本文是一篇土木工程论文，本文以山海关老龙头段长城为例，通过搜集调查报告和查阅文献资料，构建了山海关区长城健康档案库，选取山海关区老龙头段长城为例，研究其在地震作用和降雨条件下，城墙的破坏情况，为其修缮加固提供理论依据，最后提出长城健康监测专家诊治系统的初步方案，针对不同的破坏情况，给出相应的修缮方案。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
长城作为中国的名片，世界八大奇迹之一，凝聚着古人智慧的结晶，更代表着千百年来中国人面对外来侵犯者不惜一切代价誓死抵抗，保卫家园的决心[1]。中国长城是全球最大的建筑遗产地之一，其可持续性是一个重大问题。同时，长城范围广、体量大和多样性的特点给保护工作带来了挑战[2]。
近年来，国家对长城的保护力度与保护政策正在不断地提高与完善。1952年，中国政府组织开展居庸关、八达岭和山海关等重点长城的维修工程，这是建国以来，中国政府组织开展的长城保护维修工程。2005年，国务院批准实施《长城保护工程(2005～2014年)总体工作方案》，中央财政拨付文物保护专项资金约19亿，并开展了长城资源调查与研究。2006年国务院颁布《长城保护条例》，加强对长城的保护与利用行为[3]。2021年3月31日，河北省表决通过了《河北省长城保护条例》[4]，解决了长城文化价值发掘和保护工作中存在的短板和弱项，为长城保护提供了有力的法治支撑。
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然而，由于人类活动加剧和自然因素等原因，长城保存状况仍旧堪忧。并且当前国内外对长城等世界文化遗产的研究，多倾向于人文、经济等方面，而针对于物质文化遗产主体建筑的保护研究则相对较少。在研究物质文化遗产时，当前的研究多侧重于单一材质的物质文化遗产破坏规律。但明长城多为土筑砖包结构，该结构的特点是包含砌体和夯土两种材质，结构形式和接触较为复杂多样，所以当前此类研究尚不多见。综上所述，本文基于对长城保护的研究，进行长城信息的数字化建档，以山海关老龙头段长城为例，研究其地震响应与降雨破坏，最后提出长城健康监测专家诊治系统，根据其损伤形式，提供相应的修缮方案。
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1.2 国内外研究现状
17世纪初期，在世界地图上标注出万里长城，已经成为世界地图的基本标准。很长时间内，长城都是世界地图上标识的唯一建筑物，直到20世纪80年代，世界地图上仍只有长城这一建筑物标识存在。而对长城的保护和利用，至今尚未形成成熟和完善的管理模式。近年来，国内外学者对长城的研究多侧重于长城文化遗产方面的相关研究。例如研究长城文化、长城旅游、长城保护、长城经济等方面。其中，以我国学者的研究资料居多。就自然科学方面的研究而言，当前，国内外对长城的研究侧重于以下三个方面：第一方面，文物保护数字化研究；第二方面，自然力破坏研究；第三方面，文物健康监测与评估研究。下面根据这三个方面的国内外研究进展及存在的问题进行讨论。
1.2.1 国外研究现状
(1) 在文物保护数字化研究方面，1992年，联合国教科文组织首次在世界文化遗产的保护中引入地理信息系统(Geographical Information System,简称GIS)，先后对众多典型世界遗产建筑进行信息化探索，实现了文化遗产的数字化保护。这些项目广泛应用了GIS、文化资源管理(Cultural Resource Management，简称CMR)和全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)等技术，建立了一个综合全面的数据库，开创了文化遗产保护与计算机信息技术融合的先河[6]。随后，Justin B 通过融合三维激光扫描技术、数字摄影和GPS等技术，测量并建立了土库曼斯坦遗址的数字档案库[7]。
(2) 在建筑遗产破坏与研究方面，Laura P等对古罗马城镇奥斯蒂亚的地震破坏进行了分析，同时应用拱力学原理对受损建筑物进行结构分析，提供了一种客观的方法来确定观测到的断裂和崩塌的发震起源[8]。F Greco对秘鲁安第斯地区的土坯建筑进行了抗震研究，确定其地震作用下损伤分布及失效机制[9]。Matovic VB等对拉扎里卡教堂和马纳西哈修道院的建筑石材在不同条件下的腐烂类型和速度进行了研究[10]。Cancino B研究了土坯建筑的抗震性能并提出了相应的加固方案[11]。Tarque N等研究夯土建筑在地震作用下的位移反应，并判断其结构安全性[12]。国外学者对长城的相对研究较少，1907年英国籍匈牙利人斯坦因，发现并考察了甘肃敦煌地区的汉长城[13]。
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第2章 长城健康档案库系统构建与实施
2.1 概述
本文建立的长城健康档案库采用Microsoft Office Access数据库系统，与其他数据库相比，Access支持使用VB(Visual Basic)宏语言，它是一个面向对象的编程语言，可以引用各种对象。在VBA(Visual Basic for Applications)环境下可以调用Windows操作系统函数，使其可以像其他办公软件一样根据自己的意愿开发这款软件，拥有特定功能的处理数据方法，达到更高的工作效率。该软件具有强大的数据处理、分析和统计的功能，根据自身需求限制条件，通过查询功能，进行各类数据的挖掘、汇总和统计，还可生成可视化图表。数据传输方面可以通过人工输入或者Excel软件进行数据的输入和输出。该软件操作简单、运行方便、开发难度比其他数据库相对较低，易于后期维护管理，还可以建立动态的数据库报表和窗体等[46]。因此本文选用Access软件建立长城健康档案库。
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2.2 长城健康档案库的需求与分析
建立长城健康档案库，是利用数据挖掘技术对我国现有长城资源进行归纳整理、分析筛选，可以根据条件把具有某一特定性质的长城归纳出来，系统的提供长城档案库的检索功能和信息查阅功能。
如表2-1所示，为长城健康档案库的需求总结。其中基本信息主要包括长城的名称、建设朝代、地理位置、保护等级和古今历史资料；建筑信息主要包括长城的当地抗震设防烈度、基础所处周边环境、保存状况主要破坏因素和保护手段。
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长城健康档案库的建立，是结合国家和河北省近年来对长城进行的资源普查资料、实地勘探和调研统计，对现存长城进行全面梳理，应用Access建立的长城健康档案库。档案库的结构模型如图2-1所示，长城健康档案库主要包括系统信息管理、编码管理、长城信息管理和信息查询四大模块。
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第3章 长城老龙头段城墙有限元分析 ···················· 21
3.1 材料属性的设置 ······················· 21
3.1.1 外包砌体的本构关系 ···························· 21
3.1.2 内部夯土的本构关系 ······················· 24
第4章 长城健康监测专家诊治系统机制分析 ······························ 53
4.1 概述 ·························· 53
4.2 长城病害分析 ······················ 53
结论 ······················ 63
第4章 长城健康监测专家诊治系统机制分析
4.1 概述
中国长城具有极高的历史、文化价值，但是在其漫长的服役周期中，由于自然因素、人为因素等长期作用导致长城出现各种形式的损伤，如地震，雨水冲刷，洪水冲击，反复冻融，风化，植被影响等。夯土的酥碱和糯米砂浆强度的降低也会不可避免的导致长城墙体的承载力的降低，甚至是正常环境下的工作能力的下降，尽管期间经过多次的修缮和加固，但由于城墙修筑年代久远，仍会发生变形或损坏，甚至发生坍塌，如明清故宫城墙局部出现裂缝；南京明城墙墙体出现开裂现象，部分外包砌体发生松动、破坏现象[57]；西安明代秦王府经历了连续强降雨后，外包砌体发生坍塌，造成四辆汽车受损，四名群众受伤。由以上事件可知，有必要对城墙进行预防性保护，防止发生伤害性事件，并采取合理的监控措施，预测并减缓城墙的破坏，对城墙起到有效的保护作用。
由于未能进行及时预测，大部分城墙遭到破坏。本文根据第三章的损伤破坏分析，对易损坏位置加强监测。在保证对城墙日常监测情况下，对城墙潜在的破坏现象进行预测分析，判断破坏规律及危险部位，对城墙危险部位对症下药，进行预防保护和日常养护，能最大限度地保证城墙的结构稳定性[58]。因此，对城墙破坏规律开展研究，并针对破坏规律准确、高效地提出预防性保护措施，对长城的保护具有重要意义。
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结论
长城是全人类共同的财富，对其进行保护使之能够代代相传、永续利用是今天社会应该承担的历史责任。然而，从当前保存情况来看，许多地段损毁严重，正濒临消亡。长城本文以山海关老龙头段长城为例，通过搜集调查报告和查阅文献资料，构建了山海关区长城健康档案库，选取山海关区老龙头段长城为例，研究其在地震作用和降雨条件下，城墙的破坏情况，为其修缮加固提供理论依据，最后提出长城健康监测专家诊治系统的初步方案，针对不同的破坏情况，给出相应的修缮方案。具体研究内容如下：
(1) 提出了长城健康档案库的建立，以山海关区长城为例，通过查阅长城资源调查报告，建立了山海关区长城健康档案库，采用三指标分类法进行归类建档。建档内容包括结构建筑形式、建筑材料、基础类型、当地所处抗震设防烈度、基础所处周边环境、建设年代、现存状况、保护等级、水文地质、古今历史资料等，形成数字化基础数据资料库，实现基于Access的长城健康档案库的管理系统，形成了山海关区长城数据的存储、分析、检索和备份等功能。
(2) 从山海关区长城健康档案库中选取老龙头段长城，建立有限元模型。进行模态分析，研究城墙的结构振动特性；输入峰值加速度为50gal、100gal、200gal、400gal和700gal的EL-Centro波、Taft波及人工波，研究老龙头段长城的位移响应及加速度响应。城墙峰值位移随着输入荷载的增大，增长的速率越快。城墙峰值位移随着高度的增加呈现逐渐增大的趋势，在城墙中部产生增长速率发生转折，即在遭受地震破坏时，城墙中部更易引起破坏。夯土与砌体交界面处较城墙外部在受到地震波作用时更易形成损伤。城墙根部的位移值较大，也是城墙抗震加固的重点区域。城墙的加速度峰值随高度的增加逐渐放大，放大系数在1.01~2.30之间。当输入荷载增大时，城墙同一高度的加速度峰值也不断增大。在两种材质交界处的加速度峰值高于同高度的城墙外部加速度峰值。由城墙在地震波作用下位移和加速度分析可知，城墙抗震保护的薄弱区是城墙中部、城墙根部和外包砌体与内部夯土的交界面处。
参考文献（略）