为了对大高宽比浮放馆藏文物抗摇摆和抗倾覆提出更有效的安全控制指标,对浮放陶瓷花瓶开展了振动台试验,得到了其发生摇摆的临界条件。建立了长方体和圆柱体两种空心花瓶的精细化有限元模型,并以试验结果加以验证。利用验证后的有限元模型开展数值分析,得到浮放文物启动摇摆和发生倾覆对应的地面峰值加速度临界值。基于能量平衡理论推导和对试验数据的拟合,提出了分别以峰值加速度和峰值速度作为安全控制指标的“双水准”浮放馆藏文物安全判别方法。结果表明:浮放文物启动摇摆的条件不依赖于地震波的频谱特性和文物底面形状,但发生倾覆的条件则与二者相关;地震的峰值加速度并不能作为判断浮放系统是否发生倾覆的充要条件,尤其对于频率较高的地震激励,以峰值加速度作为安全控制指标往往偏于保守;通过算例验证,提出的以地面峰值速度和地面峰值加速度为指标的判别准则具有良好的适用性和可靠性。

为评估博物馆内浮放文物的地震倾覆风险,将浮放文物、浮放展柜简化为双层浮放的规则块体,利用分体式有限元模型对“博物馆建筑结构-浮放展柜-浮放文物”系统中的地震动力传播过程进行模拟,研究不同宽高比的浮放文物在单向地震波激励下的摇摆运动响应,并采用增量动力分析开展浮放文物地震倾覆易损性分析。据此,提出了两种馆藏浮放文物地震倾覆风险评估方法:一种是将浮放文物地震倾覆易损性曲线与场地危险性曲线进行卷积运算得到文物的地震倾覆风险;另一种则是基于动力放大作用评估文物地震倾覆风险。利用这两种评估方法对某博物馆内浮放扁壶文物进行了风险评估。研究表明:当展柜尺寸一定时,文物宽高比越小,地震倾覆风险越大;两种评估方法均能有效评估馆藏浮放文物地震倾覆风险,其中基于易损性分析的风险评估方法能精确地计算出文物地震倾覆风险值,而基于动力放大作用的评估方法能快速、准确地进行地震倾覆风险值计算,便于应用。

为获得更多的馆藏文物震害数据及文物预防保护工作的科学实施,开展了足尺三层单跨框架结构-展柜-文物系统的振动台试验,对系统的地震响应及文物的破坏情况进行了研究。以三层钢筋混凝土框架结构模型代表博物馆结构,共设置6个展柜及23件浮放和限位文物模型。采用6条天然地震波,峰值加速度调幅范围为0.1g~0.62g,共进行了15次加载。获取了楼层加速度时程、展柜台面加速度时程、不同楼层上和展柜内浮放玻璃砖和陶瓷笔筒的滑移时程、不同体形的浮放花瓶的摇摆时程、不同楼层上亚克力卡固大号梅瓶和鱼线栓绑中号梅瓶的运动状态。结果表明:第二层和第三层楼面相对于振动台面的峰值加速度放大系数范围分别为0.92~2.15和1.28~3.93,同一条地震波激励下在钢筋开始屈服对应工况的放大系数最小;展柜台面相对于楼层的峰值加速度放大系数范围为0.82~1.98;峰值加速度为0.62g时,第三层楼面砂纸上玻璃砖的最大滑移量为103 mm,而亚克力板上陶瓷笔筒的最大滑移量仅为17 mm;位于振动台面的冬瓜瓶在峰值加速度为0.4g时处于静止状态,但在峰值加速度为0.31g时发生了倾覆,受花瓶底面不平整的影响,倾覆现象不一定随峰值加速度的增大而连续出现;各浮放花瓶在地震激励下基本静止或一摇即倒;随型卡固件对极罕遇地震作用下第三层楼面上的大号梅瓶的摇摆响应控制效果不佳,卡固与栓绑的组合方式对控制中号梅瓶的运动响应有效。

为研究鱼线栓绑法对馆藏文物的抗震固定效果并对其进行优化设计,选取3件同类型不同尺寸(高度分别为390、490、620 mm)的较大体积典型地震易损文物复制品,开展文物复制品与鱼线栓绑法固定措施抗震系统振动台试验,获得影响文物复制品运动状态的关键体型参数、文物复制品与鱼线相互作用规律,并检验采用独立鱼线栓绑法对较大体积文物的抗震固定效果。建立相应有限元分析模型,对文物复制品与鱼线栓绑法固定措施相互作用系统进行参数分析,获得在地震作用下能够采用独立常用鱼线有效固定文物的体型参数限值以及有效固定不同体型文物所需要的最小鱼线截面面积。结果表明:适当提高鱼线初始预拉应力、增加鱼线绑扎根数、增加鱼线截面面积均可有效降低文物地震响应及鱼线内力变化幅度,并提高独立鱼线有效固定文物的体型参数限值;采用独立鱼线栓绑法固定时,文物质心高度与底面直径之比越大,整体摇摆响应越明显;体型及质量越大且底面直径越大,文物整体滑移响应更显著;综合固定效果及文物与鱼线之间的相互作用,建议选择截面面积合理的鱼线并施加20%破断应力作为初始预拉应力;对于不适用于独立鱼线栓绑法固定的文物,可采用鱼线和卡固件组合固定措施,降低文物动力响应及鱼线的内力变化幅度。

砖石质文物建筑历经百余年环境因素产生劣化损伤后,多数存在安全隐患。国家现行相关规范标准中所提供工程常用的结构安全性能提升措施与文物建筑的保护原则之间,存在诸多难以协调的矛盾。而新的修缮措施中又缺乏对文物建筑整体稳定性能提升有效性的分析评价方法。为此,以清华大学图书馆老馆Ⅰ期为例,在其结构现状分析的基础上,提出增设内钢框架和外拉索的修缮方案。新增结构基本不侵入文物建筑本体,不改变原结构传力路径,基本实现了“不改变文物原状、最低限度干预、措施可逆”的文物保护原则。正常使用极限状态的承载力分析表明:采取性能提升措施后,随着原结构材料逐步劣化,原结构承载能力进一步降低,荷载才将逐渐转移至新增结构。建立了与文物建筑材料连接界面相适应的离散体结构力学模型,抗倒塌分析结果表明:8度罕遇地震作用下,各部分主体结构最大层间位移角小于1/100,新增结构可大幅提升防震性能,实现了预防地震倒塌的结构稳定性能目标。

针对砖石质古建筑中普遍存在的砖墙(柱)-木屋架结构,以某文物展馆为例,建立了符合古建筑材料、构造机理特征的离散体分析模型。选取4种不同筑砌方式,对砖石质古建筑的损伤产生及破坏机制进行了研究;对砖柱不同高宽比及界面不同摩擦系数的砖柱-木屋架结构进行静力推覆分析,得到了不同工况下的柱顶水平荷载-位移全过程性能曲线;重点将砖石质古建筑从屈服损伤到临界失稳过程与全过程性能曲线中对应的性能点进行对比研究,发现柱竖向位移角峰值点为结构临界失稳极限点。研究了稳定性能指标对应性能点确定方法:对于结构不发生明显损伤的水平位移角限值,在砖柱高宽比为8、10和大于12时,分别为1/240~1/200、1/290~1/250、1/340~1/300;对于结构静力稳定状态的水平位移角限值,在砖柱高宽比为8、10和大于12时分别为1/40、1/70、1/100。