摘要:地震灾害一直是人类安全及文物安全的巨大威胁之一,文物防震保护是广大科技工作者和文物保护工作者的重要职责和义务。系统梳理我国文物抗震特点以及防震保护技术的研究进展和应用现状,按不可移动文物和可移动文物两大类,分别以木结构、砖石结构古建筑作为不可移动文物的典型代表,以馆藏文物作为可移动文物的典型代表,从各类文物自身的材料、结构、展藏条件等基本特征出发,分析其地震破坏机理、抗震能力优缺点、传统防震保护技术应用现状,以及不同类型文物所采用的现代防震保护技术研究与应用现状,总结归纳了文物防震保护技术面临的挑战,讨论了文物防震保护研究与应用的重点发展方向。
摘要:以京杭大运河上的明代拱宸桥为研究对象,在ANSYS-CFX环境下建立基于水岩耦合理论的拱桥-水体-场地有限元模型,计算三分向地震作用下石拱桥关键结构部位应力与位移的地震响应特征,探讨水环境对结构地震响应的影响作用。结果表明: ① 水环境对石拱桥结构地震响应具有重要影响,与无水条件相比,有水条件下的结构动力响应的应力状态与位移变形增加,在呈现出显著整体放大特征的同时,亦减缓地震响应的衰减速度。② 拱宸桥桥台与次孔拱券交接处作为应力集中的结构薄弱部位,在水深3、6和 9m 条件下的第一主应力极值的放大倍数是无水条件下的2.41、2.61及2.73倍;中孔拱券顶部桥面处则在地震作用下具有最大位移变形,在水深3、6及 9m 条件下的位移放大倍数分别约为2.52、2.81及2.92倍。 ③ 无水条件下的结构地震响应来自于弹性振动的单一贡献,而水环境的存在将会导致结构弹性振动减小至无水条件的 0.75~0.89 倍;有水条件下的结构刚体运动则由0增大至与弹性振动同一量级,其对总体结构响应的贡献可达 63.14%~74.25% ,从而导致总体应力及变形的显著增加。这可能是水岩耦合条件下明代石拱桥结构地震响应显著放大的成因机制,可为古代石拱桥的维护加固及应急抢险提供参考。
摘要:兵马俑作为不可再生的重要陶质文物,其在地震作用下的响应特征复杂,破坏模式具有高度不确定性。为准确评估其地震损伤状态,基于三维扫描数据建立精细化有限元模型,采用动力时程分析方法,研究兵马俑在不同摩擦系数与地震强度下的响应特点,识别其主要破坏形式为滑移、摇摆和倾覆。在此基础上,构建相应的地震易损性曲线,并提出多级安全指标,建立了涵盖不同摩擦条件与破坏模式的兵马俑地震损伤状态判别指标体系。结果表明:摩擦系数对兵马俑破坏模式影响显著,摩擦较小时兵马俑易发生滑移与倾覆,摩擦较大时以摇摆为主;在设防烈度对应的地震强度( PGA=0.2g )下,兵马俑主要发生摇摆(后倾)和倾覆破坏。该评估体系可用于判断不同地震强度下的主导破坏模式,为文物震害快速评估与保护策略制定提供技术支撑。
摘要:为研究考虑土-结构相互作用下砖石古塔的地震响应,以山西临猗妙道寺西塔为研究对象,通过对地基土施加黏弹性边界并对塔身均质化,建立了西塔有限元模型。采用非线性时程分析方法,研究了西塔在地震作用下的动力响应,并基于高斯分布预估西塔在不同地震烈度作用下的倒塌概率。结果表明:在多遇地震烈度作用下,妙道寺西塔处于弹性状态,应力主要分布在券门顶部及底部,倒塌概率接近于0;在设防地震烈度作用下,西塔位移峰值及层间位移角根据地震波特性出现了不同程度增大,西塔一层震损较为严重,应作为抗震保护的重点;在罕遇地震烈度作用下,塔体层间位移角出现超过层间极限位移角的情况,加速度放大系数也降低,倒塌概率接近 100% 。
摘要:为研究西北地区长城土遗址的病害特征及其抗震性能,以汉长城西湖烽火台为研究对象,通过无人机三维重建技术生成点云数据,采用新型无线模态测试系统获取土遗址动力特性,并验证有限元模型的准确性,结合土遗址病害特征和失稳机理开展地震响应及土遗址病害加固技术研究。结果表明:西湖烽火台存在掏蚀、开裂、券洞塌落及片状剥蚀4类病害,其中掏蚀与开裂耦合导致应力集中于缺口,产生剪切、拉裂破坏;所提出的土坯砌筑、裂缝泥浆填充及券洞封堵加固方案显著改善了掏蚀区的加速度动力放大效应,优化了结构刚度分布,关键区域主应力峰值显著降低,土遗址的结构稳定性得到提升。
摘要:为了探究地震作用下石质文物的力学响应机理,克服传统有限元法在模拟岩石材料的非连续性、各向异性等方面的局限,采用离散元方法对石质佛像进行研究。基于真实佛像三维数据,利用PFC3D软件构建高精度离散元法佛像模型,并引入线性平行黏结模型和光滑节理模型,模拟不同节理数量(10、15、25、50)工况下佛像在Friuli 地震波作用下的动力响应。传递函数分析结果表明,节理会降低佛像的一阶主频,且随节理数量增加一阶主频进一步减小,这反映出节理不均匀分布削弱了佛像结构的整体稳定性,导致结构刚度降低;结合佛像顶部监测点加速度及速度达到峰值时的力链及归一化接触力,进一步分析佛像在地震作用下的应力分布特征。结果显示:在4种工况下,应力主要集中在佛像颈部与底部,表明几何突变区域在地震作用下最易发生失稳破坏。节理导致内部刚度场分布不均,改变了惯性力的传递路径,使力链体系表现出非对称性。在高节理密度条件下,强力链明显偏向模型一侧,主要由于节理集中分布造成局部刚度降低,从而促使应力向完整区域转移,改变了整体力链主导方向。同时,归一化接触力分布进一步量化了力链的空间特征,主应力方向与力链路径高度一致,且随着节理数量的增加,方向谱拓宽,整体传力路径趋于复杂。
摘要:为评估山西南禅寺大殿古建筑木结构的抗震性能,分析木材材性退化对建筑稳定性的影响,采用Wallstat离散元软件建立了大殿的动力模型。采用IDA分析方法,以地面峰值加速度 PGA 为地震强度指标、最大层间位移角 θmax 为结构响应参数,模拟南禅寺大殿结构模型的地震响应,并建立了木材完好及0.85倍、0.75倍材性折减状态下的地震易损性曲线。结果表明:建立的南禅寺大殿离散元模型的自振频率与按规范估算的自振频率相比,误差仅为 6.94% ,验证了该模型的准确性;相同震级地震作用下,柱架最大层间位移角与木材材性退化程度呈正相关,0.75倍折减模型的位移响应显著大于0.85倍折减模型及完好模型;随着PGA增大,结构从轻微损坏和中等破坏变为严重损坏和倒塌,且材性退化会加剧损伤等级。在 PGA=1.0g 地震动作用下,0.75倍折减模型的倒塌概率( 42.43% )较完好模型( 31.45% )增加 10.98% ,而其中等破坏概率则从 4.20% 降至 2.22% 。关键词:离散元;南禅寺大殿;古建筑;木结构;材性退化;IDA分析;地震易损性
摘要:为研究大同华严寺木塔的抗震性能,使用ANSYS有限元分析软件,采用梁柱单元模拟斗和拱建立所有斗拱节点,并建立木塔整体计算模型。通过对木塔动力特性的分析,得到了木塔的自振频率及振型,并选取了7条适合于该场地的地震波,考虑木塔的材料非线性和几何大变形效应,运用时程分析方法对其地震响应进行分析研究。结果表明:在各地震波作用下,木塔具有较强的抗震能力;其位移响应沿塔高呈弯剪型变化,最大位移发生在塔顶,平均值为 32.4mm ;层间剪力和层间位移角沿塔高的变化,与木塔明、暗层的层刚度相协调,最大层间位移角发生在木塔的第3层,平均值为1/438,是该结构的薄弱层。
摘要:为适应复杂地形环境,部分古木建筑结构框架常呈现两侧木柱径高比非对称的特征,造成该类建筑与传统等高古木构架在抗侧力学性能上产生显著区别。为了研究不等高古木建筑的抗侧性能,对等高一榀框架模型进行了拟静力试验,通过ABAQUS软件建立了1组等高一榀框架和4组径高比不同的不等高一榀框架的数值模型,对比分析两种框架的变形模式和抗侧性能。结果表明:等高一榀框架以双侧对称摇摆为主要变形模式,不等高一榀框架则以滑移摇摆为主要变形模式;加载方向对不等高一榀框架的抗侧能力具有显著影响,随着短柱径高比的增大,框架抗侧能力增强,沿短柱和长柱方向加载的不等高一榀框架的抗侧力峰值比等高框架的抗侧力峰值增加195. 87% 和 84.16% 。
摘要:为解决天津小洋楼等近代历史风貌建筑面临的材料老化、维护不足及抗震性能不足的问题,以天津市和平区为研究区,采用现场安全鉴定与专项抗震鉴定相结合的方法,系统调研了58栋具有代表性的近代老旧建筑,并重点对其中的10栋进行了抗震性能鉴定。结果表明:这些砖砌体结构普遍存在砂浆强度低下(甚至粉化)、砌块强度等级低(普遍低于MU7.5)、构件老化严重、平面不规则等问题,整体抗震能力不足,大部分需加固或改造才能满足当前抗震设防要求。通过分析1976年唐山7.8级地震中天津小洋楼的震害特征,研究总结了砖木结构与混合(砖混)结构的典型破坏模式,并针对砖砌体耐久性损伤(如泛霜、冻融、干湿风化、砌筑砂浆粉化)开展了定量分析,建立了损伤演化数学模型与耐久性评定指标体系。
摘要:针对城市环境振动对古建筑的影响问题,以南京明孝陵下马坊牌坊为研究对象,使用浅埋式一体化短周期地震仪开展为期11个月的振动监测,结合频域极化分析与ABAQUS有限元数值模拟技术,分析环境振动特征及结构动力响应机制。结果表明: ① 监测区域内城市环境振动主要由地铁2号线运行及中山门大街公路交通引起,峰值速度呈现显著的时段差异性,与早晚通勤高峰高度耦合;常规时段垂直向峰值速度为 40~400μm/s ;高频段( 10Hz 及 30Hz )振动能量集中且具有周期性,该频段主频与轮轨交互作用主频较为一致。 ② 通过有限元模态分析获得牌坊前3阶固有频率 (4.759 1, 8.564 9, 11.474Hz) ,对应东西向平动、扭转振动及南北向平动振型。典型环境振动激励下,结构顶点最大速度为 0.401 6mm/s ,基础部分最大速度为 0.384mm/s o ③ 构建了“现场监测-极化分析-数值模拟”的古建筑城市环境振动响应评估技术体系,验证了短周期地震仪在城市复杂环境中的适用性;未来需持续关注交通荷载高频振动对古建筑的长期累积影响。
摘要:针对山西崇善寺大悲殿东北角出现的不均匀沉降问题,在崇善寺内布设了由137台短周期地震仪组成的密集台阵,利用扩展的空间自相关算法(ESPAC)提取背景噪声中Rayleigh面波频散曲线,基于遗传算法反演获得崇善寺地区浅层三维S波速度结构,以查明不均匀沉降原因。结果显示:大悲殿沉降明显的东北角附近存在低速异常区域,与大悲殿正下方速度差异大于 20m/s 。结合水文地质调查结果认为,大悲殿东北区域剪切波速度的降低是由土层含水量增大所致,土层含水量变化改变了地基的承载能力,从而导致大悲殿产生不均匀沉降。
摘要:为了检验和对比探地雷达技术在不同介质、探测目标及深度条件下的应用效能,基于电磁波在介质中的传播与反射理论,采用 100MHz 与 400MHz 双濒探地雷达协同探测方法,以山西省崇善寺自然地基、普祠流水通道和平遥古城夯土城墙为研究对象开展对比实验。结果表明:双频天线组合有效实现了深层探测与浅层高分辨率成像的有机结合,显著提升探测效率;明确了3类结构中的雷达响应特征,自然地基表现为均匀连续反射界面,流水通道呈现强振幅双曲线反射及含水异常,夯土城墙显示出层状反射中的脱空、裂隙与疏松等缺陷形态。
摘要:针对西安钟楼基座出现的裂隙发育、材料劣化及振动影响等病害,使用多源监测与数值模拟相结合的方法,对钟楼基座开展了病害性态分析、裂隙和沉降变形监测、动力测试和损伤分析,揭示其损伤演化规律。结果表明: ① 钟楼基座四面墙体均存在裂隙、泛碱、涂刷层脱落和外包砖外露等病害,基座本身存在填埋不密实等病害,基座沉降变形处于稳定状态。 ② 裂隙的变化受气温、湿度的影响较为显著,受游客量影响较小。 ③ 基座在地面车辆交通和地铁运行耦合激励作用下的最大速度幅值为 0.09mm/s ,地面车辆交通振动影响小于地铁运行。④ 基座的薄弱位置位于外墙裂隙、基座四角及内拱券附近;罕遇地震作用下,内拱券交接位置破坏较为严重,需重点关注。
摘要:统计了2016年4月至2017年2月西安钟楼游客客流量的时间分布规律,并分析其主要特点。根据钟楼二层楼面的结构形式,建立了ABAQUS有限元模型,通过人工计算与数值模拟相结合,分析不同荷载条件下二层楼面梁架的承载能力与变形特征。结果表明:客流高峰集中于8月以及五一节、国庆节等法定节假日。楼面梁在 的荷载标准值下的最大弯曲应力为规范强度设计值的 43.54% ,强度储备较大;当中央展区的荷载为2.0kN/m2 时,有限元计算表明楼面梁处于安全状态;当中央展区的荷载为 时,楼面仍满足承载力要求,但中央展区处楼面梁的最大变形已经超出规范限值的 10.4% ,不满足正常使用极限状态的要求,而展区两侧的观光区最大变形也达到限值的 83.84% 。建议采取功能布局优化、引导客流分布及关键构件加固等措施,以实现钟楼的结构稳定与长期保护。
摘要:结合图像处理算法和深度学习模型,提出了一种基于计算机视觉的砌体古建筑损伤识别技术,对砌体结构古建筑进行多种损伤的高精度实时分割检测及定位。在YOLOv8算法基础上提出DC-YOLO算法,针对砌体古建筑损伤特点,对砌体古建筑表面损伤进行优化识别。该算法通过引入动态蛇形卷积(DSConv)和大核深度可分离卷积(CMUNeXt)模块,提高模型对古建筑损伤的识别能力。通过构建一个包含2600余张砌体古建筑不同损伤图像的数据集进行训练,最终损伤识别精度达到 91.2% ,并且可以直接对所识别的损伤进行分割,提高了损伤检测的效率及实用性。
摘要:设计了11组花旗松杆件试件,考察位于纯弯受拉区段距最大拉应力侧边不同位置和不同直径的死节对杆件力学性能的影响。通过对试件进行低周往复加载试验,研究了木节参数对杆件力学性能的作用,包括对滞回性能、刚度退化特性、耗能能力、承载力及破坏模式的影响规律。结果表明:当木节位于中性轴附近,且直径小于40mm 时,对杆件的性能影响较小;当木节位于跨中受拉区,且偏离最大拉应力侧边距离为1/3截面高度区域时,杆件的力学性能会劣化;当木节偏离最大拉应力侧边距离达到截面高度的1/6时,杆件的力学性能衰减更为显著。木节偏离距离及其直径是影响木杆件破坏模式的关键因素。
摘要:针对地震发生时馆藏浮放文物抗震能力不足易遭受巨大损失的问题,对一种曲线滑轨式隔震装置进行地震模拟振动台试验研究。输入三向地震动激励,测试隔震装置的动力特性,对其位移反应、加速度反应以及隔震率进行分析,并对浮放文物进行抗倾覆计算,验证其隔震效果。结果表明: ① 曲线滑轨式隔震装置的位移随着输入PGA 的增加而增加,遭遇IX度罕遇地震时,装置最大水平位移仍低于最大位移限值; ② 隔震装置的隔震率随着输入PGA的增加而逐渐增大,在不同卓越周期的地震动激励下的平均隔震率为 75.84% ,能满足浮放文物的减隔震需求; ③ 地震作用下,高宽比小于11的浮放文物在曲线滑轨隔震装置上不发生倾覆,能够对浮放文物的减隔震保护提供参考和技术支撑,降低文物地震损伤风险。