穿斗式木結構中節(jié)點的抗彎性能試驗研究

郭婷 楊娜 周海賓 王雙永

摘 要：以西南傳統(tǒng)民居穿斗式木結構穿銷中節(jié)點為研究對象，設計制作了2個足尺橫向中節(jié)點和2個足尺縱向中節(jié)點模型試件，分別對兩類節(jié)點進行單調加載和低周往復加載試驗，得到兩類節(jié)點的破壞模式、抗彎承載力、抗彎剛度、延性和耗能能力。結果表明：橫向中節(jié)點主要在榫卯擠壓區(qū)域發(fā)生嵌壓塑性變形以及在木銷受荷區(qū)域發(fā)生彎剪變形，縱向中節(jié)點易在榫頸位置發(fā)生折斷破壞;橫向中節(jié)點的初始剛度較縱向中節(jié)點高，橫向中節(jié)點的抗彎承載力可達縱向中節(jié)點的2倍;橫向中節(jié)點和縱向中節(jié)點的滯回曲線均表現出明顯的捏攏和滑移現象，橫向中節(jié)點的耗能能力較強;穿斗式木結構橫向中節(jié)點和縱向中節(jié)點都具有良好的變形能力，橫向中節(jié)點表現出較好的延性，但縱向中節(jié)點的延性很低;縱向中節(jié)點是穿斗式木結構中的薄弱節(jié)點，需要在穿斗式木結構的安全維護中重點關注。

關鍵詞：穿斗式木結構;中節(jié)點;抗彎性能;抗震性能

中圖分類號：TU366.2 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）02-0083-08

基金項目：“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0600303）;北京市自然科學基金（8151003）

作者簡介：郭婷（1984- ），女，博士生，主要從事古建筑木結構研究，E-mail：16115319@ bjtu.edu.cn。

楊娜（通信作者），女，教授，博士生導師，E-mail：nyang@bjtu.edu.cn。

Abstract： In order to study the moment-resisting performance and seismic behavior of the interior joints with wooden peg of Chuan-Dou type wooden frame， two full-scale interior beam-column joint specimens of transverse frame and two that of longitudinal frame were designed and fabricated. Monotonic loading and low cyclic loading tests were carried out on the two types of joints， respectively. The failure mode， moment-resisting capacity， flexural stiffness， ductility and energy dissipation of the two types of joints were obtained. The results showed that the failure mode of transverse interior joint was the embedment plastic deformation on the mortise and tenon contacting area as well as the bending-shear combined deformation of wooden peg， while longitudinal interior joint was broken off at the neck of tenon. The initial stiffness of the transverse interior joint was higher than that of the longitudinal interior joint. The moment-resisting capacity of transverse interior joint could reach two times of that of longitudinal interior joint. The hysteretic loops of the two types of joint exhibited obvious squeezing and slip. The energy dissipation of the transverse interior joint was higher than that of the longitudinal interior joint. Both the two types of joint exhibited good deformation capacity， the transverse interior joint exhibited good ductility， while the longitudinal interior joint exhibited poor ductility.The longitudinal interior joint in the frame is the weakest part and need to be noted on the safety maintenance of the Chuan-Dou type wooden frame structure.

Keywords：Chuan-Dou type wooden frame;interior joint; moment-resisting performance; seismic behavior

穿斗式木結構是中國傳統(tǒng)建筑木結構的重要結構形式之一，廣泛分布于中國西南地區(qū)。穿斗式木結構在橫向用一根穿枋貫通多根立柱形成一榀排架，在縱向用斗枋連接橫向排架形成空間框架結構。其梁柱一般采用榫卯進行連接，橫向梁柱節(jié)點多為直榫連接，縱向梁柱節(jié)點則形式多樣，有透榫連接、燕尾榫連接、榫卯搭接等。

近年來，一些學者針對穿斗式木結構的部分典型節(jié)點進行了力學性能研究，李佩[1]、郭濤[2]針對穿斗式木結構的穿銷直榫節(jié)點進行了理論分析及試驗研究，得到了節(jié)點的彎矩轉角曲線模型。Chang等[3-4]考慮直榫節(jié)點的榫卯初始縫隙，建立了考慮初始縫隙的直榫節(jié)點的彎矩轉角曲線模型，并通過試驗進行了驗證。陳春超等[5-6]進行了透榫節(jié)點和直榫節(jié)點的單調加載試驗，建立了節(jié)點的彎矩轉角簡化模型。謝啟芳等[7-8]基于直榫節(jié)點理論公式，探討了榫頭長度、寬度和摩擦系數對節(jié)點抗彎性能的影響，并通過試驗研究了不同形式直榫節(jié)點的抗震性能。薛建陽等[9]以穿斗式木結構栓榫節(jié)點為研究對象，探討了不同木栓截面形狀及尺寸對節(jié)點變形能力及承載能力等力學性能的影響，結果表明，采用不同截面形式木銷的半榫節(jié)點的破壞形態(tài)不同，且木銷的存在能夠提高榫卯節(jié)點的變形能力。

上述研究大多針對木結構直榫和透榫邊節(jié)點展開，關于直榫中間節(jié)點的研究很少，目前尚無關于穿斗式木結構縱向中節(jié)點的研究報道。筆者基于貴州黔東南地區(qū)穿斗式木結構的構造形式，設計制作了4個中間節(jié)點足尺模型試件，包括2個橫向中節(jié)點試件和2個縱向中節(jié)點試件，研究了兩類節(jié)點的破壞形態(tài)、彎矩承載力、抗彎剛度、延性和耗能能力等，可為全面掌握穿斗式木結構的力學性能提供參考依據。

1 試驗概況

1.1 模型設計與制作

穿斗式木結構橫向中節(jié)點和縱向中節(jié)點的構造形式如圖1所示，橫向中節(jié)點為直榫節(jié)點，由一截面不變的穿枋（梁）貫穿柱上卯口，并輔以木銷定位;縱向中節(jié)點為榫卯搭接節(jié)點，兩側斗枋的榫頭分別穿透柱上卯口，并輔以木銷定位。試驗試件的具體構造及尺寸如圖2所示，分別對兩類節(jié)點試件進行單調加載試驗和往復加載試驗，試件名稱和加載方式見表1。

試件由貴州當地杉木制作而成，根據《木材物理力學性質試驗方法》[10]進行材性試驗，得到杉木的物理力學性能參數，如表2所示。

因加工制造誤差及木材干縮導致節(jié)點試件榫卯之間存在初始縫隙，縫隙位置及具體數值如圖3和表3所示。

1.2 試驗方案

1.2.1 加載方案

為實現中節(jié)點左右兩側位移的協同加載，設計了如圖4所示的杠桿臂加載裝置：柱頂擱置柱帽，柱帽頂部與3塊鋼板組成方形槽孔，方鋼管貫通此槽孔，一根螺桿穿過兩塊豎向鋼板和方鋼管中間螺孔，方鋼管兩側分別通過螺桿與左側豎向鋼桿頂部的U型頭及右側豎向鋼桿頂部的方形槽孔鉸接，豎向鋼桿底部的U型頭通過螺桿與穿枋或斗枋鉸接，豎向鋼桿和方鋼管、枋之間預留足夠空隙，以保證方鋼管和枋在試驗過程中的自由轉動。

單調加載時，加載系統(tǒng)由千斤頂、油泵控制臺和反力架組成，反力架上安裝兩個千斤頂，千斤頂1施加10 kN柱頂豎向荷載以模擬實際結構中柱頂的受力情況，千斤頂2施加梁上豎向荷載為節(jié)點提供彎矩;為保證柱在加載過程中不發(fā)生平面內轉動，柱根部通過夾板以及螺桿與地梁固定剛接。往復加載測試中則將千斤頂2更換為豎向作動器，以施加豎向位移，其他設備與單調加載裝置相同（圖4（a））。

單調加載試驗采用力控制，每步增加0.4 kN，當出現以下任一情況時，停止加載：1）荷載或位移達到加載設備量程;2）繼續(xù)加載荷載值不變;3）荷載掉落至最大荷載的80%或節(jié)點發(fā)生破壞。低周往復加載試驗參考歐洲規(guī)范EN12512-2001[11]中的規(guī)定，采用變幅轉角控制的加載方式，加載位移為0.25θy和0.5θy時，各加載1個循環(huán);加載位移為0.75θy、1.0θy、2.0θy和4.0θy時，各加載3個循環(huán)，直至節(jié)點發(fā)生破壞或達到加載設備量程，θy為節(jié)點屈服轉角，由單調加載試驗結果得到?？v向中節(jié)點的單調加載試驗結果表明此類節(jié)點接近脆性破壞，因此，根據最大彎矩對應的轉角θmax確定節(jié)點往復加載的幅值，分別取0.1θmax、0.2θmax、0.4θmax、0.6θmax、0.8θmax、θmax作為加載幅值，其中，前兩個幅值加載1個循環(huán)，其他幅值均加載3個循環(huán)。

1.2.2 量測內容

試驗中所施加的荷載由千斤頂或作動器的測力元件測得。測點布置如圖4所示。1）在節(jié)點中心、距柱邊緣左右兩端約100 mm的穿枋（斗枋）上各布置一個傾角計（G1、G2和G3），用于測量各構件的轉角;2）在枋上施加荷載位置處布置1個位移計D1，用于測量加載點的豎向位移，可計算得到枋的轉角，并和傾角計計算得到的結果進行對比驗證。試驗中的位移和傾角通過DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)自動采集。

節(jié)點彎矩由式（1）計算得到，其中F為千斤頂或作動器施加的荷載，L為加載點至節(jié)點轉動中心的距離，試驗中為500 mm;節(jié)點轉角由式（2）或式（3）計算得到。其中，θL為左側枋轉角;θR為右側枋轉角。

2 試驗現象和破壞模式

2.1 橫向中節(jié)點

橫向中節(jié)點試件T1的卯口和榫頭頂面之間存在2～6 mm的初始縫隙。在單調加載初期，隨著彎矩增加，榫頭發(fā)生轉動，構件之間因相互摩擦擠壓發(fā)出輕微“嗝嗝”聲;當榫頭表面與卯口接觸后，榫頭發(fā)生橫紋擠壓變形，且隨著轉角增大，變形加劇，嵌壓區(qū)域附近木纖維因彎曲效應被不斷拉斷，節(jié)點的“嘎嘣”聲愈加頻繁，但節(jié)點能繼續(xù)承載，直至節(jié)點轉角達到18.64°（1/3.08）時，千斤頂達到量程，加載結束。此時節(jié)點轉角已遠遠超過《古建筑木結構維護與加固技術規(guī)范》（GB 50165—92）中的古建筑木結構彈塑性層間位移角限值1/30（0.03 rad），且試件T1尚有繼續(xù)承載的潛能。拆卸試件后可以看到，榫頭在榫卯擠壓區(qū)域發(fā)生嚴重塑性變形（圖5（a））;木銷因局部受荷發(fā)生了彎剪變形（圖5（b））。

橫向中節(jié)點試件T2在低周往復荷載作用下，也于榫卯接觸位置發(fā)生嵌壓變形，嵌壓區(qū)域附近木纖維因受彎被拉斷，如圖6所示。拆卸試件后發(fā)現木銷無明顯變形。

2.2 縱向中節(jié)點

縱向中節(jié)點試件L1存在1～5 mm的初始縫隙。在單調加載初期，節(jié)點因構件之間相互摩擦擠壓發(fā)出輕微“嗝嗝”聲;隨著轉角增大，榫卯接觸發(fā)生擠壓變形;當梁柱間相對轉角達到5.8°時，節(jié)點發(fā)出較大嘎嘣聲，右側斗枋枋端下部嵌壓進柱中;繼續(xù)加載過程中，嘎嘣聲愈加頻繁，隨著一聲很大的“嘎嘣”聲，荷載掉落，卸載超過最大荷載的20%，認為節(jié)點發(fā)生破壞，停止加載。拆卸試件后，觀察到節(jié)點除了在榫卯接觸處發(fā)生嵌壓塑性變形外，榫頭銷孔附近木材發(fā)生開裂（圖7（a）、（b）），木銷發(fā)生彎剪變形（圖7（c））。

縱向中節(jié)點試件L2在往復加載初期，節(jié)點無明顯現象，當榫卯接觸處擠緊后，榫頭發(fā)生輕微嵌壓;當試件向上加載至轉角位移2.3°的第3個循環(huán)時，左側斗枋榫頭上部壓屈劈裂;繼續(xù)加載，卯口處構件的壓屈變形愈加嚴重，節(jié)點因木纖維斷裂發(fā)出“嘎嘣”聲;當試件向上加載至轉角位移3.5°的第1個循環(huán)時，左側斗枋榫頭底部壓屈斷裂;繼續(xù)加載過程中，節(jié)點因木纖維開裂不斷發(fā)出的“噼啪”聲越來越大且愈加頻繁;當試件向上加載至轉角位移4.6°的第1個循環(huán)過程中，木纖維進一步斷裂，掉荷嚴重，表明節(jié)點失效。試件拆卸后，觀察到節(jié)點在榫頸位置發(fā)生折斷，銷孔附近發(fā)生斜紋開裂，木銷發(fā)生彎剪變形（圖8（a）～（c））。

3 單調加載試驗結果

試件T1和L1的單調加載試驗結果如圖9所示。從圖9（a）中可以看出，試件T1在加載初始階段，其彎矩轉角基本呈線性關系;榫卯接觸發(fā)生橫紋壓屈變形后，節(jié)點試件進入塑性階段。從圖9（b）中可以看出，試件L1自加載開始的較長時間段內，其彎矩轉角基本呈線性關系，轉角達到時4.8°后，試件進入塑性階段，轉角為5.8°時，達到最大彎矩，之后彎矩迅速降低，直至節(jié)點試件失效;彎矩轉角曲線表現出塑性段很短的特征，說明縱向中節(jié)點的延性較弱。

試件T1和L1的初始轉動剛度、抗彎承載力及延性參數列于表4。其中，抗彎承載力為彎矩轉角曲線中的彎矩最大值，即最大彎矩Mmax;屈服彎矩My和屈服轉角θy根據規(guī)范BS EN 12512-2001[11]中的規(guī)定，采用兩擬合直線的交點確定;初始剛度Kini由第1段直線斜率確定;延性μ=θu/θy，θu為極限轉角。從表4中可以看出：橫向中節(jié)點試件T1和縱向中節(jié)點試件L1的初始剛度分別為1.70、1.29 kN·m/（°），橫向中節(jié)點的初始剛度是縱向中節(jié)點初始剛度的1.3倍;試件T1和L1的最大彎矩分別為11.20、5.57 kN·m，前者為后者的2.0倍;試件T1和L1的延性分別為5.62和1.43，說明橫向中節(jié)點的延性遠高于縱向中節(jié)點，縱向中節(jié)點因榫頭寬度較小，在彎矩荷載作用下易在榫頸位置發(fā)生突然斷裂，接近脆性破壞。前述試件T1的試驗結果表明，其尚有繼續(xù)承載的能力，因此，試件T1的實際抗彎承載力及延性高于表4中的數值。這進一步說明縱向中節(jié)點的初始剛度、抗彎承載能力及延性均較橫向中節(jié)點弱，是穿斗式木結構中的薄弱節(jié)點。

4 低周往復加載試驗結果

4.1 滯回曲線

圖10為試件T2和L2的彎矩轉角滯回曲線。可以看出：1）試件在加載初期存在明顯的“捏攏”現象和滑移現象，這是由于節(jié)點榫頭和卯口之間存在初始縫隙所致，且隨著加載位移的增大，“捏攏”和滑移現象愈加明顯，這是由于累積塑性變形所致;2）兩類節(jié)點的滯回曲線在正反方向均有輕微不對稱，這是由于節(jié)點4個榫卯接觸區(qū)域之間的初始縫隙大小不同所致;3）加載過程中，節(jié)點在某些時刻發(fā)生了掉荷現象，這是由于榫頭橫紋承壓及彎曲效應導致的木纖維斷裂所致;4）在卸載過程中試件T2，荷載很快降低，卸載段曲線幾乎和縱坐標平行，當荷載完全卸載后，節(jié)點存在大量殘余變形;5）試件T2的滯回環(huán)較L2飽滿很多，說明橫向中節(jié)點的耗能能力較縱向中節(jié)點強。

4.2 骨架曲線

兩類節(jié)點試件的骨架曲線如圖11所示，可以看出：1）試件T2和L2的彎矩值都隨轉角的增大而增大，彎矩轉角骨架曲線無下降段;2）試件在加載初期的轉動剛度較小，這是由于試件存在初始縫隙，之后剛度迅速增大，榫卯接觸后產生橫紋嵌壓變形、節(jié)點抗彎能力增加較快所致;3）對比試件T2和L2骨架曲線可知，試件T2的變形能力和抗彎承載力均較試件L2高出很多。

4.3 剛度退化

在加載過程中，節(jié)點剛度發(fā)生退化，采用割線剛度表征節(jié)點的剛度退化特征，由式（4）計算得到。

式中：±Mi為第i級位移循環(huán)正、負向加載的峰值彎矩，±θi為±Mi對應的轉角。

按式（4）計算得到試件T2和L2的剛度退化曲線如圖12所示，從中可以看出，試件T2的初始剛度在加載前期隨轉角的增加而減小，這是由于試件榫卯處初始縫隙較大，在加載前期主要依靠摩擦力抵抗彎矩，隨著轉動次數增加，節(jié)點表面粗糙度降低，摩擦力減小，節(jié)點剛度隨之減小，當轉角達到3.32°后，節(jié)點之間的榫卯接觸擠緊，剛度突然增加，之后榫卯之間產生累積嵌壓塑性變形，剛度隨轉角的增加而減小;由于初始縫隙較小，在加載初期，試件L2節(jié)點的榫卯處接觸擠緊，節(jié)點剛度隨轉角增大而增加，當榫卯接觸處發(fā)生塑性變形后，節(jié)點剛度則降低;對比試件T2和L2的剛度退化曲線可見，T2的初始剛度較L2大。

4.4 耗能能力

根據《建筑抗震試驗規(guī)程》[12]的規(guī)定，結構的耗能能力以荷載位移滯回曲線所包圍的面積來衡量，如圖13所示。將彎矩轉角曲線轉換為荷載位移曲線后，可計算得到節(jié)點在每個轉角下的耗能能力，將之前加載角度的耗能能力相加即可得到節(jié)點的累積耗能。

試件T2和L2的累積耗能如圖14所示，可以看出：當轉角小于2.5°時，兩個試件的耗能能力接近，節(jié)點在此階段主要由構件之間的摩擦耗能;當轉角約為3.5°時，試件L2的累計耗能值較大，這是由于試件L2在此階段因榫頸折斷發(fā)生破壞，消耗了更多能量，之后試件失效;試件T2的累積耗能隨轉角增大而不斷增加。

4.5 變形能力

變形能力是衡量結構或構件抗震性能的一個重要指標[9]。在低周往復荷載作用下，試件T2的轉動變形很大，達到了13°（0.23 rad），遠遠超過《古建筑木結構維護與加固技術規(guī)范》（GB 50165—92）中的古建筑木結構彈塑性層間位移角限值1/30（0.03 rad），說明穿斗式橫向中節(jié)點具有良好的變形能力;試件L2在轉角達到4.6°（0.08 rad）時發(fā)生破壞（圖15），也超過規(guī)范中的限值，說明穿斗式縱向中節(jié)點也具有良好的變形能力。

5 結論

基于傳統(tǒng)西南民居穿斗式木結構橫向中節(jié)點和縱向中節(jié)點的單調加載和往復加載試驗，得到以下結論：

1）橫向中節(jié)點主要在榫卯擠壓區(qū)域發(fā)生嵌壓塑性變形以及在木銷受荷區(qū)域發(fā)生彎剪變形，縱向中節(jié)點易在榫頸位置發(fā)生折斷破壞。

2）橫向中節(jié)點的初始剛度和抗彎承載力均較縱向中節(jié)點高，橫向中節(jié)點的抗彎承載力為縱向中節(jié)點的2倍。

3）橫向中節(jié)點和縱向中節(jié)點的滯回曲線均表現出明顯的捏攏和滑移現象，且滑移量隨轉角的增大而增大，橫向中節(jié)點的耗能能力較縱向中節(jié)點強。

4）橫向中節(jié)點和縱向中節(jié)點都具有良好的變形能力，橫向中節(jié)點表現出較好的延性，但縱向中節(jié)點的延性很低。

縱向中節(jié)點是穿斗式木結構中的薄弱節(jié)點，需要在穿斗式木結構的安全維護中重點關注。

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（編輯 胡玲）

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