基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法
【專利摘要】為了避免地震作用下館藏文物的損失及破壞，本發(fā)明提出了一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，涉及結構工程【技術領域】與文物保護領域。主要步驟包括確定地震動輸入?yún)?shù)、建立主體結構有限元模型、對有限元模型進行常規(guī)設計及動力時程分析、依據(jù)抗震性能化指標的量值與抗震性能化指標限值的關系進行調(diào)整使?jié)M足要求以及相關抗震施工工序如結構非結構構件的抗震施工、展廳的抗震布置和館藏文物保存微環(huán)境施工等。本發(fā)明從地震傳播的全過程對館藏文物的地震作用進行了有效控制，大大減小了地震對館藏文物造成大規(guī)模損壞的風險，有效降低了博物館建筑的全壽命費用。
【專利說明】基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及結構工程【技術領域】與文物保護【技術領域】，具體涉及一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法。
【背景技術】
[0002]博物館、紀念館、文物保護與文物管理單位作為展現(xiàn)城市文明和歷史發(fā)展全過程的窗口，收藏著歷史各時代的代表性實物、藝術品、文獻、手稿、圖書資料等館藏文物，該類型建筑結構承擔著館藏文物的修復儲存和日常防護管理的責任，對于文明傳承和文化傳播有著重要意義，是城市文化建設不可或缺的一部分。歷史文物及重要展品的集中存放與管理也增加了在突發(fā)災害(如地震)下館藏文物大規(guī)模損毀的可能，如2008年5.12汶川特大地震，四川、甘肅、陜西及重慶災區(qū)共計481件珍貴文物、3710件一般文物受損，受損嚴重的館藏文物或完全破碎，或殘破斷裂，受損輕者亦出現(xiàn)裂縫及局部殘壞，造成了極大的物質(zhì)文化遺產(chǎn)損失。究其原因，首先文物館所房屋建筑的破壞勢必造成館藏文物的嚴重損壞，其次，建筑結構設計時缺乏對文物的存放安全需求的量化考量也是造成損毀的重要原因，因此，結合文物防震安全需求提高文物館舍結構的抗震性能對于歷史文物的保護與傳承具有重要意義。
[0003]目前，國內(nèi)外相關規(guī)范標準及研究成果中雖涉及文物館舍結構與館藏文物地震防護設計考慮，但現(xiàn)有館藏文物防震研究成果大多是以文物館舍結構自身安全為前提的，而文物館舍結構的設計按照“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準進行抗震設計，并未充分考慮地震動傳播全過程中館舍主體結構、樓層、展柜及其與文物結構的動力耦合等因素對文物安全的影響，現(xiàn)有結構抗震設計方法難以滿足文物防震安全的需求。同時，現(xiàn)有標準規(guī)范和相關研究成果并未就館藏文物抗震安全性控制給出量化指標，尚不能保證館藏文物在地震作用下的安全，存在很大的安全隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于提出一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，解決現(xiàn)有結構抗震設計未充分考慮地震動傳播全過程中館舍主體結構、樓層、展柜及其與文物結構的動力耦合等因素對文物安全的影響、難以滿足文物防震安全的需求的問題；同時，解決現(xiàn)有技術并未就館藏文物抗震安全性控制給出量化指標、不能保證館藏文物在地震作用下的安全、造成館藏文物存在極大安全隱患的問題。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明的主要技術方案是:
一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，其特征在于:主要包括如下步驟:步驟一、確定地震動輸入?yún)?shù):根據(jù)館舍場地的實際情況及地震動設計基本參數(shù)的要求，確定地震動實際輸入?yún)?shù)；
步驟二、建立主體結構的有限元模型；
步驟三、分析模型得到抗震性能化指標的量值:對主體結構的有限元模型進行常規(guī)設計及動力時程分析，得到抗震性能化指標的量值，所述抗震性能化指標包括地基基礎性能指標、主體結構抗震性能指標、展廳或庫房的樓層性能指標、展柜或底座的指標及文物安全指標；
步驟四、將步驟三中得到的抗震性能化指標的量值與預先確定的相應的限值進行比
較；
步驟五、依據(jù)比較結果調(diào)整主體結構的設計使抗震性能化指標滿足限值要求:若量值大于限值，則采取常規(guī)的隔震、消能減震或增加約束阻尼等調(diào)整措施，或直接調(diào)整主體結構的設計方案，重復步驟二到步驟四，直至量值不大于其限值，即地基、主體結構及樓層結構的性能都滿足抗震強度及變形要求；
步驟六、通過動力實驗獲得展廳或庫房的樓層加速度指標的限值:根據(jù)館藏文物存放方式的不同，通過地震振動臺模擬試驗及數(shù)值分析，考慮文物安全等級、材料強度折減等，同時考慮文物-結構的動力耦合效應，得到展柜、收藏柜及文物安全指標的限值；
步驟七、比較展廳或庫房的樓層加速度指標的實際量值與限值的大小:將步驟三中展柜或底座的指標及文物安全指標量值中的加速度指標的量值與步驟六得到的限值進行比較；
步驟八、依據(jù)加速度響應的采取調(diào)整措施使展柜、收藏柜及文物滿足抗震要求:需根據(jù)具體情況采取隔震、消能減震或增加約束阻尼等措施，或調(diào)整主體結構設計方案，重復步驟六至步驟七，直至展廳或庫房的樓層加速度指標滿足要求；
步驟九、結構非結構構件的抗震施工:將結構非結構構件與主體結構進行可靠連接，滿足在超越概率3%地震作用下，非結構構件采用金屬防墜網(wǎng)，金屬防墜網(wǎng)與主體結構構件可靠連接；
步驟十、展廳的抗震布置:根據(jù)館藏文物自身動力特性及樓層動力特性，針對不同的館藏文物確定不同的存放或陳列區(qū)域，考慮到自下而上樓層加速度存在放大趨勢，對于雕塑等高寬比較大的藏品應置于較低樓層的展廳；文獻、手稿及圖書資料置放于較高樓層；
步驟十一、館藏文物保存微環(huán)境的施工:在不影響文物保存質(zhì)量的情況下對文物采取一定的防傾覆、滑移、搖動及拋出的措施，該措施不同于臨時固定措施，應能保證在遭遇超越概率3%的地震作用時不發(fā)生松動、脫落或失效。
[0006]所述步驟一中，設計地震動參數(shù)采用50年設計基準期,超越概率3%的地震動加速度時程曲線及加速度反應譜。
[0007]所述步驟三中，所述地基基礎性能指標、主體結構抗震性能指標、展廳或庫房的樓層性能指標及展柜或底座的指標均利用數(shù)值模擬得到。所述地基基礎性能指標包括地基變形計算值和地基抗滑力矩，所述地基變形計算值不大于地基變形允許值的0.8倍，所述地基抗滑力矩與滑動力矩的比值不應小于1.5。所述主體結構抗震性能指標，包括結構的強度指標及變形指標。所述展廳或庫房的樓層性能指標為樓層加速度，所述樓層加速度的指標量值結合展廳或庫房內(nèi)文物特性進行確定。所述展柜或底座指標為展柜臺面或底座頂面的動力放大系數(shù)，即地震作用下展柜臺面或底座頂面的加速度與展廳樓層樓面加速度的比值。所述文物安全指標需考慮文物與館舍結構的動力耦合效應得到，為結合館藏文物特性由振動臺模擬試驗及數(shù)值分析確定的文物發(fā)生滑移、傾覆、撕裂或拋出的判定條件。
[0008]所述步驟六中展柜、收藏柜及文物的加速度指標限值時，分以下兩種情況: (1)陳列的文物:對文物及陳列展柜或底座的組合體進行地震振動臺模擬試驗及數(shù)值模擬分析，得到文物發(fā)生滑移、傾覆、撕裂或拋出的振動臺臺面的加速度指標限值，同時分析計算得到展柜臺面相對于振動臺臺面的動力放大系數(shù)；
(2)庫藏的文物:對文物及收藏柜的組合體進行地震振動臺模擬試驗及數(shù)值分析，得到組合體發(fā)生滑移、傾覆的振動臺臺面的加速度指標限值。
[0009]所述步驟七中若不滿足加速度指標限值時的具體調(diào)整方法如下:
(1)對于陳列的文物，若不滿足加速度指標限值，可采用展廳樓層隔震、展柜或底座隔震、消能減震展柜或底座、半主動智能控制展柜等措施，直至滿足要求；若采用上述措施仍未能滿足性能要求，則需要重新確定地震動實際輸入?yún)?shù)并建模分析；
(2)對于庫藏的文物，若不滿足加速度指標限值，可采用措施對庫房樓層進行隔震或?qū)κ詹毓襁M行隔震，直至滿足要求；若采用上述措施仍未能滿足性能要求，則則需要重新確定地震動實際輸入?yún)?shù)并建模分析。
[0010]本發(fā)明立足于館藏文物的地震安全性能，提出了一套完整的抗震性能化指標，包括設計地震動參數(shù)、地基基礎性能指標、主體結構抗震性能指標、展廳或庫房的樓層性能指標、展柜或底座的指標及文物安全指標，解決現(xiàn)有技術并未就館藏文物抗震安全性控制給出量化指標、不能保證館藏文物在地震作用下的安全、造成館藏文物存在極大安全隱患的問題；并給出了一套行之有效的實施方法，包括確定地震動輸入?yún)?shù)、建立主體結構有限元模型、對有限元模型進行常規(guī)設計及動力時程分析、依據(jù)抗震性能化指標的量值與抗震性能化指標限值的關系進行調(diào)整使?jié)M足要求以及相關抗震施工工序如結構非結構構件的抗震施工、展廳的抗震布置和館藏文物保存微環(huán)境施工等，從地震傳播的全過程對館藏文物的防震安全進行了有效控制，大大減小了地震來臨時館藏文物大規(guī)模損壞的風險，顯著降低了博物館建筑的全壽命費用，解決現(xiàn)有結構抗震設計未充分考慮地震動傳播全過程中館舍主體結構、樓層、展柜及其與文物結構的動力耦合等因素對文物安全的影響、難以滿足文物防震安全的需求的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的具體實施流程圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合具體實施例對本
【發(fā)明內(nèi)容】
進行描述:
如圖1所示，本發(fā)明的具體實施包括如下步驟:
步驟一、根據(jù)館舍結構選址及地震動設計參數(shù)要求，選擇開闊、平坦、密實、均勻的中硬土場地，地震動輸入?yún)?shù)采用50年設計基準期超越概率3%的地震動加速度時程曲線及加速度反應譜，加速度峰值取200gal。
[0013]步驟二、通過ETABS建立結構有限元模型，主體結構采用框架-剪力墻體系； 步驟三、對主體結構有限元模型進行振型分解反應譜法設計及動力時程分析；得到抗
震性能化指標的量值，所述抗震性能化指標包括地基基礎性能指標、主體結構抗震性能指標、展廳或庫房的樓層性能指標、展柜或底座的指標及文物安全指標；所述地基基礎性能指標包括地基變形計算值和地基抗滑力矩，所述地基變形計算值不大于地基變形允許值的0.8倍，所述地基抗滑力矩與滑動力矩的比值不應小于1.5 ;所述主體結構抗震性能指標，包括結構的強度指標及變形指標。所述展廳或庫房的樓層性能指標為樓層加速度，所述樓層加速度的指標量值結合展廳或庫房內(nèi)文物特性進行確定；所述展柜或底座指標為展柜臺面或底座頂面的動力放大系數(shù)，即地震作用下展柜臺面或底座頂面的加速度與展廳樓層樓面加速度的比值；所述文物安全指標需考慮文物與館舍結構的動力耦合效應得到，為結合館藏文物特性由振動臺模擬試驗及數(shù)值分析確定的文物發(fā)生滑移、傾覆、撕裂或拋出的判定條件；
步驟四、將步驟三中得到的抗震性能化指標的量值與預先確定的相應的限值進行比
較；
步驟五、依據(jù)比較結果調(diào)整主體結構的設計使抗震性能化指標滿足限值要求:若量值大于限值，則采取常規(guī)的隔震、消能減震或增加約束阻尼等調(diào)整措施，或直接調(diào)整主體結構的設計方案，重復步驟二到步驟四，直至量值不大于其限值，即地基、主體結構及樓層結構的性能都滿足抗震強度及變形要求；本實施例中結構構件未能滿足承載力要求，而結合建筑使用要求，不宜直接加大構件截面，故采用金屬阻尼器進行減震設計，最終結構滿足強度指標及設計變形要求；
步驟六、通過動力實驗獲得展廳或庫房的樓層加速度指標的限值:根據(jù)館藏文物存放方式的不同，通過地震振動臺模擬試驗及數(shù)值分析，考慮文物-結構的動力耦合效應，得到展柜、收藏柜及及文物安全指標的限值，根據(jù)館藏文物存放方式的不同，分兩種情況:
(O陳列文物:對文物及陳列展柜或底座的組合體進行地震振動臺模擬試驗及數(shù)值模擬分析，考慮文物-結構動力耦合效應得到文物發(fā)生滑移、傾覆、撕裂或拋出的振動臺臺面的加速度指標限值為lOOgal，同時分析計算得到展柜臺面相對于振動臺臺面的動力放大系數(shù)為1.5 ；
(2)庫藏文物:對文物及收藏柜的組合體進行地震振動臺模擬試驗及數(shù)值分析，考慮文物-結構動力耦合效應得到組合體發(fā)生滑移、傾覆的振動臺臺面的加速度指標限值為120galο
[0014]步驟七、比較展柜或底座的指標及文物安全指標的實際量值與限值的大小:將步驟三中展柜或底座的指標及文物安全指標量值與步驟五得到的限值進行比較；
步驟八、采取調(diào)整措施使展柜、收藏柜及文物滿足抗震要求:需根據(jù)具體情況采取隔震、消能減震或增加約束阻尼等措施，或調(diào)整主體結構設計方案，直至展柜、收藏柜及文物滿足指標要求，根據(jù)館藏文物存放方式的不同，分兩種情況:
(1)對于陳列文物，高寬比較大的雕塑等文物不能滿足加速度指標限值，采用底座隔震技術，經(jīng)計算隔震后可以滿足加速度指標要求；
(2)對于庫藏文物，文物及收藏柜的組合體加速度限值可以滿足要求；
步驟九、結構非結構構件的抗震施工:將結構非結構構件與主體結構進行可靠連接，滿足在超越概率3%地震作用下，非結構構件采用金屬防墜網(wǎng)，金屬防墜網(wǎng)與主體結構構件可靠連接；
步驟十、展廳的抗震布置:根據(jù)館藏文物自身動力特性及樓層動力特性，針對不同的館藏文物確定不同的存放或陳列區(qū)域，考慮到自下而上樓層加速度存在放大趨勢，對于雕塑等高寬比較大的藏品應置于較低樓層的展廳；文獻、手稿及圖書資料置放于較高樓層； 步驟十一、館藏文物保存微環(huán)境的施工:在不影響文物保存質(zhì)量的情況下對文物采取一定的防傾覆、滑移、搖動及拋出的措施，該措施不同于臨時固定措施，應能保證在遭遇超越概率3%的地震作用時不發(fā)生松動、脫落或失效。
【權利要求】
1.一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，其特征在于:主要包括如下步驟: 步驟一、確定地震動輸入?yún)?shù):根據(jù)館舍場地的實際情況及地震動設計基本參數(shù)的要求，確定地震動實際輸入?yún)?shù)； 步驟二、建立主體結構的有限元模型； 步驟三、分析模型得到抗震性能化指標的量值:對主體結構的有限元模型進行常規(guī)設計及動力時程分析，得到抗震性能化指標的量值，所述抗震性能化指標包括地基基礎性能指標、主體結構抗震性能指標、展廳或庫房的樓層性能指標、展柜或底座的指標及文物安全指標； 步驟四、將步驟三中得到的抗震性能化指標的量值與預先確定的相應的限值進行比較； 步驟五、依據(jù)比較結果調(diào)整主體結構的設計使抗震性能化指標滿足限值要求:若量值大于限值，則采取常規(guī)的隔震、消能減震或增加約束阻尼等調(diào)整措施，或直接調(diào)整主體結構的設計方案，重復步驟二到步驟四，直至量值不大于其限值，即地基、主體結構及樓層結構的性能都滿足抗震強度及變形要求； 步驟六、通過動力實驗獲得展廳或庫房的樓層加速度指標的限值:根據(jù)館藏文物存放方式的不同，通過地震振動臺模擬試驗及數(shù)值分析，考慮文物安全等級、材料強度折減等，同時考慮文物-結構的動力耦合效應，得到展柜、收藏柜及文物安全指標的限值； 步驟七、比較展廳或庫房的樓層加速度指標的實際量值與限值的大小:將步驟三中展柜或底座的指標及文物安全指標量值中的加速度指標的量值與步驟六得到的限值進行比較； 步驟八、依據(jù)加速度響應的采取調(diào)整措施使展柜、收藏柜及文物滿足抗震要求:需根據(jù)具體情況采取隔震、消能減震或增加約束阻尼等措施，或調(diào)整主體結構設計方案，重復步驟六至步驟七，直至展廳或庫房的樓層加速度指標滿足要求； 步驟九、結構非結構構件的抗震施工:將結構非結構構件與主體結構進行可靠連接，滿足在超越概率3%地震作用下，非結構構件采用金屬防墜網(wǎng)，金屬防墜網(wǎng)與主體結構構件可靠連接； 步驟十、展廳的抗震布置:根據(jù)館藏文物自身動力特性及樓層動力特性，針對不同的館藏文物確定不同的存放或陳列區(qū)域，考慮到自下而上樓層加速度存在放大趨勢，對于雕塑等高寬比較大的藏品應置于較低樓層的展廳；文獻、手稿及圖書資料置放于較高樓層； 步驟十一、館藏文物 保存微環(huán)境的施工:在不影響文物保存質(zhì)量的情況下對文物采取一定的防傾覆、滑移、搖動及拋出的措施，該措施不同于臨時固定措施，應能保證在遭遇超越概率3%的地震作用時不發(fā)生松動、脫落或失效。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，其特征在于:所述步驟一中，設計地震動參數(shù)采用50年設計基準期，超越概率3%的地震動加速度時程曲線及加速度反應譜。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，其特征在于:所述步驟三中，所述地基基礎性能指標、主體結構抗震性能指標、展廳或庫房的樓層性能指標及展柜或底座的指標均利用數(shù)值模擬得到。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，其特征在于:所述步驟三中，所述地基基礎性能指標包括地基變形計算值和地基抗滑力矩，所述地基變形計算值不大于地基變形允許值的0.8倍，所述地基抗滑力矩與滑動力矩的比值不應小于 1.5。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，其特征在于:所述步驟三中，所述主體結構抗震性能指標，包括結構的強度指標及變形指標。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種提高文物儲藏館舍建筑結構的抗震性能的方法，其特征在于:所述步驟三中，所述展廳或庫房的樓層性能指標為樓層加速度，所述樓層加速度的指標量值結合展廳或庫房內(nèi)文物特性進行確定。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，其特征在于:所述步驟三中，所述展柜或底座指標為展柜臺面或底座頂面的動力放大系數(shù)，即地震作用下展柜臺面或底座頂面的加速度與展廳樓層樓面加速度的比值。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，其特征在于:所述步驟三中，所述文物安全指標需考慮文物與館舍結構的動力耦合效應得到，為結合館藏文物特性由振動臺模擬試驗及數(shù)值分析確定的文物發(fā)生滑移、傾覆、撕裂或拋出的判定條件。
9.根據(jù)權利要求1~8任意一項所述的一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，其特征在于:所述步驟六中展柜、收藏柜及文物的加速度指標限值時，分以下兩種情況: (O陳列的文物:對文 物及陳列展柜或底座的組合體進行地震振動臺模擬試驗及數(shù)值模擬分析，得到文物發(fā)生滑移、傾覆、撕裂或拋出的振動臺臺面的加速度指標限值，同時分析計算得到展柜臺面相對于振動臺臺面的動力放大系數(shù)； (2)庫藏的文物:對文物及收藏柜的組合體進行地震振動臺模擬試驗及數(shù)值分析，得到組合體發(fā)生滑移、傾覆的振動臺臺面的加速度指標限值。
10.根據(jù)權利要求要求I~8任意一項所述的一種基于文物安全的館舍結構抗震性能提升方法，其特征在于:所述步驟七中若不滿足加速度指標限值時的具體調(diào)整方法如下: (1)對于陳列的文物，若不滿足加速度指標限值，可采用展廳樓層隔震、展柜或底座隔震、消能減震展柜或底座、半主動智能控制展柜等措施，直至滿足要求；若采用上述措施仍未能滿足性能要求，則需要重新確定地震動實際輸入?yún)?shù)并建模分析； (2)對于庫藏的文物，若不滿足加速度指標限值，可采用措施對庫房樓層進行隔震或?qū)κ詹毓襁M行隔震，直至滿足要求；若采用上述措施仍未能滿足性能要求，則則需要重新確定地震動實際輸入?yún)?shù)并建模分析。
【文檔編號】G06F17/50GK103793568SQ201410043273
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月29日 優(yōu)先權日:2014年1月29日
【發(fā)明者】葛家琪, 馬伯濤, 張玲, 張國軍, 付仰強, 王樹, 管志忠, 王明珠, 張曼生 申請人:中國航空規(guī)劃建設發(fā)展有限公司