一种文物石蜡锚固抗震测试装置

本技术属于提升馆藏文物抗震性能，涉及一种文物石蜡锚固抗震测试装置。

背景技术：

1、馆藏文物是人类宝贵的文化遗产，其材质多样，如陶瓷、青铜、玉石、骨角、脆弱纺织品等，结构复杂且往往历经岁月侵蚀，物理强度显著降低，脆弱性极高。如何在地震等突发外力作用下有效保护这些不可再生的珍贵文物，防止其发生倾覆、滑移、断裂或相互碰撞造成的损伤，是博物馆库房、展厅文物保管工作中的重大技术挑战。

2、陶瓷类文物作为文化遗产的重要组成部分，具有极高的历史、艺术和科学价值。然而，由于陶瓷类文物的材质脆性高、抗拉强度低，其在运输、展览或储存过程中容易受到震动、冲击等外力作用而损坏。尤其是在地震多发地区或频繁搬运的情况下，陶瓷类文物的抗震保护成为文物保护领域的重要挑战。

3、传统的文物固定方法主要包括：

4、1、弹性衬垫法，采用泡沫、海绵等柔性材料包裹文物，通过缓冲震动能量减少损伤，但此类材料长期使用易老化，且对高频震动的吸收效果有限；

5、2、机械固定法，使用金属支架支撑或绳索捆绑文物，虽能提供稳定性，但可能因局部应力集中导致文物表面磨损或结构受压破裂；

6、3、粘接加固法，采用环氧树脂等胶黏剂固定文物，但存在化学物质残留、难以清除的问题，不符合文物保护的可逆性原则。

7、专利cn103810385a公开了一种保护可移动馆藏文物在地震作用下安全稳定的方法，在实验室内对文物仿制品进行材料特性试验，获得该材料的抗拉压极限应力、抗剪切极限应力、动弹性模量及动剪切模量；取应力折减系数k后，将仿制品的抗拉压极限动应力、抗剪切极限动应力乘以k作为文物的容许动应力；根据达朗贝尔原理计算出容许加速度；按照文物的容许加速度、摩擦系数和高宽比（即容许振动指标）将馆藏文物的稳定性分为三个稳定级别；最后依据分类结果进行展台的设计布置及文物的摆放。但该专利的运动模式分析存在以下显著不足：1、运动模式分类过于简化，未考虑混合模式，仅将文物在地震下的运动模式划分为相对静止、滑动、摇晃三种离散状态，但实际地震中，文物可能同时经历滑移和摇摆的混合模式，这种混合模式被忽略，导致运动分析模型不能全面反映文物的真实动力学行为，从而低估地震风险或误判文物的安全状态；2、运动模式判断公式过于简单，第三稳定级别仅考虑竖向容许加速度和重力加速度，未考虑摩擦系数和高宽比的影响，会产生误判文物的运动状态的风险；3、缺乏具体测试装置验证运动模型，侧重于理论分类和展台布置，未提供具体的实验装置或方法来验证运动模式分析公式的有效性，尤其缺少对文物锚固措施的抗震性能测试，使得理论模型缺乏实验支撑和实践应用价值。

技术实现思路

1、本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种文物石蜡锚固抗震测试装置，本实用新型验证石蜡锚固文物的抗震性能。

2、本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本实用新型的技术方案之一在于，提供一种文物石蜡锚固抗震测试装置，该装置包括支承机构、固定机构、连接机构和加载机构，所述支承机构支承加载机构、固定机构和文物，所述固定机构固定支承机构和连接机构，所述连接机构连接加载机构和文物，固定机构的各部件之间，以及支承结构和固定机构，所述加载机构向文物加载力和位移；

4、所述支承机构包括第一支承平台和第二支承平台，所述固定机构包括竖向固定支座、水平固定边管和固定板，所述连接机构包括定滑轮和绳索，所述第二支承平台上放置有文物，文物通过石蜡锚固于第二支承平台上，所述第二支承平台通过水平固定边管和固定板包围固定，所述水平固定边管和固定板通过竖向固定支座固定于第一支承平台上，所述第一支承平台上设置有加载机构，所述加载机构的加载端通过绳索与文物连接，加载方向通过绳索绕过定滑轮改变至与文物连接的水平方向。

5、石蜡作为一种低熔点、化学惰性且可逆的材料，在文物保护中已有应用，例如填补裂隙或表面封护。然而，现有技术尚未充分利用石蜡来提升陶瓷文物的抗震性能，仍需进一步创新。

6、进一步地，所述固定板左右成对抵住第二支承平台的两边，所述水平固定边管上下、前后成对夹持第二支承平台和固定板。

7、进一步地，所述竖向固定支座包括顶板、竖向支撑柱和底板，所述顶板设置于竖向支撑柱的顶端，所述底板设置于竖向支撑柱的底端；

8、所述连接机构还包括第一螺栓，所述底板和第一支承平台的横梁上分别开设有通孔，通过第一螺栓穿过底板和横梁上的通孔，将竖向固定支座固定于第一支承平台上。

9、进一步地，所述连接机构还包括第二螺栓，所述水平固定边管的两端、固定板的两端和顶板上分别开设有通孔，通过第二螺栓穿过水平固定边管、固定板和顶板上的通孔，将水平固定边管和固定板连接后固定于竖向固定支座上。

10、作为优选的技术方案，为适应不同尺寸的文物，所述第二支承平台的尺寸可以调节，所述第一支承平台的横梁上开设有多个通孔，所述竖向固定支座之间的距离相应可以调节，所述水平固定方管和固定板的尺寸可以调节。

11、进一步地，所述绳索固定于文物的重心处，使得加载的作用力作用于文物的重心。

12、进一步地，所述连接机构还包括吊环螺丝，所述加载机构的加载端与吊环螺丝的螺丝端连接，所述绳索的一端绑扎至吊环螺丝的吊环端，另一端绕过定滑轮，成环状套设于文物上拉动文物，返回定滑轮并回绑至吊环螺丝的吊环端。

13、作为优选的技术方案，所述绳索的水平段与文物的连接处设置有力传感器，所述力传感器可以直接测量得到文物被侧拉的承载力。

14、作为优选的技术方案，为适应不同尺寸和材质的文物，所述绳索的长度和材质均可以替换。

15、进一步地，所述固定机构还包括滑轮座，所述定滑轮通过滑轮座固定于一侧的固定板上。

16、进一步地，所述滑轮座的形状采用l型，l型滑轮座包括上部的支撑板和下部的支撑座，所述连接机构还包括第三螺栓，所述支撑座和一侧的固定板上分别开设有通孔，通过第三螺栓穿过支撑座和固定板上的通孔，将滑轮座固定于固定板上。

17、进一步地，所述支撑板上开设有条形孔，所述定滑轮的轴固定于支撑板的条形孔内，相应可以调节定滑轮的固定高度将定滑轮调节至合适高度处，使绳索与文物的连接方向保持水平。

18、作为优选的技术方案，所述固定板上开设有多个通孔，可以固定不同尺寸的定滑轮。

19、作为优选的技术方案，所述定滑轮的轴采用一端带螺纹的杆，滑轮通过轴承套设于杆上，杆的螺纹部分插入支撑板的条形孔，前后通过螺母夹紧固定于条形孔内某一高度。

20、进一步地，所述加载机构包括作动器，所述第一支承平台的竖架上分别设置有横架和横梁，所述横梁上方的横架上设置有作动器，所述作动器可沿横架水平移动以适应其他机构的安装位置。

21、作为优选的技术方案，所述作动器的外壳上设置有滑动块，所述滑动块在横梁的滑轨上滑动，可在滑动到所需位置后通过螺栓固定。

22、本实用新型的技术方案之一在于，提供一种文物石蜡锚固抗震测试方法，该方法使用所述的装置进行文物抗震测试，所述方法包括以下步骤：

23、s1、文物重心确定，通过三维扫描精确测定文物的重心，为后续加固提供基础数据；

24、s2、运动模式分析，通过力学分析解析文物在地震下的运动特性；

25、s3、石蜡模具制作，定制不同尺寸的石蜡模具，测试不同规格的石蜡锚固文物的抗震性能；

26、s4、抗震性能评估，通过装置测试加固后文物的抗震能力，验证保护效果。

27、作为优选的技术方案，步骤s1中使用三维扫描技术获取文物表面的详细点云数据，将文物沿竖向高度方向分为均匀高度的圆环，使用以下公式确定文物中单个圆环的体积，

28、

v

i=

πc

i[

g

i2-(

g

i-

d

i)2]，

29、其中

v

i表示文物中第

i个圆环的体积，

g

i表示文物中第

i个圆环的外表面至中轴线的距离，

d

i表示文物中第

i个圆环的厚度，

c

i表示文物中第

i个圆环的高度，

30、积分求得文物的体积

v，

v=σ

v

i；

31、各个圆环的体积与相应圆环的重心对应高度的乘积之和除以整个文物的总体积即为文物的重心，使用以下公式确定文物的重心高度

hcg，

32、

hcg=

v

i(

l

i+

c

i/2)/

v，

33、其中

l

i表示文物中第

i个圆环的下表面所处的高度；

34、所述文物重心确定方法适用于材质均匀的文物。

35、作为优选的技术方案，步骤s2中将地震下文物的运动模式分为相对静止、相对滑移、摇摆、摇摆伴随滑移四种；

36、将文物等效为平面矩形刚体进行分析，定义矩形刚体的高度为2

h，底部宽度为2

b，高宽比

γ=

h/

b，质量为

m，所受重力

w=

mg，接触面加速度为

üg(

t)，底部所受竖直力为

fy，底部所受水平力为

fx，底部所受法向反力至底部中心点距离为

ξ，接触面静摩擦系数为

μs，接触面动摩擦系数为

μk，其中

μk<

μs，相对基础位移水平分量为

x，相对基础位移竖直分量为

y，转角为

θ，其中逆时针方向为正，转动惯量为

i，为速度为零处的符号函数；

37、当文物处于相对静止时，运动方程为

fx=

müg(

t)，

fy-

w=0，

fx

h+

fy

ξ=0，其中前两个表达式为力平衡方程，后一个表达式为力矩平衡方程；相对静止在满足竖直力（法向反力）大于0、静摩擦力未被克服且竖直力（法向反力）作用于矩形刚体的底部范围内的三个条件时有效；当文物的接触面加速度较小时，水平力没有克服文物的接触面最大静摩擦力，即|

fx|≤

μs|

fy|，化简得到|

üg(

t)|max/

g≤

μs，第二个条件满足，且在没有竖向加速度的情况下，第一个条件满足，当|

ξ|≤

b，则|

fx

h|≤|

fy

b|，化简得到|

üg(

t)|max/

g≤1/

γ时第三个条件满足，最后可以得到相对静止时满足以下公式，

38、|

üg(

t)|max/

g≤

μs，

39、|

üg(

t)|max/

g≤1/

γ；

40、当文物处于相对滑移时，不满足相对静止的第二个条件，即|

üg(

t)|max/

g>

μs，则|

üg(

t)|max/

g>

μk，满足相对静止的第三个条件，即|

üg(

t)|max/

g≤1/

γ，则

μk<1/

γ，此时运动方程为，

fy-

w=0，，化简得到|

ξ|=

μk

h；只要满足相对静止的第一和三个条件，在不满足相对静止的第二个条件的瞬间运动方程就是有效的，最后可以得到相对滑移时满足以下公式，

41、|

üg(

t)|max/

g>

μk，

42、

μk<1/

γ；

43、当文物处于摇摆时，满足相对静止的第二个条件，即|

üg(

t)|max/

g≤

μs，不满足相对静止的第三个条件，即|

üg(

t)|max/

g>1/

γ，则

μs>1/

γ，此时运动方程为，

fy-

w=

mÿ，，从静止开始计算有，，求解得到，

44、，

45、，

46、，

47、摇摆在满足角加速度大于0、竖直力（法向反力）大于0且开始旋转的瞬间静摩擦力未被克服的三个条件时有效；当第一个条件满足时第二个条件自动满足，当水平力没有克服文物的接触面最大静摩擦力，即|

fx|≤

μs|

fy|，化简得到，

48、，

49、第三个条件满足，最后可以得到摇摆时满足以下公式，

50、|

üg(

t)|max/

g>1/

γ，

51、；

52、当文物处于摇摆伴随滑移时，不满足相对静止的第二个条件，即|

üg(

t)|max/

g>

μs，则|

üg(

t)|max/

g>

μk，不满足相对静止的第三个条件，即|

üg(

t)|max/

g>1/

γ，不满足摇摆的第三个条件，即，

53、，

54、此时运动方程为，

fy-

w=

mÿ，，从静止开始计算有，，求解得到，

55、，

56、，

57、摇摆伴随滑移需要先行满足摇摆的第一个条件，当第一个条件满足时第二个条件自动满足，仅当时可能成立，代入得到，

58、，

59、当

γμk-1<0时4+

γ2-3

γμk>1，摇摆的第一个条件无法满足，则仅当

γμk-1>0且4+

γ2-3

γ

μk>0时可能成立，化简得到1/

γ<

μk<(4+

γ2)/3

γ，则

μs>1/

γ，矩形刚体的接触角点o处相对加速度，求解得到，

60、，

61、那么当时自动满足，化简得到，

62、，

63、最后可以得到摇摆伴随滑移时满足以下公式，

64、

μk>1/

γ；

65、；

66、上述运动模式分析说明了文物抗震与高宽比和接触面摩擦系数相关，先求出文物的接触面摩擦系数，再由步骤s1求出的重心高度，

h=

hcg，以及三维扫描得到的底部尺寸，可以得到高宽比，将高宽比和接触面摩擦系数代入运动特性的解析公式，可以预测不同地震加速度作为峰值接触面加速度下文物的运动模式。

67、作为优选的技术方案，接触面摩擦系数通过慢拉法试验测量，将文物放在第二支承平台上，在没有石蜡锚固的情况下，作动器向文物施加一个起始较小的作用力，作用力缓慢增加，当文物被拉动时，作用力增加到最大，此时作用力除以文物所受的重力，可以测量得到接触面静摩擦系数，接着文物被拉动后匀速移动，作用力轻微减少且保持稳定，此时作用力除以文物所受的重力，可以测量得到接触面动摩擦系数。

68、作为优选的技术方案，步骤s3中石蜡模具包括一对相同的平板，一对平板拼装在一起形成外部矩形、中间圆形镂空的外形，石蜡模具用于制作不同厚度和直径的石蜡浇筑体，形状简单，拆卸方便；

69、步骤s3中石蜡的浇筑和养护方法的具体为：

70、使用时将石蜡模具放置于第二支承平台上，将文物放置于石蜡模具中间圆形通孔的正中，将石蜡加热熔融后注入石蜡模具中，放置固化后取下石蜡模具，得到凝固的石蜡；

71、加热的温度为150~200 ℃，在室温和相对湿度为50~70%的条件下放置，固化的时间为3~7 h；

72、为了测试不同厚度和直径石蜡的锚固能力，石蜡模具的厚度和中间圆形通孔的直径可以改变，以调节石蜡对文物的锚固能力，当石蜡的浇筑直径一定时，浇筑厚度越大，锚固能力越强，当浇筑厚度一定时，浇筑直径越大，锚固能力越强；

73、当浇筑直径一定时，浇筑厚度改变，当浇筑厚度一定时，浇筑直径改变，可测得石蜡的不同规格对锚固能力的影响，最后步骤s4中启动作动器，即可以测量得到石蜡的锚固抗震承载力，承载力除以文物的质量，可以预测得到单向地震下石蜡锚固可抵抗的地震加速度。

74、作为优选的技术方案，步骤s3中石蜡模具的四角开设有通孔，石蜡凝固后会将石蜡模具也锚固，虽然可以使用脱模剂，但是石蜡模具有时仍粘贴得比较牢固，直接拿走石蜡模具不方便，此时可以使用螺丝刀或其他工具倾斜抵住石蜡模具四角的通孔，再轻轻用力可使石蜡模具脱落。

75、作为优选的技术方案，地震加速度可以除以重力加速度，写作一定倍数重力加速度的表达形式。

76、与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

77、（1）本实用新型提供了一套完整的模块化测试装置，支承、连接、固定、加载四机构协同，通过作动器、定滑轮和绳索模拟水平地震荷载，直接测试石蜡锚固文物的抗震性能；本实用新型的装置改进了竖向作动器只能提供竖向作用力的局限，利用定滑轮和绳索可将竖向力转变为水平力，直接验证石蜡锚固的抗滑移和抗摇摆效能；

78、（2）本实用新型通过多孔位支承平台和可替换支承平台、固定边管及固定板，带条形孔的滑轮座，以及可替换绳索，兼容适应不同尺寸文物；

79、（3）本实用新型利用石蜡的粘结和阻尼特性，通过石蜡焊接（即熔融后固化）实现文物与基底的锚固，可使文物底部与基底完全贴合，在确保文物安全的前提下显著提升其抗震能力，同时兼顾可逆性、抗震性和对文物本体的零损伤，操作简单、原料易得；

80、（4）本实用新型通过精准量化文物动力学行为与自适应石蜡锚固工艺相结合，显著提升文物的抗震性能；基于三维扫描和积分计算精确测定文物重心，结合摩擦系数和加速度阈值建立四种运动模式的判定模型，通过文物重心确定方法和运动模式分析预判了文物的抗震薄弱状态，为文物抗震设计提供理论依据；

81、（5）本实用新型将地震下文物的运动模式细分为相对静止、相对滑移、摇摆、摇摆伴随滑移四种，通过引入摇摆伴随滑移这一混合模式，更全面地覆盖了文物在地震中的实际动力学行为，提高了运动分析的准确性和完整性；

82、（6）本实用新型使用不同规格石蜡模具，结合标准化养护工艺，在测试不同锚固规格的影响之后，可测试出最佳抗震性能尺寸的石蜡，实现文物底部无损伤自适应锚固；

83、（7）本实用新型结合测试装置实际验证运动模式分析公式和锚固效果，不仅弥补了现有技术在运动模式分析上的理论缺陷，还提供了实践性强、精度高的测试方法，在运动模式分析和实用性方面进行了全面改进，为馆藏文物的抗震保护提供了科学、可靠的解决方案。