古建筑檻窗木構(gòu)架抗震性能及損傷等級評價

郇君虹，郭小東，馬東輝，管忠正

(1.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；土木工程學(xué)院，石家莊 050043；2.北京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)部；木結(jié)構(gòu)古建筑安全評估與災(zāi)害風(fēng)險控制國家文物局重點(diǎn)科研基地；北京市歷史建筑保護(hù)工程技術(shù)研究中心，北京 100124)

木結(jié)構(gòu)古建筑是中國的文化瑰寶，是歷史文明的傳承，具有不可再生性和不可替代性。然而，中國是一個地震多發(fā)的國家，許多古建筑在歷次地震中均遭到了不同程度的損毀[1]。因此，研究木結(jié)構(gòu)古建筑的抗震性能，并對其開展科學(xué)的修復(fù)及保護(hù)工作刻不容緩。學(xué)者們采用模型試驗(yàn)、有限元分析、理論推導(dǎo)等手段對木結(jié)構(gòu)古建筑展開了一系列研究，涵蓋了木結(jié)構(gòu)古建筑的榫卯節(jié)點(diǎn)、斗栱節(jié)點(diǎn)、平面榫卯節(jié)點(diǎn)框架、空間木構(gòu)架等方面。

在榫卯節(jié)點(diǎn)方面，吳洋等[2]對不同拔榫程度的燕尾榫節(jié)點(diǎn)框架進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了靜力作用下梁跨中荷載與撓度的變剛度線彈性力學(xué)模型。郭婷等[3]對西南傳統(tǒng)民居穿斗式木結(jié)構(gòu)穿銷中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單調(diào)加載試驗(yàn)，研究了兩類節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。郇君虹等[4]研究了扁鋼加固半榫、透榫及燕尾榫的抗震性能，提出了一種新型的榫卯節(jié)點(diǎn)加固方式，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在斗栱節(jié)點(diǎn)方面，Tsuwa等[5]制作了3種不同尺寸的斗栱模型，對其進(jìn)行動力和靜力加載試驗(yàn)，分析了斗栱的構(gòu)件對整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。Yeo等[6-9]對兩種不同形式的斗栱進(jìn)行振動臺試驗(yàn)，研究了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)斗栱在不同豎向荷載作用下和集集地震波激勵下的破壞模式。在平面榫卯節(jié)點(diǎn)框架方面，Atsuo等[10]通過擬靜力試驗(yàn)和有限元模擬研究了日本傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶斗栱、梁和木質(zhì)填充墻的平面框架的力學(xué)性能。D’Ayala等[11]建立了臺灣地區(qū)傳統(tǒng)寺廟3種不同框架的有限元模型，計(jì)算結(jié)果中，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力及位移和相關(guān)震害資料顯示的一致。

近年來，盡管針對木結(jié)構(gòu)古建筑的抗震研究取得了一定的進(jìn)展和成果，但針對帶門、窗、墻體的木結(jié)構(gòu)古建筑木構(gòu)架的抗震性能方面的研究還存在不足。研究表明[12-13]，木構(gòu)架內(nèi)部的墻體門窗等會對木結(jié)構(gòu)古建筑抗震性能產(chǎn)生較大的影響，且木結(jié)構(gòu)古建筑的門、窗、墻體壁畫等是古建筑文化價值的重要組成部分，研究其抗震性能和價值損傷十分必要和迫切。筆者以木結(jié)構(gòu)古建筑中應(yīng)用廣泛的檻窗木構(gòu)架為研究對象，以清《工程做法則例》[14]為依據(jù)，建立了縮尺比例為1∶2的模型，采用低周往復(fù)試驗(yàn)對其進(jìn)行抗震性能研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料模型制作

以中國現(xiàn)存的清式古建筑中帶雀替、隔扇、檻窗的木構(gòu)架為原型，按照清《工程做法則例》[14]和《中國古建筑知識手冊》[15]中的做法，制作了兩榀縮尺比例為1∶2的木構(gòu)架模型，兩榀木構(gòu)架的設(shè)計(jì)參數(shù)相同，編號分別為KC1和KC2。選用的木材為樟子松，未考慮材料老化的影響。試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜆?gòu)件的尺寸如圖1～圖3及表1所示。檻窗木構(gòu)架的構(gòu)件之

表1 檻窗木構(gòu)架模型構(gòu)件尺寸Table 1 Dimensions of Kanchuang frame’s components

圖1 檻窗木構(gòu)架試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)造及尺寸示意圖Fig.1 Construction and dimensions of the test

圖2 檻窗木構(gòu)架三維示意圖Fig.2 Three-dimensional sketch of Kanchuang

圖3 檻窗木構(gòu)架構(gòu)件尺寸圖Fig.3 Dimensions of Kanchuang frame’s

間連接根據(jù)傳統(tǒng)清式建筑的做法，采用榫卯連接，具體構(gòu)件和榫卯節(jié)點(diǎn)的尺寸如圖4和圖5所示。由于構(gòu)件和墻體均為人工砌筑，并且需要提前預(yù)留安裝空隙，因此存在一定的縫隙差異。經(jīng)過測量，兩榀木構(gòu)架的縫隙差異在3～5 mm左右。兩榀檻窗木構(gòu)架的磚墻均由同一工人砌筑。

圖5 連二楹、通連楹尺寸圖Fig.5 Dimensions of Lianerying and

1.2 材性參數(shù)

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[16-24]制作試塊，對試驗(yàn)所用的木材、砌筑砂漿、磚砌體進(jìn)行材性試驗(yàn)，獲得相應(yīng)參數(shù)，如表2、表3所示。

表2 木材材性參數(shù)Table 2 Material parameters of wood MPa

表3 砂漿及磚砌體材性參數(shù)Table 3 Material parameters of mortar and masonry MPa

1.3 加載方案

在柱頂端放置柱帽，柱帽上放置分載梁。通過分載梁兩端吊配重的方法施加經(jīng)過屋面荷載折算的柱端荷載，共12 kN。加載裝置如圖6所示。為了防止試驗(yàn)過程中構(gòu)件產(chǎn)生平面外傾斜，在試驗(yàn)構(gòu)件后方搭建腳手架進(jìn)行支撐。

圖6 加載裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of loading

通常木結(jié)構(gòu)在承受較小荷載的時候就發(fā)生較大變形。因此，參考《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)中的建議，水平方向采用位移控制加載。加載初始值為±3 mm；加載位移在5～70 mm時，每級加載位移增加5 mm；加載位移在70～110 mm時，每級加載位移增加10 mm；加載位移大于110 mm時，每級加載位移增加20 mm，每級位移循環(huán)加載3次，直至加載到千斤頂最大量程150 mm為止。加載位移曲線如圖7所示。

圖7 加載位移示意圖

在千斤頂頂端設(shè)置力傳感器和位移計(jì)，用來測量加載過程中木構(gòu)架的受力和千斤頂推出位移。采用位移計(jì)2和位移計(jì)3測量枋端的脫榫量。試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場布置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

KC1和KC2的試驗(yàn)現(xiàn)象基本相同。試驗(yàn)加載初期，控制位移較小，木構(gòu)架沒有明顯變化。當(dāng)加載位移增加到10 mm時，木構(gòu)架發(fā)出木材擠壓的“吱吱”聲，墻體邊緣部位沿灰縫產(chǎn)生裂縫。隨著加載位移的增大，裂縫逐漸發(fā)展，加載位移為35 mm時，在邊緣部位形成貫通裂縫，而后由邊緣部位向中部發(fā)展。加載位移為50 mm時，在墻體中部形成人字形貫通裂縫，窗扇的榫卯節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生輕微拔榫。隨著加載位移的增加，墻體裂縫不斷發(fā)展，窗扇的榫卯節(jié)點(diǎn)拔榫逐漸增加，加載結(jié)束時；榫卯節(jié)點(diǎn)的最大拔榫量達(dá)到3 mm，約為榫頭長度的1/10，仔邊、欞條劈裂。加載結(jié)束后，結(jié)構(gòu)的破壞形式如圖9所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載位移滯回曲線

圖10 檻窗木構(gòu)架荷載位移滯回曲線Fig.10 Load-displacement hysteresis curves of the test

2)滯回曲線的中部扁平，有明顯的“捏縮效應(yīng)”。也就是說，在一定的加載位移范圍內(nèi)，加載位移不斷增加，而結(jié)構(gòu)的受力增加速率相對緩慢，造成滯回曲線中部呈捏攏狀。這是由于檻窗木框架構(gòu)件之間存在縫隙，加載初期構(gòu)件之間產(chǎn)生滑移造成的，隨著加載位移的增大，構(gòu)件之間相互擠緊，結(jié)構(gòu)受力不斷增加。

3)隨著加載位移和荷載循環(huán)的次數(shù)增加，這種“捏縮效應(yīng)”逐漸顯著。這是由于反復(fù)加載后，一方面墻體破壞，降低結(jié)構(gòu)剛度；另一方面，構(gòu)件產(chǎn)生了塑性變形，加大了構(gòu)件之間的空隙，致使加載初期構(gòu)件之間的滑移加劇。

3.2 荷載位移骨架曲線

圖11 檻窗木構(gòu)架荷載位移骨架曲線Fig.11 Load-displacement skeleton curves of the test

1)每級加載位移下，第2、3次循環(huán)的荷載小于第1次循環(huán)的荷載，說明累積循環(huán)加載會造成結(jié)構(gòu)力學(xué)性能退化。力學(xué)性能退化的原因包括墻體裂縫的開展、木構(gòu)件榫卯節(jié)點(diǎn)的松動、木材的塑性變形、墻體倒塌等。

2)當(dāng)加載位移為35 mm以下時，兩榀木構(gòu)架的曲線基本呈直線，此時檻窗木構(gòu)架的木構(gòu)件部分還未出現(xiàn)明顯破壞，而墻體也未形成貫通裂縫，可以認(rèn)為該階段為輕微損傷的彈性階段。

3)當(dāng)加載位移在30～65 mm時，骨架曲線的斜率變小。這是因?yàn)殡S著加載的進(jìn)行，墻體形成多條貫通裂縫，力學(xué)性能退化，可以認(rèn)為該階段為墻體破壞的塑性階段。

4)當(dāng)加載位移大于65 mm時，兩榀檻窗木構(gòu)架的骨架曲線再次呈直線狀態(tài)，剛度有所增加。這是因?yàn)殡S著加載次數(shù)的增多和增大，墻體損傷累積，裂縫充分發(fā)展，磚塊掉落，墻體酥堿，墻體和木柱之間空隙增大，缺乏有效連接，基本不再受力。此時的荷載主要由木構(gòu)件承擔(dān)，該階段木構(gòu)架進(jìn)入了新的塑性階段。

3.3 耗能分析

通常情況下，采用能量耗散系數(shù)he來衡量結(jié)構(gòu)的耗能能力。一般來說，能量耗散系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)的耗能能力就越強(qiáng)。KC1和KC2的能量耗散系數(shù)如圖12所示。

圖12 檻窗木構(gòu)架耗能曲線Fig.12 Energy-absorbed curves of the test

從圖12中可以看出，隨著加載位移的增大和循環(huán)次數(shù)的增加，檻窗木構(gòu)架的耗能能力逐漸降低。在加載位移為30 mm前，墻體裂縫從邊緣部位開始發(fā)展，加載位移為35 mm時，出現(xiàn)第一條豎向貫通裂縫，在該區(qū)間段內(nèi)試件的耗能能力下降較快，此后下降速率變小。說明在檻窗木構(gòu)架墻體豎向貫通裂縫出現(xiàn)以前，裂縫的發(fā)展對結(jié)構(gòu)的耗能能力產(chǎn)生影響較大。

3.4 剛度退化分析

隨著位移荷載的增大和加載循環(huán)次數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的剛度會出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，稱為剛度退化。一般采用第1次加載循環(huán)中的割線剛度Ki來衡量。計(jì)算所得的KC1和KC2剛度退化曲線如圖13所示。

圖13 檻窗木構(gòu)架剛度退化曲線Fig.13 Rigidity degradation curves of the test

從圖13中可以看出，兩榀檻窗木構(gòu)架的剛度退化具有一致性的規(guī)律，即隨著加載位移的增大，剛度逐漸減小，最后趨于直線狀態(tài)。在加載位移為35 mm前，剛度退化較快，之后剛度退化趨于平緩。說明墻體對結(jié)構(gòu)的剛度影響較大。

4 檻窗木構(gòu)架損傷等級分析

4.1 墻體裂縫長度發(fā)展規(guī)律分析

試驗(yàn)和震害資料[1]表明，對于檻窗木構(gòu)架來說，墻體部分首先且更容易遭到損害，也就意味著在墻體上附帶的文物價值部分更容易損傷。為了充分反映墻體上可能會附帶的文物的損傷情況，綜合試驗(yàn)現(xiàn)象和歷史震害資料，選取墻體裂縫作為檻窗木構(gòu)架的價值損傷指標(biāo)，對檻窗木構(gòu)架的墻體裂縫長度進(jìn)行了分析，圖14為檻窗木構(gòu)架墻體裂縫長度隨加載位移的變化情況。為了便于統(tǒng)計(jì)規(guī)律，將裂縫長度進(jìn)行歸一化，記作

圖14 檻窗木構(gòu)架墻體裂縫長度變化曲線Fig.14 Variation curve of masonry crack

le=lf/lz

(1)

式中：lf為檻墻的總裂縫長度；lz為檻墻的周長。對加載位移進(jìn)行歸一化。

(2)

歸一化中采用65 mm位移為檻窗木構(gòu)架墻體裂縫充分發(fā)展，邊緣磚塊第1次掉落時的加載位移。對根據(jù)試驗(yàn)所得的裂縫長度隨加載位移變化規(guī)律曲線進(jìn)行擬合，擬合公式如式(3)所示，擬合曲線如圖15所示。

圖15 試驗(yàn)曲線擬合結(jié)果Fig.15 Fitting results of tests

(3)

4.2 檻窗木構(gòu)架整體損傷評價

目前,中國還沒有專門針對木結(jié)構(gòu)古建筑、檻窗木構(gòu)架等文化遺產(chǎn)建筑組成部分而設(shè)定的損傷評價指標(biāo)體系和評價標(biāo)準(zhǔn)。建立評價指標(biāo)時先從墻體可能會附帶的文物價值出發(fā)，一般來說，墻體主要的附屬文物表現(xiàn)形式為雕刻和壁畫。基于此，結(jié)合檻窗的試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)構(gòu)的破壞過程，提出檻窗木構(gòu)架基于價值的損傷等級評價指標(biāo)，如表4所示。

表4 檻窗木構(gòu)架整體損傷評價標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

通過對檻窗木構(gòu)架進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析，得到以下結(jié)論：

1)加載過程中，檻窗木構(gòu)架的墻體首先發(fā)生破壞，墻體貫通裂縫充分發(fā)展后，窗扇開始出現(xiàn)輕微拔榫，隨著加載的進(jìn)行，拔榫不斷加劇。最終的破壞形式為墻體倒塌，榫卯節(jié)點(diǎn)拔榫變形，欞條開裂。

2)檻窗木構(gòu)架滯回曲線呈Z型，有明顯的“捏縮效應(yīng)”。隨著加載位移的增大和循環(huán)次數(shù)的增加，這種效應(yīng)越明顯。

3)在墻體貫通裂縫出現(xiàn)之前，檻窗木構(gòu)架的剛度較大，且剛度退化速度較快，后期剛度退化速度較為平穩(wěn)。構(gòu)件和榫卯節(jié)點(diǎn)之間的緊密程度、墻體的砌筑水平、墻體和木框架之間的間隙都會影響結(jié)構(gòu)的剛度耗能能力。構(gòu)件之間越緊密，剛度越大，耗能能力越強(qiáng)。

4)采用三段式曲線對檻窗木構(gòu)架墻體裂縫進(jìn)行規(guī)律分析，在考慮檻窗木構(gòu)架可能附帶的文物及其價值的基礎(chǔ)上建議了基于價值的損傷等級評價指標(biāo)，為文物的保護(hù)和研究提供參考依據(jù)。