《馆藏文物防震规范》关键技术——防震安全设计研究

马伯涛，宋毛毛，吴来明，葛家琪

(1. 中国航空规划设计研究总院有限公司，北京　100120； 2. 上海博物馆，上海　200231)



·研究报告·

《馆藏文物防震规范》关键技术——防震安全设计研究

马伯涛1，宋毛毛1，吴来明2，葛家琪1

(1. 中国航空规划设计研究总院有限公司，北京100120； 2. 上海博物馆，上海200231)

摘要：《馆藏文物防震规范》WW/T 0069-2015，基于馆藏文物防震安全提出馆舍、展陈和文物全系统防震安全理念、设计方法和具体措施。本研究针对馆藏文物防震设计方法、适用范围、展柜及文物安全性判别等关键技术问题展开研究。首先，提出了“地震波+馆舍+展柜+文物”的全过程全系统防震设计理念；其次，针对浮放展柜及文物，进行地震作用下安全性分析研究；第三，与Getty博物馆研究成果对比，验证本研究理论的正确性与可靠性。分析得出：文物防震安全与文物高宽比、支撑接触面摩擦系数、安放处加速度峰值等因素有关；引入了抗滑动安全系数和抗倾覆安全系数进行设计，可充分保证文物安全性。

关键词：馆藏文物；防震；浮置文物；安全性判别

0　引　言

博物馆是展现社会历史文明和社会发展过程的窗口。我国是历史文化大国，文物众多，截止2015年3月，据全国可移动文物普查数据显示，全国经过认定并登录的可移动文物已超过1268万件，并以平均每天6万件的速度增加。将大量可移动文物集中到博物馆中保存，有利于文物保护修复和日常防护管理，但增加了在突发灾害下文物大规模损毁的风险。2008年5·12汶川地震造成不少于3169件(套)馆藏文物损毁，其中一级文物16件(套)，二级文物20件(套)，三级文物184件(套)。

中国博物馆文物分布与地震烈度区划表明，博物馆文物主要分布于地震区，超过50%的国家级博物馆位于7度及以上高烈度抗震设防区。历次震害分析表明，地震动经历博物馆馆舍、展柜、文物底座，其中任何一环节出现震害，均会危及文物安全。在中国大陆，针对博物馆馆舍防震安全有强制性规范标准要求，并施行严格的设计审查及工程质量检查制度；而针对博物馆文物防震安全却没有规范要求，大部分博物馆文物没有系统有效的防震措施。因此，博物馆防震安全设计理念与装置有待提升。

国内专家针对常规的馆藏文物提出经验公式法，通过经验总结和回归分析得到地震动从震源到文物传播过程中的动力放大系数，得到文物安放处的震动响应，进而对文物防震安全进行评判。吴来明[1]、王忠良[2]等以上海博物馆为例，讨论了上海市及周边地区的地震动参数，通过反应谱分析和时程分析计算了文物安放处楼层地震动所致振动响应，提出了楼层反应谱，用于快速计算楼层动力响应；张俊勇[3]等将浮放物假设为刚性体，给出了浮放物由静止开始摇晃的判别条件，其安全稳定与浮放物的高宽比、质量、水平和竖向加速度相关；陆钦年和熊立红[4]通过理论推导给出了考虑竖向地震作用的设备滑移判别式。已有研究一般通过浮放文物的宏观运动响应判别其安全性[5]，对馆藏文物地震响应分析和安全性评价没有考虑馆舍对藏品震动响应的影响[6]。本研究提出“地震波+馆舍+展柜+文物”的全过程全系统防震设计理念[7]，综合考虑文物安全与文物高宽比、支撑接触面摩擦系数、安放处竖向加速度峰值等因素，分析浮放物在地震作用下的安全性，并与Getty博物馆研究成果进行对比研究。

1　全系统防震设计理念

文物防震设计时应考虑各地区地震动特性差异，地震动经历博物馆馆舍、馆内每个展柜，传至馆藏文物的地震作用效应各异，馆藏文物地震响应分析和设计应基于馆舍和馆藏文物的双重防震安全，充分体现防震性能化设计理念。按照地震动传播过程“从震源发生，传递至建筑结构各楼层，经展柜传至馆藏文物”进行分析，建立“地震波+馆舍+展柜+文物”全模型，分析馆舍结构、展柜及文物之间的相互振动影响及动力耦合作用，得到文物的真实振动响应；通过抗震安全指标评价其安全性，并辅以现场动力特性实测进行验证，给出合理的分析方法和经验参数。文物全系统防震设计理念(图1)应考虑以下四个方面：

1) 全系统安全目标。震害分析表明，地震动经历馆舍、展柜、文物底座，其中任何一环节出现震害，均会危机文物安全，应建立“地震波+馆舍+展柜+文物”全系统防震安全性能目标，文物展陈防震应从博物馆馆舍、展柜或展陈台座、文物本身三个方面考虑。

2) 个性化安全设计。每个地区地震动特性不同，地震动经历博物馆馆舍、馆内每个展柜，传至每个馆藏文物的地震作用效应各异。因此，每个馆藏文物均应进行“地震波+馆舍+展柜+文物”的全系统安全目标地震作用全过程性能分析及个性化安全目标。

3) 馆舍展陈防震措施。馆藏文物与展具、展具与馆舍之间多为浮放关系，其安全性基本只与馆舍的加速度效应相关；目前馆舍及展具基本采用增强刚度即“堵(抗)”的方法防震，造成文物加速度响应的放大；故基于文物安全需求，博物馆馆舍、展具、文物底座应采取隔震、消能减震(“疏导措施”)，以降低地震下文物的加速度响应。

4) “私人定制”的防震产品。综合考虑不同地区地震烈度、博物馆馆舍结构类型及文物的个体差异，对文物防震装置进行系统化全过程性能设计，有效控制每个文物不同的地震响应，实现文物防震安全性的“私人定制”。

充分考虑到我国各地区震源特征、馆舍结构、文物种类和等级的差异性，《馆藏文物防震规范》WW/T 0069-2015中，基于馆藏文物防震安全提出馆舍、展陈和文物全系统防震安全理念设计方法和具体措施。馆藏文物地震效应分析简化方法如下：

1) 抗震设防烈度不超过6度地区的博物馆内馆藏文物，如文物结构形式简单，高宽比小于3且重量较轻，可采用经验公式法计算馆藏文物地震作用效应。

2) 文物高宽比小于3的，应考虑文物与展柜动力耦合影响采用数值模拟法进行地震作用效应计算；楼盖竖向振动卓越频率不大于5Hz时，应计入竖向地震的影响。抗震超限的复杂博物馆结构、建于不利场地的博物馆内馆藏文物，以及高宽比不小于3或单体文物质量大于1吨的文物，应考虑馆舍结构、展柜、馆藏文物动力耦合影响采用数值模拟法进行地震作用效应计算。

3) 珍贵文物及博物馆内重点保护文物，应采用试验分析法进行馆藏文物与展柜组合的模型振动台试验，分析馆藏文物及展柜的地震作用效应。振动台试验的地震波输入应采用文物展柜安放处的楼(地)面地震波，通过场地地震波和博物馆结构数值模拟确定。

下文理论分析主要针对上述1)方法中的经验公式法开展。

图1　文物全系统防震设计理念Fig.1　Whole-system shockproof design idea of cultural relics

2　浮置文物防震安全设计之经验公式法

2.1基本规定与参数计算

浮置文物安全性分析对于形体较为规则的文物，假定其质量为m、底边宽度b、高度为h；对于形体较为复杂的文物，应分区分块确定文物的质量mi、高度hci等。根据文物的质量与外形尺寸，确定质心，并得出质心至支承面的垂直距离hc。

对于质量均匀、形状规则对称的文物，hc按式(1)计算：

hc=0.5×h

(1)

对于质量不均匀或形状不对称的文物，hc按式(2)计算：

hc=∑mihci/∑mi

(2)

式中，hc为文物质心至支承面的垂直距离；h为文物高度；mi为某质点i的质量；hci为某质点i至支承面的垂直距离。

由于地震发生时，地震波沿平行浮置文物底面短边情况传播更不利，故只考虑短边所在竖直面内的平面安全计算。需考虑竖向地震作用时，按单一频率考虑，底部水平及竖向地震加速度分别按式(3)、(4)计算：

ah=ah0sin(ωht+φh)

(3)

av=av0sin(ωvt+φv)

(4)

式中，ah、av为浮置文物在水平或竖向地震加速度；ah0、av0为浮置文物水平或竖向地震加速度最大值，以向右或向下为正向；ωh为水平向地震频率；φh为水平向地震的初始相位角。

偏安全考虑，两者同时作用时，假定水平地震与竖向地震同时达到各自最大值ah0及av0，并形成不利组合。仅考虑浮置文物底面与其基座两点接触，静摩擦系数μ0，定义已知量b、h，文物质量为m，计算简图见图2。

图2　文物计算简图Fig.2　Calculate picture of cultural relics

2.2滑动验算

当文物的水平惯性力不大于底面静摩擦力时，该文物保持静止。只有水平地震作用时，水平惯性力最大值FIh=mah0，最大静摩擦力为μ0mg，考虑文物抗滑动安全系数ks，底面水平力不大于静摩擦力需满足：ksmah0≤μ0mg，整理可得水平加速度的限值见式(5)。

(5)

当竖向地震作用(加速度)不可忽略时，水平惯性力最大值仍取FIh=mah0，计入竖向加速度对摩擦力的不利作用，最大静摩擦力为μ0m(g-0.65av0)，底面水平力不大于静摩擦力需满足ksmah0≤μ0m(g-0.65av0)，整理可得此时水平加速度的限值见式(6)。

(6)

式中，μ0为浮置文物与支承面之间的静摩擦系数，ks为抗滑动安全系数，建议取值1.2～1.6，当防震设防等级高时取大值。

2.3倾覆验算

为保证文物在地震作用下不发生倾覆，假定文物质量沿高度分布均匀，设浮置文物tanα=h/b，文物旋转角度为θ，旋转后角度为α0，且tanα0=h0/b0，分析简图如图3所示。

图3　文物抗倾覆分析简图Fig.3　Anti-overturn analysis of cultural relics

浮置文物不发生倾覆，浮置文物旋转后角度应满足α0=α+θ≤90°，抗倾覆力矩M抗应大于倾覆力矩M，即(mg-FIv)b0+FIhh0≥0，则浮置文物旋转角度θ应满足式(7)。

≤90°-arctan(h/b)

(7)

由于地震作用时浮置文物的旋转角度θ计算及监测难度较大，理论公式难于实施，故偏于安全考虑，将浮置文物不摇晃作为不发生倾覆的判别条件，为保证文物不发生摇晃，需满足竖向反力F3、F4均不小于0。对图2所示的A点取矩，即满足式(8)要求。

F4×b+FIh×h/2=FIv×b/2+mg×h/2

(8)

式中，FIv为竖向惯性力最大值，FIv=mav0；FIh为水平惯性力最大值，FIh=mah0；F4为转动中心点A点的竖向反力。只有水平地震作用时，计入浮置文物抗倾覆安全系数k0，由F4≥0，得：k0mah0h≤mg×b，整理可得此时水平加速度的限值为式(9)。

(9)

当竖向地震作用(加速度)不可忽略时，由F4≥0得：k0ah0h≤(g-0.65av0)b，整理可得此时水平加速度的限值为式(10)。

(10)

式中，k0为抗倾覆安全系数，建议取值1.2～1.6，当抗震设防等级高时取大值；h/b为浮置文物的高宽比。

3　与Getty博物馆研究成果对比

3.1浮放文物安全判别

国外对文物在地震作用下的安全稳定性进行了研究，美国Getty博物馆[8]已有研究主要通过确定文物宽高比来预测地震下文物可能出现的状态，如摇晃、滑动或倾覆情况。

文物出现滑动或摆动通过地震加速度峰值来衡量，当地震水平加速度峰值(ah0)大于文物宽高比(文物宽度b与高度h的比值b/h)，即达到式(11)时，文物会发生摇晃或滑动。

ah0≥b/h

(11)

如果文物底部和所在表面之间是光滑的，则文物会滑动，如果表面之间粗糙或不平，则更可能摇晃。文物是否会倾覆通过地震最大速度来确定，当文物宽高比和地震最大水平速度(V0)关系满足式(12)时，则文物会发生倾覆。

(12)

不论摆动、滑动还是倾覆都基于文物宽高比b/h的比值和重心位置。基于Getty博物馆地震数据代表值(水平加速度峰值687cm/s2，速度峰值33.9cm/s)，可得文物发生各种可能状态与宽高比的关系曲线，如图4所示。

与Getty博物馆研究成果对比可知：

1) Getty博物馆文物地震安全性只考虑了文物的宽高比和重心位置，本研究通过理论推导得出：文物安全与水平加速度峰值、文物高宽比、摩擦系数及竖向加速度峰值有关，并引入了抗滑动安全系数ks及抗倾覆安全系数k0；

2) Getty博物馆以地震峰值速度评判文物倾覆，而本研究以摇晃作为倾覆判别，较之相对保守，主要考虑其作为监测系统中文物安全稳定预警来说，更具可行性与可靠性。

3.2实例对比验证

选取长方体浮置物体验算，底面为30cm×30cm，高50cm，浮置文物与支承面之间的静摩擦系数为0.5，地震作用下水平加速度峰值为687cm/s2，速度峰值为33.9cm/s。

图4　文物状态与宽(b)高(h)比的关系曲线Fig.4　Relationship of relics’ status and it’s ratio of width and height

根据Getty博物馆研究，浮置物体不发生滑动需满足：ah0≤b/h；该浮置物体水平加速度峰值为：ah0=687cm/s2≈0.7g，b/h=0.6g；

两公式判断均为滑动，但对比可知本研究的滑动判别条件较为保守，且对于高宽比较小的物体，滑动判别结果偏于不安全。

对比可得，根据Getty博物馆提出的速度判别该物体不会倾覆，但本研究理论分析结果表明该物体会发生倾覆，实际工程中建议对该物体进行隔震处理，降低物体的水平加速度以满足物体抗倾覆要求。

4　结　论

基于国内馆藏文物防震安全现状，本研究提出馆藏文物防震全系统全过程防震设计理念，针对浮放文物在地震作用下安全稳定问题进行分析，并与Getty博物馆研究成果进行对比研究，主要结论与建议如下：

1) 浮置文物的滑动判别，主要考虑文物质心处的水平惯性力与底面静摩擦力的关系，保证地震峰值加速度不超过限值要求；

2) 为保证文物不发生倾覆，需限定浮置文物在地震作用下的旋转角度，但其计算及监测难度较大，理论公式难于实施，故偏于安全考虑，建议将文物不摇晃作为不发生倾覆的判别条件；

3) Getty博物馆文物地震安全研究考虑文物的宽高比和重心位置，与本研究研究成果对比，验证了本研究理论的正确性与可靠性；Getty博物馆在文物摇晃判别方面，其理论可行，但考虑可操作及可行性及文物保护可靠性，更建议采用本研究方法。

参考文献：

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(责任编辑谢燕)

收稿日期：2015-05-25；修回日期：2015-08-04

基金项目：文物保护行业标准研究制订计划项目资助(WW2008-009-T)，中国航空规划设计研究总院有限公司技术进步研发项目资助(技12技-2)

作者简介：马伯涛(1981—)，2009年博士毕业于哈尔滨工业大学，研究方向为结构工程、文物防震保护工程，E-mail：36283468@qq.com

文章编号：1005-1538(2016)02-0001-06

中图分类号：P315.9

文献标识码：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