石佛像减隔震保护研究范文

本站小编为你精心准备了石佛像减隔震保护研究参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

《文物保护与考古科学杂志》2015年第七期

1规范公式抗震计算

浮放式陈列文物在地震中大多以滑动移位、倾覆等运动方式，造成文物的损毁和破坏。佛像材质为石质，则接触面之间的摩擦系数考虑为橡胶和石材之间摩擦系数，查材料手册，初步确定为0．25。释迦像对应的(1)、(2)式中参数分别为:f=0．25，l=0．4m，h=2．25m，将上述参数代入(1)、(2)式，求得释迦像在地震中不发生滑移或倾覆破坏对应的最大地震加速度ahmax=0．823m/s2，而抗震设防烈度8度区对应的罕遇地震最大加速度amax=4m/s2，显然浮放于地面的释迦像不满足抗震要求，会在罕遇地震中出现滑移或倾覆破坏。

2减隔震时程分析

2．1减隔震系数的确定依据规范5．2．1条计算，隔震系数的隔震系数为:。初选佛像对应四个隔震支座，每个隔震支座等效水平刚度取为40000N/m，隔震等效阻尼比λ取0．18，则代入规范5．2．2式。

2．2时程计算条件1)模型物理力学指标。石佛像和减隔震支座的物理力学指标详见表1、2所示。2)模型边界条件。于石佛像底部四个边角设置四组减隔震支座，其参数见表2所示。减隔震支座模拟采用程序内部特有的边界元来实现。3)模型单元。佛像采用块体单元模拟，体量控制在0．2m×0．2m×0．2m左右，共划分块体单元1248个。考虑到实际佛像三维的复杂性，计算模型在保证结构体量近似的情况下，适当做了一定程度的简化，模型图见图3所示。4)采用的时程曲线。佛像所处区域的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0．2g，设计地震分组为第一组，场地类别二类。该场地的反应谱函数见图4所示。竖向坐标轴数据单位为重力加速度g的倍数。选取三条地震波，包括一条1940年记录的El-Centro波，两条人工波，作为支座底部输入地震动时程波，调整时程波峰值达到8度罕遇地震力-位移滞回本构关系曲线见图2所示。相当水平，即4m/s2，并使之具有和场地相符的频谱特性。其中一条时程曲线见图5所示。竖向坐标轴数据单位为重力加速度g的倍数。将该时程曲线进行傅里叶实频域转换，其对应的地震波反应谱曲线见图6所示，图中蓝线为时程曲线对应的加速度反应谱，红线为图4所示的场地加速度反应谱(目标反应谱)，两条曲线最大误差在10%左右，吻合度满足规范要求，说明所选取的时程波是合理的。地震波输入方向为X向，即沿佛像底座0．8米(短边)方向，竖向考虑重力场的影响。由于地震波峰值集中出现在前10s，地震波持时选为10s。

2．3时程反应结果分析选择模型顶部、中部、底部各一个监测点，如图3所示。三个监测点X方向位移时程曲线见图7所示，三个监测点X方向加速度时程曲线见图8所示。由图7可知，佛像顶、中、底三个监测点X向位移基本重合，说明佛像在地震波作用下整体位移形态以刚体平动为主，其最大位移出现在2．79s，对应0．20m的最大位移。由8可知，佛像顶、中、底三个监测点X向加速度基本吻合，其中顶部加速度峰值将中底部两个监测点的加速度包络，说明顶部加速度有轻微程度的放大过程，其X向最大加速度为0．46m/s2。隔震支座的剪力-位移时程滞回曲线见图9所示，从图中可以看出，滞回曲线对应的初始弹性刚度为40000N/m，屈服强度为500N，屈服后刚度为4000N/m，支座最大剪力为1250N。隔震支座竖向轴力时程曲线见图10所示。支座1和支座4轴力相同，曲线重合，支座2、3轴力大体吻合，有轻微差异。支座在整个时程曲线中始终处于受压状态，没有脱空现象。0～1s为重力场施加区间，1s～10s为重力场作用区间，在此区间最大支座压力为34000N，最小支座压力为20500N，均为受压状态，说明佛像在地震过程中不会出现倾覆。以最小支座压力20500乘以静摩阻系数0．25，为5125N，其值大于支座最大剪力1250N，所以佛像在地震过程中也不会出现滑移。同时也说明本研究针对佛像选取的减隔震支座的物理力学性能参数是恰当的。佛像在10s时程分析中，佛像最大竖向拉应力为0．12Mpa，最大竖向压应力为0．61Mpa，水平向最大剪应力为0．029Mpa，应力峰值均出现在佛像下部和减隔震支座接触位置以上0．5米区域，佛像为花岗岩，考虑风化折减后的弯拉强度应在3Mpa以上，远大于佛像最大竖向拉应力0．12Mpa，所以佛像本体在10s时程分析中不会出现破坏。为了说明隔震支座的减震效果，又进行了不设减隔震支座的时程分析，模型底部四个角点采用约束XYZ三个方向位移的铰支座，除此之外，计算采取的其他条件完全和前述设置减隔震支座的模型相同。图11给出了上、中、底三处监测点的时程加速度，从图中可以看出，模型底部时程加速度和地震波时程加速度接近，中部、顶部则依次放大，最大加速度达到10．4m/s2，实际上，这时佛像早已出现倾覆破坏。而设置减隔震支座的X向最大加速度为0．46m/s2，仅为不设置时加速度的4．5%。可见，合理的减隔震支座的减震作用非常明显。

3结论

本研究探讨的石佛像的高宽比达到了5．6，质心较高且底座面积较小，属于减隔震专门研究的范畴［6］。首先基于规范公式确定了佛像的隔震系数和支座刚度范围，进而采用时程分析程序对初选的减隔震支座进行了数值仿真验证，并获得以下结论:1)处于高烈度区，且浮放于地面的高宽比较大的石佛像等文物，其抗震性能存在隐患，需要引起重视;2)减隔震支座可以应用于佛像等高宽比较大的结构物，并能取得显著的减隔震效果;3)减隔震支座的物理力学参数需要和文物本体物理性质相匹配，达到既能耗能又能隔震的效果，其中减隔震的初始弹性刚度、屈服强度、屈服后刚度三个物理指标最为关键。相同地震条件下，隔震文物不同形状、体量的差异决定了对减隔震支座性能指标需求的不同;4)数值仿真验证对于检验支座的有效性必不可少，有条件时应进一步进行振动台试验。同时注意到，目前国内建筑、公铁路行业研发的间隔震支座其适用范围多在几十吨至几千吨的质量范围，石油行业研发的减隔震设备则在百公斤质量范围以内，而大量可移动的石佛像文物其质量多处于数百公斤至十几吨范围，现有的成品减隔震支座并不能直接拿来应用，需要特殊研发。

作者：张立乾 袁瞩辉 单位：总装备部工程设计研究总院 温州市勘察测绘研究