我國(guó)石質(zhì)文物分布廣泛、規(guī)模宏大、體系完整，集建筑、雕塑、壁畫(huà)、書(shū)法等藝術(shù)于一體，集中體現(xiàn)了中華民族的審美追求、價(jià)值理念、文化精神。長(zhǎng)期以來(lái)，石質(zhì)文物在自然環(huán)境與人為干擾的疊加作用下，不僅面臨層裂、鹽蝕、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等漸進(jìn)性劣化問(wèn)題，還因地處地震頻發(fā)區(qū)域，持續(xù)承受地震沖擊等突發(fā)荷載帶來(lái)的高風(fēng)險(xiǎn)。

為攻克上述技術(shù)瓶頸，上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院巖土工程創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與敦煌研究院持續(xù)深化合作，依托甘肅省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的研究成果，構(gòu)建了一套融合離散元法與多尺度響應(yīng)分析的高精度結(jié)構(gòu)劣化評(píng)估體系。該論文《Discrete element simulation of damage mechanisms in stone cultural relics under dynamic impact》近期發(fā)表于Nature旗下期刊《npj heritage science》，由我校建筑工程學(xué)院土木工程專(zhuān)業(yè)碩士研究生鐘華鍬擔(dān)任第一作者，上海師范大學(xué)為第一完成單位。建筑工程學(xué)院朱哲皓與敦煌研究院張博共同擔(dān)任論文通訊作者。

研究首次將離散元方法系統(tǒng)引入文物保護(hù)領(lǐng)域，通過(guò)融合佛像復(fù)雜幾何形貌與巖石材料力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建高精度DEM模型，模擬六種墜落高度（0.25–1.50?m）下石窟寺頂板剝落的典型沖擊場(chǎng)景，全面解析沖擊載荷作用下佛像的力學(xué)響應(yīng)與損傷演化機(jī)制。

 DEM佛像模型及荷載設(shè)置

根據(jù)典型1?m墜落沖擊的模擬結(jié)果，研究揭示了佛像從初始受載到最終破壞的完整物理過(guò)程：初期，頸部與接觸區(qū)域形成高壓應(yīng)力集中區(qū)，張拉與剪切破壞同步萌生；中期，張拉裂隙迅速擴(kuò)展，占據(jù)新增斷裂的90%以上，徑向貫穿裂縫貫穿頭部，應(yīng)變能迅速累積并驅(qū)動(dòng)損傷比陡升；末期，裂隙擴(kuò)展減緩，結(jié)構(gòu)斷裂基本穩(wěn)定，應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為碎片動(dòng)能，局部高速碰撞引發(fā)能量耗散峰值。

佛像在沖擊荷載作用下的力場(chǎng)、裂隙以及速度場(chǎng)的演變過(guò)程

進(jìn)一步模擬結(jié)果表明，在不同沖擊強(qiáng)度下，佛像呈現(xiàn)出顯著分化的破壞模式：低沖擊強(qiáng)度易引發(fā)表層顆粒脫落，中等強(qiáng)度易導(dǎo)致局部破壞，而高沖擊強(qiáng)度則會(huì)觸發(fā)佛像頭部貫穿性斷裂，并伴隨碎片飛散等嚴(yán)重失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

佛像在不同墜落高度下的破壞模式特征

基于上述研究，課題組首次提出“應(yīng)變能損傷指標(biāo)”用于刻畫(huà)輸入能量向結(jié)構(gòu)損傷的轉(zhuǎn)化效率，明確了沖擊能量與損傷程度之間的定量關(guān)系，并提出兩個(gè)具有工程意義的臨界高度，為石質(zhì)文物抗沖擊性能評(píng)估與快速風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)提供了理論支撐。

墜落高度和應(yīng)變能損傷指標(biāo)的關(guān)系曲線(xiàn)

該成果不僅為石質(zhì)文物在極端工況下的安全性評(píng)價(jià)提供了新的數(shù)值手段，也為構(gòu)建遺產(chǎn)保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系奠定了方法學(xué)基礎(chǔ)。該方法可以推廣至更多類(lèi)型的文物及復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)景中，為我國(guó)乃至全球文化遺產(chǎn)保護(hù)提供堅(jiān)實(shí)的工程支撐與技術(shù)路徑。

（供稿、圖片：建筑工程學(xué)院）