陳 科 劉 彤 盛 鷹

( 1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010; 2. 中國(guó)工程物理研究院 四川綿陽(yáng) 621900)

我國(guó)是一個(gè)強(qiáng)震多發(fā)國(guó)家，每次地震災(zāi)害對(duì)博物館展陳文物的破壞極其嚴(yán)重，給我們帶來(lái)了慘痛的教訓(xùn)。博物館展陳浮放文物具有重要的文化、歷史和藝術(shù)價(jià)值，保護(hù)意義重大。出于展陳美觀的需求，展陳文物多以浮放形式為主，因而極易受到地震破壞[1]。據(jù)國(guó)家文物局報(bào)告[2-4]，2008年5月12日四川汶川8.0級(jí)地震、2010年4月14日青海玉樹(shù)7.1級(jí)地震和2013年4月20日四川雅安7.0級(jí)地震，災(zāi)區(qū)范圍內(nèi)分布的許多國(guó)家級(jí)重點(diǎn)保護(hù)文物都受到不同程度的損壞，大多數(shù)文物都是因?yàn)榈卣饘?dǎo)致文物從展柜或架子上墜落而損壞(如圖1所示)。

地震動(dòng)經(jīng)博物館建筑物和文物展柜后傳遞至展陳文物，由于展陳浮放文物質(zhì)量較輕，在地震作用力(慣性力)下，浮放文物易發(fā)生傾覆、搖晃、滑移等，考慮到展柜的邊界條件，甚至還會(huì)發(fā)生碰撞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致浮放文物受損。大量災(zāi)害資料表明[5-6]，浮放文物震害主要包括為傾覆破壞、碰撞破壞、自身破損及次生破壞。因此，掌握浮放文物地震反應(yīng)特征及最大地震反應(yīng)發(fā)生條件對(duì)浮放文物防震設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者就浮放物體地震反應(yīng)開(kāi)展了相關(guān)研究工作，王彥林[7]將浮放物體簡(jiǎn)化為剛體塊，研究了地震荷載作用下浮放物體的地震反應(yīng)，著重分析了發(fā)生傾倒的邊界條件，結(jié)果表明浮放物體高寬比及質(zhì)心高度是浮放文物是否傾覆的關(guān)鍵參數(shù)。吳偉建[8]建立了浮放物體滑移模型，分析了接觸摩擦系數(shù)及地震動(dòng)三分量幅值比對(duì)模型地震反應(yīng)的影響。Yadav[9]以自由女神像為研究對(duì)象，探討了大型浮放雕像地震易損性，結(jié)果表明地震動(dòng)強(qiáng)度越大，雕像高寬比越大，越易傾倒。

圖1 展陳浮放文物震損Fig.1 Floating cultural relics damaged by earthquake

本文對(duì)博物館展陳浮放文物進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同高寬比和不同質(zhì)量的浮放文物在地震動(dòng)作用下的反應(yīng)特征，探討了其最大地震反應(yīng)的發(fā)生條件，研究成果對(duì)展陳浮放文物防震設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

以成都某博物館實(shí)際展陳浮放文物為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，忽略文物外觀形狀及材質(zhì)對(duì)地震反應(yīng)的影響[10]，以魚(yú)鱗木材制作1∶1仿真文物(如圖2所示)，橫截面為正方形，外觀尺寸分別為：b1×h1=100 mm×420 mm和b2×h2=134 mm×420 mm，其高寬比分別為γ1=4.2和γ2=3.14，質(zhì)量分別為m1=3015 g和m2=5005 g。為真實(shí)反映文物與展柜間接觸情況(接觸面積及接觸面摩擦系數(shù)不改變)，以期降低對(duì)浮放文物滑移的影響，故在木質(zhì)仿真文物底部粘貼陶瓷底座。

圖2 浮放文物振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)Fig.2 The shaking table test on floating relics

1.2 試驗(yàn)用地震記錄

試驗(yàn)共選用了4條分別位于Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地的典型地震動(dòng)作為外部隨機(jī)波輸入，地震動(dòng)水平兩分量單獨(dú)輸入，地震動(dòng)包括1988年的Lancang波、2008年的Wolong波、1940年的El-Centro波和1976年的Tianjin波，地震動(dòng)具體信息見(jiàn)表1。El-Centro作為人類(lèi)采集到的第一條完整大震記錄，現(xiàn)今El-Centro波已扮演著標(biāo)尺記錄的作用。El-Centro波和Wolong波為近斷層地震記錄，具有明顯的速度脈沖效應(yīng)，而Lancang波和Tianjin波頻率成分豐富，尤其是Tianjin波低頻成分豐富，地震動(dòng)反應(yīng)譜如圖3所示。

進(jìn)行浮放文物振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面隨機(jī)波輸入峰值加速度(PGA)由小到大依次輸入，當(dāng)文物晃動(dòng)角度或扭轉(zhuǎn)角超過(guò)20°時(shí)，出于對(duì)試驗(yàn)設(shè)備安全考慮，認(rèn)為浮放文物達(dá)到極限狀態(tài)，隨即停止試驗(yàn)并記錄極限峰值加速度。

圖3 地震動(dòng)反應(yīng)譜Fig.3 The response spectrum of earthquake ground motion

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及傳感器布置

試驗(yàn)選用WS-30型電磁振動(dòng)臺(tái)，能進(jìn)行水平向和豎向激振，其基本性能指標(biāo)如表2所示。加速度傳感器采用壓電傳感器(1個(gè))和ICP加速度傳感器(4個(gè))，在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面、浮放文物頂部及底部對(duì)稱(chēng)布置相應(yīng)的加速度傳感器，分別用于測(cè)量振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加速度輸入和浮放文物加速度反應(yīng)，加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2，其性能指標(biāo)見(jiàn)表3。振動(dòng)臺(tái)控制儀型號(hào)為WS-5921，集成A/D，D/A，16路單端輸入，2路數(shù)字輸出，采樣頻率可達(dá)200 kHz，在此次試驗(yàn)中，采樣頻率與地震動(dòng)采集頻率一一對(duì)應(yīng)。

表1 地震動(dòng)信息Table 1 The data of earthquake ground motion

表2 振動(dòng)臺(tái)性能指標(biāo)Table 2 The performance index of shaking table

表3 加速度傳感器性能指標(biāo)Table 3 The performance index of acceleration transducer

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在輸入不同頻譜特性地震動(dòng)時(shí)，浮放文物地震反應(yīng)有所不同，Wolong波和El-Centro波屬于近斷層地震記錄，具有明顯的速度脈沖效應(yīng)，對(duì)于浮放輕質(zhì)的文物而言，其極易發(fā)生搖晃，在輸入峰值加速度較小(PGA<100 cm/s2)時(shí)，文物已具有明顯的搖晃現(xiàn)象，而在Lancang波和Tianjin波輸入時(shí)，文物晃動(dòng)幅度較小，基本與振動(dòng)臺(tái)面保持相對(duì)靜止，這可能是由于地震動(dòng)頻率遠(yuǎn)離浮放文物基本頻率，未產(chǎn)生類(lèi)共振現(xiàn)象，因而浮放文物地震反應(yīng)較小。隨著輸入峰值加速度的增大，文物搖晃幅度隨之增大，并產(chǎn)生明顯的滑動(dòng)和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，尤其是在近斷層地震記錄輸入時(shí)尤為明顯。當(dāng)輸入峰值加速度達(dá)到極限加速度(不同地震動(dòng)作用下文物極限加速度有所不同)時(shí)，文物搖晃和扭轉(zhuǎn)明顯，并伴隨著大幅度的滑移，此時(shí)傾斜角或扭轉(zhuǎn)角已超20°，隨時(shí)都有傾覆的可能，出于對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的安全考慮，隨即停止試驗(yàn)并記錄對(duì)應(yīng)的極限加速度值。

2.2 加速度響應(yīng)

圖4-圖7為典型地震動(dòng)輸入極限加速度工況時(shí)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加速度輸入、浮放文物頂部及底部加速度響應(yīng)時(shí)程對(duì)比曲線(xiàn)(以Wolong波和El-Centro波為例)，圖8和圖9為浮放文物頂部水平向功率譜密度(以Wolong波為例)。由于在極限加速度輸入時(shí)，文物搖晃幅度較大，并且伴隨著滑移和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而使得浮放文物加速度響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)在某時(shí)刻出現(xiàn)較大峰值。同時(shí)，由于搖晃和滑移共同存在，使得文物頂部和底部加速度響應(yīng)差異較大。

由浮放文物頂部水平向功率譜密度可知，在典型地震動(dòng)作用下浮放文物水平向加速度響應(yīng)頻譜豐富，主要以較高頻和高頻為主。

圖4 Wolong地震動(dòng)作用下文物振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)(γ=3.14)Fig.4 Time-history curve of relics seismic response under Wolong earthquake ground motion

圖5 Wolong地震動(dòng)作用下文物振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)(γ=4.2)Fig. 5 Time-history curve of relics seismic response under Wolong earthquake ground motion

圖6 El-Centro地震動(dòng)作用下文物振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)(γ=3.14)Fig.6 Time-history curve of relics seismic response under El-Centro earthquake ground motion

圖7 El-Centro地震動(dòng)作用下文物振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)(γ=4.2)Fig.7 Time-history curve ofrelics seismic response under El-Centro earthquake ground motion

圖8 Wolong地震動(dòng)作用下文物頂部功率譜密度(γ=3.14)Fig.8 The PSD at the top of the relics under Wolong earthquake ground motion

圖9 Wolong地震動(dòng)作用下文物頂部功率譜密度(γ=4.2)Fig.9 The PSD at the top of the relics under Wolong earthquake ground motion

圖10為浮放文物頂部加速度響應(yīng)隨地震動(dòng)強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)。由圖10可知，展陳浮放文物加速度響應(yīng)隨地震動(dòng)強(qiáng)度基本呈單調(diào)遞增，在輸入4條相同強(qiáng)度地震動(dòng)時(shí)，展陳浮放文物地震反應(yīng)也存在較大差異，在Lancang波、Wolong波及El-Centro波輸入時(shí)，其加速度響應(yīng)基本處于同一數(shù)量級(jí)，且均大于Tianjin波輸入時(shí)的響應(yīng)。在不同地震動(dòng)輸入時(shí)，地震動(dòng)頻譜特性對(duì)展陳浮放文物影響較大，具有明顯速度脈沖效應(yīng)的Wolong波和El-Centro波輸入時(shí)展陳浮放文物加速度響應(yīng)最大，而低頻成分豐富的Tianjin波輸入時(shí)相對(duì)較小。這表明展陳浮放文物地震反應(yīng)不僅取決于地震動(dòng)強(qiáng)度，還與地震動(dòng)頻譜特性有關(guān)。

對(duì)于質(zhì)心高度一致的浮放文物，浮放文物地震反應(yīng)受文物質(zhì)量m和高寬比γ影響。高寬比為4.2的浮放文物在4條地震動(dòng)輸入時(shí)，其加速度響應(yīng)略大于高寬比為3.14的浮放文物，這主要是由于浮放文物質(zhì)量越輕、高寬比越大，對(duì)地震動(dòng)越敏感，整體穩(wěn)定性更差?？傮w來(lái)說(shuō)，在4條地震動(dòng)輸入時(shí)，浮放文物質(zhì)量較大和高寬比較小者其地震反應(yīng)相對(duì)更小，Wolong波變化明顯，Tianjin波變化相對(duì)不明顯。在進(jìn)行博物館浮放文物展陳時(shí)，宜考慮降低浮放文物質(zhì)心高度和增大文物質(zhì)量，以期減小浮放文物地震反應(yīng)，提高其防震能力。

圖10 浮放文物頂部加速度響應(yīng)均方根值Fig.10 The acceleration RMS at the top of the relics

2.3 加速度傳導(dǎo)比

加速度傳導(dǎo)比是衡量能量傳遞的重要指標(biāo)，其定義為響應(yīng)與激勵(lì)的幅值比，即：

(1)

圖11為地震動(dòng)作用下展陳浮放文物加速度傳導(dǎo)比曲線(xiàn)。由圖可知，加速度傳導(dǎo)比隨輸入加速度變化趨勢(shì)不明顯，表現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性，這主要是由于在地震動(dòng)作用下浮放文物地震反應(yīng)表現(xiàn)為晃動(dòng)、滑移及扭轉(zhuǎn)等，其地震反應(yīng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，從而致使加速度傳導(dǎo)比也表現(xiàn)出了相對(duì)應(yīng)的隨機(jī)性特征。高寬比為4.2的文物其加速度傳導(dǎo)比略大于高寬比為3.14的文物，這與浮放文物加速度響應(yīng)所對(duì)應(yīng)?？傮w來(lái)說(shuō)，Lancang波、Wolong波及El-Centro波輸入時(shí)，浮放文物加速度傳導(dǎo)比接近，且遠(yuǎn)大于Tianjin波作用結(jié)果，加速度傳導(dǎo)比約為其3倍左右。

圖11 加速度傳導(dǎo)比曲線(xiàn)Fig.11 Floating relics transmission ratio under earthquake ground motion

3 結(jié) 論

本文以博物館展陳浮放文物為研究對(duì)象，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析了浮放文物地震反應(yīng)，著重對(duì)比了地震動(dòng)強(qiáng)度、頻譜特性、文物高寬比及質(zhì)量對(duì)浮放文物地震反應(yīng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)浮放文物地震反應(yīng)主要表現(xiàn)為晃動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和滑移，其地震反應(yīng)受地震動(dòng)頻譜特性、強(qiáng)度、文物自身屬性等多因素影響。浮放文物地震反應(yīng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，其響應(yīng)頻譜豐富，主要以較高頻和高頻為主。(2)浮放文物加速度響應(yīng)隨地震動(dòng)強(qiáng)度基本呈單調(diào)遞增，不同高寬比及質(zhì)量的浮放文物加速度響應(yīng)存在差異，高寬比更小、質(zhì)量更大者其響應(yīng)相對(duì)更小，進(jìn)行浮放文物展陳時(shí)，宜考慮增大文物質(zhì)量以期減小地震反應(yīng)。除此之外，地震動(dòng)頻譜特性和浮放文物動(dòng)力特性對(duì)文物加速度影響顯著。(3)浮放文物加速度傳導(dǎo)比具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，這主要是由于浮放文物地震反應(yīng)復(fù)雜所致?？傮w來(lái)說(shuō)，高寬比較大的浮放文物其加速度傳導(dǎo)比略大于高寬比較小者，不同頻譜特性地震動(dòng)作用下，浮放文物加速度傳導(dǎo)比也存在較大差異，這表明地震動(dòng)頻譜特性對(duì)浮放文物響應(yīng)影響顯著。