支架固定館藏人物俑文物振動臺試驗研究

摘要： 為研究博物館最常用的支架固定措施固定館藏人物俑文物的抗震有效性，開展了兩類典型體型易損、材質易損人物俑文物復制品?支架固定措施抗震系統足尺振動臺試驗研究。獲得了人物俑在不同工況下的地震響應及人物俑與支架間的相互作用，探討人物俑關鍵體型參數、金屬支架卡固位置、支架尺寸、固定措施與人物俑間安裝縫隙對該類文物運動狀態的影響，評估了支架固定措施的抗震有效性并提出了合理建議，為兼顧安全性及最小干預原則的支架固定人物俑文物的優化設計提供必要依據。研究結果表明：浮放人物俑均發生傾覆，具有極大震損風險；采用支架固定后可有效降低人物俑的搖擺響應，隨著人物俑復制品的質心高度與底座寬度比值增加以及其質量增大，較小尺寸支架發生明顯塑性變形甚至根部斷裂，導致人物俑傾覆并損壞；隨著支架尺寸的增加，其對文物固定效果的提高作用有限，基于文物保護最小干預原則，綜合考慮文物的抗震安全及藝術展示效果，優化支架尺寸；支架固定人物俑肩部時，人物俑搖擺響應得到一定控制，但隨著支架固定位置的提高，人物俑滑移響應愈加明顯；當支架與人物俑相互作用時，人物俑表面出現明顯損傷，在兩者縫隙填充硅膠墊，人物俑的搖擺響應和滑移響應分別降低近40%和50%，支架根部應變下降近40%，人物俑與支架接觸處應變下降近60%，有效提高了支架固定措施的抗震有效性。

關鍵詞： 振動臺試驗；"館藏人物俑文物；"金屬支架；"抗震有效性；"減震措施

中圖分類號： TU352.11 """文獻標志碼： A """文章編號： 1004-4523（2024）08-1409-14

DOI："10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2024.08.015

1 概""述

歷經千年歷史的人物俑，是中國非常寶貴的文化遺產。當地震來臨時，文物的主要運動狀態包括搖擺、滑移、扭轉等^［1?6］。人物俑文物質心高度與底座寬度的比值較大，在地震作用下容易發生傾覆破壞，屬于體型及材質易損文物。同時，博物館中的人物俑文物展陳布置具有排列緊密的特點，若其中一個傾覆易導致成片損壞，從而造成非常嚴重的后果^［7］。在中國近二十年的幾次強烈地震作用下，相關區域博物館中的許多文物都受到了極大的破壞^［8?11］，如2008年汶川8.0級地震中部分博物館秦俑受損嚴重^［7］；2021年四川瀘縣6.0級地震中可移動文物與陳列臺連接的金屬卡件崩落等^［11］，引起了研究人員的高度重視。國家文物事業發展“十三五”規劃中提出“加大保護力度，文物保護裝備研發”的迫切要求，《文物安全防控“十四五”專項規劃》^［12］中也明確要求建立健全的防災體系，強化科技支撐。文獻［13］中提出，基于館藏文物安全需求，應采取措施進行隔震和消能減震，以降低文物地震響應。為滿足上述需求，傳統固定措施^［14?17］與減隔震手段^［18?21］應用于文物抗震保護，其中量大面廣的傳統固定措施（卡固件固定法、魚線栓綁法、支架固定法等）由于其價格低廉、構造簡單、安裝方便，在博物館布展中使用廣泛。近年來，已有學者^［15?17］對卡固件固定法、魚線栓綁法固定梅瓶類文物進行振動臺試驗研究，結果表明優化設計后的傳統固定措施能有效降低文物地震響應。

然而，已有研究中缺少針對地震作用下體型及材質易損人物俑文物的抗震固定措施研究。當對人物俑文物采用魚線進行栓綁固定時，人物俑在地震作用下仍會產生較大滑移與搖擺響應甚至傾覆，且其固定所需面積大，不符合博物館中人物俑緊密陳列的擺放方式，如圖1所示。同時，固定措施失效后文物復制品破損嚴重，如圖2所示。因此，館藏人物俑文物通常采用強度較高、占地面積較小的金屬支架固定，如圖3所示。然而，目前布展時針對不同類型、不同體型人物俑通常采用相同的支架形式與卡固方式，且支架尺寸較小，其在地震作用下易發生損壞，國內外針對支架固定人物俑文物抗震效果的研究較少，針對不同體型人物俑的匹配支架，且現有研究中缺乏關于支架與文物相互作用的研究。因此迫切需要針對不同類型人物俑采用不同形式支架進行固定時的抗震效果進行深入探究，為博物館保護人物俑類地震易損文物提供科學有效的建議和優化措施。

為實現上述目標，本文綜合考慮人物俑體型、高度、質量，支架尺寸，卡固位置，有/無硅膠墊、地震波類型、作用方向以及強度等影響因素，對支架固定典型人物俑地震易損文物復制品進行足尺振動臺試驗研究，獲得人物俑復制品的地震響應、支架根部應變變化，以及支架與人物俑復制品接觸處人物俑表面應變變化，探討支架固定人物俑的抗震效果，對現有博物館中人物俑固定方式進行抗震有效性判別，提出支架固定人物俑的優化方案，為館藏人物俑文物的布展設計提供科學依據。

2 支架固定館藏人物俑復制品振動臺試驗概況

2.1 試驗模型選取及支架設計

根據人物俑文物在博物館中的陳列調研結果，綜合考慮地震作用下館藏文物材質易損和體型易損的特點，選取了兩類典型體型的人物俑復制品，并針對不同人物俑高度，選取具有代表性的5個足尺人物俑復制品，如圖4（a）所示，幾何參數如表1～2所示。博物館對上述5種人物俑文物多采用直徑5"mm金屬支架卡固腰部，支架根部通過螺紋連接于臺面，本次試驗中支架設計選用金屬材質（彈性模量為200 GPa，屈服強度為400 MPa），如圖4（b）所示。同時，為研究支架卡固腰部的抗震有效性、卡固其他部位（肩部）對人物俑文物動力響應的影響和不同直徑支架對人物俑文物的固定效果等，支架高度與尺寸設計參數如表3所示。為與實際展陳固定方式保持一致，試驗中魚線沿支架環開口方向約束人物俑復制品，支架桿與環、底板通過螺紋連接，底板固定于振動臺臺面，如圖5所示。

2.2 試驗儀器設備

試驗主要儀器設備包括水平地震模擬振動臺、藍牙數字傾角儀、朗斯加速度傳感器、東方所COINV采集儀、東華應力應變動態采集儀、松下激光位移傳感器、拉力計、亞克力陳列臺座、龍門架、魚線、熱熔膠槍、120?3AA應變片等，測試儀器布置圖如圖5所示。

2.3 測量內容與測量方案

《館藏文物防震規范》（WW/T 0069—2015）^［22］中提出，為防止地震發生時文物的損壞、滑移、傾覆、搖晃或扭轉，首先考慮合適的傳統措施；針對珍貴文物需要采用試驗分析法分析館藏文物的地震作用效應。在性能目標要求中也提出在發生罕遇地震時文物不傾覆，僅發生有限滑移（不發生碰撞）并且不損壞，保護措施不應對文物造成額外損傷。因此本次試驗測量內容主要包括文物復制品的轉角、底部滑移、支架根部的應變和支架與復制品表面接觸處的應變、施加地震波時振動臺臺面加速度以及人物俑復制品與臺面的摩擦系數。

由于支架環開口具有方向性，試驗過程中分別施加X向與Y向的單向地震波，考察不同方向的地震響應以及文物復制品與固定措施的相互作用。以采用支架固定的5號武士俑復制品肩部為例，X向與Y向說明及人物俑復制品與支架上應變片編號如圖6所示，各測量儀器監測內容如表4所示。

在單向地震波作用下，由于人物俑復制品體型分布不均勻，X和Y向上均會發生滑移，因此用兩個方向的合位移來反映人物俑的滑移。限于篇幅，采用地震波加載方向的文物復制品轉角進行分析（主控轉角）。在試驗前采用拉力計對5種文物復制品與亞克力臺面間的摩擦系數進行測定，每種接觸關系測量6次并取平均值，最終摩擦系數取值如表5所示。

2.4 地震波選取與試驗工況

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）^［23］的選波原則，綜合文獻［24］選擇采用Newmark三聯譜為目標譜的選波方法，從美國太平洋地震工程中心的強震記錄數據庫（PEER/NGA）中下載7個臺站的雙向水平記錄，以No.1～No.7對其進行編號，如表6所示。試驗時考慮到振動臺雙向位移限值，因此選擇前3條地震波（No.1～No.3）作為本次試驗所用地震波，對每條地震波進行調幅。為重點探究不同體型和尺寸人物俑文物復制品在地震作用下的動力響應以及不同參數支架的抗震固定效果，進一步降低博物館建筑結構和展柜對人物俑文物運動狀態的影響，參考某博物館的首層地面沿墻區域放置的人物俑文物，振動臺試驗工況邊界條件與此相似。

以某抗震設防烈度為8度地區的博物館為原型，根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）^［23］的規定，多遇、設防及罕遇地震加速度峰值分別為0.07g，0.2g及0.4g（g=9.8 m/s²）。為檢驗支架固定人物俑在強震作用下的有效性，增加抗震設防烈度為9度地區的罕遇地震加速度峰值0.62g作為8度地區的極罕遇地震加速度峰值。具體試驗工況如表7所示。

3 支架固定館藏人物俑復制品振動臺試驗結果分析

3.1 浮放人物俑復制品振動臺試驗現象及結果分析

在進行支架固定人物俑復制品試驗前，先將5種人物俑復制品浮放于振動臺臺面，如圖7所示。分別輸入No.1～No.3地震波，探究浮放人物俑在地震波作用下的運動狀態，結果如表8所示。以No.1地震波作用下浮放人物俑復制品為例，其搖擺響應時程曲線如圖8所示。

結合表8和圖8可知，浮放人物俑文物復制品在強烈地震作用下均發生傾覆，具有極大的震損風險，且當人物俑的質心高度與底座寬度的比值和質量越大，人物俑越易傾覆。因此亟需針對該體型易損及材質易損人物俑文物的有效抗震固定措施進行深入研究。

3.2 支架固定人物俑復制品試驗現象分析

3條地震波作用下文物復制品的動力響應規律相似，限于篇幅，以No.1和No.3地震波作用為例，5種人物俑復制品在地震波作用下的典型運動狀態如圖9所示。

結合圖9可得：

（1）"對比圖9（a）與（c）以及圖9（n）與（o），在不同體型的人物俑復制品中，當人物俑復制品的質心高度與底座寬度的比值較小且自身質量較輕時，支架的保護效果較好，地震作用過程中人物俑復制品發生搖晃幅度小，在地震波作用結束后，人物俑復制品恢復至初始位置。

（2）"如圖9（c）～（d）和9（g）～（j）所示，當地震波加速度峰值達到0.62g時，采用支架固定后，較大尺寸的高420 mm和高600 mm武士俑復制品均未發生傾覆，但沿支架支撐方向產生滑移和扭轉，在地震波作用結束后，兩種武士俑復制品均未能恢復至初始位置，具有較大的殘余變形。對比圖9（c）～（d）和9（i）～（j），當人物俑復制品重心位置較高時，支架固定在腰部時對人物俑復制品的搖擺限制較弱；當地震波加速峰值較高時，人物俑復制品更容易發生大幅度搖擺。

（3）"人物俑復制品體型越高、質量越大，對支架的尺寸要求越高。如圖9（g）所示，5號人物俑復制品在地震波作用下發生較大搖擺時，支架出現明顯的彎曲變形。由圖9（h）～（i）可得，當地震波沿支架支撐方向作用時（Y方向），人物俑復制品未發生明顯扭轉；而當地震波沿垂直支架方向作用時（X方向），人物俑復制品更容易發生扭轉，主要是因為在人物俑復制品的側面無豎向支撐抵抗人物俑復制品產生的傾覆力矩。

（4）"圖9（e），（f），（m）說明較小尺寸支架固定較大體積文物時，支架桿極易發生較大塑性變形甚至斷裂，導致人物俑復制品發生傾覆，支架環在反復作用下發生不可恢復的塑性累積變形。

（5）"如圖9（n）～（p）所示，唐三彩人物俑復制品質心高度/底面尺寸相對較小，在適合尺寸的支架固定下該類人物俑地震響應相對較小，但由于其表面凹凸不平未能與支架環完全貼合，因此在加速度峰值較大時，仍會有較大搖擺與滑移響應。

（6）"如圖9（k）所示，由于金屬支架與人物俑復制品相互作用，人物俑復制品表面發生嚴重損傷；圖9（l）中人物俑復制品發生顯著晃動，與臺面多次碰撞，導致損壞。故需要進一步分析文物與固定措施之間的相互作用，提出優化建議，減小文物的局部損傷。

3.3 支架固定人物俑復制品試驗結果分析

支架固定人物俑復制品代表性轉角時程曲線如圖10所示，不同人物俑復制品在地震波作用下的搖擺、滑移峰值對比如圖11所示。不同地震波作用對采用同一種固定措施人物俑復制品抗震效果的影響如圖12所示，其中5號武士俑在采用直徑5 mm支架固定時，支架發生斷裂，在采用直徑8"mm和10 mm支架卡固肩部時，經歷前兩條地震波作用后，支架已經進入塑性變形階段，并未繼續加載第3條地震波。

結合圖11和12可得：

（1）支架支撐方向與地震波的作用方向是否一致對支架的抗震固定效果有一定影響：博物館為滿足布展需要將支架安裝于人物俑文物背面，以3號武士俑復制品和4號唐三彩人物俑復制品為例，如圖11（a）～（f）所示。當支架支撐方向與地震波作用方向一致時（Y方向），人物俑復制品的主要運動方向與地震波方向平行，支架抵抗人物俑復制品傾覆力矩效果最優；而當地震波作用方向與支架支撐方向相垂直時（X方向），人物俑復制品在主要運動方向上沒有足夠支撐，產生較大的搖擺與滑移。建議在支架固定人物俑時增加隨型卡固件固定人物俑底部，進一步降低人物俑的地震響應。

（2）固定人物俑選用的支架尺寸和卡固位置會對人物俑復制品地震響應產生影響。以人物俑復制品在Y向地震波作用下采用3種不同尺寸支架固定時的峰值響應為例，如圖11（g）～（p）所示。當人物俑的高度與質量較小時，如1號武士俑復制品與2號唐三彩人物俑復制品，選用5 mm支架就能夠起到較好的固定作用，增大支架直徑對其保護效果提升不明顯。當人物俑高度與重量較大時，如3號、5號武士俑復制品和4號唐三彩人物俑復制品，直徑5"mm的支架固定效果明顯降低，出現較大的搖擺與滑移響應，3號武士俑復制品在采用5 mm支架保護時該人物俑復制品搖擺產生的轉角超過6°，在增大支架直徑至8 mm時，該武士俑復制品在加速度峰值0.62g時搖擺與滑移響應分別下降近50%與40%，而繼續增加支架直徑至10 mm時，固定效果提升有限。當加速度峰值達到0.62g時，人物俑復制品高度與質量增加，采用直徑8 mm支架固定時支架進入塑性，耗散部分能量，直徑10 mm支架仍處于彈性階段，同時，支架環在反復作用下發生不可恢復變形，在大震中人物俑復制品更容易掙脫支架固定，導致試驗中10 mm支架固定人物俑復制品的運動響應增大，如圖11（i）～（l），（o）～（p）所示。5號武士俑復制品與4號唐三彩人物俑復制品的主要運動規律與3號俑相似，主要區別在于5號俑在加速度峰值達到0.62g時，直徑5 mm支架發生斷裂。

對比圖11（i），（k）和11（j），（l）所示武士俑復制品的支架固定位置發生變化時的響應，固定人物俑復制品肩部對其上部搖擺響應限制效果明顯，而下部的滑移增加；固定人物俑復制品腰部時，其上部搖擺響應較大，對滑移的限制效果增強。

（3）試驗中按地震波編號順序加載，圖12（a）～（d）對比不同地震波相同峰值加速度時人物俑復制品的地震響應，No.1與No.2地震波作用下，人物俑復制品的搖擺角峰值較為相近。在加載至第3條地震波時，支架桿與支架環已經發生一定程度的塑性變形，由于累積損傷，限制人物俑搖擺的能力顯著降低。圖12（c）中當對5號俑復制品加載No.1與No.2地震波后，支架出現明顯變形，因此未繼續加載No.3地震波。

（4）結合試驗結果，根據文物是否傾覆，支架是否發生不可恢復的殘余變形為失效判據，獲得有效固定不同體型人物俑復制品所需支架尺寸如表9所示。

3.4 支架固定人物俑相互作用分析及優化建議

由試驗現象可得，支架未失效時人物俑復制品不會發生傾覆，但由于人物俑復制品表面不平滑，與支架之間存在不可避免的安裝縫隙，使得人物俑復制品在搖擺過程中與支架相互作用，造成人物俑復制品局部損壞，如圖9（k）所示。故為量化支架?人物俑相互作用系統的應變變化，以3號武士俑復制品固定肩部/腰部和4號唐三彩人物俑復制品固定腰部為例，監測人物俑復制品表面與支架接觸處的應變以及支架根部的應變。同時在4號俑復制品與支架的安裝縫隙間增加硅膠墊使支架與人物俑復制品表面更加貼合，對比增加硅膠墊與未增加硅膠墊時支架固定人物俑復制品的抗震效果，試驗現象如圖13所示。3號俑復制品在受Y向No.1地震波作用時，支架根部不同方向應變對比如圖14所示。4號俑復制品代表性應變時程曲線如圖15所示。在No.1地震波作用下人物俑復制品與支架相互作用以及人物俑復制品的地震響應峰值對比分別如圖16和17所示。

結合圖13～17可得：

（1）以3號武士俑復制品為例，對比圖14（a）～（b）和14（c）～（d），當地震波沿X方向反復作用于該武士俑復制品時，武士俑復制品發生搖擺時易帶動支架發生繞支架豎桿轉動，削弱支架側面抵抗傾覆力矩的能力。當加速度峰值達到0.62g時，圖14（b）～（d）中直徑為5 mm的支架根部微應變最大達到3000，遠超出支架的屈服應變，支架進入塑性變形階段，支架根部發生不可恢復的殘余變形，當繼續加載時，支架對人物俑復制品的固定效果降低。

（2）以支架固定4號唐三彩人物俑復制品為例，在支架與人物俑復制品間增加硅膠墊后，當地震波作用時支架根部的應變呈下降趨勢，應變最大可下降近40%，如圖16（a）～（d）所示。同時，在兩者接觸處人物俑復制品表面豎向應變最大可下降60%，硅膠墊有效降低了人物俑復制品與支架的相互作用。

（3）根據圖13中（c）～（f）所示，當支架固定4號唐三彩人物俑復制品時，在未增加硅膠墊時，由于與支架接觸處人物俑表面不平滑易產生縫隙，在地震波加速度峰值較大時，人物俑復制品掙脫支架固定，產生較大扭轉及滑移響應；在兩者接觸處增加硅膠墊后，人物俑復制品表面與支架更加貼合，人物俑復制品與支架未發生脫離，支架固定效果顯著提升。同時，人物俑復制品的搖擺與滑移響應均降低，如圖17（a）～（d）所示。以直徑5 mm支架固定該人物俑復制品為例，采用硅膠墊后人物俑復制品的搖擺響應與滑移響應分別降低近40%（0.4g）與50%（0.62g）。對比圖13（a）～（b），（e）～（f），在峰值加速度較大時，增加硅膠墊后直徑5 mm支架對該人物俑復制品的抗震固定效果仍低于直徑8 mm支架的抗震固定效果，故采用支架固定人物俑文物時，應優先選擇尺寸、剛度合適的支架，再增加硅膠墊等構造措施填充安裝縫隙，進一步降低人物俑地震響應及兩者的相互作用。

4 結""論

本文以支架固定兩類體型、五種高度的典型地震易損人物俑復制品為研究對象，通過振動臺試驗研究，探討文物復制品在不同工況下的地震響應及文物復制品與支架間的相互作用，對支架固定人物俑類文物進行抗震有效性判別，為布展設計提供依據，主要結論如下：

（1）隨著地震波峰值加速度增加，不同體型及尺寸的浮放人物俑復制品均發生傾覆，具有極大的震損風險；采用支架固定后可有效降低文物的搖擺響應。

（2）質量、質心高度、底面寬度、人物俑表面平滑度等是影響其運動狀態和相互作用的關鍵參數。隨著人物俑復制品的質心高度與底座寬度比值增加以及其質量增大，在地震波作用下較小尺寸支架發生明顯塑性變形甚至根部斷裂。增加支架尺寸能夠提高對文物的抗震固定效果，但由于安裝縫隙的存在，在大震作用下搖擺反應仍較劇烈，且震后無法恢復至初始位置。同時，隨著尺寸的增加對文物固定效果的提高作用有限，基于文物保護中的最小干預原則，綜合考慮文物的抗震安全及藝術展示效果，給出建議支架尺寸。

（3）當支架卡固人物俑位置發生變化時，卡固在人物俑肩部與卡固在腰部相比搖擺響應得到一定的控制，最大可下降近40%，但隨著支架固定位置的提高，滑移響應增加。

（4）博物館為滿足布展需要將支架安裝于人物俑類文物背面，當地震波作用方向沿人物俑側面時，人物俑仍會產生較大地震響應，建議在支架固定人物俑時增加隨型卡固件固定人物俑底部，進一步降低人物俑的地震響應。

（5）由于安裝縫隙的存在，當支架與人物俑復制品相互作用時，人物俑表面出現明顯損傷，在支架與人物俑安裝縫隙增加硅膠墊等構造措施能有效提高支架固定效果，并降低人物俑與支架的相互作用，搖擺響應與滑移響應分別降低近40%與50%，人物俑表面應變與支架根部應變分別下降近60%與40%，有效防止人物俑局部損傷。

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Shaking table tests of figurine cultural relics fixed by supports

WANG Meng SHI Xun YANG Wei-guo GE Jia-qi MA Bo-tao ZHANG Man-sheng LIU Pei

（1. Department of Architectural Engineering，"School of Civil and Architectural Engineering，"Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，"China；"2. Beijing’s Key Laboratory of Structural Wind Engineering and Urban Wind Environment，Beijing 100044，"China；"3. China Aviation Planning and Design Institute （Group）"Co.，"Ltd.，"Beijing 100120，"China）

Abstract： In order to study the seismic effectiveness of the most commonly used support method for fixing figurine cultural relics，the full-scale shaking table tests of the seismic system （two types of figurine replicas with typical size and vulnerable materials and fixed measures of supports）"were carried out. The seismic responses of the cultural relic replicas and the interaction between the cultural relic replicas and supports under different working conditions were obtained. The influence of the key body shape parameters of figurines，"the clamping position of metal supports，"the support size，"the installation gap between cultural relic replicas and fixed measures on the movement state of cultural relics was discussed. The seismic effectiveness of support measures was evaluated and reasonable suggestions were put forward. It provided the necessary basis for the optimal design of fixed method for this type of cultural relics with the principle of safety and minimum intervention. The results showed that all the floating figurine replicas were overturned，"which had a great risk of damage. The rocking responses of figurine replicas were effectively reduced after independent supports were used for fixation. As the ratio of the center of gravity height to the base width of the figurine replicas increases，"along with the increase in their mass，"the obvious plastic deformation or even the root fracture occurred in the case of smaller supports，"resulting in overturning and damage of figurine replicas. At the same time，"with the increase of the size of the supports，"the improvement of the fixation effect was limited. Based on the principle of minimum intervention for cultural relics，"and considering the seismic safety and the art exhibition，"the support size should be optimized. The rocking responses of figurine were controlled to some extent when its shoulder was fixed by the support，"however，"with the increase of the fixed position，"the sliding response of the figurine was more obvious. The surface of the figurine was easily damaged because of the interaction between the support and the figurine. When the gap between the two was filled with silica gel cushion，"the rocking and sliding responses of figurine replicas were reduced by nearly 40% and 50% respectively，"the strain at the root of the support was reduced by nearly 40%，"and the strain at the contact area between the figurine and the support was reduced by nearly 60%，"which effectively improved the seismic effectiveness of support measures.

Key words： shaking table test；"figurine cultural relics；"metal support；"seismic effectiveness；"shock absorption measures

作者簡介： 王""萌（1985―），女，博士，教授。E-mail："wangmeng1117@gmail.com。