博物馆结构：文物陈列系统的防震性能研究

　　近年来，随着我国博物馆文博事业的飞速发展以及丰富人民群众文化生活的需要，客观上要求博物馆的数量、建筑体量不断加大，文物藏品日益增多。这将使得博物馆结构不断向着新颖性、多功能、高层、大跨、隔震减震等方向发展，许多难题也随之而来。例如，结构体系的新颖容易导致结构出现不对称、偏心情况；文物藏品的增多将促使文物陈列层不断升高，从而造成其防震性能降低。此类新问题的出现将对博物馆的防震性能产生较大影响，而当前对这方面的研究往往将建筑结构的抗震和馆藏文物的防震分割开来，缺乏统一的设计理念引导；这使得当前博物馆较难有效地保证大震作用下文物的防震安全。为此，《博物馆结构-文物陈列系统的防震性能研究》一书在对博物馆结构及文物震害特点进行调研的基础上，以文物的防震安全为研究重点，从博物馆结构、文物、结构文物系统三方面，采用试验、理论推导和有限元建模计算等方法研究地震作用机理、防震性能及防震优化设计方法；分析了地震波作用类型、输入强度、陈列柜和文物的重心高度四类因素的组合变化对文物陈列系统的防震性能的影响规律；提出了文物防震设计的主要控制指标及其判定依据；研发了文物悬吊减震系统并建立了计算模型；对文物的破坏机理进行了分析，并提出了相应的判别式；对博物馆防震设计中的结构体系进行了优选，提出其防震分析应优先采用有限元法进行建模计算，并通过实例对其分体式和整体式计算方法进行了研究；对博物馆结构文物系统的防震安全体系进行了分析，结合试验和理论分析计算，研究了其防震控制方法，给出了其防震性能水准，并提出了加速度破坏准则和博物馆整体系统的加速度控制路线图。本文具体研究工作如下：（１）针对当前许多博物馆的文物防震通常是凭经验，没有对其进行科学严密的地震危害性分析、试验和理论计算，因而造成其实际的防震效果好坏缺乏可信度的情况，本文以历次震害中破损均比较严重的陶瓷器文物陈列系统为原型制作了２层框架结构模型，并考虑浮放、尼龙线拉结固定、悬吊减震三类情况对文物陈列系统进行了防震性能振动台试验；分析了地震波的作用类型、输入强度、陈列柜及文物的重心高度、防震措施等因素的变化对其防震性能的影响规律。（２）针对当前对博物馆文物系统的防震性能衡量指标不明确的问题，本文对模型结构的位移和加速度放大系数等指标进行了分析，提出对于文物的防震设计应首先以加速度指标作为控制指标。为了有效地提高文物系统的防震性能，本文研发了悬吊减震系统。与传统的尼龙线拉结固定的文物的防震性能相比，当地震输入较弱（ＰＧＡ＜０．２０犵）时，此系统对文物的减震效果并不明显；但当地震输入较强（ＰＧＡ＞０．２０犵）时，此系统表现出较好的减震效果，且其减震效果随着地震输入的增大而相应增强。（３）通过对采用传统防震措施的文物的防震性能进行分析，指出陶瓷器文物的主要破坏方式是滑移和倾覆；陈列柜、文物的固定程度对文物的防震性能具有较大的影响。据此，根据陈列柜是否固定在地面或楼板面上、文物是否固定在陈列柜上，将可移动文物陈列系统的抗震计算模型分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种类型；对四类模型进行了滑移分析、摇晃分析和滑移摇晃耦合分析；研究了地震作用机理，并提出了相应的运动判别式。（４）对振动台试验中用四角尼龙线拉结固定的可移动文物进行了地震作用分析，推导出其允许地震输入值的表达式。以文物试件为例，分为水平、竖向两向地震作用和仅考虑水平地震作用两种情况计算了试件的地震响应；计算结果表明，竖向地震作用对文物的影响不可忽略。通过振动台试验结果可知，文物悬吊系统对文物的减震效果明显。对单层可移动文物悬吊减震系统的动力特性进行了建模分析；对多层可移动文物陈列系统中的多层悬吊式、单层多吊式减震系统的计算模型进行了分析。结合悬吊减震系统的试验结果和与单摆减震系统的动力特性的对比分析，建立了悬吊减震计算模型；提出了其减震机理，并验证了可移动文物悬吊减震系统的有效性。（５）对博物馆设计中常见的结构体系进行了优选，提出钢筋混凝土框架、框剪结构相对适合用于博物馆防震，并对其防震性能进行了分析和设计优化。针对当前常用的等效剪切模型和弯曲剪切模型偏重于平面分析，不能准确地反映出地震作用下复杂结构中同一楼层上不同点的地震响应，立体分析法需考虑结构各层的质量、刚度、偏心距、转动惯量等多种因素的耦联影响，计算过程复杂且精度不高的现状，提出应采用有限元分析法进行建模计算。以８层钢筋混凝土框架、框剪结构为例，研究了各结构在同等情况下，不同楼层上的相同节点和同一楼层上不同节点的地震响应规律。结果表明，同一结构中不同楼层上的相同节点、同一楼层上不同节点的地震响应均不相同；地震作用的竖向分量对文物地震响应的影响较大，在博物馆结构设计时不可忽略。（６）以８层框剪对称、非对称结构博物馆建筑为例，对博物馆整体系统的分体式和整体式有限元分析模型进行了研究。通过对比分析提出：分体式建模传力路径明确，适合于单个文物陈列系统的研究，但对于不同类型、不同强度地震作用下建筑结构各楼层上不同文物陈列系统的地震响应需单独计算，费时费力。整体式建模直接通过地震分析求得文物的地震响应，减少了地震能量的传递损失，因而适合用于多个文物陈列系统地震作用的整体研究；其缺点是文物系统对地震的响应并不明显，因而使分析结果相对有所偏差。（７）对博物馆结构文物陈列系统各组成部分间的隔震减震控制方法进行了分析。对基础主体结构间隔震减震控制中的刚体分析模型、多质点平动体系分析模型、多质点体系平动摇摆分析模型进行了讨论；为了降低地震作用对结构构件的破坏影响，提出了一种文物陈列架减震梁的设计方法。结合试验和理论分析结果，提出了博物馆结构-文物陈列系统的防震性能水准。以文物陈列系统的振动控制为主要控制指标，提出了加速度破坏准则和博物馆整体系统的加速度控制路线图。对基于博物馆整体系统防震安全的铅芯橡胶隔震支座（ＬＲＢ）与磁流变阻尼器（ＭＲＤ）隔震减震混合控制体系进行了动力学分析，并对其关键控制参数进行了优化。

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