基金项目:山东自然科学基金(ZR2022ME029); 山东省重点研发计划(2021CXGC011204).
第一作者简介:许卫晓(1988-),博士,副教授,主要从事地震工程与工程振动方面的研究.E-mail:wxgodspeed@163.com.
(1.青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛 266033; 2.山东建筑大学,山东 济南 250010; 3.青岛市博物馆,山东 青岛 266061; 4.青岛鼎泰常容创新科技有限公司,山东 青岛 266799)
(1.School of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,Shandong,China)(2.Shandong Jianzhu University,Jinan 250010,Shandong,China)(3.Qingdao Museum,Qingdao 266061,Shandong,China)(4.Qingdao Dingtai Changrong Innovation Technology Co.,Ltd.,Qingdao 266799,Shandong,China)
stone statue relics; engineering vibrations; vibration response; protection of cultural relics; the Finite Element Analysis
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0048
文物代表着一个国家的历史和底蕴,显示着一个民族的渊源和风采。随着城市建设的发展,施工机械、轨道与道路交通、工业设备等引起的振动,严重威胁着文物安全。在国家文物局公布的全国人大常委会执法检查组关于检查《中华人民共和国文物保护法》实施情况的报告指出,近30年来全国消失的4万多处不可移动文物中,有一半以上毁于各类建设活动。馆藏大型石造像文物由于质量、体积较大,在安置于博物展馆后,往往受限于空间和起重条件,成为了难以移动的可移动文物。当博物馆周边开展工程施工时,工程振动对此类大型石造像文物的影响不容忽视。
在古建筑和古文物的振动影响评估方面,Xia等(2020)以实测京广铁路振动信号作为ANSYS有限元模型激励,计算了北京辽代良乡塔的动力响应特征,并对其疲劳寿命进行了预测; Pau和Vestroni(2013)对罗马马克森提乌斯大教堂环境振动进行了测试和分析,采用有限元方法对结构振动响应与裂纹发展情况进行模拟; 张明泉等(2009)对敦煌莫高窟施工振动进行了实测,并以此对莫高窟附近锚杆钻进速度、砾石铺压距离等作出了具体保护要求; 黄娟等(2018)针对地下连续墙冲击成槽施工振动可能对八一起义纪念馆旧址大楼产生的不利影响,对邻近文物建筑的施工振动响应作出安全评估,提出了具体的容许振动评价标准; 《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T 50452—2008)对古建筑砖石结构、木结构和石窟给出了明确的容许振动标准。
鉴于目前研究缺乏对大型石造像文物对于近距离施工振动的安全阈值标准,本文以青岛市博物馆馆藏4尊大型石造像文物为研究对象,基于现场监测、数值计算和试验研究,分析了改扩建施工过程中,工程振动对馆藏大型石造像文物的影响规律,提出了大型石造像文物的数值建模方法,开展了常用石造像文物修缮材料水硬性石灰的材料强度试验,进行了典型工程施工工况振动激励下的石造像动力时程分析,结合长期监测给出了合理的石造像文物振动安全阈值建议。
青岛市博物馆馆藏国家一级文物北魏佛造像两尊和北齐菩萨造像两尊(图1)。其中,两尊北魏石造像,每尊高约5.80 m,重约30 t,为青岛市博物馆镇馆之宝,是我国博物馆室内所陈列的体量最大的古代石佛造像,且同殿两佛并立皆为北魏圆雕,称双丈八佛,为历史所仅存; 两尊北齐菩萨造像,分别为大势至菩萨造像和观世音菩萨造像,每尊高约3.46 m,重约20 t。4尊石造像距今约1 500年,存在大量裂缝和修复痕迹(图2)。
图1 青岛市博物馆馆藏石佛造像(a)和菩萨造像(b)示意图
Fig.1 Photos of stone Buddha statues(a)and Bodhisattva statues(b)in Qingdao Museum
图2 石佛造像(a)和菩萨造像(b)病害图
Fig.2 Distribution of disease of stone Buddha statues(a)and Bodhisattva statues(b)
青岛市博物馆改扩建工程施工毗邻上述4尊石造像文物安放位置,且由于受到馆内空间和楼板承重限制,难以对4尊石造像进行异地安置保护,只能选择原位保护方案。
在改扩建施工过程中,振动影响较大的工况主要出现在基坑开挖阶段,包括基坑支护施工和爆破开挖施工。因此对场地外围的支护方案包括钢管桩、旋挖桩和锚杆振动的采集,通过逐步增量动力时程分析以确定石造像文物对于其所在位置的振动阈值,约束后续施工。
采用中国地震局工程力学研究所研制的941B型振动传感器,配接D1000型动态数据采集仪对钢管桩、旋挖桩和锚杆施工工况引起的场地振动进行测试。分别在振源和传递路径处布置多个振动测点,每个测点分别采集垂向(Z向)、东西向(X向)和南北向(Y向)3个方向的振动信号,各工况施工现场情况如图3所示。
为实现石造像几何尺寸的精细化建模,利用三维激光扫描技术收集4尊石造像的信息点云数据,通过3D Studio Max软件生成数字化石造像模型,再利用Hypermesh软件进行模型的前处理工作,生成石造像的实体模型并进行网格划分,最终得到具有精细几何尺寸的石造像有限元模型。4尊石造像网格均在100万个以上,最大网格宽度约为0.5 cm(图6)。细致网格划分可以更好地捕捉石造像模型的非线性行为和几何变形,并使得波在结构中传播时有更多的节点进行计算,从而更准确地捕捉波动效应。在模型基底的每个节点施加三向动力边界条件,更加真实地模拟石造像受地面振动的全过程。
4尊石造像采用石灰岩材质以单体圆雕法雕刻而成,距今已有1 500多年。由于文物保护要求,无法直接测得其各种力学参数。经文献调研发现这4尊石造像与龙门石窟年代相近、岩性相似,可以龙门石窟的力学参数作为参考,[HJ2.2mm]修正后进行后续计算。付长华等(2011)根据龙门石窟文物区岩体波动测试结果及有关文献资料,确定了石窟岩体力学参数,见表1。
图4 各工况施工水平向(a)和垂向(b)振动速度时频曲线
Fig.4 Time-frequency curves of vibration velocity in horizontal(a)and vertical(b) directions under various working conditions
图5 组合工况施工水平向(a)和垂向(b)振动速度时频域曲线
Fig.5 Time-frequency cruves of vibration velocity in horizontal(a)and vertical(b) directions under working conditions
图6 左侧(a)和右侧(b)石佛造像、大势至(c)和观世音(d)菩萨造像有限元模型
Fig.6 Finite element model of stone Buddha statues on the left(a)and right(b)side,Mahasthamaprapta(c)and Arya Avalokiteshvar(d)Bodhisattva statues
现有研究表明(张培源等,2001; 马涛等,1997; 李海波,吴绵拔,1995),若将岩石模型物质视为Hooke介质,则弹性波在岩石中的传播特性与岩石的力学特性存在一定的对应关系。岩石弹性波波速与弹性模量之间的关系式如下:
式中:u为弹性波波速; ρ为密度; γ为泊松比; E为弹性模量。
由式(1)可得:
对4尊石造像分别选取若干点位(图7)进行弹性波波速测试,结果见表2。从文物保护角度,必须控制石造像在施工振动激励下处于弹性状态,由式(2)计算得到了各石造像的加权平均弹性模量。左侧石佛造像E1为5 701.4 MPa,右侧石佛造像E2为10 174.5 MPa,大势至菩萨造像E3为7 983.7 MPa,观世音菩萨造像E4为5 508.3 MPa。
图7 左侧(a)和右侧(b)石佛造像、大势至(c)和观世音(d)菩萨造像弹性波速测点布置
Fig.7 Distribution of the test points for the elastic wave around stone Buddha statues on the left(a)and right(b)side,Mahasthamaprapta(c)and Arya Avalokiteshvar(d)Bodhisattva statues
图8 4尊石造像弹性波波速测试结果
Fig.8 Results from the measurement of the elastic wave velocity for four stone Buddha statues
受风化作用较强的区域为:左侧石佛造像的腿部及足部、右侧石佛造像的左手及足部、大势至菩萨造像的手部及坐莲、观世音菩萨造像的足部。根据弹性波速测试(图8),以上区域的岩石内部结构具有较多微裂隙和空隙,对振动更为敏感,应对这些区域重点巡查和保护。
假定石造像为均质岩石,微裂隙、空隙在石造像内部空间中均匀分布,振动作用下产生拉应力在裂缝尖端集中,导致裂缝扩展,产生的压应力会使裂缝闭合。根据石造像修复相关材料中记载,破坏均为表面开裂以及裂隙扩展,即石造像均为受拉破坏。利用J.Lemaitre应变等价性假说,可以建立岩石的拉应力损伤本构关系为:
式中:σ为有效应力; σ为名义应力; D为岩石损伤变量。
利用Weibull分布函数建立损伤本构模型的方法已经得到广泛应用,采用修正Weibull分布函数(薛志成等,2022; 廖华林,2005),岩石抗拉本构损伤变量D的表达式为:
式中:m、n为材料参数; εf为峰值应力对应的应变值。
将式(4)代入式(3)得到单轴受拉本构模型为:
岩石损伤本构模型相关参数可利用极值法求解(廖华林,2005); 根据应力-应变本构关系曲线可知,其特征点边界条件为:当应力为峰值应力时,应变ε为峰值应力对应的应变值; 峰值应力的一阶导数值为0。抗拉本构模型一阶导数结果为:
应用以上边界条件,可得出相关材料参数为:
通过对石造像进行探伤发现修复痕迹较多。根据现有石造像裂缝修补相关材料记载,其裂缝修复材料为水硬性石灰砂浆,胶砂比大致为0.5~1.5。选择不同的胶砂比,依照《地质矿产行业标准》(DZ/T 0276.25—2015)中的岩石抗拉强度试验进行了石造像修复的水硬性石灰砂浆抗拉强度试验,每组进行6次巴西劈裂法试验,计算去极值平均值,将计算结果作为石造像抗拉强度的参考值,测试结果见表2。
表2显示,抗拉强度最低值为0.74 MPa,以此作为石造像极限抗拉强度。结合巴西劈裂法试验中的数据,以及修正后的弹性模量以及龙门石窟相关力学参数,得到4尊石造像的本构关系如下:
(1)左侧石佛造像:
(2)右侧石佛造像:
(3)大势至菩萨造像:
(4)观世音菩萨造像:
对4尊石造像有限元模型进行模态分析,以石造像底座处3向加速度传感器长期监测数据为基础(图 10),选取无明显特殊振源情况下的测试数据进行傅立叶变换,获取4尊石造像的实测模态。以2尊石佛造像为例,其有限元计算模态1阶振型如图 11所示。从图可见,2尊石佛造像1阶振型为面向倒三角振动,左侧和右侧石佛造像1阶频率分别为11.90、11.04 Hz。
石佛造像沿面向实测自振频谱特征(图 12)显示,左侧和右侧石佛造像卓越频率分别为13.18、13.95 Hz。由于石造像内部损伤和裂纹的非均匀性,有限元计算模态与实测模态存在一定差异,但相差不大,说明有限元模型的合理性,可进行下一步的时程分析。此外,结合典型施工振动的自振频率,可以看到自振频率对石佛造像的一阶模态重合度较高,会对石佛造像结构完整性造成潜在威胁。
为了分析石造像振动响应特征和振动安全阈值,采用实测施工振动速度3向时频曲线(图4),对4尊石造像进行3向逐步增量动力时程分析。通过逐步增大基底输入的振动幅值,直至石造像局部拉应力达到石造像修复材料水硬性石灰砂浆的抗拉强度。
图 13给出了4尊石造像应力云图,应力较大
图 12 左侧(a)和右侧(b)石佛造像沿面向自振频率实测结果
Fig.12 Measured facing natural frequencies of stone Buddha statues on the left(a)and right(b)side
部位主要出现在足部和颈部。这两处均为截面形状突变处,需作为重点保护和监测部位。图 14给出了4尊石造像最大拉应力与基底振动输入速度峰值相关关系,结果表明:左侧和右侧石佛造像在基底输入振动速度幅值分别为6 mm/s、3 mm/s,大势至菩萨石造像和观世音菩萨石造像在基底输入振动速度幅值12 mm/s时,造像最大拉应力达到了修复材料水硬性石灰砂浆的抗拉强度。由于4尊石造像体量和材料弹性模量的差别,导致基底输入振动安全阈值差异较大。
图 13 左侧(a)和右侧(b)石佛造像、大势至(c)和观世音(d)菩萨造像应力云图
Fig.13 Stress nephograms of the stone Buddha statues on the left(a)and right(b)side,Mahasthamaprapta(c)and Arya Avalokiteshvar(d)Bodhisattva Statues
图 14 左侧(a)和右侧(b)石佛造像、大势至(c)和观世音(d)菩萨造像输入强度-最大拉应力关系
Fig.14 The relationship between the input intensity and the maximum tensile stress of the stone Buddha statues on the left(a)and right(b)side,Mahasthamaprapta(c)and Arya Avalokiteshvar(d)Bodhisattva Statues[JZ)]
右侧石佛造像头部重量相较于其他石造像更大,在水平振动作用下,其脖颈处会产生更大的应力,对工程振动最为敏感,需要针对右侧石佛造像制定个性化的保护策略,特别是在设定振动安全阈值时。修复材料采用的石灰岩可能在拉伸下发生更显著的裂缝扩展(Zhang et al,2019),更容易产生拉伸破坏,因此振动阈值应通过本构关系,结合相关规范,配合现场的长期监测数据给出建议。
《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T 50452—2008)给出保护级别为全国重点保护单位、砌体材料为灰岩类的石窟容许振动速度为0.22 mm/s; 《建筑工程容许振动标准》(GB 50868—2013)给出建筑施工振动对具有保护价值建筑的基础容许振动速度峰值为1.5~4.0 mm/s; 《爆破安全规程》(GB 6722—2014)规定:对于一般古建筑,在0~10 Hz振动速度允许值为1~2 mm/s,在10~100 Hz振动速度允许值为2~3 mm/s。联邦德国标准(Deutsches institut für normung,DIN 4150-3—2016)要求:有历史意义的古建筑结构的振动强度允许值为3~10 mm/s。瑞士标准(Swiss cinsultants for [JP3]road construction association,VSS-640-312a—1992)规定:对于敏感和需要保护的古建筑,振动频率为30~60 Hz时,振动速度允许值为3~5 mm/s。
2022年1月,施工现场进行了拱门与博物馆主体结构间连接构件拆除施工(图 15),振动为偶发高振幅振动,虽尽量降低振动影响,但在对石造像实时振动监测中仍造成造像基底竖向和水平向最大振动幅值分别达到1.39 mm/s、1.43 mm/s(图 16),石造像均保持完好。
图 15 冲击钻拆除现场情况
Fig.15 Demolition of the jointing structure between the arch and the main structure of the Museum
4尊石造像在历史中经历了战争并且有多次搬运经历,在对石造像内部探伤时发现内部损伤开裂情况严重。为防止裂缝扩展,依据抗拉强度试验结果推导出的石造像抗拉本构关系,按照本构关系中的屈服点,将0.5 MPa作为严格的抗拉强度阈值。
在逐步增量动力时程分析中,右侧石佛造像对于工程振动的敏感性最高,因此综合数值计算、相关规范和现场长期监测,建议工程振动阈安全值设定为1.5 mm/s。
本文基于现场监测、数值计算和试验研究分析了工程振动对青岛市博物馆馆藏大型石造像文物的影响规律,主要得出以下结论:
(1)实测的基坑开挖过程典型旋挖桩、钢管桩、锚杆钻孔施工振动速度时程,可作为类似振动敏感设施毗邻施工现场的基底振动输入,对毗邻敏感设施进行施工振动影响评估。
(2)采用三维扫描技术获取石造像的精确三维尺寸,通过石造像的弹性波检测对石造像材料弹性模量进行修正,进行石造像修复材料力学性能试验,以明确石造像损伤本构。综合以上措施,实现了石造像有限元模型的合理建模。
(3)通过有限元动力分析,发现4尊石造像的脖颈处、足部为振动敏感区域,在施工过程中,应作为重点巡查区域,并可采取有针对性的保护措施。
(4)综合数值计算、相关规范和现场长期监测研究,为文物与基底间的相互作用提供了安全边界,有助于最大限度地减少振动对文物造成潜在的破坏。对于偶发的施工振动,建议此类石佛造像基底振动安全阈值设为1.5 mm/s。