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)計理念引導(dǎo)；這使得當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)及文物震害特點進行調(diào)研的基礎(chǔ)上，以文物的防震安全為研究重點，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、理論推導(dǎo)和有限元建模計算等方法研究地震作用機理、防震性能及防震優(yōu)化設(shè)計方法；分析了地震波作用類型、輸入強度、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)計的主要控制指標及其判定依據(jù)；研發(fā)了文物懸吊減震系統(tǒng)并建立了計算模型；對文物的破壞機理進行了分析，并提出了相應(yīng)的判別式；對博物館防震設(shè)計中的結(jié)構(gòu)體系進行了優(yōu)選，提出其防震分析應(yīng)優(yōu)先采用有限元法進行建模計算，并通過實例對其分體式和整體式計算方法進行了研究；對博物館結(jié)構(gòu)文物系統(tǒng)的防震安全體系進行了分析，結(jié)合試驗和理論分析計算，研究了其防震控制方法，給出了其防震性能水準，并提出了加速度破壞準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）針對當前許多博物館的文物防震通常是憑經(jīng)驗，沒有對其進行科學(xué)嚴密的地震危害性分析、試驗和理論計算，因而造成其實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)進行了防震性能振動臺試驗；分析了地震波的作用類型、輸入強度、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）針對當前對博物館文物系統(tǒng)的防震性能衡量指標不明確的問題，本文對模型結(jié)構(gòu)的位移和加速度放大系數(shù)等指標進行了分析，提出對于文物的防震設(shè)計應(yīng)首先以加速度指標作為控制指標。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?shù)卣疠斎胼^弱（ＰＧＡ＜０．２０犵）時，此系統(tǒng)對文物的減震效果并不明顯；但當?shù)卣疠斎胼^強（ＰＧＡ＞０．２０犵）時，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。（３）通過對采用傳統(tǒng)防震措施的文物的防震性能進行分析，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，將可移動文物陳列系統(tǒng)的抗震計算模型分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種類型；對四類模型進行了滑移分析、搖晃分析和滑移搖晃耦合分析；研究了地震作用機理，并提出了相應(yīng)的運動判別式。（４）對振動臺試驗中用四角尼龍線拉結(jié)固定的可移動文物進行了地震作用分析，推導(dǎo)出其允許地震輸入值的表達式。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算了試件的地震響應(yīng)；計算結(jié)果表明，豎向地震作用對文物的影響不可忽略。通過振動臺試驗結(jié)果可知，文物懸吊系統(tǒng)對文物的減震效果明顯。對單層可移動文物懸吊減震系統(tǒng)的動力特性進行了建模分析；對多層可移動文物陳列系統(tǒng)中的多層懸吊式、單層多吊式減震系統(tǒng)的計算模型進行了分析。結(jié)合懸吊減震系統(tǒng)的試驗結(jié)果和與單擺減震系統(tǒng)的動力特性的對比分析，建立了懸吊減震計算模型；提出了其減震機理，并驗證了可移動文物懸吊減震系統(tǒng)的有效性。（５）對博物館設(shè)計中常見的結(jié)構(gòu)體系進行了優(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，并對其防震性能進行了分析和設(shè)計優(yōu)化。針對當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)動慣量等多種因素的耦聯(lián)影響，計算過程復(fù)雜且精度不高的現(xiàn)狀，提出應(yīng)采用有限元分析法進行建模計算。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)點和同一樓層上不同節(jié)點的地震響應(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、同一樓層上不同節(jié)點的地震響應(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)計時不可忽略。（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，適合于單個文物陳列系統(tǒng)的研究，但對于不同類型、不同強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)需單獨計算，費時費力。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，因而適合用于多個文物陳列系統(tǒng)地震作用的整體研究；其缺點是文物系統(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)點平動體系分析模型、多質(zhì)點體系平動搖擺分析模型進行了討論；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)計方法。結(jié)合試驗和理論分析結(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。以文物陳列系統(tǒng)的振動控制為主要控制指標，提出了加速度破壞準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行了動力學(xué)分析，并對其關(guān)鍵控制參數(shù)進行了優(yōu)化。

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