支架固定馆藏人物俑文物的抗震优化设计研究

为优化支架固定馆藏人物俑文物的抗震效果,选取不同尺寸和体态的典型地震易损人物俑文物复制品(武士俑和唐三彩人物俑),开展文物复制品-优化组合措施(支架和卡固件)抗震系统振动台试验,获得影响文物复制品运动状态的关键优化参数、文物复制品与支架相互作用规律,并检验组合措施对较大体积人物俑文物的抗震固定效果。建立文物复制品-组合措施相互作用系统数值分析模型,通过参数分析,获得支架与文物间安装缝隙、在安装缝隙内填充不同种类隔震垫对文物动力响应的影响、文物复制品与固定措施相互作用规律及采用独立支架/组合措施有效固定人物俑的最小支架尺寸,为兼顾安全性及最小干预原则的固定措施优化设计提供必要依据。结果表明:相比独立支架,组合措施能够有效降低人物俑文物动力响应,有效提高固定效果;为保证人物俑文物安全,建议支架与文物间安装缝隙不大于5 mm;在缝隙中填充橡胶垫及硅胶垫可使文物与支架间相互作用力降低50%~75%,有效防止文物局部损伤;当人物俑文物体型超过一定限值,独立支架不再适用,建议选择支架和随形卡固件组合措施。

冻融作用下云冈石窟砂岩损伤特性与风化评估

在冻融条件下云冈石窟砂岩风化现象严重,为深入了解砂岩在冻融作用下的物理力学特性损伤与风化程度变化,针对云冈石窟砂岩开展了室内冻融循环模拟风化试验.在饱和条件下通过设置不同冻融循环次数得到不同风化程度的砂岩,采用实验室内多种原位宏观无损检测技术对循环前以及每5次循环后的砂岩进行测试,得到砂岩在冻融循环过程中的破坏特征以及各物理力学特性参数.结合微观检测技术从细观角度探讨了砂岩内部结构损伤机制及性能指标变化原因,并根据波速比值变化判断砂岩风化程度.试验结果表明,砂岩风化特征表现为颗粒脱落,结构逐渐破坏并产生裂隙,砂岩风化程度逐渐加深,经60次循环试验后砂岩达到中等风化程度.多种检测方法的测试结果均表现出一定的规律性:砂岩的质量、超声波速、硅、钙元素含量、抗压强度等均随冻融循环次数的增加而降低;砂岩孔隙率随冻融循环次数的增加而增大;砂岩冻融循环次数、超声波速以及抗压强度之间存在一定的关联性,建立了三者数值关系式并可直接应用.

太赫兹无损检测在文物保护领域的研究进展

为更好地设计基于不同材料、不同制作工艺文物的最佳保护方案,文物保护科技人员首先需要选用最有效的无损检测方法对文物进行全面检测。太赫兹波具有光子能量低、对非金属和非极性物质有较强穿透性、可同时获得脉冲电场振幅和相位信息、较好的抗干扰能力等独特性质,使其在诸多无损检测方法中脱颖而出。本文系统综述了太赫兹技术在文物无损检测应用中的最新研究进展;阐述了不同类型文物材料的太赫兹光谱特征、太赫兹成像检测技术原理和特点;指出了太赫兹无损检测技术对不同类型文物进行无损检测的技术关键点,列举了太赫兹技术在文物科学领域最成功和最具代表性的应用实例。最后展望了太赫兹无损检测技术在文物保护领域的发展趋势。

不可移动石质文物岩石理化性质研究——以重庆市石佛寺遗址摩崖造像区为例

以重庆市石佛寺遗址摩崖造像区为工程背景,通过开展野外勘测及岩石试样的理化性质测试,提出一种针对不可移动石质文物的理化性质研究方法,即跨尺度分析方法。室内试验采用宏观试验及微观试验,宏观试验包括三轴试验和直剪试验,微观试验包括扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析。采用宏观试验测得样品的基本力学参数;通过电镜分析可知,试样为标准的砂岩,孔隙率较大,表明其对水的敏感性较高,在长期干湿循环作用下,其强度会随着时间的推移而降低,即典型的水岩相互作用;XRD衍射试验表明,由于砂岩中黏土矿物含量较高,故其水理性质较差,抗风化能力较弱,这是导致其风化的主要原因。地质雷达勘测及辅助声波探测表明,在有效保护文物的前提下,可以采用该方法对文物进行宏观和微观的跨尺度科学分析。

文物展柜隔震装置的振动台试验研究

为有效保护馆藏文物,减小地震损害,设计并研制了一种直线导轨式文物展柜水平隔震装置。根据某一博物馆展柜及文物建立了2个等比例模型,在其中一个展柜底部安装隔震器,与不加隔震器的展柜同时进行振动台试验,对比测试隔震器的隔震性能。通过加载水平单向地震波,测试了文物展柜隔震系统的自振特性,对比分析了文物展柜隔震系统的位移响应、加速度响应和减震率。试验结果表明:在不同类型和不同强度的地震波作用下,相比非隔震条件,文物展柜隔震系统的位移及加速度响应较小,能保持稳定振动状态;隔震装置的减震率在60%以上,行程始终在容许范围内,且复位能力较好。因此,本隔震装置的隔震效果很好。

微纳米Ca(OH)_(2)加固遗址土室内试验研究

无机材料以兼容性强、耐久性好等特点被广泛应用于土遗址加固,特别疏松结构土遗址加固一直是学界关注的焦点,微纳米Ca(OH)_(2)具有分子结构小、加固效果显著和耐久性好等特点。以世界文化遗产锁阳城为代表,制备密度为1.5 g/cm^(3)的疏松土样,采用浓度为5%、7.5%和10%微纳米Ca(OH)_(2)的悬浊液滴渗加固,通过透气性、色差、无侧限抗压强度和抗剪强度测试发现,透气性下降值均在2%以内,5%和7.5%微纳米Ca(OH)_(2)加固后色差ΔEab*均小于4,在一定范围内可接受;其中用浓度为7.5%微纳米Ca(OH)_(2)加固3次后抗压强度和抗剪强度均有提高,无侧限抗压强度增长率为9.8%,土的黏聚力增加了34%,内摩擦角提高了9°;土-水特征曲线表明,微纳米Ca(OH)_(2)对土的体积收缩率具有较好的抑制作用。扫描电镜、X射线衍射和热重分析发现,微纳米Ca(OH)_(2)渗透加固后,在碱性环境下发生了的物理化学反应,在物理层面主要通过填充、包裹和镶嵌等使得疏松体更加密实,化学层面主要通过氢氧化钙的碳酸化反应形成新的钙质胶结物,这是其强度提高的主要原因。研究表明,微纳米Ca(OH)_(2)在土遗址防风化加固方面具有潜在应用价值。

面向石质文物裂隙的超声定位系统及算法研究

面向石质文物多年风化、干裂,急需修复的场景,针对深度学习在文物裂隙检测应用中的不足,提出一种基于缺陷特征增强和卷积神经网络(CNN)的石质文物缺陷定位算法。算法通过小波包分解进行特征提取并选择包含丰富特征信息的有效频段,作为CNN网络的输入,通过模型训练和波形分类识别,缩小定位范围,提高缺陷定位算法的泛化能力和识别率。本文搭建了以现场可编程门阵列(FPGA)为核心的超声检测平台,并在边长为40 cm的立方体试件上进行了实验验证,实验结果表明,波形识别准确率相较传统算法提高了11.3%,平均定位误差小于10%,为石质文物裂隙检测提供了可靠依据,有助于文物保护和修复。

浮放文物隔震保护与振动台试验

浮放文物在地震中往往会遭受严重破坏,采用隔震技术保护文物安全是行之有效的手段。本文提出了一种模块式金属隔震支座,通过浮放花瓶振动台试验验证了隔震装置的可行性。隔震支座由金属板、直线导轨、滑块、弹簧和摩擦阻尼器组成,采用双层双向布置,可实现水平地震作用解耦。导轨和滑块用于限制隔震支座的运动方向并防止支座发生倾覆;弹簧用于调节隔震支座的水平刚度,通过施加预紧力提供自复位能力;摩擦阻尼器用于控制隔震支座的水平变形,使耗能能力可调节。隔震支座具有模块化特征,可根据设计需要调整弹簧、摩擦阻尼器的数量和布置位置。结果表明:隔震支座具有良好的隔震效果,隔震支座顶部加速度响应为振动台台面加速度响应的28.10%~78.01%;隔震支座的隔震效果与峰值地面加速度(PGA)有关,减震率随着PGA增大而降低,隔震效率提高;隔震支座的实际残余位移在不同地震动类型、地震动强度下均小于参考残余位移,通过调节摩擦阻尼器和弹簧的参数,残余位移可控;文物滑动、倾覆现象与计算结果相符,隔震支座可防止文物在地震作用下产生倾覆,必要时仍需要采取传统抗震措施辅助;设计用于小型文物的隔震支座时应充分考虑减震率、隔震位移需求、支座变形能力限制和自复位能力,多个目标有时难以同时满足,需要取舍。

超声波技术在文物保护领域中的应用研究进展

文物是物化的文明。文物的不可再生性决定了针对文物的研究要尽可能地采用无损的研究方法,这也是近年来文物保护研究方面的前沿领域。参考近年来国内外超声波技术在文物保护领域中的应用研究进展,本文详细介绍了超声波技术在文物风化程度评估、文物内部探伤、水下文物探测和文物修复方面的应用研究案例,对各项技术潜在的影响因素进行归类,并对可行的解决方案展开讨论。超声波技术具有无损、快速、准确的特点,越来越多的案例表明,这项技术在文物保护领域将会获得更加广泛的应用并为解决其中的问题提供新的思路。

基于无损检测的古代服用毛纤维及皮革种属的鉴别与应用研究

文物无损检测是目前文物科技保护的主要行业需求和急需解决的技术问题,尤其针对古代毛纤维鳞片参数测量不准确问题和皮革种属无损检测需求,急需开发相应无损检测技术,挖掘文物隐藏价值。经激光共聚焦测量,获得了17种动物毛纤维鳞片翘角和鳞片间距等鳞片参数和差异特征值,近红外化学计量对标本进行2次距离匹配化学计量后,有效验证值达96.4%以上。利用上述方法对新疆巴州地区出土的毛织物和皮靴进行检测分析,结果表明其中三件织物所用毛纤维均为绵羊毛,一件皮靴所用皮革为羊皮,对探究这些文物当时制作工艺中的材质来源起到佐证作用。基于激光共聚焦测量和红外光谱化学计量模型的无损鉴别方法具有可扩充性和检测标准化等优点,对古代毛纺纤维与皮革制品的材质起到鉴别初筛的作用,可为文物无损检测技术的开发提供实践参考。

基于决策树的玻璃制品成分分析与鉴别

针对玻璃制品表面风化与各属性的相关性,对其进行化学成分含量预测与分类研究。以决策树、均值法为模型,根据数据计算纹饰、类型、颜色、表面是否风化的斯皮尔曼相关系数,得出类型与表面风化、纹饰、颜色之间有较弱相关性。利用卡方检验探究变量之间的差异性建立决策树模型,得出高钾玻璃、铅钡玻璃的分类规律,以分析决策树子节点。此决策树模型分类具有合理性,可使文物研究更加科学有效,促进玻璃制品的生产制造。

隧道-地震屏障-文物体系的减振探讨

随着铁路隧道建设量逐渐增加,越来越多的隧道穿越文物保护区。我国近年地震频发,隧道近接文物保护区的减振问题应引起更多的关注。为了给隧道近接文物保护的抗震设计提供参考,针对填充沟加固的隧道近接文物保护区开展振动台试验,采集不同地震烈度下隧道近接文物保护区地基内各不同位置的加速度,通过快速傅里叶变换提取测点的频域响应曲线,分析隧道-地震屏障-文物体系的减振效果。提出在针对深埋隧道穿越文物保护区进行抗震设计时,就隧道近接文物保护区的特殊性而言,可以考虑用碎石填充沟对该区域进行减振处理。

传统方法加固馆藏浮放文物抗震性能试验

为探索馆藏浮放文物的有效抗震加固方法,采用振动台试验手段,研究了传统方法加固浮放文物的抗震性能。基于故宫博物院某展柜原型尺寸,制作了1:1比例陈列柜模型。在陈列柜内浮放一轻质陶瓷文物,分别考虑采用砂子、塑料卡、鱼线、橡皮泥及磁铁加固文物,进行了振动台试验。通过白噪声激励,获得了陈列柜基频分布;通过输入不同强度、不同类型的地震波,获得了不同方法加固条件下陈列柜和文物的位移响应、加速度响应和和动力放大系数,评价了不同方法的加固效果。结果表明:陈列柜的基频与输入地震波相差较大,这是陈列柜震害不明显的主要原因之一;传统方法加固文物后,输入地震波的加速度仍有一定放大,但是与加固前文物相比,文物的位移和加速度响应均有所减小,且文物因摇晃幅度而产生倾覆的可能性减小。此外,从减小文物加速度响应峰值角度考虑,橡皮泥和鱼线加固文物效果优于其它方法。试验结果可为文物防震保护研究提供较全面的参考。

栓绑法固定馆藏文物的抗震有效性振动台试验研究

为研究博物馆所采用量大面广的栓绑法固定馆藏文物的抗震有效性,选取两种典型地震易损文物复制品,开展了文物复制品-固定措施抗震系统振动台试验研究,获得了文物复制品在不同工况下的地震响应及文物复制品与鱼线相互作用响应,并检验了栓绑法固定措施的抗震有效性。建立相应有限元计算模型,并开展参数分析,为进一步补充试验数据、提出量化方法提供必要技术手段。结果表明:有限元数值预测结果与试验结果吻合较好。当地震波加速度峰值较大时,不同类型文物的运动状态有明显区别。文物重心越低,摇摆响应越小,但整体滑移响应增大。与浮放文物相比,采用栓绑法可有效降低文物的摇摆响应及滑移响应,同时适当提高鱼线初始预拉应力可显著降低文物的地震响应和鱼线的内力变化幅度。但当初始预拉应力过大时,对文物作用力较大。对于质地较为脆弱的文物,可在鱼线与文物接触处垫缓冲物来减轻文物的局部损伤。随鱼线初始预拉应力的提高,绑扎鱼线根数对文物运动状态影响减弱。同等条件下,文物高宽比越大,地震响应越强烈,鱼线内力变化幅度越大,宜适当提高鱼线的初始预拉应力达到更好的固定效果。

馆藏文物卡固件固定的抗震有效性试验及数值研究

为研究博物馆中最常用的卡固件措施固定馆藏文物的抗震有效性,选取典型的地震易损文物复制品试件(瓷梅瓶与赏瓶),开展文物-抗震系统模型振动台试验,获得不同工况下文物复制品真实地震响应并检验典型卡固件固定措施的抗震有效性。建立相应有限元分析方法,为进一步开展参数分析、补充试验数据、提出科学评判方法提供必要技术手段。结果表明:有限元数值预测与试验结果吻合良好。随着地震波峰值加速度增加,浮放放置方式更易造成文物的震损。同等条件下,文物重心越低,摇摆响应越小,但整体滑移响应增大。卡固件固定措施可有效降低文物的地震响应,但卡固件尺寸增加到一定程度,对文物的抗震固定作用提高有限,基于文物保护中的最小干预原则,综合考虑文物的抗震安全及艺术展示效果,应优化卡固件尺寸。在地震波峰值加速度很大的情况下,卡固件与文物的相互作用易出现应力集中现象,有可能对文物造成局部损伤,需要优化卡固件形式,必要时可在两者接触部位增添硅胶垫层等构造措施。

馆藏浮放陶瓷文物地震摇晃响应振动台试验

为保护可移动文物，采取试验方法研究了地震作用下馆减浮放文物的摇晃响应。以故宫某展柜为原型，制作了1：1比例的模型，并在展柜内放置了一陶瓷文物，进行了振动台试验。通过白噪声激励，获得了展柜的基频；通过输入不同类型、不同强度的地震波，研究了展柜和文物的地震响应；通过数值模拟，从理论上对模型地震响应进行了进一步论证。结果表明：对展柜而言，其基频在29～35Hz之间，与地震波卓越频率相差较大，因而在地震作用下摇晃不明显；对文物而言，在地震波强度较小时能保持稳定振动状态，而在地震波强度较大时，文物容易产生明显摇晃并导致倾覆。此外，数值模拟结果与振动台试验结果吻合，证明了试验方法的有效性。在实际工程中，对高宽比较大的文物，应采取适当的加固措施，以减轻其摇晃震害。

鱼线加固馆藏浮放文物振动台试验

为探索馆藏浮放文物的有效加固方法,采用振动台试验,研究了鱼线(尼龙线)加固馆藏文物后的抗震性能。根据某博物馆展柜原型,制作了足尺比例的振动台模型。在模型内放置陶瓷文物,并采用鱼线加固,进行了振动台试验。通过白噪声激励,获得了展柜模型的基频;通过对模型分别输入EL-centro波、Taft波及Ⅱ类场地人工波,并考虑加速度峰值分别为0.1g、0.2g、0.4g、0.7g,研究了地震作用下陈列柜及文物的震害形式,分析了鱼线加固文物后的抗震效果。结果表明:展柜基频约为30 Hz,与所选地震波的基频相差很大,因而地震响应不明显;未加固文物在地震作用下,很容易产生倾覆;而鱼线加固文物后,可有效减小其位移和加速度峰值,且地震强度较大时,仍有良好的减震性能。因此鱼线加固浮放文物具有较好的效果。

基于陈列柜边界条件的馆藏文物地震滑移响应试验

为保护馆藏浮放文物,采用振动台试验方法研究了地震作用下基于不同陈列柜边界条件下的文物滑移响应。根据展柜原型制作了1:1比例模型,分别考虑陈列柜底部浮放及固定于振动台面,进行了振动台试验。通过白噪声激励获得了两种边界条件下陈列柜的基频;通过对模型分别输入不同类型及不同强度的地震波,研究了地震作用下陈列柜及文物的震害形式,对比分析了两种边界条件下典型节点位移、加速度响应及动力放大系数。结果表明:无论陈列柜处于固定还是浮放状态,其基频远大于地震波卓越频率,因此震害较轻;对浮放文物而言,当地震波强度较小时,不同条件下文物的滑移响应为陈列柜浮放>陈列柜固定条件;当地震波强度较大时,由于陈列柜与振动台面的摩擦减震作用,文物的滑移响应为陈列柜浮放<陈列柜固定条件。为减小文物的滑移响应,陈列柜宜以浮放形式为主,并保持适当的间距。

基于陈列柜边界条件的馆藏文物摇晃响应试验

为保护馆藏浮放文物,采用振动台试验方法,研究了地震作用下,基于不同陈列柜边界条件下的文物摇晃响应,其中陈列柜的高宽比较小。根据某博物馆展柜原型,制作了1∶1比例模型,并在模型内浮放铜质文物。分别考虑陈列柜底部浮放及固定于振动台面,进行了振动台试验。通过白噪声激励,获得了两种边界条件下陈列柜的基频;通过对模型分别输入EL-centro波、Taft波及Ⅱ类场地人工波,并考虑加速度峰值分别为0.1g、0.2g、0.4g、0.7g,研究了地震作用下陈列柜及文物的震害形式,对比分析了两种边界条件下典型节点位移及加速度响应。结果表明:无论陈列柜处于固定还是浮放状态,其基频远大于地震波卓越频率,因此震害较轻;对浮放文物而言,地震波强度较小时,不同条件下文物的摇晃响应为:陈列柜浮放>陈列柜固定条件;地震波强度较大时,由于陈列柜与振动台面的摩擦减震作用,文物的摇晃响应为:陈列柜浮放<陈列柜固定条件。因此,为减小文物的摇晃响应,高宽比较小的陈列柜宜以浮放形式为主,并保持适当的间距。

大足石刻砂岩模拟裂隙灌浆试验

裂隙渗水是导致世界文化遗产大足石刻文物破坏的一个重要因素。将一种无机环保的改性偏高岭土灌浆材料拟用于大足石刻保护工程,为研究该新型材料的可灌性,进行了室内模拟裂隙灌浆试验。通过石刻砂岩岩板控制裂隙的张开度,着重研究此种材料不同水灰比的浆液在不同灌浆压力、灌浆时间下的灌浆过程及浆体进入裂隙的最小宽度。试验表明:浆液能进入的裂隙最小宽度值与水灰比、灌浆压力和灌浆时间均有关;水灰比是控制浆液可灌性的首要因素,而压力的提高并不能显著提高灌浆速度;提高水灰比、灌浆压力及灌浆时间均可改善细小裂隙的灌浆效果。