基于文物安全的馆舍结构抗震性能提升方法

摘要

为了避免地震作用下馆藏文物的损失及破坏，本发明提出了一种基于文物安全的馆舍结构抗震性能提升方法，涉及结构工程技术领域与文物保护领域。主要步骤包括确定地震动输入参数、建立主体结构有限元模型、对有限元模型进行常规设计及动力时程分析、依据抗震性能化指标的量值与抗震性能化指标限值的关系进行调整使满足要求以及相关抗震施工工序如结构非结构构件的抗震施工、展厅的抗震布置和馆藏文物保存微环境施工等。本发明从地震传播的全过程对馆藏文物的地震作用进行了有效控制，大大减小了地震对馆藏文物造成大规模损坏的风险，有效降低了博物馆建筑的全寿命费用。

说明书

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域与文物保护技术领域，具体涉及一种基于文物安全的馆舍结构抗震性能提升方法。 

背景技术

博物馆、纪念馆、文物保护与文物管理单位作为展现城市文明和历史发展全过程的窗口，收藏着历史各时代的代表性实物、艺术品、文献、手稿、图书资料等馆藏文物，该类型建筑结构承担着馆藏文物的修复储存和日常防护管理的责任，对于文明传承和文化传播有着重要意义，是城市文化建设不可或缺的一部分。历史文物及重要展品的集中存放与管理也增加了在突发灾害（如地震）下馆藏文物大规模损毁的可能，如2008年5.12汶川特大地震，四川、甘肃、陕西及重庆灾区共计481件珍贵文物、3710件一般文物受损，受损严重的馆藏文物或完全破碎，或残破断裂，受损轻者亦出现裂缝及局部残坏，造成了极大的物质文化遗产损失。究其原因，首先文物馆所房屋建筑的破坏势必造成馆藏文物的严重损坏，其次，建筑结构设计时缺乏对文物的存放安全需求的量化考量也是造成损毁的重要原因，因此，结合文物防震安全需求提高文物馆舍结构的抗震性能对于历史文物的保护与传承具有重要意义。 

目前，国内外相关规范标准及研究成果中虽涉及文物馆舍结构与馆藏文物地震防护设计考虑，但现有馆藏文物防震研究成果大多是以文物馆舍结构自身安全为前提的，而文物馆舍结构的设计按照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准进行抗震设计，并未充分考虑地震动传播全过程中馆舍主体结构、楼层、展柜及其与文物结构的动力耦合等因素对文物安全的影响，现有结构抗震设计方法难以满足文物防震安全的需求。同时，现有标准规范和相关研究成果并未就馆藏文物抗震安全性控制给出量化指标，尚不能保证馆藏文物在地震作用下的安全，存在很大的安全隐患。 

发明内容

本发明目的在于提出一种基于文物安全的馆舍结构抗震性能提升方法，解决现有结构抗震设计未充分考虑地震动传播全过程中馆舍主体结构、楼层、展柜及其与文物结构的动力耦合等因素对文物安全的影响、难以满足文物防震安全的需求的问题；同时，解决现有技术并未就馆藏文物抗震安全性控制给出量化指标、不能保证馆藏文物在地震作用下的安全、造成馆藏文物存在极大安全隐患的问题。 

为解决上述技术问题，本发明的主要技术方案是： 

一种基于文物安全的馆舍结构抗震性能提升方法，其特征在于：主要包括如下步骤：

步骤一、确定地震动输入参数：根据馆舍场地的实际情况及地震动设计基本参数的要求，确定地震动实际输入参数；

步骤二、建立主体结构的有限元模型；

步骤三、分析模型得到抗震性能化指标的量值：对主体结构的有限元模型进行常规设计及动力时程分析，得到抗震性能化指标的量值，所述抗震性能化指标包括地基基础性能指标、主体结构抗震性能指标、展厅或库房的楼层性能指标、展柜或底座的指标及文物安全指标；

步骤四、将步骤三中得到的抗震性能化指标的量值与预先确定的相应的限值进行比较；

步骤五、依据比较结果调整主体结构的设计使抗震性能化指标满足限值要求：若量值大于限值，则采取常规的隔震、消能减震或增加约束阻尼等调整措施，或直接调整主体结构的设计方案，重复步骤二到步骤四，直至量值不大于其限值，即地基、主体结构及楼层结构的性能都满足抗震强度及变形要求；

步骤六、通过动力实验获得展厅或库房的楼层加速度指标的限值：根据馆藏文物存放方式的不同，通过地震振动台模拟试验及数值分析，考虑文物安全等级、材料强度折减等，同时考虑文物-结构的动力耦合效应，得到展柜、收藏柜及文物安全指标的限值；

步骤七、比较展厅或库房的楼层加速度指标的实际量值与限值的大小：将步骤三中展柜或底座的指标及文物安全指标量值中的加速度指标的量值与步骤六得到的限值进行比较；

步骤八、依据加速度响应的采取调整措施使展柜、收藏柜及文物满足抗震要求：需根据具体情况采取隔震、消能减震或增加约束阻尼等措施，或调整主体结构设计方案，重复步骤六至步骤七，直至展厅或库房的楼层加速度指标满足要求；

步骤九、结构非结构构件的抗震施工：将结构非结构构件与主体结构进行可靠连接，满足在超越概率3%地震作用下，非结构构件采用金属防坠网，金属防坠网与主体结构构件可靠连接；

步骤十、展厅的抗震布置：根据馆藏文物自身动力特性及楼层动力特性，针对不同的馆藏文物确定不同的存放或陈列区域，考虑到自下而上楼层加速度存在放大趋势，对于雕塑等高宽比较大的藏品应置于较低楼层的展厅；文献、手稿及图书资料置放于较高楼层；

步骤十一、馆藏文物保存微环境的施工：在不影响文物保存质量的情况下对文物采取一定的防倾覆、滑移、摇动及抛出的措施，该措施不同于临时固定措施，应能保证在遭遇超越概率3%的地震作用时不发生松动、脱落或失效。 

所述步骤一中，设计地震动参数采用50年设计基准期，超越概率3%的地震动加速度时程曲线及加速度反应谱。 

所述步骤三中，所述地基基础性能指标、主体结构抗震性能指标、展厅或库房的楼层性能指标及展柜或底座的指标均利用数值模拟得到。所述地基基础性能指标包括地基变形计算值和地基抗滑力矩，所述地基变形计算值不大于地基变形允许值的0.8倍，所述地基抗滑力矩与滑动力矩的比值不应小于1.5。所述主体结构抗震性能指标，包括结构的强度指标及变形指标。所述展厅或库房的楼层性能指标为楼层加速度，所述楼层加速度的指标量值结合展厅或库房内文物特性进行确定。所述展柜或底座指标为展柜台面或底座顶面的动力放大系数，即地震作用下展柜台面或底座顶面的加速度与展厅楼层楼面加速度的比值。所述文物安全指标需考虑文物与馆舍结构的动力耦合效应得到，为结合馆藏文物特性由振动台模拟试验及数值分析确定的文物发生滑移、倾覆、撕裂或抛出的判定条件。 

所述步骤六中展柜、收藏柜及文物的加速度指标限值时，分以下两种情况： 

（1）陈列的文物：对文物及陈列展柜或底座的组合体进行地震振动台模拟试验及数值模拟分析，得到文物发生滑移、倾覆、撕裂或抛出的振动台台面的加速度指标限值，同时分析计算得到展柜台面相对于振动台台面的动力放大系数；

（2）库藏的文物：对文物及收藏柜的组合体进行地震振动台模拟试验及数值分析，得到组合体发生滑移、倾覆的振动台台面的加速度指标限值。

所述步骤七中若不满足加速度指标限值时的具体调整方法如下： 

（1）对于陈列的文物，若不满足加速度指标限值，可采用展厅楼层隔震、展柜或底座隔震、消能减震展柜或底座、半主动智能控制展柜等措施，直至满足要求；若采用上述措施仍未能满足性能要求，则需要重新确定地震动实际输入参数并建模分析；

（2）对于库藏的文物，若不满足加速度指标限值，可采用措施对库房楼层进行隔震或对收藏柜进行隔震，直至满足要求；若采用上述措施仍未能满足性能要求，则则需要重新确定地震动实际输入参数并建模分析。

本发明立足于馆藏文物的地震安全性能，提出了一套完整的抗震性能化指标，包括设计地震动参数、地基基础性能指标、主体结构抗震性能指标、展厅或库房的楼层性能指标、展柜或底座的指标及文物安全指标，解决现有技术并未就馆藏文物抗震安全性控制给出量化指标、不能保证馆藏文物在地震作用下的安全、造成馆藏文物存在极大安全隐患的问题；并给出了一套行之有效的实施方法，包括确定地震动输入参数、建立主体结构有限元模型、对有限元模型进行常规设计及动力时程分析、依据抗震性能化指标的量值与抗震性能化指标限值的关系进行调整使满足要求以及相关抗震施工工序如结构非结构构件的抗震施工、展厅的抗震布置和馆藏文物保存微环境施工等，从地震传播的全过程对馆藏文物的防震安全进行了有效控制，大大减小了地震来临时馆藏文物大规模损坏的风险，显著降低了博物馆建筑的全寿命费用，解决现有结构抗震设计未充分考虑地震动传播全过程中馆舍主体结构、楼层、展柜及其与文物结构的动力耦合等因素对文物安全的影响、难以满足文物防震安全的需求的问题。 

附图说明

图1为本发明的具体实施流程图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明内容进行描述： 

如图1所示，本发明的具体实施包括如下步骤：

步骤一、根据馆舍结构选址及地震动设计参数要求，选择开阔、平坦、密实、均匀的中硬土场地，地震动输入参数采用50年设计基准期超越概率3%的地震动加速度时程曲线及加速度反应谱，加速度峰值取200gal。

步骤二、通过ETABS建立结构有限元模型，主体结构采用框架-剪力墙体系； 

步骤三、对主体结构有限元模型进行振型分解反应谱法设计及动力时程分析；得到抗震性能化指标的量值，所述抗震性能化指标包括地基基础性能指标、主体结构抗震性能指标、展厅或库房的楼层性能指标、展柜或底座的指标及文物安全指标；所述地基基础性能指标包括地基变形计算值和地基抗滑力矩，所述地基变形计算值不大于地基变形允许值的0.8倍，所述地基抗滑力矩与滑动力矩的比值不应小于1.5；所述主体结构抗震性能指标，包括结构的强度指标及变形指标。所述展厅或库房的楼层性能指标为楼层加速度，所述楼层加速度的指标量值结合展厅或库房内文物特性进行确定；所述展柜或底座指标为展柜台面或底座顶面的动力放大系数，即地震作用下展柜台面或底座顶面的加速度与展厅楼层楼面加速度的比值；所述文物安全指标需考虑文物与馆舍结构的动力耦合效应得到，为结合馆藏文物特性由振动台模拟试验及数值分析确定的文物发生滑移、倾覆、撕裂或抛出的判定条件；

步骤四、将步骤三中得到的抗震性能化指标的量值与预先确定的相应的限值进行比较；

步骤五、依据比较结果调整主体结构的设计使抗震性能化指标满足限值要求：若量值大于限值，则采取常规的隔震、消能减震或增加约束阻尼等调整措施，或直接调整主体结构的设计方案，重复步骤二到步骤四，直至量值不大于其限值，即地基、主体结构及楼层结构的性能都满足抗震强度及变形要求；本实施例中结构构件未能满足承载力要求，而结合建筑使用要求，不宜直接加大构件截面，故采用金属阻尼器进行减震设计，最终结构满足强度指标及设计变形要求；

步骤六、通过动力实验获得展厅或库房的楼层加速度指标的限值：根据馆藏文物存放方式的不同，通过地震振动台模拟试验及数值分析，考虑文物-结构的动力耦合效应，得到展柜、收藏柜及及文物安全指标的限值，根据馆藏文物存放方式的不同，分两种情况：

（1）陈列文物：对文物及陈列展柜或底座的组合体进行地震振动台模拟试验及数值模拟分析，考虑文物-结构动力耦合效应得到文物发生滑移、倾覆、撕裂或抛出的振动台台面的加速度指标限值为100gal，同时分析计算得到展柜台面相对于振动台台面的动力放大系数为1.5；

（2）库藏文物：对文物及收藏柜的组合体进行地震振动台模拟试验及数值分析，考虑文物-结构动力耦合效应得到组合体发生滑移、倾覆的振动台台面的加速度指标限值为120gal。

步骤七、比较展柜或底座的指标及文物安全指标的实际量值与限值的大小：将步骤三中展柜或底座的指标及文物安全指标量值与步骤五得到的限值进行比较； 

步骤八、采取调整措施使展柜、收藏柜及文物满足抗震要求：需根据具体情况采取隔震、消能减震或增加约束阻尼等措施，或调整主体结构设计方案，直至展柜、收藏柜及文物满足指标要求，根据馆藏文物存放方式的不同，分两种情况：

（1）对于陈列文物，高宽比较大的雕塑等文物不能满足加速度指标限值，采用底座隔震技术，经计算隔震后可以满足加速度指标要求；

（2）对于库藏文物，文物及收藏柜的组合体加速度限值可以满足要求；

步骤九、结构非结构构件的抗震施工：将结构非结构构件与主体结构进行可靠连接，满足在超越概率3%地震作用下，非结构构件采用金属防坠网，金属防坠网与主体结构构件可靠连接；

步骤十、展厅的抗震布置：根据馆藏文物自身动力特性及楼层动力特性，针对不同的馆藏文物确定不同的存放或陈列区域，考虑到自下而上楼层加速度存在放大趋势，对于雕塑等高宽比较大的藏品应置于较低楼层的展厅；文献、手稿及图书资料置放于较高楼层；

步骤十一、馆藏文物保存微环境的施工：在不影响文物保存质量的情况下对文物采取一定的防倾覆、滑移、摇动及抛出的措施，该措施不同于临时固定措施，应能保证在遭遇超越概率3%的地震作用时不发生松动、脱落或失效。