CN104100674A - 一种浮置文物的防震方法 - Google Patents
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Abstract
一种浮置文物的防震方法，在建筑结构的平面展台上设置浮置文物承台，浮置文物置于浮置文物承台之上，其特征在于：所述浮置文物承台与浮置文物之间设置防震装置，所述防震装置进行严格的控制，包括刚度控制、阻尼控制及行程控制，以建筑结构+浮置文物承台+浮置文物全模型分析为依据，以浮置文物的安全性能指标为目标，对防震装置进行优化，基于地震动传播全过程，同时考虑了地震动输入、建筑结构特性、浮置文物承台特性对防震效果的影响，为地震作用下重要浮置文物的安全性能控制提供了科学依据，可有效降低地震发生时重要浮置文物损坏的风险，方法简单可行且结果准确，具有较大的社会意义与工程价值。
Description
技术领域
本发明涉及结构振控制及文物防震技术领域，特别涉及一种适用于博物馆、生化实验室、或精密仪器厂房等重要建筑内部浮置文物的防震装置设计、基于地震动传播全过程、以浮置文物与建筑结构双重安全作为性能指标的浮置文物的防震方法。
背景技术
我国地震灾害频发，历次震害表明，地震是造成建筑结构及其内部物品损毁的主要灾害之一。目前，针对建筑结构防震安全有强制性规范标准要求，并施行严格的设计审查及工程质量检查制度，建筑结构的防震安全有所保障；而针对建筑结构内部物品，尤其是重要浮置文物，防震安全却没有规范要求，大部分建筑结构对于内部物品缺乏科学有效的防震措施，普遍采用传统的固定构造措施或不采取防震措施，地震作用下建筑结构虽能“不倒”，但难以满足内部重要物品防震安全需求。随着经济与技术的发展，我国建筑工程设计不仅要求做到建筑结构安全，对于建筑内部重要物品防震安全性能的要求亦愈来愈高。鉴于传统防震措施难以保证结构内部物品防震安全，一些国外建筑结构已对内部重要物品采用了防震装置。
国外基于将防震装置作为定型产品的设计理念，忽略了每个地区地震动特性的差异性，地震动经历建筑结构和浮置文物承台，传至每个浮置文物的地震作用效应各异，防震装置设计方法与措施并不完善。我国在该领领域尚处于起步阶段，现有防震装置产品多为国外引进，该类定型产品缺乏对我国地震动特性、建筑结构动力特性的准确考量，适用性不高。此外，现有技术中防震装置设置单一，而实际重要浮置文物的防震安全不是单一的防震装置就能解决的，需要开展建筑结构及物品承台动力特性的检测、地震动传播至“浮置文物承台+浮置文物”的全过程安全设计、防震装置参数设计、性能检测等系统保障措施。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，给出一种基于地震动传播全过程、以浮置文物与建筑结构双重安全为性能指标的浮置文物的防震方法，解决现有技术中由于引进国外定型产品、由于缺乏对我国地震动特性及建筑结构动力特性的准确定位、适用性不高的问题；还解决现有技术中防震装置设置单一、防震装置参数不明确、设计方法不合理、在地震作用下建筑结构内部重要浮置文物安全性得不到保证的问题；此外，还解决目前在防震装置参数确定过程中结构及承台动力特性考虑不足、防震效果难以保证的问题。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种浮置文物的防震方法，在建筑结构的平面展台上设置浮置文物承台，浮置文物置于浮置文物承台之上，其特征在于：所述浮置文物承台与浮置文物之间设置防震装置，所述防震装置进行严格的控制，包括刚度控制、阻尼控制及行程控制，控制时采用动力特性检测与有限元分析相结合的手段，建立建筑结构+浮置文物承台+浮置文物的全模型，对防震装置参数进行优化与设计,具体控制步骤包括建筑结构有限元模型的建立和修正、浮置文物承台有限元模型的建立和修正、防震装置参数的初选、浮置文物承台+防震装置+浮置文物的有限元模型的建立和修正以及最终防震装置的确定。
所述浮置文物的防震方法具体包括以下步骤：
步骤一、待建筑物结构施工及展台的布置完成后，在建筑结构的平面展台上设置浮置文物承台；
步骤二、选择防震装置，包括以下步骤：
a、根据建筑结构所在地区的地震设防烈度、地震分组、场地类别及内部浮置文物的重要性，确定地震动输入参数，优选的，地震动输入为地震动加速度时程，应包含不少于5条天然地震动记录及不少于2条人工模拟地震动记录。
b、依据建筑结构图纸关于建筑尺寸、材料、建筑结构寿命、环境类别、使用功能等信息，用建模软件建立符合结构材料、荷载及边界实际情况的有限元模型，进行动力特性分析，结构动力特性报告模态频率、模态振型和模态阻尼比。
c、根据建筑结构刚度及质量分布情况布置测点，测点位置满足评价结构动力特性的需求，对建筑结构进行动力特性检测及识别。
d、由步骤c中工程现场测定的建筑结构动力特性，修正步骤b中的建筑结构有限元模型，直至动力特性相差小于5%。
e、采用步骤a中确定的地震动参数，在计算机有限元软件中对步骤四中的建筑结构有限元模型进行地震作用下的动力时程分析，提取浮置文物承台安放处的加速度时程响应，并取多条地震动输入下的加速度时程响应平均值。
f、建立浮置文物承台的有限元模型，同时对浮置文物承台进行动力特性检测，依据承台动力特性检测结果修正承台有限元模型，直至动力特性相差小于5%。
g、防震装置的参数初选：刚度参数取K0/10，K0=mωn为浮置文物承台的刚度，m为浮置文物承台及浮置文物质量，ωn为浮置文物承台与浮置文物组合体系的固有圆频率；防震装置附加给“承台+浮置文物”组合体系的附加阻尼比不小于10%；防震装置行程不应大于150mm。
h、在步骤f模型的基础上，建立包括浮置文物承台、防震装置、浮置文物的有限元模型，以步骤五中提取的浮置文物安放处的多个加速度时程响应平均值作为激励输入进行包括浮置文物承台、防震装置、浮置文物的有限元模型的动力时程分析，提取浮置文物的加速度时程数据，承台及浮置文物的位移时程数据。
i、以浮置文物的安全性能指标为控制目标，结合容许加速度指标及容许位移行程指标，确定防震装置参数满足：隔震后应满足激励频率与浮置文物隔震后的频率比不小于3.0，防震装置位移行程不大于200mm；当不能满足浮置文物的安全性能指标及防震装置位移行程指标时，修改步骤g中的防震装置参数。
步骤三、依据步骤i中优化确定的装置参数，进行防震装置的现场安装调试，并进行装置性能的现场动力特性检测，当不能满足浮置文物的安全性能指标要求时，返回步骤h调整计算参数重新计算，并修改产品参数;
步骤四、浮置文物的摆放：浮置文物浮放于防震装置上并进行固定；
作为本发明的优选方案，所述步骤i中浮置文物的安全性能指标，按照容许加速度条件是：（1）不发生滑移时， ；（2）不发生倾覆时，。其中，式中b为浮置文物底面宽度；h为浮置文物重心至文物支承面的高度，通过悬物法测定；μ0 为浮置文物与支承面之间的静摩擦系数，ah0为水平容许加速度，g为重力加速度，为抗滑移安全系数，为抗倾覆安全系数。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤四中浮置文物与防震装置之间采用鱼线或卡扣进行固定连接。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：基于地震动传播全过程，考虑了地震动输入、建筑结构特性、浮置文物承台特性对防震效果的影响，立足于浮置文物在地震作用下的安全性能，提出了一种用于重要浮置文物的防震装置参数的确定方法，为地震作用下重要浮置文物的安全性能控制提供了科学依据，可有效降低地震发生时重要浮置文物损坏的风险。本发明提出的浮置文物的防震方法简单可行、且结果准确，具有较大的社会意义与工程价值，可用于博物馆、生化实验室、精密仪器厂房等重要建筑内部浮置文物的防震装置的选择与设计。
附图说明
下面结合附图对本发明的浮置文物的防震方法作进一步说明。
图1为建筑结构、浮置文物承台、防震装置与浮置文物的空间关系示意图；
图2是本发明涉及的浮置文物的防震方法的流程图。
附图标记：1-建筑结构、2-浮置文物承台、3-防震装置、4-浮置文物。
具体实施方式
本发明涉及一种可用于博物馆、生化实验室、精密仪器厂房等重要建筑内部浮置文物的防震装置的选择方法。如图1和图2所示，图1为建筑结构1、浮置文物承台2、防震装置3与浮置文物4的空间关系示意，所述浮置文物承台2设于建筑结构1的平面展台上，所述防震装置3设于浮置文物承台2与浮置文物4之间；图2是本发明涉及的浮置文物的防震方法流程图，其参数控制时采用动力特性检测与有限元分析相结合的手段，依据建筑结构+浮置文物承台+浮置文物的全模型分析，以浮置文物的安全性能指标为目标，对防震装置参数进行优化与设计, 所述浮置文物的安全性能指标包括物品滑移和倾覆状态下对应的容许加速度, 防震装置参数的具体控制步骤包括建筑结构有限元模型的建立和修正、浮置文物承台有限元模型的建立和修正、防震装置参数的初选、包括浮置文物承台、防震装置和浮置文物的有限元模型的建立和修正，以及防震装置的参数确定。
所述浮置文物的防震方法具体包括以下步骤：
步骤一、待建筑物结构施工及展台的布置完成后，在建筑结构的平面展台上设置浮置文物承台；
步骤二、选择防震装置，具体为防震装置的参数控制，包括以下步骤：
步骤a、根据建筑结构所在地区的地震设防烈度、地震分组、场地类别及内部浮置文物的重要性，确定地震动输入参数，优选的，地震动输入为地震动加速度时程，应包含不少于五条天然地震动记录及不少于两条人工地震动记录；
步骤b、依据建筑结构图纸，考虑建筑结构寿命、环境类别、使用功能，通过SAP2000建立符合结构材料、荷载及边界实际情况的有限元模型，进行动力特性分析；
步骤c、根据建筑结构刚度及质量分布情况合理布置测点，对建筑结构的进行动力特性检测及识别；
步骤d、由步骤三中实际测定的结构动力特性，修正步骤二中的有限元模型，直至相差小于5%；
步骤e、采用步骤一中确定的地震动参数，对步骤四中的有限元模型进行地震作用下的动力时程分析，提取浮置文物安放处的动力加速度响应，并取多条地震动输入下的加速度响应平均值；
步骤f、建立浮置文物承台的有限元模型，同时对浮置文物承台进行动力特性检测，依据实际检测结果修正有限元模型，直至动力特性相差小于5%。
步骤g，防震装置的参数初选：刚度参数取K0/10，K0=mωn为浮置文物承台的刚度，m为浮置文物承台及浮置文物质量，ωn为浮置文物承台+浮置文物体系的固有频率；阻尼参数可按照附加阻尼比不小于10%；行程不应大于150mm；
步骤h、在步骤六模型的基础上，建立包括浮置文物承台、防震装置、浮置文物的有限元模型，以步骤五中提取的浮置文物安放处的加速度响应平均值作为激励输入进行动力时程分析；
步骤i、浮置文物的安全性能指标，按照容许加速度条件是：
（1）不发生滑移时，；（2）不发生倾覆时，
其中，式中ks可取1.2，k0可取1.5，b为浮置文物底面宽度；h为浮置文物重心至文物支承面的高度，通过悬物法测定；μ0 为浮置文物与支承面之间的静摩擦系数，ah0为水平容许加速度，g为重力加速度。
以浮置文物的安全性能指标为控制目标，结合容许加速度指标及容许位移行程指标，确定防震装置参数满足：隔震后应满足激励频率与浮置文物隔震后的频率比为4.0，位移行程为150mm。
步骤三、依据步骤i中优化确定的装置参数，进行防震装置的现场安装调试，并进行装置性能的现场动力特性检测，当不能满足浮置文物的安全性能指标要求时，返回步骤h调整计算参数重新计算，并修改产品参数;
步骤四、浮置文物的摆放：浮置文物4浮放于防震装置3上，浮置文物4与防震装置3之间采用鱼线或卡扣对文物进行固定。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种浮置文物的防震方法，在建筑结构（1）的平面展台上设置浮置文物承台（2），浮置文物（4）置于浮置文物承台（2）之上，其特征在于：所述浮置文物承台（2）与浮置文物（4）之间设置防震装置（3），所述防震装置（3）经过刚度、阻尼及行程控制，控制过程中结合动力特性检测与有限元分析，建立建筑结构+浮置文物承台+浮置文物的全模型，对防震装置参数进行优化与设计,具体控制步骤包括建筑结构有限元模型的建立和修正、浮置文物承台有限元模型的建立和修正、防震装置参数的初选、浮置文物承台+防震装置+浮置文物的有限元模型的建立和修正以及最终防震装置的确定。
2.根据权利要求1所述的一种浮置文物的防震方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、待建筑物结构施工及展台的布置完成后，在建筑结构（1）的平面展台上设置浮置文物承台（2）；
步骤二、选择防震装置（3），包括以下步骤：
a、确定地震动输入参数：根据建筑结构所在地区的地震设防烈度、地震分组、场地类别及内部浮置文物的重要性，确定地震动输入参数；
b、建立建筑结构有限元模型：参考建筑结构图纸上关于建筑结构的尺寸、材料、寿命、环境类别及使用功能等的信息，用建模软件建立符合建筑结构材料、荷载及边界实际情况的有限元模型，进行动力特性分析，结构动力特性报告模态频率、模态振型和模态阻尼比；
c、对建筑结构进行动力特性检测及识别：根据建筑结构刚度及质量分布情况布置测点，测点位置满足评价结构动力特性的需求，对建筑结构进行动力特性检测及识别；
d、建筑结构有限元模型的修正：由步骤c中工程现场测定的建筑结构动力特性，修正步骤b中的建筑结构有限元模型，直至动力特性相差小于5%；
e、对建筑结构有限元模型进行动力时程分析：采用步骤a中确定的地震动输入参数，在计算机有限元软件中对步骤d中的有限元模型进行地震作用下的动力时程分析，提取浮置文物承台安放处的加速度时程响应，取多条地震动输入下的加速度时程响应的平均值；
f、建立浮置文物承台有限元模型并修正：参照步骤a至步骤e的方法，建立浮置文物承台有限元模型，同时对浮置文物承台进行动力特性检测，依据承台动力特性检测结果修正承台有限元模型，直至动力特性相差小于5%；
g、防震装置参数的初选：刚度参数取K0/10，其中K0=mωn为浮置文物承台的刚度，m为浮置文物承台及浮置文物的质量，ωn为浮置文物承台与浮置文物组合体系的固有圆频率；阻尼控制中，要求防震装置附加给“浮置文物承台+浮置文物”组合体系的附加阻尼比不小于10%；行程控制中，防震装置行程不大于150mm；
h、建立包括浮置文物承台、防震装置和浮置文物的有限元模型并进行修正：在浮置文物承台有限元模型的基础上，建立包括浮置文物承台、防震装置、浮置文物的有限元模型，以步骤e中提取的浮置文物安放处的多个加速度时程响应平均值作为地震激励输入进行包括浮置文物承台、防震装置、浮置文物的有限元模型的动力时程分析，提取浮置文物的加速度时程数据，以及浮置文物承台和浮置文物的位移时程数据，确定容许加速度指标及容许位移行程指标；
i、确定浮置文物防震装置参数：以浮置文物的安全性能指标为控制目标，结合容许加速度指标及容许位移行程指标，使隔震后激励频率与浮置文物隔震后的频率比值不小于3.0，防震装置位移行程不大于200mm；当不能完全满足时，修改步骤七中的防震装置参数，重复步骤g至步骤h，直至满足要求；
步骤三、防震装置（3）的现场安装调试：依据步骤九中优化确定的装置参数，进行防震装置的现场安装调试，并进行装置性能的现场动力特性检测，当不能满足浮置文物的安全性能指标要求时，修改步骤七中的防震装置参数，重复步骤g至步骤i，直至满足要求，其中，防震装置与浮置文物承台承台采用螺栓连接；
步骤四、浮置文物（4）的摆放：将浮置文物浮放于防震装置上并进行固定。
3.根据权利要求2所述的一种浮置文物的防震方法，其特征在于：所述步骤二的步骤a中，所述地震动输入参数为地震动加速度时程，包含至少5条天然地震动记录及至少2条人工模拟地震动记录。
4.根据权利要求2所述的一种浮置文物的防震方法，其特征在于：所述步骤二的步骤b中，所述建模软件为SAP2000、MIDAS或ANSYS。
5.根据权利要求2所述的一种浮置文物的防震方法，其特征在于：所述步骤二的步骤i中，浮置文物的安全性能指标以容许加速度进行限定，具体如下：
（1）不发生滑移时， ；
（2）不发生倾覆时，；
其中，式中b为浮置文物底面的宽度；h为通过悬物法测定的浮置文物重心至文物支承面的高度；μ0 为浮置文物与支承面之间的静摩擦系数，ah0为水平容许加速度，g为重力加速度，为抗滑移安全系数，为抗倾覆安全系数。
6.根据权利要求2～5任意一项所述的一种浮置文物的防震方法，其特征在于：所述步骤四中浮置文物（4）与防震装置（3）之间采用鱼线或卡扣进行固定连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100120 Beijing Xicheng District Dewai Street No. 12 Applicant after: CHINA AVIATION PLANNING AND DESIGN INSTITUTE (GROUP) CO., LTD. Address before: 100120 Beijing Xicheng District Dewai Street No. 12 Applicant before: China Aviation Planning and Construction Development Co., Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |