木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點抗震性能及震后加固修復研究進展?

郭 宇 劉睿靜 宋 怡 李源河 姚利宏

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學材料科學與藝術(shù)設(shè)計學院，呼和浩特 010018)

我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久，用榫卯連接的梁柱木結(jié)構(gòu)框架體系，是我國木結(jié)構(gòu)古建筑經(jīng)歷地震、臺風等自然災(zāi)害后仍能保存至今的關(guān)鍵之一。梁思成[1-3]等建筑學家通過實地勘測與研究我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的具體構(gòu)造和工藝，也證實木結(jié)構(gòu)建筑中的榫卯節(jié)點是其穩(wěn)定性與框架承載性能的重要因素。我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑榫卯節(jié)點結(jié)合方式是介于剛接和鉸接之間的半剛性連接。它不同于鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鐵件加固連接等，在抗壓的同時具有一定的抗彎與抗扭能力，能在地震作用下消減能量，達到抗震效果[4]，但是在強大的地震作用下，部分榫卯節(jié)點仍會遭到嚴重破壞。如何對傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑震后節(jié)點進行加固與修復，成為木結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域的研究熱點。

1 木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點抗震性能

我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中梁柱節(jié)點的榫卯連接，即為柱頂預留卯口由梁端的榫頭插入，二者緊密連接，形成特殊的連接系統(tǒng)。榫卯節(jié)點將梁柱構(gòu)件連接到一起，形成木構(gòu)架，其中柱與枋之間利用榫卯連接緊密結(jié)合，形成了富有柔性的連接結(jié)構(gòu)，從而對地震起到了消減作用。榫卯節(jié)點震后常見的破壞形式有拔榫、榫頭下沉、扭曲，節(jié)點松動等[5-6]，這主要和榫卯節(jié)點的承載能力、榫頭長度、形狀和卯口深度有關(guān)[7-8]。榫卯節(jié)點結(jié)構(gòu)主要有直榫、燕尾榫、搭扣榫、饅頭榫和管腳榫等，其中直榫與燕尾榫應(yīng)用最廣，本文重點對這兩種節(jié)點性能的相關(guān)研究進行介紹。

1.1 直榫

直榫的榫頭與卯口的形狀為長方形。直榫有長短之分，長榫頭將構(gòu)件打穿，稱為透榫。而短榫頭不穿透柱身，稱為半榫。

圖1 透榫Fig.1 Through-tenon joint

圖2 半榫Fig.2 Half-tenon joint

謝啟芳[9]等通過制作長度和形狀不同的榫頭以及不同模型比例的直榫測試，研究不同直榫節(jié)點的抗震性能，結(jié)果表明：直榫節(jié)點的破壞形式主要是榫頭拔榫、擠壓變形及卯口受損，梁和柱無明顯破壞；不論是單向直榫節(jié)點或者半榫透榫節(jié)點，其彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線均呈現(xiàn)“S”狀，而且不同木材種類對直榫的轉(zhuǎn)動剛度與承載力具有明顯影響[10]。直榫有半榫與透榫之分，有學者分別對半榫、透榫的榫卯節(jié)點模型進行低周往復試驗，發(fā)現(xiàn)半榫榫卯節(jié)點耗能大于透榫[11-12]。直榫節(jié)點的轉(zhuǎn)角可達1/8 rad，證明直榫榫卯節(jié)點有良好的變形能力[5]。榫頭和卯口之間產(chǎn)生的摩擦滑移使其具有良好的抗震性能[13]。若對透榫與半榫進行剛度對比發(fā)現(xiàn)透榫的剛度大于半榫[14]。一般情況下榫接無法避免間隙的產(chǎn)生，從理論和試驗兩個方面對帶間隙直榫的力學性能分析研究表明：當榫卯節(jié)點存在間隙時，隨著間隙尺寸的增大，榫頭力學性能逐漸下降，因此在評價榫頭力學性能時考慮間隙非常必要[15-16]。

1.2 燕尾榫

燕尾榫也可稱為“大頭榫”、銀錠榫”或“銀錠扣”。其形狀為上部寬而下部窄，內(nèi)小而外大，很像燕子的尾巴，故而通常稱為燕尾榫。在木構(gòu)架中常用于水平構(gòu)件與垂直構(gòu)件的連接。

圖3 燕尾榫Fig.3 Swallow-tailed tenon joint

徐明剛等[17]對燕尾榫進行單個節(jié)點和低周往復荷載試驗，燕尾榫節(jié)點破壞形式為脫榫破壞，榫頭和卯口產(chǎn)生明顯的擠壓變形。其滯回曲線具有明顯的“捏縮效應(yīng)”，證明燕尾榫出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，具有半剛性的特點[18-21]。燕尾榫的極限轉(zhuǎn)角為0.12 rad，在達到極限轉(zhuǎn)角時，榫頭在順紋方向未達到屈服強度，在橫紋方向處于二次應(yīng)變硬化的階段[22]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，燕尾榫節(jié)點的剛度和峰值載荷會隨著榫卯面積的增加而增大[23]。對于燕尾榫不同拔榫程度，有學者采用擬靜力試驗和有限元分析相結(jié)合進行研究，結(jié)果表明：燕尾榫節(jié)點的受力過程分為彈性段與強化段，且在拔榫程度增大時，彈性剛度與強化段剛度會減小[24]。

1.3 不同榫卯節(jié)點抗震性能比較研究

木結(jié)構(gòu)建筑中不同部位會采用不同的榫卯節(jié)點連接，研究其抗震特性，可以為木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計與建造提供理論基礎(chǔ)。

謝啟芳[9]等對抬梁和穿斗形式的木構(gòu)架建筑的典型榫卯節(jié)點進行研究，對節(jié)點耗能比較得出：半榫＞饅頭榫＞透榫＞瓜柱柱腳直榫。通過數(shù)值模擬針對直榫與燕尾榫節(jié)點的破壞特征與形式進行比較發(fā)現(xiàn)，直榫的榫頭比燕尾榫的更易被破壞，然而其卯口則比燕尾榫的破壞程度小[25]。周乾[26]對透榫、半榫與燕尾榫的最大轉(zhuǎn)動剛度與彎矩值進行分析，得出以下結(jié)論：若是同一種榫卯節(jié)點，榫頭越長其承載能力越強；節(jié)點抗彎強度與殘余強度均為透榫＞燕尾榫＞半榫。透榫與燕尾榫在抗震性能上具有相似之處，兩種榫卯節(jié)點的松動程度越大，其試件破壞程度越嚴重。耗能能力均隨著松動程度的增大而減小，榫頭的強度退化系數(shù)均在0.8～1.0之間[27]。李軒[28]在榫卯節(jié)點等效剛度對木結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究中，對不同榫卯節(jié)點的等效剛度進行分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點性能，填充墻等附屬構(gòu)件可以選取合理的節(jié)點等效剛度與等效分析模型，對于一般性的工程建議選取半剛接型及其相應(yīng)的等效剛度。孟濤[29]等通過對帶有關(guān)鍵榫卯節(jié)點在低周反復荷載下的有限元分析，發(fā)現(xiàn)帶有關(guān)鍵榫卯節(jié)點易發(fā)生破壞的位置主要是卯口邊緣和關(guān)鍵。其中所使用的關(guān)鍵是為使榫卯交接牢固而采用，用硬木做成，長度略大于柱子直徑。因此，今后在對榫卯節(jié)點進行加固保護時，要確保對榫卯節(jié)點水平拔榫和榫頭的約束以及卯口間的充分轉(zhuǎn)動和摩擦，以提高節(jié)點的承載力，充分發(fā)揮其抗震性能。

2 榫卯節(jié)點加固與震后修復

木結(jié)構(gòu)建筑榫卯結(jié)構(gòu)體系在強烈的地震作用下容易導致變形、拔榫、折榫、節(jié)點破壞松動、承載力降低以及剛度變小等一系列問題，節(jié)點破損嚴重會導致建筑物較大變形甚至倒塌，因此對破損的榫卯節(jié)點進行加固及修復顯得尤為重要。我國古代傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中常在梁柱榫卯節(jié)點處設(shè)置雀替，以有效提高節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度，使其具有較好的抗震耗能效果。現(xiàn)代，學者們側(cè)重于利用外部構(gòu)件的形式對榫卯節(jié)點進行加固與修復，常用的方法包括[30-33]：采用扁鋼對拔榫的位置進行固定支撐；采用馬口鐵直接對榫卯節(jié)點進行固定；利用碳纖維布對已破壞的榫卯節(jié)點進行加固與修復。

2.1 扁鋼加固

姚侃等在古建木結(jié)構(gòu)榫卯連接的扁鋼加固試驗中，對Q235扁鋼加固榫卯節(jié)點加固前后的各個性能進行對比分析，發(fā)現(xiàn)扁鋼加固后的榫卯結(jié)構(gòu)剛度提高，榫卯連接結(jié)構(gòu)耗能轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽勘怃撉蟮乃苄宰冃魏哪?，可以阻止榫卯?jié)點結(jié)構(gòu)的破壞，加固后的節(jié)點耗能能力降低[34]。U型扁鋼加固破壞后的殘損節(jié)點，在保證扁鋼有足夠的抗拉強度和螺釘具有足夠的抗剪強度的前提下，既能提高殘損節(jié)點的承載力，又能提高節(jié)點的延性[35]，扁鋼加固的方法更適合剛度明顯不足或一些強度較低的隱蔽的榫卯節(jié)點。扁鋼體積小、延性好、強度高，近些年被頻繁用于木結(jié)構(gòu)的震后加固。目前國內(nèi)的扁鋼加固技術(shù)手段仍然處于初級階段，有待深入研究。

2.2 馬口鐵加固

我國部分地區(qū)采用馬口鐵對古建筑的榫卯節(jié)點進行加固，以提高木構(gòu)架的抗震性能。2008年，汶川地震中，廣元市某古建筑由于采用了馬口鐵加固榫卯節(jié)點，其震后榫卯節(jié)點未受到破壞，因此震害很小[36]。在利用馬口鐵加固故宮太和殿榫卯節(jié)點的研究中發(fā)現(xiàn)，馬口鐵對榫卯節(jié)點的約束作用減小了拔榫量，可以提高構(gòu)架的側(cè)移剛度與承載力[11,37]，而且馬口鐵對榫卯節(jié)點的滑移有一定的抑制作用，加固后的構(gòu)架耗能能力較弱[38]?？傮w而言，利用馬口鐵加固榫卯節(jié)點效果較好，相關(guān)研究結(jié)果表明，馬口鐵加固榫卯節(jié)點后，節(jié)點拔榫量減小，抗彎承載力提高，剛度退化不明顯，加固后的節(jié)點仍有較好的耗能能力和延性[39]。

2.3 碳纖維布加固

碳纖維布具有重量輕、易裁剪、可塑性大、抗拉強度高和耐久性好的特點，且在榫卯節(jié)點的加固過程中施工方便、簡單。

榫卯節(jié)點采用碳纖維布加固后，節(jié)點轉(zhuǎn)動會受到限制，榫頭拔出量有一定程度的減少，且節(jié)點破壞形式主要是碳纖維布因受拉而發(fā)生脆性與剝離破壞[40]。由于木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點構(gòu)造特殊，使用碳纖維布加固后的榫卯節(jié)點具有較好的延性，滯回曲線形狀為“蝶形”[41]。通過對已破壞的燕尾榫進行碳纖維布加固，發(fā)現(xiàn)加固后的燕尾榫節(jié)點仍然是半剛性的連接特性，但耗能減震的效果弱于原燕尾榫。分析其骨架曲線，已加固的節(jié)點初始剛度較大，而后衰減，且速度較慢，但強度低于原燕尾榫[5]。利用碳纖維布加固木構(gòu)架模型同樣也可以得到很好的減震效果，試驗結(jié)果表明：加固模型相較于未加固的模型其動力放大系數(shù)低，其木構(gòu)架榫卯節(jié)點的阻尼耗能能力顯著增強[42-43]。

2.4 不同加固修復方式比較研究

目前現(xiàn)存許多古建木結(jié)構(gòu)使用年限已久，榫卯節(jié)點殘損嚴重，建筑整體結(jié)構(gòu)受殘損節(jié)點的影響出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，通過對比不同木結(jié)構(gòu)加固方式，尋求合理有效的加固方法，為古建筑修繕加固工作提供理論依據(jù)，具有現(xiàn)實意義。

余雯雯[44]對兩個木結(jié)構(gòu)建筑的榫卯節(jié)點縮尺模型分別進行碳纖維布與扁鋼加固發(fā)現(xiàn)，榫卯節(jié)點的承載力均得到很大提升，扁鋼加固的效果優(yōu)于碳纖維布，扁鋼加固后的榫卯節(jié)點承載力提高了3倍，而碳纖維布僅提高了1倍；對于節(jié)點剛度而言，利用扁鋼加固的節(jié)點剛度增加了2倍，碳纖維布則增加了1倍[23]。對馬口鐵與碳纖維布進行分析對比，碳纖維布加固榫卯節(jié)點的效果要優(yōu)于馬口鐵的加固效果[45]。周乾[46]采用振動臺的試驗方法分析了不同加固方法的基頻大小與抗震性能，結(jié)論為：扁鋼加固＞碳纖維加固＞馬口鐵加固。

3 結(jié)語

國內(nèi)外學者對木結(jié)構(gòu)建筑的抗震與節(jié)點加固修復做了諸多開創(chuàng)性研究，并取得了重要成果，但在木結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域仍有很多問題有待深入研究，如木材自身性能退化與建筑抗震的關(guān)系、木結(jié)構(gòu)建筑榫卯節(jié)點的抗震機理、普柏枋和雀替等構(gòu)件對抗震的貢獻、不同加固材料及其用量對結(jié)構(gòu)抗震效應(yīng)的影響等。同時應(yīng)不斷探索新的加固材料和加固方法，并將加固材料的耐久性問題納入研究范圍。目前對木結(jié)構(gòu)殘損節(jié)點加固設(shè)計理論方法還滯后于實際應(yīng)用，因此應(yīng)強化殘損節(jié)點加固修復設(shè)計理論的研究。