CN103425837A - 一种馆藏文物防轨道交通振动的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种馆藏文物防轨道交通振动的设计方法。本发明基于五个阶段描述轨道交通振动从振源到馆藏文物的振动传播过程；通过对五个阶段中某个或多个阶段设计防振措施进行振动抑制形成防振方案；以决策因子η为目标函数，以文物振动响应R不超过限值[R]为约束条件建立优化方程；选取与最优决策因子在一定偏差范围内的防振方案作为备选防振方案，从而实现馆藏文物防轨道交通振动设计，为后续的认为审核提供依据。本发明切实从文物的安全稳定性角度出发，基于轨道交通振动传播过程，对馆藏文物提出一种性能化防振设计方法，提高了轨道交通振动下馆藏文物的防振安全性，填补了国内外在该领域的研究和方法不足；为设计人员提供了设计思路。

Description

一种馆藏文物防轨道交通振动的设计方法

技术领域

本发明涉及文物保护领域，具体涉及一种馆藏文物防轨道交通振动的设计方法。

背景技术

博物馆是可移动文物的主要收藏场所，通常作为城市标志性建筑建造于城市繁华区。同时，我国城市轨道交通建设发展迅猛，交通网络不断密集，且越是在城市繁华区，交通越繁重，不可避免有轨道交通在博物馆周边或下方穿过的可能。轨道交通（如地铁）车辆在行进过程中，会产生较大的振动，这种振动频率范围较宽，能够通过土层传递到建筑基础，再传递到建筑结构的各个楼层，由楼层振动激发藏品展柜振动，进而使展柜中文物常年处于轨道交通振动影响的环境之中。

轨道交通振动对博物馆的馆舍及馆藏文物的危害属微振动疲劳损伤，短期内不易发觉，易遭到忽视，尽管轨道交通振动对文物安全稳定性的危害性已开始显现，但由于我国轨道交通建设迅猛发展时间不长，轨道交通振动对文物危害的严重性还没有真实体现出来，若不能科学地处理轨道交通建设与文物保护的关系，将对国家文物安全稳定性造成重大隐患。

轨道交通是国民经济发展的大动脉，是城市实力的表征，经济发展与社会进步离不开大规模轨道交通建设；文物是民族文化的瑰宝，传载着深远的历史和文化内涵，一旦失去将无法挽回。为此，在迅猛发展轨道交通建设的大背景下，亟待建立系统的科学量化的轨道交通振动下馆藏文物安全稳定性能化设计方法、防护标准及防护关键技术应用体系。

目前，国内外针对轨道交通振动下馆藏文物安全稳定性评价与设计的研究很少，认识深度不足，基本没有相关标准、规范，一般是由地铁或建设部门按照现代结构安全评价标准（基本不考虑文物的特殊安全需求）进行评价，国内外已因此造成多起文物安全事故。为此，亟需对馆藏文物的防振提出目标明确、量化可行的设计方法和相关减隔振技术措施。

发明内容

针对上述国内外在馆藏文物防轨道交通振动研究领域的不足和空白，本发明基于对轨道交通振动传播至馆藏文物的振动全过程进行深入研究，对振动传播、衰减规律及振动抑制方法有了准确把握，由此提出一种全新的馆藏文物防轨道交通振动的设计方法，有效解决在轨道交通振动影响下馆藏文物的安全稳定性问题。

本发明的目的在于提供一种馆藏文物防轨道交通振动的设计方法。

为了有效地隔离馆藏文物受轨道交通振动的影响，要先明确轨道交通振动传播到馆藏文物的过程。总的说来，轨道交通引发的振动传播到馆藏文物主要经历如下阶段：①轨道交通振动源→②在土体等传播介质中传播→③在建筑结构中传播→④在展柜结构中传播→⑤文物。其中，阶段②的振动一般是随传播距离的增加而衰减，阶段③和④的振动有可能会随传播距离的增加而放大。

本发明的一种馆藏文物防轨道交通振动的设计方法，以上述五个阶段来描述轨道交通振动从振源到馆藏文物的振动传播过程，具体包括以下步骤：

步骤I：确定计算文物振动响应R时所需要的参数；

步骤II：对振动传播过程的五个阶段的任意组合设计防振措施，形成多个防振方案；

步骤III：对于步骤II的每个防振方案，计算得到相应的文物振动响应R；

步骤IV：初步确定步骤II中的每个防振方案的各阶段的价格因子F_i、难度因子D_i和优先因子P_i，i∈{1、2、3、4、5}；

步骤V：根据步骤IV中的价格因子F_i、难度因子D_i和优先因子P_i，得到决策因子η，建立每个防振方案的“以决策因子η为目标函数，以文物振动响应R不超出限值[R]为约束条件”的优化方程；

步骤VI：找出决策因子η中的最大值max（η）为最优决策因子，选取与最优决策因子max（η）的偏差在δ%内的防振方案作为备选防振方案，实现馆藏文物防轨道交通振动的设计，如果没有则返回步骤II；

其中，步骤I与步骤II可互换，步骤III与步骤IV可互换。

本发明的设计方法基于五个阶段描述轨道交通振动从振源到馆藏文物的振动传播过程；通过对五个阶段中某个或多个阶段设计防振措施进行振动抑制形成防振方案；以决策因子η为目标函数，以文物振动响应R不超过限值[R]为约束条件建立优化方程，选取与最优决策因子在一定偏差范围内的防振方案作为备选防振方案，实现馆藏文物防轨道交通振动的设计。备选防振方案通过专家审核和行政审核，综合判断备选防振方案的合理性，并从中找出满足认为审核的最优的防振方案，实现防振方案既能满足优化方程，又能满足人为审核。本发明的设计方法为后续的人为审核提供满足优化方程的备选防振方案，从而提高了轨道交通振动下馆藏文物的防振安全性，填补了国内外在该领域的研究和方法不足；本发明为设计人员提供了设计思路。

在步骤I中，通过模拟试验和现场实测手段，确定拟用轨道交通荷载、场地振动传播与衰减规律等步骤III中计算文物振动响应R所需要的参数。

在步骤II中，基于振动传播过程的五个阶段，馆藏文物防轨道交通振动设计包括调整设计参数和采用隔振、阻振及减振等技术措施两种方法。具体的针对每个阶段的防振措施包括：阶段①可采用线路规划调整、车辆参数优化、轨道参数优化、轨道结构减振、轨道结构隔振和道床板参数调整及减振措施中的一种或多种；阶段②可采用隧道基础调整、隧道壁调整、隔振沟、波阻屏障和声屏障等方法中的一种或多种；阶段③可采用调整建筑结构设计参数、建筑结构基础隔振、建筑结构减振和建筑房间减隔振技术措施等方法中的一种或多种；阶段④可采用调整展柜结构设计参数或展柜阻尼减振等方法；阶段⑤可采用隔振展台等方法。

在步骤III中，建立理论与有限元计算模型，模型包含上述五个过程从振动源到馆藏文物的全部内容，计算文物振动响应R。通过模拟试验和现场实测，修正理论与有限元计算模型的参数；现场实测的文物振动响应和理论与有限元计算模型的文物振动响应的结果偏差不大于10%，得到理论与有限元计算模型。约束条件中的文物振动响应R可用加速度、速度、位移等物理量中的一种或多种表达。

在步骤IV中，价格因子F_i为振动传播过程的五个阶段中第i个阶段实施防振措施所需费用的相对值，该值越大表示费用越高；难度因子D_i为五个阶段中第i个阶段实施防振措施难度的相对值，该值越大表示实施难度越大；优先因子P_i为五个阶段中第i个阶段采取防振措施的优先顺序相对值，该值越大表示实施顺序越优先。

在步骤V中，采用理论与有限元计算模型，通过调整设计参数或采用隔振、阻振、减振等技术措施的方法对防振措施进行求解，并结合分析过程对初步确定的难度因子D_i、价格因子F_i及优先因子P_i进行调整优化，综合考虑分析结果、难度因子、价格因子确定优化方程。

在步骤VI中，δ为理想偏差值，为一个预先设定的值，优选的，δ不大于20。

本发明基于五个阶段描述轨道交通振动从振源到馆藏文物的振动传播过程；通过对五个阶段中某个或多个阶段设计防振措施进行振动抑制形成防振方案；以决策因子η为目标函数，以文物振动响应R不超过限值[R]为约束条件建立优化方程；选取与最优决策因子在一定偏差范围内的防振方案作为备选防振方案，从而实现馆藏文物防轨道交通振动设计，为后续的认为审核提供满足优化方程的备选防振方案作为依据。本发明采用理论与有限元计算模型、模拟试验和现场实测三者相结合的分析手段；以理论与有限元计算模型为主计算文物振动响应，通过模拟试验和现场实测，修正理论与有限元计算模型的参数；现场实测的文物振动响应和理论与有限元计算模型的文物振动响应的结果偏差不大于10%。

本发明的优点：

1）本发明切实从文物的安全稳定性角度出发，基于轨道交通振动传播全过程，对馆藏文物提出一种性能化防振设计方法，提高了轨道交通振动下馆藏文物的防振安全性，填补了国内外在该领域的研究和方法不足；

2）本发明以防止馆藏文物振动为目标，综合权衡五个阶段的振动抑制性价比，用优化方程求解，得到最优的防振方案；

3）本发明涵盖了国内外从轨道交通振动源到馆藏文物振动全过程的振动抑制主要方法，便于相关设计人员参考，为设计人员提供了设计思路。

附图说明

图1为本发明的馆藏文物防轨道交通振动的设计方法的一个实施例的流程图；

图2为本发明的馆藏文物防轨道交通振动的设计方法的一个实施例的难度因子D₁的构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

本实施例的馆藏文物防轨道交通振动的设计方法包括以下步骤：

步骤I：通过模拟试验和现场实测手段，确定拟用轨道交通荷载、场地振动传播与衰减规律等在步骤III中计算文物振动响应R所需要的参数。

在振动传播过程的五个阶段中，在轨道车辆试验室进行试验，得到拟用车辆荷载。通过隧道、场地土体等现场实测试验测得场地振动传播与衰减规律，如隧道尚未建成，可选择其他特征相似的路段进行类比实测试验。如果建筑结构已建成，可通过实测或计算机模拟得到振动在建筑结构中的传播与衰减规律；如果建筑结构尚未建成，可通过计算机模拟得到振动在建筑结构中的传播与衰减规律；模拟的振动输入能量应与相应轨道交通实际运营情况产生的振动能量接近。这些参数将为后面建立理论与有限元计算模型提供基础的参数。

步骤II：对振动传播过程的五个阶段的任意组合设计防振措施，形成多个防振方案。

基于振动传播过程的五个阶段，馆藏文物防轨道交通振动设计包括调整设计参数和采用隔振、阻振及减振等技术措施两种方法。具体的针对每个阶段的防振措施包括：阶段①可采用线路规划调整、车辆参数优化、轨道参数优化、轨道结构减振、轨道结构隔振和道床板参数调整及减振措施中的一种或多种；阶段②可采用隧道基础调整、隧道壁调整、隔振沟、波阻屏障和声屏障等方法中的一种或多种；阶段③可采用调整建筑结构设计参数、建筑结构基础隔振、建筑结构减振和建筑房间减隔振技术措施等方法中的一种或多种；阶段④可采用调整展柜结构设计参数或展柜阻尼减振等方法；阶段⑤可采用隔振展台等方法。

步骤III：建立理论与有限元计算模型，模型包含振动传播过程的五个阶段的全部内容，对于步骤II的每个防振方案，计算得到相应的文物振动响应R。

按照振动传播过程的五个阶段，建立包含列车轨道、场地土、建筑结构、展柜和馆藏文物的整体有限元模型。初始的理论与有限元计算模型不含对五个阶段采取减振、隔振、阻振技术措施，通过模拟试验和现场实测，修正理论与有限元计算模型的参数；现场实测的文物振动响应和理论与有限元计算模型的文物振动响应的结果偏差不大于10%，得到理论与有限元计算模型。然后，采用上面得到的理论与有限元计算模型，计算对五个阶段的任意组合采取防振措施后的文物振动响应R。为简化分析，可对若干环节进行简化，或分成若干子结构进行计算。

本发明的方法一般在ANSYS软件中进行分析，各种隔振、阻振和减振技术措施亦可在ANSYS软件中模拟。

步骤IV：初步确定步骤II中的每个防振方案的各阶段的价格因子F_i、难度因子D_i和优先因子P_i。

价格因子F_i为五个阶段中每个阶段实施所需费用的相对值，该值越大表示费用越高，对应的方案越不易被采用。如：五个阶段均能实现从振动源到文物传播的振动抑制，为实现相同的减振率（减振率定义为：各阶段采用减振措施后文物振动减小值与各阶段均未采用减振措施的文物振动初始值的比例），各阶段所需付出的总费用；为便于计算，取五个阶段中最高费用的阶段的价格因子F_i为100%，其他阶段的价格因子F_i为不大于100%的数值。

难度因子D_i为五个阶段中每个阶段实施难度的相对值，该值越大表示实施难度越大，对应的方案越不易被采用。难度因子D_i表达每个阶段随着自身设计参数变化所造成的实施难度变化。D_i不宜取值太小，实施时可取D_i≥0.4；且实施难度最大时取D_i=1.0。如，对于阶段①振源减振的浮置板，铺设距离越长，难度因子D₁越大，并且从0.4到1.0按非线性增大；如图2所示，图中S₁为阶段①振源减振的浮置板的距离，对于阶段①振源减振的浮置板，浮置板区段设计车速越快，难度因子D₁越大，并且从0.4到1.0按非线性增大；对于阶段②阻振的隔振沟，一种可行的D₂取值为：深度S₂=2m、3m、4m、6m、9m时，分别对应D₂=0.40、0.43、0.48、0.65、1.0；对于阶段③的建筑结构减振或隔振，隔振垫竖向承载能力大时，会造成竖向减振效果下降、水平变形能力下降，因此可将竖向承载能力作为D₃的参数；对于阶段④的展柜减振，如各种措施难度近似或相等，可取D₄=0.4；对于阶段⑤的文物振动控制，目前应用较为成熟的仅有文物展台隔振，方案较少，不妨取D₅=0.4。

优先因子P_i为五个阶段中每个阶段实施的优先顺序相对值，该值越大表示实施顺序越优先。优先因子P_i主要考虑规划、行政决策等影响，五个阶段实施会有不同的优先考虑顺序；取最优先选用的方案为P_i=100%，其他阶段的优先因子P_i为不大于100%的数值，如五个阶段中两个或多个阶段无明显的优先顺序，优先因子P_i数值可取为一致。一般情况下，在阶段②中采取措施最方便实施，可取P₂=100%；由于每个博物馆的展品数量非常大，在阶段④和阶段⑤采取措施数额巨大，且临时展品经常更换，不同展品的振动控制量值又不同，所以，阶段④和阶段⑤的优先因子P₄和P₅一般取值较小，可取P₄=P₅=0.4；阶段①和阶段③虽然可能会费用较高，但是，如果能将此阶段的振动控制到最小，相当于为馆藏文物提供了一个良好的振动环境，便于各种文物摆放，因此，优先因子P₁和P₃取值稍高，可取P₁=P₃=0.7。

对于一个工程来说，价格因子F_i、难度因子D_i和优先因子P_i的数值及变化规律并非唯一确定，宜结合工程特点、专家审核和行政审核来调整。

步骤V：根据步骤IV中的价格因子F_i、难度因子D_i和优先因子P_i，得到决策因子η，建立每个防振方案的“以决策因子η为目标函数，以文物振动响应R不超出限值[R]为约束条件”的优化方程。

以决策因子η为目标函数，决策因子η随价格因子F_i增大而降低，随难度因子D_i增大而降低，随优先因子P_i增大而增大；以文物振动响应R不超出限值[R]为约束条件，文物振动响应R可用加速度、速度和位移等物理量表达。构建如式（1）的优化方程，将步骤IV中得到的参数代入优化方程进行求解。

max η＝η(1/F_i，1/D_i，P_i)                (1)

s.t.R≤[R]

式中：maxη表示对决策因子η取最大的优化方程；η（*）表示因变量为*的函数；式（1）的第二行表示状态方程，根据相关的国家规范预先设定限值[R]。一种可能的优化方程如式（2）所示：

$\max \mathrm{\η}=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{F_i\×D_i}{P_i}}---\left(2\right)$

s.t.R≤[R]

对于步骤II中形成的各个防振方案，按照上式的优化方程计算得出决策因子η，同时防振方案的文物振动响应R满足第二行表示的状态方程。

步骤VI：找出决策因子η中的最大值max（η）为最优决策因子，选取与最优决策因子max（η）的偏差在δ%内的防振方案作为备选防振方案，实现馆藏文物防轨道交通振动的设计。即，备选防振方案符合式（3）：

$\frac{\max \left(\mathrm{\η}\right)-{\mathrm{\η}}_i}{\max \left(\mathrm{\η}\right)}\×100\%\≤\mathrm{\δ}\%---\left(3\right)$

式中，δ为预先设定的理想偏差值，优选的，δ不大于20。如果没有符合条件的防振方案，则返回步骤II。

将以上本发明得到的备选防振方案通过专家审核和行政审核，综合判断备选防振方案的合理性，并从中找出满足认为审核的最优的防振方案。如果按照上述设计方法提供的备选防振方案均不能满足人为审核，那么按照本发明提供的方法重新提供备选防振方案，直至防振方案既能满足优化方程，又能满足人为审核。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种馆藏文物防轨道交通振动的设计方法，其特征在于，轨道交通引发的振动传播到馆藏文物经历如下阶段：①轨道交通振动源→②在土体等传播介质中传播→③在建筑结构中传播→④在展柜结构中传播→⑤文物，以这五个阶段来描述轨道交通振动从振源到馆藏文物的振动传播过程，所述设计方法具体包括以下步骤：

步骤I：确定计算文物振动响应R时所需要的参数；

步骤II：对振动传播过程的五个阶段的任意组合设计防振措施，形成多个防振方案；

步骤III：对于步骤II的每个防振方案，计算得到相应的文物振动响应R；

步骤IV：初步确定步骤II中的每个防振方案的各阶段的价格因子Fi、难度因子Di和优先因子Pi，i∈{1、2、3、4、5}；

步骤V：根据步骤IV中的价格因子Fi、难度因子Di和优先因子Pi，得到决策因子η，建立每个防振方案的“以决策因子η为目标函数，以文物振动响应R不超出限值[R]为约束条件”的优化方程；

步骤VI：找出决策因子η中的最大值max（η）为最优决策因子，选取与最优决策因子max（η）的偏差在δ%内的防振方案作为备选防振方案，实现馆藏文物防轨道交通振动的设计，如果没有则返回步骤II；

其中，步骤I与步骤II可互换，步骤III与步骤IV可互换。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤I中，通过模拟试验和现场实测手段，确定拟用轨道交通荷载、场地振动传播与衰减规律在步骤III中计算文物振动响应R所需要的参数。

3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤II中，基于振动传播过程的五个阶段，馆藏文物防轨道交通振动设计包括调整设计参数和采用隔振、阻振及减振的技术措施两种方法。

4.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，阶段①采用线路规划调整、车辆参数优化、轨道参数优化、轨道结构减振、轨道结构隔振和道床板参数调整及减振措施中的一种或多种。

5.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，阶段②采用隧道基础调整、隧道壁调整、隔振沟、波阻屏障和声屏障中的一种或多种。

6.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，阶段③采用调整建筑结构设计参数、建筑结构基础隔振、建筑结构减振和建筑房间减隔振技术措施中的一种或多种。

7.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，阶段④采用调整展柜结构设计参数或展柜阻尼减振。

8.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤III中，建立理论与有限元计算模型，模型包含上述五个过程从振动源到馆藏文物的全部内容；通过模拟试验和现场实测，修正理论与有限元计算模型的参数，计算文物振动响应R。

9.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤V中，决策因子η随价格因子F_i增大而降低，随难度因子D_i增大而降低，随优先因子P_i增大而增大。

10.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤VI中，δ不大于20。

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