物的周轉(zhuǎn)存放就使得不能對柜體進行機械再加工，防震措施需要在柜外進行施加；簡單便捷且后期拆卸保養(yǎng)方便就要求防震裝置盡量簡單并且可逆；不污染庫房環(huán)境要求所用材料應(yīng)環(huán)保，施工過程不破壞現(xiàn)有庫房環(huán)境。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：故宮地下庫房的文物儲藏柜由于是通過集體采購，外形尺寸相對簡單統(tǒng)一，其中獨立儲藏柜的規(guī)格主要為1 200 mm×600 mm×2 000 mm(長×寬×高)，還有一些為1 500 mm×900 mm×2 000 mm和1200 mm×1 200 mm×2 000 mm等尺寸。由于采購時間不同，文物儲藏柜一種呈現(xiàn)淡黃色，一種呈現(xiàn)乳白色。儲藏柜的布置總體上較為規(guī)整，大多是相互背對擺放；僅有少數(shù)庫房的尺寸和儲藏柜數(shù)量存在差異，布局略有調(diào)整。

依據(jù)抗震理論，降低獨立儲藏柜的高寬比能夠減小振動幅度，避免發(fā)生傾覆。而根據(jù)上述的現(xiàn)狀和設(shè)計要求，一些傳統(tǒng)的加固手段受到限制，例如柜體之間先打孔，然后再用螺栓連接；柜體之間用免釘膠(或其他強力膠)進行粘接或用磁鐵吸附；在墻體或者地面進行鉆孔，將柜體錨固等。通過對庫房儲藏柜構(gòu)造的詳細調(diào)查，借鑒夾具的原理，可在儲藏柜上沿處利用特制的構(gòu)件將兩組背對的儲藏柜綁定在一起。若柜間縫隙較寬，也可酌情塞入一些緩沖材料(如橡膠、硅膠片等)，能起到防撞減振的效果。

根據(jù)構(gòu)思出的方案，設(shè)計出一種簡易裝置[6](圖2)，主要由三部分組成：夾頭、導(dǎo)桿以及阻尼板。夾頭上部有一通孔，導(dǎo)桿兩端也各有一螺紋孔與之相對應(yīng)，可用螺栓連接預(yù)緊。夾頭端部有較小的螺紋通孔，里面有緊定螺絲，可輔助緊定。夾塊內(nèi)表面附有一層阻尼橡膠，可增大摩擦力。導(dǎo)桿可選市面上的鋁型材，不僅樣式眾多、質(zhì)輕價廉，而且加工方便。導(dǎo)桿底部有軌道，使阻尼板可在軌道上自由滑動。導(dǎo)軌底部可附有一層薄彈性橡膠，減輕施工中對儲藏柜頂板的碰撞。導(dǎo)桿兩側(cè)也有導(dǎo)軌，可內(nèi)置角槽直角連接件，從而能將多組裝置連在一起。阻尼板可選用橡膠或硅膠墊片，能增加柜體的阻尼以減輕振動，但應(yīng)根據(jù)實際情況添加或者去除。如果兩柜之間縫隙過窄，阻尼板塞入困難，就酌情將其去除。反之就需要添加，使兩柜能夠緊靠在一起。阻尼板可設(shè)計為：上半部分為金屬滑塊，能夠?qū)U底部自由滑動；下半部分中間為金屬薄片，兩側(cè)附有阻尼橡膠。阻尼板能在軌道內(nèi)滑動，既可適應(yīng)不同厚度的儲藏柜；又能使安裝更便利且不至于后期掉落。

施工過程中最好是兩人站于儲藏柜的前后方位配合操作。首先將阻尼板懸掛在導(dǎo)桿上，放入兩柜體間的空隙內(nèi)，導(dǎo)桿底部緊貼柜體頂。其次，導(dǎo)桿兩端分別對應(yīng)一個夾頭，可根據(jù)情況增加不同厚度的彈性墊片(可選硅膠)，用螺栓使夾頭頂緊柜體上沿。然后適當(dāng)旋緊緊定螺絲。經(jīng)過上面步驟，就制成一組完整防震裝置。多組裝置之間可以用縱向?qū)U和直角連接件連成一個整體，由于橫向?qū)U兩側(cè)有導(dǎo)軌，直角連接件可以自由滑動，然后鎖緊就位。若導(dǎo)桿兩側(cè)無導(dǎo)軌，就需要事先制做出安裝孔，由于安裝誤差，多組導(dǎo)桿安裝孔與直角連接件不能100%的對準，可能無法裝配在一起，影響施工進度。而且?guī)旆績?nèi)的儲藏柜尺寸固定，導(dǎo)桿可制成幾種標準尺寸，柜體縫隙差異可用彈性墊片消除，無需前期再去庫房逐個做精確測量，減輕保管部門的工作量。

多組裝置串聯(lián)在一起，使得整排的儲藏柜形成一個整體，從而增加了穩(wěn)定性。為了達到更好抗震效果，不同排的儲藏柜也可通過導(dǎo)桿或者阻尼器連接，使整個庫房的儲藏柜連成一片，該裝置主要起到著力點的作用。由于增設(shè)的導(dǎo)桿或者阻尼器橫跨在走道上方，有些影響美觀，一般距離地面在二米左右，對較大型文物搬運可能造成一定影響，而且增加預(yù)算成本，因此需要根據(jù)情況布置。

在裝置實際生產(chǎn)過程中，抗震的原理和方案相同，但具體的構(gòu)件樣式可不局限于上面示意圖所示，例如，儲藏柜上沿厚度一般約在2．8至3．5 cm之間，夾頭的端部長度可統(tǒng)一取2．8 cm，以便不影響柜門的開啟閉合；其寬度卻可寬可窄，也可根據(jù)具體部位做成異形(圖3)。這樣兩者就有更大的接觸面積，防止劇烈運動下發(fā)生脫離。

而且，文物儲藏柜側(cè)邊框厚度2．5 cm，底部框高為7．5 cm，為了使獨立儲藏柜更牢固的連接在一起，也可在側(cè)面或者底部施加。裝置安裝的部位和數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場來靈活確定。

2 分析計算

為了更好地了解獨立儲藏柜以及柜內(nèi)文物在地震下的反應(yīng)情況，對故宮博物院地下庫房使用較為普遍的一類型號文物柜進行有限元分析模擬。采用的軟件LS-DYNA是著名的通用顯式動力分析程序，能夠較好模擬浮放物體的地震反應(yīng)問題[7]。模型的材料為鋼材，采用線彈性體分析，物理性能指標參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50017—2017。柜體長寬高為1 200 mm×600 mm×2 000 mm，板厚1 mm，內(nèi)部分為三層，每層均擺放有高寬比不同(從1至5)的均質(zhì)長方體模型(剛體)。柜體和內(nèi)隔板的邊緣均采用U型構(gòu)造以增強剛度，這里簡化成統(tǒng)一的梁單元。文物柜與地面的靜摩擦系數(shù)μs=0．40，動摩擦系數(shù)μd=0．36；內(nèi)部模型與層板之間的靜摩擦系數(shù)μs=0．30，動摩擦系數(shù)μd=0．27。在進行時程分析計算時，地震動記錄采用El-Centro三向地震波(圖4)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011—2010規(guī)定，加速度峰值分別調(diào)整為200 cm·s-2、400 cm·s-2和620 cm·s-2，以研究文物柜與柜內(nèi)物品在八度設(shè)防地震、九度設(shè)防地震以及九度罕遇地震下的反應(yīng)。

分析結(jié)果如圖5和圖6所示。在峰值加速度αh，max=0．2 g時，文物柜與地面保持相對靜止；柜內(nèi)文物基本保持原來位置，上層出現(xiàn)輕微搖晃。在峰值加速度αh，max=0．4 g時，文物柜開始發(fā)生滑動與搖擺；柜內(nèi)文物的搖晃滑移響應(yīng)也顯著增強；各層高寬比為4和5的物體均傾倒，頂層高寬比為3的模型也發(fā)生傾倒。在峰值加速度αh，max=0．62 g時，文物柜振動響應(yīng)更為明顯，水平搖擺幅度達到6．84°，滑移距離18．9 mm。柜內(nèi)中層與頂層高寬比3、4和5的物體均發(fā)生傾覆，底層高寬比為3的物體雖未傾覆，但晃動明顯；頂層未傾覆物體滑移距離大于30 cm，與柜壁發(fā)生劇烈碰撞；中、底層未傾覆物體也均發(fā)生不同程度變動。由此可以看出：地震強度越大，儲藏柜晃動越明顯；相同地震強度下，柜內(nèi)物體擺放位置越高發(fā)生震害的概率越大。但在三種地震強度下，文物柜均未發(fā)生傾覆，其原因主要可能是由于文物柜與地面的接觸為理想狀態(tài)，靜摩擦系數(shù)為0．40，隨著地震動輸入的增大，文物柜產(chǎn)生了滑移，耗散了部分能量，減小了搖擺幅度。

當(dāng)采用上述設(shè)計的抗震裝置后，兩組文物儲藏柜連接在一起組成雙柜體系。為驗證裝置的減震效果，依據(jù)庫房所在區(qū)域的場地特性[8-10](圖7)另外又選取了Taft波和寧河地震波進行時程分析。為避免重復(fù)性工作，僅計算儲藏柜在遭受地震峰值加速度αh，max=0．62 g時的反應(yīng)情況。在分析過程中，除裝置安裝引起的變化外，模型的其他初始參數(shù)均相同。通過地震時程分析，分別獲得了模型的位移和搖擺幅度響應(yīng)結(jié)果(圖8、圖9、圖10)。

單柜高寬尺寸為2 000 mm×600 mm，因此搖擺幅度超過16．7°后儲藏柜將會發(fā)生傾覆。從計算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)：在輸入不同地震波情況下，柜體反應(yīng)不同；而安裝裝置后的組合柜抗震性能明顯優(yōu)于獨立儲藏柜。采用三條地震波進行時程分析時，單柜的搖擺幅度均明顯大于組合后的雙柜，分別為6．84°和9．08°，在寧河地震波作用下甚至發(fā)生了傾覆。而雙柜的搖擺輕微，最大僅為1．64°(El Centro波)；滑移距離卻遠超單柜，在El Centro波、Taft波和寧河波的地震作用下，滑移距離分別為49．6 mm、69．3 mm和216．4 mm。

上述模擬結(jié)果也與傳統(tǒng)認知相吻合：儲藏柜高寬比減小，搖擺幅度隨之減小，進而也降低了柜體整體傾覆的可能性；而增大的滑移距離可以更好地耗散地震能量。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示該裝置明顯降低了柜體的搖擺幅度，能夠起到一定的抗震減震效果；如果為了更好的吸能減振并減少滑移，可依據(jù)前面方案，在多組柜上方酌情增設(shè)導(dǎo)桿或者阻尼器。

3 結(jié) 論

通過對庫房和文物儲藏柜的深度調(diào)研，借鑒軌道式密集柜的防震原理，本研究提供了一種適用于故宮獨立式儲藏柜的抗震措施，且希望能對其他博物館的庫房文物保護起到借鑒作用。

1) 該裝置主要由夾頭、導(dǎo)桿以及阻尼板三部分組成，可根據(jù)需求靈活變換。與密集柜相比，裝置不僅構(gòu)造簡單，而且安裝靈活，能更好地符合地下庫房實際情況。

2) 通過分析發(fā)現(xiàn)，故宮庫房內(nèi)的獨立儲藏柜抗震性能較差。遭受的地震強度越高，柜體反應(yīng)就越劇烈。在九度罕遇地震作用下，柜體的搖擺幅度較大，其中在選取寧河地震波進行時程分析時，儲藏柜甚至發(fā)生了傾覆。

3) 選取了三條地震波進行九度罕遇的對比分析，在相同初始條件下，裝置安裝后的雙柜搖擺幅度均明顯降低，最大僅為1．64°(El Centro波)。而滑移距離比未采取措施時有所增大，滑移距離達到了216．4 mm(寧河波)，增大的滑移距離可以更好地耗散地震能量，避免柜體傾覆。因此，設(shè)計的裝置能夠明顯提高獨立儲藏柜的抗震能力。