趙守江，劉子哲，戴君武

(1． 故宮博物院，北京 100009； 2． 中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱 150080)

0 引 言

北京市地處燕山地震帶與華北平原中部地震帶的交匯處，又緊鄰汾渭地震帶和郯廬深大斷裂地震帶，是個(gè)多震區(qū)，歷史上曾遭受過(guò)多次強(qiáng)烈地震的破壞和影響。故宮自1406年(明永樂(lè)四年)開(kāi)始修建，迄今為止，從文獻(xiàn)記錄中查得共經(jīng)歷了二百余次地震的考驗(yàn)[1]。

地震是難以預(yù)報(bào)的突發(fā)性重大自然災(zāi)害，近年來(lái)我國(guó)發(fā)生的多起強(qiáng)震，給當(dāng)?shù)匾约爸苓叺貐^(qū)的文物造成了巨大破壞，例如2008年汶川地震、2010年玉樹(shù)地震以及2013年蘆山地震。其中以汶川地震造成的損失最為慘重，僅四川省文博單位受損的可移動(dòng)文物就有4 379件(套)，其中珍貴文物208件(套)[2]；庫(kù)房受損文物4 280件(套)，占受損文物的97．7%。而文物受損嚴(yán)重的主要原因是由于一些地、市、州、縣博物館和文物管理所保護(hù)意識(shí)較弱，庫(kù)房?jī)?nèi)的文物柜架缺乏必要的固定措施，有些柜架完全傾覆。有些開(kāi)放性文物架設(shè)計(jì)為多層，每層周邊無(wú)遮擋，在地震時(shí)劇烈搖晃。架上的文物彼此碰撞，甚至從柜架四周直接掉落地面摔壞[3]。

由于地震發(fā)生的難以預(yù)報(bào)性、巨大不確定性、發(fā)生后果的嚴(yán)重性，必須要提前做好文物防震保護(hù)措施。故宮博物院其藏品總量多達(dá)186余萬(wàn)件(套)，文物防震工作尤為艱巨。故宮博物院的藏品除了部分用于展覽外，其他一般都是存放于庫(kù)房?jī)?nèi)統(tǒng)一管理。地面庫(kù)房為原有古建筑，儲(chǔ)藏條件差。為改善文物的保管環(huán)境，故宮于1997年建成了我國(guó)第一座地下文物專用庫(kù)。地下文物庫(kù)共有大小庫(kù)房100余座，分兩期建設(shè)：一期工程于1986年開(kāi)工，到1991年竣工，建筑面積為5 000多平方米；二期工程從1994年開(kāi)工，到1997年完工，建筑面積達(dá)16 000平方米[4]。在故宮地庫(kù)建成之后，九十余萬(wàn)件的院藏文物從地面文物庫(kù)房轉(zhuǎn)移到了地下。當(dāng)時(shí)出于防火考慮，文物儲(chǔ)藏柜全部為鐵柜，依據(jù)文物種類分別設(shè)計(jì)為密集柜、多層柜、抽屜柜和異型柜等(圖1)。除了密集柜，其他比如多層柜，抽屜柜都是采購(gòu)市面上普通的鐵皮柜，僅內(nèi)部格局有所變化。由于當(dāng)時(shí)缺少專業(yè)的防震設(shè)計(jì)，柜體沒(méi)有穩(wěn)固措施，均浮放于庫(kù)房地面上，存在安全隱患。

自2013年4月“平安故宮”工程被國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)立項(xiàng)以來(lái)，故宮的文物防震工作一直在有序推進(jìn)，先后完成了第一期院內(nèi)文物防震評(píng)估、第二期文物防震應(yīng)急能力調(diào)研以及雨花閣防震方案、雕塑館隔震設(shè)計(jì)等眾多項(xiàng)目。圍繞故宮地下文物庫(kù)房防震薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行了密集柜樣品及囊匣抗震能力地震模擬試驗(yàn)。鑒于綿陽(yáng)博物館中心庫(kù)房的密集柜在汶川地震中所展現(xiàn)出的優(yōu)異性能[5]，現(xiàn)階段故宮地庫(kù)防震改造的常規(guī)方法也是將獨(dú)立儲(chǔ)藏柜替換成鐵質(zhì)密集柜。這樣既可以增加文物安全性，又能提高庫(kù)房空間利用率。例如圖1中的庫(kù)房，改造后其空間利用率由原來(lái)的40．1%提高到58．3%，布局也更簡(jiǎn)潔美觀。

但是，在庫(kù)房改造過(guò)程中遇到了一些困難，進(jìn)展較為緩慢。首先，故宮地下文物庫(kù)房具有特殊性，安防標(biāo)準(zhǔn)比地面庫(kù)房更加嚴(yán)格。文物保管人員要去提文物，必須要拿到部門(mén)主任的簽字條才能獲得文物庫(kù)的鑰匙。在進(jìn)入文物庫(kù)前，也要經(jīng)過(guò)保衛(wèi)部的檢查登記，之后還有一道分庫(kù)房的門(mén)禁；其次，故宮地下文物庫(kù)是三層全埋式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，庫(kù)房四周完全密閉，人員進(jìn)出與物品搬運(yùn)主要通過(guò)電梯，運(yùn)輸通道狹窄。換氣依賴通風(fēng)設(shè)備解決，由于設(shè)備陳舊，通風(fēng)透氣性很差，各庫(kù)房?jī)?nèi)氣味容易混雜在一起，給保管人員帶來(lái)很大困擾。若是對(duì)現(xiàn)有庫(kù)房整體進(jìn)行改造，將涉及到文物的周轉(zhuǎn)存放、材料設(shè)備的運(yùn)輸、庫(kù)房的安全保衛(wèi)、以及施工人員的監(jiān)督等，牽涉到眾多部門(mén)，不但工作量大、工期長(zhǎng)，而且施工會(huì)影響到庫(kù)房的原有環(huán)境，甚至潛在著諸多不確定因素和安全隱患。因此，亟需變更思路，不能采用一刀切的辦法，要根據(jù)實(shí)際困難制定適用的防震措施，避免出現(xiàn)以上問(wèn)題。

1 措施研究

相較于現(xiàn)有的獨(dú)立儲(chǔ)藏柜，軌道式鐵質(zhì)密集柜最大的防震優(yōu)勢(shì)在于將眾多單組柜連成了一個(gè)整體，減小柜體地震時(shí)搖擺幅度，而且柜體之間的防撞條起到一定的吸能減振效果[5]。如果能將獨(dú)立儲(chǔ)藏柜用構(gòu)件連成一個(gè)整體，再添加一些阻尼器件，或者采取其他措施穩(wěn)固獨(dú)立儲(chǔ)藏柜，也就達(dá)到了相同的防震效果，不僅簡(jiǎn)單快捷，還節(jié)約資金。

同時(shí)，考慮到文物庫(kù)房情況復(fù)雜，如庫(kù)房地面可能不平，文物儲(chǔ)藏柜或許存在變形，柜體間隙大小不一以及在要求不嚴(yán)格的情況中儲(chǔ)藏柜往往大體上擺放規(guī)整，實(shí)際很難做到整齊劃一等因素，防震裝置的設(shè)計(jì)方案和安裝過(guò)程一定要靈活可靠，具有一定的容誤差措施，并能夠根據(jù)實(shí)際情況變換組裝。

設(shè)計(jì)方案要解決的技術(shù)問(wèn)題是在維持庫(kù)房現(xiàn)有格局、不過(guò)度增加庫(kù)房人員工作量的情況下，裝置能提高文物儲(chǔ)藏柜的防震能力，能夠簡(jiǎn)單快速施工，不污染庫(kù)房環(huán)境，不給文物帶來(lái)額外的風(fēng)險(xiǎn)，后期拆卸保養(yǎng)方便且不影響保管人員的日常工作。其基本要求歸納為：安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀。而維持現(xiàn)有布局，盡量避免文物的周轉(zhuǎn)存放就使得不能對(duì)柜體進(jìn)行機(jī)械再加工，防震措施需要在柜外進(jìn)行施加；簡(jiǎn)單便捷且后期拆卸保養(yǎng)方便就要求防震裝置盡量簡(jiǎn)單并且可逆；不污染庫(kù)房環(huán)境要求所用材料應(yīng)環(huán)保，施工過(guò)程不破壞現(xiàn)有庫(kù)房環(huán)境。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：故宮地下庫(kù)房的文物儲(chǔ)藏柜由于是通過(guò)集體采購(gòu)，外形尺寸相對(duì)簡(jiǎn)單統(tǒng)一，其中獨(dú)立儲(chǔ)藏柜的規(guī)格主要為1 200 mm×600 mm×2 000 mm(長(zhǎng)×寬×高)，還有一些為1 500 mm×900 mm×2 000 mm和1200 mm×1 200 mm×2 000 mm等尺寸。由于采購(gòu)時(shí)間不同，文物儲(chǔ)藏柜一種呈現(xiàn)淡黃色，一種呈現(xiàn)乳白色。儲(chǔ)藏柜的布置總體上較為規(guī)整，大多是相互背對(duì)擺放；僅有少數(shù)庫(kù)房的尺寸和儲(chǔ)藏柜數(shù)量存在差異，布局略有調(diào)整。

依據(jù)抗震理論，降低獨(dú)立儲(chǔ)藏柜的高寬比能夠減小振動(dòng)幅度，避免發(fā)生傾覆。而根據(jù)上述的現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)要求，一些傳統(tǒng)的加固手段受到限制，例如柜體之間先打孔，然后再用螺栓連接；柜體之間用免釘膠(或其他強(qiáng)力膠)進(jìn)行粘接或用磁鐵吸附；在墻體或者地面進(jìn)行鉆孔，將柜體錨固等。通過(guò)對(duì)庫(kù)房?jī)?chǔ)藏柜構(gòu)造的詳細(xì)調(diào)查，借鑒夾具的原理，可在儲(chǔ)藏柜上沿處利用特制的構(gòu)件將兩組背對(duì)的儲(chǔ)藏柜綁定在一起。若柜間縫隙較寬，也可酌情塞入一些緩沖材料(如橡膠、硅膠片等)，能起到防撞減振的效果。

根據(jù)構(gòu)思出的方案，設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)易裝置[6](圖2)，主要由三部分組成：夾頭、導(dǎo)桿以及阻尼板。夾頭上部有一通孔，導(dǎo)桿兩端也各有一螺紋孔與之相對(duì)應(yīng)，可用螺栓連接預(yù)緊。夾頭端部有較小的螺紋通孔，里面有緊定螺絲，可輔助緊定。夾塊內(nèi)表面附有一層阻尼橡膠，可增大摩擦力。導(dǎo)桿可選市面上的鋁型材，不僅樣式眾多、質(zhì)輕價(jià)廉，而且加工方便。導(dǎo)桿底部有軌道，使阻尼板可在軌道上自由滑動(dòng)。導(dǎo)軌底部可附有一層薄彈性橡膠，減輕施工中對(duì)儲(chǔ)藏柜頂板的碰撞。導(dǎo)桿兩側(cè)也有導(dǎo)軌，可內(nèi)置角槽直角連接件，從而能將多組裝置連在一起。阻尼板可選用橡膠或硅膠墊片，能增加柜體的阻尼以減輕振動(dòng)，但應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況添加或者去除。如果兩柜之間縫隙過(guò)窄，阻尼板塞入困難，就酌情將其去除。反之就需要添加，使兩柜能夠緊靠在一起。阻尼板可設(shè)計(jì)為：上半部分為金屬滑塊，能夠?qū)U底部自由滑動(dòng)；下半部分中間為金屬薄片，兩側(cè)附有阻尼橡膠。阻尼板能在軌道內(nèi)滑動(dòng)，既可適應(yīng)不同厚度的儲(chǔ)藏柜；又能使安裝更便利且不至于后期掉落。

施工過(guò)程中最好是兩人站于儲(chǔ)藏柜的前后方位配合操作。首先將阻尼板懸掛在導(dǎo)桿上，放入兩柜體間的空隙內(nèi)，導(dǎo)桿底部緊貼柜體頂。其次，導(dǎo)桿兩端分別對(duì)應(yīng)一個(gè)夾頭，可根據(jù)情況增加不同厚度的彈性墊片(可選硅膠)，用螺栓使夾頭頂緊柜體上沿。然后適當(dāng)旋緊緊定螺絲。經(jīng)過(guò)上面步驟，就制成一組完整防震裝置。多組裝置之間可以用縱向?qū)U和直角連接件連成一個(gè)整體，由于橫向?qū)U兩側(cè)有導(dǎo)軌，直角連接件可以自由滑動(dòng)，然后鎖緊就位。若導(dǎo)桿兩側(cè)無(wú)導(dǎo)軌，就需要事先制做出安裝孔，由于安裝誤差，多組導(dǎo)桿安裝孔與直角連接件不能100%的對(duì)準(zhǔn)，可能無(wú)法裝配在一起，影響施工進(jìn)度。而且?guī)旆績(jī)?nèi)的儲(chǔ)藏柜尺寸固定，導(dǎo)桿可制成幾種標(biāo)準(zhǔn)尺寸，柜體縫隙差異可用彈性墊片消除，無(wú)需前期再去庫(kù)房逐個(gè)做精確測(cè)量，減輕保管部門(mén)的工作量。

多組裝置串聯(lián)在一起，使得整排的儲(chǔ)藏柜形成一個(gè)整體，從而增加了穩(wěn)定性。為了達(dá)到更好抗震效果，不同排的儲(chǔ)藏柜也可通過(guò)導(dǎo)桿或者阻尼器連接，使整個(gè)庫(kù)房的儲(chǔ)藏柜連成一片，該裝置主要起到著力點(diǎn)的作用。由于增設(shè)的導(dǎo)桿或者阻尼器橫跨在走道上方，有些影響美觀，一般距離地面在二米左右，對(duì)較大型文物搬運(yùn)可能造成一定影響，而且增加預(yù)算成本，因此需要根據(jù)情況布置。

在裝置實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，抗震的原理和方案相同，但具體的構(gòu)件樣式可不局限于上面示意圖所示，例如，儲(chǔ)藏柜上沿厚度一般約在2．8至3．5 cm之間，夾頭的端部長(zhǎng)度可統(tǒng)一取2．8 cm，以便不影響柜門(mén)的開(kāi)啟閉合；其寬度卻可寬可窄，也可根據(jù)具體部位做成異形(圖3)。這樣兩者就有更大的接觸面積，防止劇烈運(yùn)動(dòng)下發(fā)生脫離。

而且，文物儲(chǔ)藏柜側(cè)邊框厚度2．5 cm，底部框高為7．5 cm，為了使獨(dú)立儲(chǔ)藏柜更牢固的連接在一起，也可在側(cè)面或者底部施加。裝置安裝的部位和數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)靈活確定。

2 分析計(jì)算

為了更好地了解獨(dú)立儲(chǔ)藏柜以及柜內(nèi)文物在地震下的反應(yīng)情況，對(duì)故宮博物院地下庫(kù)房使用較為普遍的一類型號(hào)文物柜進(jìn)行有限元分析模擬。采用的軟件LS-DYNA是著名的通用顯式動(dòng)力分析程序，能夠較好模擬浮放物體的地震反應(yīng)問(wèn)題[7]。模型的材料為鋼材，采用線彈性體分析，物理性能指標(biāo)參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017—2017。柜體長(zhǎng)寬高為1 200 mm×600 mm×2 000 mm，板厚1 mm，內(nèi)部分為三層，每層均擺放有高寬比不同(從1至5)的均質(zhì)長(zhǎng)方體模型(剛體)。柜體和內(nèi)隔板的邊緣均采用U型構(gòu)造以增強(qiáng)剛度，這里簡(jiǎn)化成統(tǒng)一的梁?jiǎn)卧Ｎ奈锕衽c地面的靜摩擦系數(shù)μs=0．40，動(dòng)摩擦系數(shù)μd=0．36；內(nèi)部模型與層板之間的靜摩擦系數(shù)μs=0．30，動(dòng)摩擦系數(shù)μd=0．27。在進(jìn)行時(shí)程分析計(jì)算時(shí)，地震動(dòng)記錄采用El-Centro三向地震波(圖4)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010規(guī)定，加速度峰值分別調(diào)整為200 cm·s-2、400 cm·s-2和620 cm·s-2，以研究文物柜與柜內(nèi)物品在八度設(shè)防地震、九度設(shè)防地震以及九度罕遇地震下的反應(yīng)。

分析結(jié)果如圖5和圖6所示。在峰值加速度αh，max=0．2 g時(shí)，文物柜與地面保持相對(duì)靜止；柜內(nèi)文物基本保持原來(lái)位置，上層出現(xiàn)輕微搖晃。在峰值加速度αh，max=0．4 g時(shí)，文物柜開(kāi)始發(fā)生滑動(dòng)與搖擺；柜內(nèi)文物的搖晃滑移響應(yīng)也顯著增強(qiáng)；各層高寬比為4和5的物體均傾倒，頂層高寬比為3的模型也發(fā)生傾倒。在峰值加速度αh，max=0．62 g時(shí)，文物柜振動(dòng)響應(yīng)更為明顯，水平搖擺幅度達(dá)到6．84°，滑移距離18．9 mm。柜內(nèi)中層與頂層高寬比3、4和5的物體均發(fā)生傾覆，底層高寬比為3的物體雖未傾覆，但晃動(dòng)明顯；頂層未傾覆物體滑移距離大于30 cm，與柜壁發(fā)生劇烈碰撞；中、底層未傾覆物體也均發(fā)生不同程度變動(dòng)。由此可以看出：地震強(qiáng)度越大，儲(chǔ)藏柜晃動(dòng)越明顯；相同地震強(qiáng)度下，柜內(nèi)物體擺放位置越高發(fā)生震害的概率越大。但在三種地震強(qiáng)度下，文物柜均未發(fā)生傾覆，其原因主要可能是由于文物柜與地面的接觸為理想狀態(tài)，靜摩擦系數(shù)為0．40，隨著地震動(dòng)輸入的增大，文物柜產(chǎn)生了滑移，耗散了部分能量，減小了搖擺幅度。

當(dāng)采用上述設(shè)計(jì)的抗震裝置后，兩組文物儲(chǔ)藏柜連接在一起組成雙柜體系。為驗(yàn)證裝置的減震效果，依據(jù)庫(kù)房所在區(qū)域的場(chǎng)地特性[8-10](圖7)另外又選取了Taft波和寧河地震波進(jìn)行時(shí)程分析。為避免重復(fù)性工作，僅計(jì)算儲(chǔ)藏柜在遭受地震峰值加速度αh，max=0．62 g時(shí)的反應(yīng)情況。在分析過(guò)程中，除裝置安裝引起的變化外，模型的其他初始參數(shù)均相同。通過(guò)地震時(shí)程分析，分別獲得了模型的位移和搖擺幅度響應(yīng)結(jié)果(圖8、圖9、圖10)。

單柜高寬尺寸為2 000 mm×600 mm，因此搖擺幅度超過(guò)16．7°后儲(chǔ)藏柜將會(huì)發(fā)生傾覆。從計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)：在輸入不同地震波情況下，柜體反應(yīng)不同；而安裝裝置后的組合柜抗震性能明顯優(yōu)于獨(dú)立儲(chǔ)藏柜。采用三條地震波進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，單柜的搖擺幅度均明顯大于組合后的雙柜，分別為6．84°和9．08°，在寧河地震波作用下甚至發(fā)生了傾覆。而雙柜的搖擺輕微，最大僅為1．64°(El Centro波)；滑移距離卻遠(yuǎn)超單柜，在El Centro波、Taft波和寧河波的地震作用下，滑移距離分別為49．6 mm、69．3 mm和216．4 mm。

上述模擬結(jié)果也與傳統(tǒng)認(rèn)知相吻合：儲(chǔ)藏柜高寬比減小，搖擺幅度隨之減小，進(jìn)而也降低了柜體整體傾覆的可能性；而增大的滑移距離可以更好地耗散地震能量。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示該裝置明顯降低了柜體的搖擺幅度，能夠起到一定的抗震減震效果；如果為了更好的吸能減振并減少滑移，可依據(jù)前面方案，在多組柜上方酌情增設(shè)導(dǎo)桿或者阻尼器。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)庫(kù)房和文物儲(chǔ)藏柜的深度調(diào)研，借鑒軌道式密集柜的防震原理，本研究提供了一種適用于故宮獨(dú)立式儲(chǔ)藏柜的抗震措施，且希望能對(duì)其他博物館的庫(kù)房文物保護(hù)起到借鑒作用。

1) 該裝置主要由夾頭、導(dǎo)桿以及阻尼板三部分組成，可根據(jù)需求靈活變換。與密集柜相比，裝置不僅構(gòu)造簡(jiǎn)單，而且安裝靈活，能更好地符合地下庫(kù)房實(shí)際情況。

2) 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，故宮庫(kù)房?jī)?nèi)的獨(dú)立儲(chǔ)藏柜抗震性能較差。遭受的地震強(qiáng)度越高，柜體反應(yīng)就越劇烈。在九度罕遇地震作用下，柜體的搖擺幅度較大，其中在選取寧河地震波進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，儲(chǔ)藏柜甚至發(fā)生了傾覆。

3) 選取了三條地震波進(jìn)行九度罕遇的對(duì)比分析，在相同初始條件下，裝置安裝后的雙柜搖擺幅度均明顯降低，最大僅為1．64°(El Centro波)。而滑移距離比未采取措施時(shí)有所增大，滑移距離達(dá)到了216．4 mm(寧河波)，增大的滑移距離可以更好地耗散地震能量，避免柜體傾覆。因此，設(shè)計(jì)的裝置能夠明顯提高獨(dú)立儲(chǔ)藏柜的抗震能力。