泰山紅門榫卯節(jié)點加固方法的可行性研究

李凱琦

摘 要：木結(jié)構(gòu)建筑中梁、柱等構(gòu)件由凹凸結(jié)合的榫頭和卯口連接。榫卯節(jié)點不僅在長期的地震力、風力影響下易出現(xiàn)節(jié)點松動、拔榫、脫榫等情況，而且建造時木材含水率、紋理方向等因素影響連接特性，不利于建筑的穩(wěn)定。因此，探索榫卯節(jié)點的加固方法對建筑的安全性具有重要意義。文章通過實地考察彌勒院、紅門宮、飛云閣梁柱結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，探索梁柱間榫卯節(jié)點的最佳加固方法。

關(guān)鍵詞：泰山紅門;榫卯節(jié)點;加固方法

紅門為泰山古建筑群的第一組建筑群，明清時重建，以紅門路為軸線，分為東西兩院，東為彌勒院，西為紅門宮，中間由飛云閣相連。中國古建筑木結(jié)構(gòu)的榫卯節(jié)點是紅門梁柱結(jié)構(gòu)的主要連接構(gòu)件，具有良好的抗震性、抗側(cè)性和承載性，對建筑的穩(wěn)定性具有積極意義。榫卯節(jié)點介于剛性與柔性之間，屬半剛性節(jié)點，具有一定可活動性，能夠很好地承受建筑的荷載以及地震力和風力，且具有適應(yīng)性強、施工速度快、便于修繕和搬遷等優(yōu)點。在長期發(fā)展過程中，紅門梁柱結(jié)構(gòu)主要受地震、風力等外部因素和木材含水率、紋理方向等內(nèi)部因素兩大因素影響，出現(xiàn)節(jié)點松動等情況。我國地域遼闊，木結(jié)構(gòu)建筑基數(shù)大，榫卯節(jié)點損壞情況復(fù)雜多樣，給節(jié)點加固工作帶來巨大壓力。

1 紅門榫卯節(jié)點現(xiàn)狀分析

首先，泰山位于郯城—營口地震帶，地震活動頻度高、震源淺，據(jù)泰安市地震局統(tǒng)計，自1970年以來泰安平均每年發(fā)生一級以上地震約十次;其次，泰山古建筑群呈軸線式布局，彌勒院、紅門宮位于紅門路東、西兩側(cè)，飛云閣位于紅門路北首，獨特的布局形式導(dǎo)致軸線中心氣壓低于兩側(cè)，風速快;再次，泰安屬暖溫帶季風氣候，春季干燥多風，夏季高溫多雨，不同季節(jié)木材含水率差異大。因此，紅門梁柱間榫卯節(jié)點的現(xiàn)狀為地震力導(dǎo)致的節(jié)點松動、風力導(dǎo)致的侵蝕（圖1）和水分蒸發(fā)引起的開裂（圖2）等。

2 外部因素導(dǎo)致紅門榫卯節(jié)點損壞情況

2.1 地震力對榫卯節(jié)點的損壞

木結(jié)構(gòu)建筑與磚石建筑相比具有良好的抗震性和抗側(cè)性。紅門梁柱結(jié)構(gòu)的選材以具有良好柔韌性的松木為主，在物理性質(zhì)上具備承受建筑荷載的強度和韌性。但木材是由縱向纖維構(gòu)成，橫向受力時易斷裂，當?shù)卣鸩ǖ竭_地表時，沿地表橫向傳播，出現(xiàn)前后、左右的劇烈晃動，紅門榫卯節(jié)點出現(xiàn)節(jié)點松動的情況。地震力對建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度分為擾動、損壞、破壞、倒塌四種震害狀況。紅門位于郯城—營口地震帶，地震多發(fā)于郯城，且郯城距泰山250多千米，地震波到達紅門時消耗了大部分能量，加之榫卯節(jié)點的抗震性能，地震力對紅門榫卯節(jié)點的震害狀況以擾動為主：受長期的地震力影響，柱底與柱礎(chǔ)間出現(xiàn)輕微滑移現(xiàn)象，榫卯節(jié)點松動。

榫卯節(jié)點的可活動性可以較好地抵御中低強度的地震力所帶來的影響，但仍對木構(gòu)架產(chǎn)生一定的破壞作用。地震力對彌勒院、紅門宮、飛云閣的梁柱結(jié)構(gòu)造成的震害癥狀以節(jié)點松動為主，即榫卯節(jié)點可以通過榫頭和卯口之間的摩擦與擠壓進行耗能，以達到消減地震力的目的;在節(jié)點摩擦與擠壓過程中，節(jié)點縫隙不斷變大，摩擦力不斷減小，節(jié)點的剛性不斷下降，先后出現(xiàn)節(jié)點松動和節(jié)點拔榫情況，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。①

2.2 風力對榫卯節(jié)點的損壞

風力侵蝕也是導(dǎo)致榫卯節(jié)點損壞的重要因素。泰山古建筑群呈軸線式布局，建筑分布于軸線兩側(cè)，導(dǎo)致軸線中心壓力較低，風速較快，布局形式給榫卯節(jié)點的保存帶來不利影響。軸線兩側(cè)的彌勒院、紅門宮均有博風板遮擋，受風蝕情況較小;位于軸線中心的飛云閣正處紅門路北首迎風口，且門前廊道兩側(cè)未設(shè)置博風板，梁柱結(jié)構(gòu)受風蝕情況嚴重。榫卯節(jié)點經(jīng)過長期風吹雨打以及微生物的侵害，節(jié)點逐漸腐朽，逐漸失去抗拉強度，使建筑失去原有的穩(wěn)定性。

3 內(nèi)部因素（木材含水率）導(dǎo)致紅門榫卯節(jié)點損壞情況

泰安屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春季干燥多風，夏季高溫多雨，不同季節(jié)木材含水率差異大，含水率的起伏變化導(dǎo)致榫卯節(jié)點開裂變形（圖3、圖4）。木材橫紋方向的干縮率高于縱紋方向，榫頭的橫紋方向容易因水分的蒸發(fā)而干縮變形。①華南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院的榫卯結(jié)構(gòu)拉伸實驗表明，榫卯結(jié)構(gòu)的拉伸破壞過程是一個靜摩擦與動摩擦交替的過程。榫卯結(jié)構(gòu)的抗拉強度隨著木材含水率的增加而增加。因此，在制作榫卯時需對木材進行烘干處理，使木材含水率降至泰安平均含水率以下，使木材含水率呈上升趨勢，增加榫卯結(jié)構(gòu)的抗拉強度。

4 紅門榫卯節(jié)點加固方法可行性分析

為了保護紅門梁柱結(jié)構(gòu)，彌勒院、紅門宮、飛云閣建造之初就已在梁柱間設(shè)置雀替，共同承擔上部的壓力，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于地震損耗、風雨侵蝕、蟲蛀等因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，梁柱間已失去原有的穩(wěn)定性和抗側(cè)性，需采取現(xiàn)代加固方法進行加固保護。現(xiàn)有加固方法可大致分為金屬連接件加固（扒釘加固、扁鋼加固、螺栓加固等）和碳纖維增強材料加固（碳纖維布加固、玄武巖纖維布加固等）兩類。下文針對紅門梁柱現(xiàn)狀分析最佳加固方法。

4.1 金屬連接件加固

4.1.1 扒釘加固

扒釘加固通過扒釘限制節(jié)點的松動脫榫，扒釘為兩條腿的釘子，屬剛性材質(zhì)，其本身具有一定抗拉抗壓能力，對梁柱的側(cè)傾可以提供一定程度的抵抗能力。故宮博物院與北京工業(yè)大學(xué)對扒釘加固榫卯節(jié)點的研究表明，扒釘受自身質(zhì)量限制，提供給節(jié)點的抗拉、抗壓能力有限，適用于小型木結(jié)構(gòu)加固。

4.1.2 扁鋼加固

扁鋼組件利用扁鋼的柔韌性，用螺釘加固，附著于受損的梁柱結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)整螺母的松緊控制鋼箍與木材間的摩擦力來抵抗拔榫力，提高節(jié)點的抗拉能力。周乾等在鋼構(gòu)件加固古建筑榫卯節(jié)點抗震試驗中，選用厚度為3mm、寬度為50mm的Q235鋼材組件加固榫卯節(jié)點，通過對加固前后的節(jié)點性能進行對比分析發(fā)現(xiàn)，未加固節(jié)點的最大插榫量為4mm，拔榫量為13.5mm;鋼構(gòu)件加固節(jié)點后，插榫量降為3.5mm，拔榫量則減小至7.9mm，鋼構(gòu)件加固榫卯節(jié)點后，節(jié)點拔榫量可降低為加固前的0.6倍（7.9/13.5）。②但扁鋼缺乏彈性，限制了節(jié)點間的可活動性，使節(jié)點的耗能能力降低。

4.2 碳纖維增強材料加固

4.2.1 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，利于加固轉(zhuǎn)角較復(fù)雜的榫卯節(jié)點。碳纖維布加固是運用包裹法對榫卯節(jié)點進行加固，用與榫頭等寬的碳纖維布包裹每個節(jié)點梁部的內(nèi)外兩側(cè)，包裹長度延伸至梁的250mm處。為減少碳纖維布在受力時產(chǎn)生剝落情況，每根梁采用6條50mm寬的碳纖維布條對橫向包裹的碳纖維布進行間隔50mm的縱向加固處理。包裹法大大降低了脫榫、拔榫等情況，但包裹法也在一定程度上降低了節(jié)點的可活動性，與加固前相比可活動性有所下降。碳纖維布加固的缺點在于完全附著于節(jié)點，消耗了節(jié)點的大部分作用力，在長期耗能過程中易出現(xiàn)斷裂和剝落現(xiàn)象;優(yōu)點是使用碳纖維布加固后的榫卯節(jié)點仍具有半剛性特點，優(yōu)于扒釘、鋼箍、螺栓等金屬鏈接件加固方法。

4.2.2 玄武巖纖維布加固

玄武巖纖維是由玄武巖高溫熔煉拉絲而成，具有密度低、拉力強、抗蠕變的特點。玄武巖纖維屬礦物纖維，在抗腐蝕方面表現(xiàn)優(yōu)異，能適應(yīng)長期風吹日曬雨淋的情況。雖紅門梁柱結(jié)構(gòu)大多有博風板遮擋，但泰山古建筑群的空間布局決定了紅門建筑群長期暴露于風蝕環(huán)境下，飛云閣門前廊道正處于紅門路北首迎風口，且兩側(cè)未設(shè)置博風板，梁柱結(jié)構(gòu)上的彩繪圖案和結(jié)構(gòu)邊緣侵蝕嚴重，采用玄武巖纖維布加固，可充分發(fā)揮玄武巖纖維的抗腐蝕特性。飛云閣門前廊道梁柱柱底置于花墻之上，沒有柱礎(chǔ)的頂托作用，耗能全部依靠梁柱間的榫卯結(jié)構(gòu)。玄武巖纖維的抗拉強度是鋼性材料的5倍（表1），可充分滿足節(jié)點的拉力和剛性需求。

5 不同加固方法在紅門榫卯節(jié)點中的利害分析

目前泰山紅門的梁柱結(jié)構(gòu)使用年限已久，結(jié)構(gòu)受地震力、風力等損害，彌勒院、紅門宮、飛云閣主要梁柱結(jié)構(gòu)已做加固修復(fù)處理，僅有飛云閣門前廊道等中小型梁柱結(jié)構(gòu)保留原狀。隨著時間的推移，對前者進行加固保護是必然趨勢，所以要分析梁柱結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，尋求最合理的加固方法。

扒釘由鋼筋兩端彎成直鉤而成，施工方便快捷，但扒釘受自身質(zhì)量的限制，所能提供的拉力有限，只能用于加固小型梁柱結(jié)構(gòu)。扒釘?shù)娜秉c在于外露于榫卯節(jié)點兩側(cè)，影響節(jié)點美觀。扒釘加固適用于加固結(jié)構(gòu)簡單的彌勒院院門，且院門兩側(cè)置有博風板，可遮擋外露的扒釘，消弭節(jié)點美觀的不足。

扁鋼通過螺釘加固，附著于梁柱結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)整螺母的松緊控制鋼箍與木材間的摩擦力來抵抗拔榫力，提高節(jié)點的抗拉能力。扁鋼加固可有效改善榫卯節(jié)點松動情況，但由于扁鋼缺乏彈性，限制了節(jié)點的可活動性，使節(jié)點的耗能能力降低。扁鋼加固適用于不單一通過榫卯節(jié)點耗能的彌勒院和紅門宮，柱底和柱礎(chǔ)間的頂托作用可以彌補扁鋼加固使節(jié)點耗能降低的缺陷。

碳纖維布加固的優(yōu)點在于重量輕、易裁剪、可塑性大、抗拉強度高和耐久性好，采用包裹法加固榫卯節(jié)點，改善了節(jié)點松動情況。缺點在于包裹法完全附著于榫卯節(jié)點，消耗了節(jié)點的大部分作用力，在長期耗能過程中易出現(xiàn)斷裂和剝落現(xiàn)象;包裹法會一定程度上限制節(jié)點的可活動性，但通過碳纖維布加固的榫卯節(jié)點仍具有可活動性，符合榫卯的半剛性特點。

玄武巖纖維布與碳纖維布特點大致相同，玄武巖纖維屬礦物纖維，在抗腐蝕方面優(yōu)于碳纖維。玄武巖纖維的拉強是鋼性材料的5倍，適于加固受風蝕嚴重和無柱礎(chǔ)頂托的飛云閣門前廊道。

通過分析不同加固方法在榫卯節(jié)點中的利害關(guān)系，可得彌勒院院門等小型木結(jié)構(gòu)的加固效果：扒釘加固>扁鋼加固>碳纖維布加固，不適用玄武巖纖維布加固;飛云閣門前廊道梁柱結(jié)構(gòu)加固效果為：玄武巖纖維布加固>碳纖維布加固>扁鋼加固>扒釘加固。

6 結(jié)語

傳統(tǒng)榫卯節(jié)點對梁柱結(jié)構(gòu)的抗震性、抗側(cè)性都具有重要影響。應(yīng)加大對榫卯節(jié)點的性能研究，在原有加固方法上實現(xiàn)理論和材料的創(chuàng)新，并遵守“恢復(fù)原狀和保持現(xiàn)狀”的古建筑維修加固原則，盡量不破壞榫卯節(jié)點原有性能，并將加固材料的耐久性問題納入研究范圍。

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