故宫地下库房文物储藏柜防震措施研究

赵守江，刘子哲，戴君武

(1． 故宫博物院，北京 100009； 2． 中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨 150080)

0 引 言

北京市地处燕山地震带与华北平原中部地震带的交汇处，又紧邻汾渭地震带和郯庐深大断裂地震带，是个多震区，历史上曾遭受过多次强烈地震的破坏和影响。故宫自1406年(明永乐四年)开始修建，迄今为止，从文献记录中查得共经历了二百余次地震的考验[1]。

地震是难以预报的突发性重大自然灾害，近年来我国发生的多起强震，给当地以及周边地区的文物造成了巨大破坏，例如2008年汶川地震、2010年玉树地震以及2013年芦山地震。其中以汶川地震造成的损失最为惨重，仅四川省文博单位受损的可移动文物就有4 379件(套)，其中珍贵文物208件(套)[2]；库房受损文物4 280件(套)，占受损文物的97．7%。而文物受损严重的主要原因是由于一些地、市、州、县博物馆和文物管理所保护意识较弱，库房内的文物柜架缺乏必要的固定措施，有些柜架完全倾覆。有些开放性文物架设计为多层，每层周边无遮挡，在地震时剧烈摇晃。架上的文物彼此碰撞，甚至从柜架四周直接掉落地面摔坏[3]。

由于地震发生的难以预报性、巨大不确定性、发生后果的严重性，必须要提前做好文物防震保护措施。故宫博物院其藏品总量多达186余万件(套)，文物防震工作尤为艰巨。故宫博物院的藏品除了部分用于展览外，其他一般都是存放于库房内统一管理。地面库房为原有古建筑，储藏条件差。为改善文物的保管环境，故宫于1997年建成了我国第一座地下文物专用库。地下文物库共有大小库房100余座，分两期建设：一期工程于1986年开工，到1991年竣工，建筑面积为5 000多平方米；二期工程从1994年开工，到1997年完工，建筑面积达16 000平方米[4]。在故宫地库建成之后，九十余万件的院藏文物从地面文物库房转移到了地下。当时出于防火考虑，文物储藏柜全部为铁柜，依据文物种类分别设计为密集柜、多层柜、抽屉柜和异型柜等(图1)。除了密集柜，其他比如多层柜，抽屉柜都是采购市面上普通的铁皮柜，仅内部格局有所变化。由于当时缺少专业的防震设计，柜体没有稳固措施，均浮放于库房地面上，存在安全隐患。

自2013年4月“平安故宫”工程被国务院批准立项以来，故宫的文物防震工作一直在有序推进，先后完成了第一期院内文物防震评估、第二期文物防震应急能力调研以及雨花阁防震方案、雕塑馆隔震设计等众多项目。围绕故宫地下文物库房防震薄弱环节，进行了密集柜样品及囊匣抗震能力地震模拟试验。鉴于绵阳博物馆中心库房的密集柜在汶川地震中所展现出的优异性能[5]，现阶段故宫地库防震改造的常规方法也是将独立储藏柜替换成铁质密集柜。这样既可以增加文物安全性，又能提高库房空间利用率。例如图1中的库房，改造后其空间利用率由原来的40．1%提高到58．3%，布局也更简洁美观。

但是，在库房改造过程中遇到了一些困难，进展较为缓慢。首先，故宫地下文物库房具有特殊性，安防标准比地面库房更加严格。文物保管人员要去提文物，必须要拿到部门主任的签字条才能获得文物库的钥匙。在进入文物库前，也要经过保卫部的检查登记，之后还有一道分库房的门禁；其次，故宫地下文物库是三层全埋式钢筋混凝土结构，库房四周完全密闭，人员进出与物品搬运主要通过电梯，运输通道狭窄。换气依赖通风设备解决，由于设备陈旧，通风透气性很差，各库房内气味容易混杂在一起，给保管人员带来很大困扰。若是对现有库房整体进行改造，将涉及到文物的周转存放、材料设备的运输、库房的安全保卫、以及施工人员的监督等，牵涉到众多部门，不但工作量大、工期长，而且施工会影响到库房的原有环境，甚至潜在着诸多不确定因素和安全隐患。因此，亟需变更思路，不能采用一刀切的办法，要根据实际困难制定适用的防震措施，避免出现以上问题。

1 措施研究

相较于现有的独立储藏柜，轨道式铁质密集柜最大的防震优势在于将众多单组柜连成了一个整体，减小柜体地震时摇摆幅度，而且柜体之间的防撞条起到一定的吸能减振效果[5]。如果能将独立储藏柜用构件连成一个整体，再添加一些阻尼器件，或者采取其他措施稳固独立储藏柜，也就达到了相同的防震效果，不仅简单快捷，还节约资金。

同时，考虑到文物库房情况复杂，如库房地面可能不平，文物储藏柜或许存在变形，柜体间隙大小不一以及在要求不严格的情况中储藏柜往往大体上摆放规整，实际很难做到整齐划一等因素，防震装置的设计方案和安装过程一定要灵活可靠，具有一定的容误差措施，并能够根据实际情况变换组装。

设计方案要解决的技术问题是在维持库房现有格局、不过度增加库房人员工作量的情况下，装置能提高文物储藏柜的防震能力，能够简单快速施工，不污染库房环境，不给文物带来额外的风险，后期拆卸保养方便且不影响保管人员的日常工作。其基本要求归纳为：安全、适用、经济、美观。而维持现有布局，尽量避免文物的周转存放就使得不能对柜体进行机械再加工，防震措施需要在柜外进行施加；简单便捷且后期拆卸保养方便就要求防震装置尽量简单并且可逆；不污染库房环境要求所用材料应环保，施工过程不破坏现有库房环境。

经调查发现：故宫地下库房的文物储藏柜由于是通过集体采购，外形尺寸相对简单统一，其中独立储藏柜的规格主要为1 200 mm×600 mm×2 000 mm(长×宽×高)，还有一些为1 500 mm×900 mm×2 000 mm和1200 mm×1 200 mm×2 000 mm等尺寸。由于采购时间不同，文物储藏柜一种呈现淡黄色，一种呈现乳白色。储藏柜的布置总体上较为规整，大多是相互背对摆放；仅有少数库房的尺寸和储藏柜数量存在差异，布局略有调整。

依据抗震理论，降低独立储藏柜的高宽比能够减小振动幅度，避免发生倾覆。而根据上述的现状和设计要求，一些传统的加固手段受到限制，例如柜体之间先打孔，然后再用螺栓连接；柜体之间用免钉胶(或其他强力胶)进行粘接或用磁铁吸附；在墙体或者地面进行钻孔，将柜体锚固等。通过对库房储藏柜构造的详细调查，借鉴夹具的原理，可在储藏柜上沿处利用特制的构件将两组背对的储藏柜绑定在一起。若柜间缝隙较宽，也可酌情塞入一些缓冲材料(如橡胶、硅胶片等)，能起到防撞减振的效果。

根据构思出的方案，设计出一种简易装置[6](图2)，主要由三部分组成：夹头、导杆以及阻尼板。夹头上部有一通孔，导杆两端也各有一螺纹孔与之相对应，可用螺栓连接预紧。夹头端部有较小的螺纹通孔，里面有紧定螺丝，可辅助紧定。夹块内表面附有一层阻尼橡胶，可增大摩擦力。导杆可选市面上的铝型材，不仅样式众多、质轻价廉，而且加工方便。导杆底部有轨道，使阻尼板可在轨道上自由滑动。导轨底部可附有一层薄弹性橡胶，减轻施工中对储藏柜顶板的碰撞。导杆两侧也有导轨，可内置角槽直角连接件，从而能将多组装置连在一起。阻尼板可选用橡胶或硅胶垫片，能增加柜体的阻尼以减轻振动，但应根据实际情况添加或者去除。如果两柜之间缝隙过窄，阻尼板塞入困难，就酌情将其去除。反之就需要添加，使两柜能够紧靠在一起。阻尼板可设计为：上半部分为金属滑块，能够导杆底部自由滑动；下半部分中间为金属薄片，两侧附有阻尼橡胶。阻尼板能在轨道内滑动，既可适应不同厚度的储藏柜；又能使安装更便利且不至于后期掉落。

施工过程中最好是两人站于储藏柜的前后方位配合操作。首先将阻尼板悬挂在导杆上，放入两柜体间的空隙内，导杆底部紧贴柜体顶。其次，导杆两端分别对应一个夹头，可根据情况增加不同厚度的弹性垫片(可选硅胶)，用螺栓使夹头顶紧柜体上沿。然后适当旋紧紧定螺丝。经过上面步骤，就制成一组完整防震装置。多组装置之间可以用纵向导杆和直角连接件连成一个整体，由于横向导杆两侧有导轨，直角连接件可以自由滑动，然后锁紧就位。若导杆两侧无导轨，就需要事先制做出安装孔，由于安装误差，多组导杆安装孔与直角连接件不能100%的对准，可能无法装配在一起，影响施工进度。而且库房内的储藏柜尺寸固定，导杆可制成几种标准尺寸，柜体缝隙差异可用弹性垫片消除，无需前期再去库房逐个做精确测量，减轻保管部门的工作量。

多组装置串联在一起，使得整排的储藏柜形成一个整体，从而增加了稳定性。为了达到更好抗震效果，不同排的储藏柜也可通过导杆或者阻尼器连接，使整个库房的储藏柜连成一片，该装置主要起到着力点的作用。由于增设的导杆或者阻尼器横跨在走道上方，有些影响美观，一般距离地面在二米左右，对较大型文物搬运可能造成一定影响，而且增加预算成本，因此需要根据情况布置。

在装置实际生产过程中，抗震的原理和方案相同，但具体的构件样式可不局限于上面示意图所示，例如，储藏柜上沿厚度一般约在2．8至3．5 cm之间，夹头的端部长度可统一取2．8 cm，以便不影响柜门的开启闭合；其宽度却可宽可窄，也可根据具体部位做成异形(图3)。这样两者就有更大的接触面积，防止剧烈运动下发生脱离。

而且，文物储藏柜侧边框厚度2．5 cm，底部框高为7．5 cm，为了使独立储藏柜更牢固的连接在一起，也可在侧面或者底部施加。装置安装的部位和数量可根据现场来灵活确定。

2 分析计算

为了更好地了解独立储藏柜以及柜内文物在地震下的反应情况，对故宫博物院地下库房使用较为普遍的一类型号文物柜进行有限元分析模拟。采用的软件LS-DYNA是著名的通用显式动力分析程序，能够较好模拟浮放物体的地震反应问题[7]。模型的材料为钢材，采用线弹性体分析，物理性能指标参照《钢结构设计规范》GB 50017—2017。柜体长宽高为1 200 mm×600 mm×2 000 mm，板厚1 mm，内部分为三层，每层均摆放有高宽比不同(从1至5)的均质长方体模型(刚体)。柜体和内隔板的边缘均采用U型构造以增强刚度，这里简化成统一的梁单元。文物柜与地面的静摩擦系数μs=0．40，动摩擦系数μd=0．36；内部模型与层板之间的静摩擦系数μs=0．30，动摩擦系数μd=0．27。在进行时程分析计算时，地震动记录采用El-Centro三向地震波(图4)，根据《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010规定，加速度峰值分别调整为200 cm·s-2、400 cm·s-2和620 cm·s-2，以研究文物柜与柜内物品在八度设防地震、九度设防地震以及九度罕遇地震下的反应。

分析结果如图5和图6所示。在峰值加速度αh，max=0．2 g时，文物柜与地面保持相对静止；柜内文物基本保持原来位置，上层出现轻微摇晃。在峰值加速度αh，max=0．4 g时，文物柜开始发生滑动与摇摆；柜内文物的摇晃滑移响应也显著增强；各层高宽比为4和5的物体均倾倒，顶层高宽比为3的模型也发生倾倒。在峰值加速度αh，max=0．62 g时，文物柜振动响应更为明显，水平摇摆幅度达到6．84°，滑移距离18．9 mm。柜内中层与顶层高宽比3、4和5的物体均发生倾覆，底层高宽比为3的物体虽未倾覆，但晃动明显；顶层未倾覆物体滑移距离大于30 cm，与柜壁发生剧烈碰撞；中、底层未倾覆物体也均发生不同程度变动。由此可以看出：地震强度越大，储藏柜晃动越明显；相同地震强度下，柜内物体摆放位置越高发生震害的概率越大。但在三种地震强度下，文物柜均未发生倾覆，其原因主要可能是由于文物柜与地面的接触为理想状态，静摩擦系数为0．40，随着地震动输入的增大，文物柜产生了滑移，耗散了部分能量，减小了摇摆幅度。

当采用上述设计的抗震装置后，两组文物储藏柜连接在一起组成双柜体系。为验证装置的减震效果，依据库房所在区域的场地特性[8-10](图7)另外又选取了Taft波和宁河地震波进行时程分析。为避免重复性工作，仅计算储藏柜在遭受地震峰值加速度αh，max=0．62 g时的反应情况。在分析过程中，除装置安装引起的变化外，模型的其他初始参数均相同。通过地震时程分析，分别获得了模型的位移和摇摆幅度响应结果(图8、图9、图10)。

单柜高宽尺寸为2 000 mm×600 mm，因此摇摆幅度超过16．7°后储藏柜将会发生倾覆。从计算结果中发现：在输入不同地震波情况下，柜体反应不同；而安装装置后的组合柜抗震性能明显优于独立储藏柜。采用三条地震波进行时程分析时，单柜的摇摆幅度均明显大于组合后的双柜，分别为6．84°和9．08°，在宁河地震波作用下甚至发生了倾覆。而双柜的摇摆轻微，最大仅为1．64°(El Centro波)；滑移距离却远超单柜，在El Centro波、Taft波和宁河波的地震作用下，滑移距离分别为49．6 mm、69．3 mm和216．4 mm。

上述模拟结果也与传统认知相吻合：储藏柜高宽比减小，摇摆幅度随之减小，进而也降低了柜体整体倾覆的可能性；而增大的滑移距离可以更好地耗散地震能量。数据结果显示该装置明显降低了柜体的摇摆幅度，能够起到一定的抗震减震效果；如果为了更好的吸能减振并减少滑移，可依据前面方案，在多组柜上方酌情增设导杆或者阻尼器。

3 结 论

通过对库房和文物储藏柜的深度调研，借鉴轨道式密集柜的防震原理，本研究提供了一种适用于故宫独立式储藏柜的抗震措施，且希望能对其他博物馆的库房文物保护起到借鉴作用。

1) 该装置主要由夹头、导杆以及阻尼板三部分组成，可根据需求灵活变换。与密集柜相比，装置不仅构造简单，而且安装灵活，能更好地符合地下库房实际情况。

2) 通过分析发现，故宫库房内的独立储藏柜抗震性能较差。遭受的地震强度越高，柜体反应就越剧烈。在九度罕遇地震作用下，柜体的摇摆幅度较大，其中在选取宁河地震波进行时程分析时，储藏柜甚至发生了倾覆。

3) 选取了三条地震波进行九度罕遇的对比分析，在相同初始条件下，装置安装后的双柜摇摆幅度均明显降低，最大仅为1．64°(El Centro波)。而滑移距离比未采取措施时有所增大，滑移距离达到了216．4 mm(宁河波)，增大的滑移距离可以更好地耗散地震能量，避免柜体倾覆。因此，设计的装置能够明显提高独立储藏柜的抗震能力。