木楔加固對松動透榫節(jié)點抗震性能的影響

賀俊筱 王娟 楊慶山 韓淼 劉永波

摘 要：為研究木楔加固對帶縫隙透榫節(jié)點在反復荷載作用下受力性能的影響，制作了包括完好節(jié)點、松動節(jié)點及木楔加固節(jié)點的3組足尺透榫節(jié)點模型。通過試驗室足尺試驗對比分析了3組節(jié)點的變形特征和破壞特點，研究了節(jié)點的彎矩轉(zhuǎn)角滯回曲線、剛度變化特性、耗能和應力狀態(tài)等受力特點。結(jié)果表明：完好和松動節(jié)點的破壞形式為變截面出現(xiàn)延伸至榫頭根部的木材順紋撕裂破壞。木楔加固節(jié)點的破壞特征為木楔擠壓破壞;木楔加固后，節(jié)點的滑移現(xiàn)象和捏攏效應減弱;松動節(jié)點抵抗外荷載的能力和耗能能力等特性均顯著降低，木楔加固后節(jié)點的各項性能明顯提高，其彎矩較松動節(jié)點的彎矩提高約30%。

關(guān)鍵詞：木楔加固;松動透榫節(jié)點;足尺試驗;抗震性能;古建筑木結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU366.2 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）02-0091-07

基金項目：國家科技支撐計劃（2019YFC1520804）;國家自然科學基金（51978038）;北京市博士后基金（2020-zz-083）

作者簡介：賀俊筱（1990- ），女，博士（后），主要從事古建筑木結(jié)構(gòu)研究，E-mail：hejunxiao@bucea.edu.cn。

Abstract： In order to study the effects of wedge on the seismic performance of loose joints， three full-scale penetrated mortise-tenon joint models are made， including a standard joint， a loose joint and a loose joint with wedge respectively. The deformation characteristics and failure characteristics of three joints were compared and analyzed through laboratory full-scale tests. Hysteresis curves， skeleton curve， stiffness degradation law， energy dissipation and ductility of three joints were analyzed by full scale quasi static test as well. Results show that the failure mode of standard and loose joint is wood fiber torn along the grain at variable cross-section.The failure mode of the joint with wedge is the extrusion failure of wedge.The slipping phenomenon and pinch effect of hysteresis curve decrease after adding the wedge. External load resistance capacity and energy dissipation capacity of loose joint are obviously lower than that of standard joint， and the above performances of joint have a rising trend after adding the wedge. The bending moment of the joint with wedge is about 30% higher than that of the loose joint.

Keywords：wedge strengthening; loose penetrated mortise-tenon joint; full-scale test; seismic performances; traditional timber structure

古建筑木結(jié)構(gòu)中縱橫向的梁柱、枋柱、檁枋及其他構(gòu)件之間通常都采用榫卯連接。榫卯節(jié)點的形式會根據(jù)其位置和使用功能的不同而變化，常見的榫卯節(jié)點做法為梁（枋）端截面做成榫頭形式插入木柱預留的卯口中。梁、枋和柱等構(gòu)件在榫頭與卯口處存在的截面削弱現(xiàn)象使榫卯節(jié)點成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。在全壽命周期范圍內(nèi)，古建筑木結(jié)構(gòu)多次受到各種自然和人為侵害。木材在長期使用過程中伴隨著氧化作用而產(chǎn)生表面碳化，構(gòu)件的有效截面尺寸降低;木材還會受到風、雨和雪等自然荷載作用以及菌類的影響，出現(xiàn)干縮、腐朽或蟲蛀;長期的荷載作用產(chǎn)生的持續(xù)荷載效應還會造成結(jié)構(gòu)蠕變與損傷累計;這些作用和現(xiàn)象會相繼發(fā)生并相互作用，使得節(jié)點松動，接觸狀態(tài)變?nèi)?，最終導致節(jié)點性能退化，造成木構(gòu)架整體傾斜或結(jié)構(gòu)局部歪閃等破壞。在現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)中，由于榫頭與卯口處存在一定的縫隙，榫卯節(jié)點常處于不同程度的松動狀態(tài)。目前普遍采用的修繕方式是在縫隙處添加木楔，木楔已成為節(jié)點的重要組成部分，并且松動節(jié)點處的木楔形狀、位置及材料各不相同，木楔的插入形式較隨意。因此，木楔作為一種常見且隨意的加固方式，研究其對松動節(jié)點抗震性能的影響具有一定的價值。

學者們已經(jīng)開展了大量關(guān)于古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點的受力特點及性能的分析和研究。Chen等[1]通過試驗和理論研究了榫卯節(jié)點的彎矩轉(zhuǎn)角、剛度等受力性能，得到了節(jié)點的變形特點、破壞形態(tài)和應力分布等。潘毅等[2]研究了直榫節(jié)點的受力機理，建立了直榫節(jié)點的彎矩轉(zhuǎn)角力學模型。Seo等[3]研究了帶榫卯節(jié)點木結(jié)構(gòu)框架的靜力性能和循環(huán)往復荷載作用下的受力性能。Feio等[4]對古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點的摩擦、擠壓和滑移等變形特點進行了試驗研究和數(shù)值模擬。此外，夏海倫[5]還通過試驗和數(shù)值模擬分析了不同松動程度清式透榫節(jié)點的抗震性能;謝啟芳等[6]

對人工模擬殘損直榫節(jié)點的性能進行了試驗研究。Ogawa等[7]對帶縫隙節(jié)點的受力機理和抗彎能力進行了理論分析。Chang等[8-9]和Guan等[10-11]研究了有縫隙的Nuki榫卯節(jié)點的破壞特點、彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系、剛度變化等轉(zhuǎn)動性能。節(jié)點加固方面，周乾等[12]通過振動臺試驗對比分析了采用3種不同加固方式的榫卯節(jié)點位移和加速度響應等抗震參數(shù)的變化。潘毅等[13-14]通過試驗研究了BFRP布加固圓截面木梁的受彎性能以及扁鋼和阻尼器加固節(jié)點的受力性能。

上述研究成果基本揭示了不同節(jié)點形式完好、殘損和加固后的榫卯節(jié)點在外荷載作用下的受力性能和抗震特性等。透榫節(jié)點對古建筑木結(jié)構(gòu)的抗震性能具有重要影響[15]。木楔加固雖是一種常見的透榫節(jié)點加固方式，但現(xiàn)有研究成果鮮有涉及中國古建筑木結(jié)構(gòu)松動節(jié)點處存在木楔加固的問題。此外，節(jié)點的工作機理及節(jié)點加固措施等方面的研究成果幾乎都是基于縮尺模型試驗得到的，然而，木結(jié)構(gòu)節(jié)點具有復雜的材料非線性特性，縮尺模型的試驗結(jié)果并不能直接應用到實際結(jié)構(gòu)中。為此，筆者以完好、松動和木楔加固足尺透榫節(jié)點為研究對象，通過足尺試驗研究其變形特點和破壞特征，對比分析完好、松動和木楔加固節(jié)點的滯回性能、剛度特性和耗能能力等受力性能。

1 透榫節(jié)點試驗概況

1.1 試驗材料模型加工與制作

參照宋《營造法式》[16]中七等材構(gòu)件的構(gòu)造要求，制作了完好節(jié)點、松動節(jié)點和木楔加固節(jié)點的足尺透榫節(jié)點模型，如圖1所示。以完好節(jié)點的尺寸為基準，通過減小枋端大頭截面高度來模擬節(jié)點的松動狀態(tài)，節(jié)點的細部尺寸見圖1（d）和表1。模型所用木材為東北紅松，通過材性試驗獲得東北紅松的材性參數(shù)見表2。

1.2 試驗方案

木柱和枋的安裝方式如圖2所示。根據(jù)木柱尺寸自主設計了類似于抱箍的固定支座，通過支座將水平放置的柱兩端固定。將枋端榫頭豎向放入木柱的卯口中，通過MTS液壓伺服加載系統(tǒng)在枋端施加水平荷載。枋端的水平位移和水平力可直接由MTS作動器測得。試驗過程中的位移計布置如圖3所示，其中，D1、D2、D3和D4為水平位移計，R1為轉(zhuǎn)角計。在轉(zhuǎn)動過程中，節(jié)點變形主要集中在榫頭和卯口處;為測得榫頭的橫紋受壓變形，在榫頭兩側(cè)布置應變片。為測得卯口的順紋受壓，在卯口兩側(cè)布置應變片。為了直觀地觀察榫頭的橫紋受壓變形，在榫頭各截面畫1 cm×1 cm的網(wǎng)格。

根據(jù)試驗標準ISO-16670[17]，試驗采用如圖3所示的位移控制加載，第1級加載位移為10 mm，按照級差10 mm逐級遞增依次進行循環(huán)加載，直到透榫節(jié)點破壞，結(jié)束加載。位移向右加載為正向，向左加載定為負向。

2 試驗現(xiàn)象與討論

1）完好節(jié)點：加載初期，榫頭未出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)動。隨后，榫端和卯口邊緣逐漸擠緊。繼續(xù)加載，榫頭出現(xiàn)拔榫現(xiàn)象（圖4）。加載末期，伴隨著采集儀上監(jiān)測的水平力出現(xiàn)明顯跌落，榫頭破壞。觀察試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，榫頭先經(jīng)歷少量滑移而后與卯口相互擠壓，且橫紋受壓變形隨位移的增加而增加。

2）松動節(jié)點：加載初期，榫頭出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。隨位移增加，節(jié)點逐漸擠緊，榫頭出現(xiàn)明顯木材擠壓變形、拔榫和榫頭破壞現(xiàn)象。如圖5所示，在整個加載過程中，榫頭與卯口具有一側(cè)相互擠壓，另一側(cè)二者分離的現(xiàn)象。

3）木楔加固節(jié)點：加載初期，木楔無明顯受壓變形。隨轉(zhuǎn)角增加，木楔與卯口逐漸擠緊，木楔出現(xiàn)橫紋受壓變形。正向加載時，卯口一側(cè)木柱橫紋受壓痕跡明顯，榫頭也出現(xiàn)明顯受壓變形，另一側(cè)木楔被擠扁（圖6），木楔最終發(fā)生擠壓破壞。此外，加載末期，榫頭出現(xiàn)延伸到榫頭根部的順紋撕裂破壞。

加載結(jié)束后，榫頭的木材擠壓變形如圖7所示，3個節(jié)點模型均在榫頭變截面處出現(xiàn)延伸到榫頭根部的木纖維順紋撕裂破壞（圖8）。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 滯回曲線

完好節(jié)點、松動節(jié)點和木楔加固節(jié)點的滯回曲線如圖9所示，彎矩由水平力與加載點到榫頭的距離乘積得到，轉(zhuǎn)角由轉(zhuǎn)角計測得。為滿足節(jié)點安裝的要求，完好節(jié)點具有初始縫隙，因此，其具有較短的滑移段，如圖9（a）所示。松動節(jié)點的滑移段較長，正反向的初始擠壓轉(zhuǎn)角均大于完好節(jié)點，如圖9（b）所示。木楔加固節(jié)點無明顯滑移段，初始擠壓轉(zhuǎn)角較松動節(jié)點提前，如圖9（c）所示。初始加載時，節(jié)點木材變形較小，節(jié)點耗能較少。隨著加載位移的增加，榫端與卯側(cè)的相互作用增加，榫頭的摩擦滑移量變大。此時曲線包絡面積增加，表明節(jié)點耗能增加。在反向加載到0.050 rad時，3組節(jié)點彎矩出現(xiàn)迅速下降，榫頭均發(fā)生破壞。

圖10為3組節(jié)點的滯回曲線對比圖，節(jié)點的滯回曲線均呈“反Z形”。其中，完好節(jié)點的滯回曲線最飽滿。松動節(jié)點具有明顯滑移段和捏攏效應，木楔加固后，節(jié)點的滑移現(xiàn)象減弱，滯回環(huán)比松動節(jié)點的更飽滿，表明木楔提高了松動節(jié)點的耗能能力，且節(jié)點提供的恢復彎矩明顯增加，雖然仍小于完好節(jié)點的恢復彎矩，滯回曲線的飽和程度也略低于完好節(jié)點，但木楔能有效改善松動節(jié)點的耗能能力和抵抗外荷載的能力。

3.2 骨架曲線

圖11為3組節(jié)點的轉(zhuǎn)角彎矩骨架曲線。在加載初期，3組節(jié)點的榫頭先滑移，曲線的斜率較小。其中，松動節(jié)點的滑移段最長，木楔加固節(jié)點次之，完好節(jié)點幾乎沒有滑移段。隨后，曲線斜率變大，彎矩隨轉(zhuǎn)角增加而增加，表明榫頭與卯口逐漸擠緊，該段為彈性段;當達到一定轉(zhuǎn)角時，榫頭出現(xiàn)明顯受壓變形，榫頭木材屈服，曲線斜率降低，榫頭進入橫紋受壓彈塑性階段，該段為木材受壓變形強化段;當轉(zhuǎn)角達到0.050 rad時，榫頭出現(xiàn)木材撕裂破壞，3組節(jié)點的彎矩均出現(xiàn)迅速下降，該段為榫頭破壞段。在反復荷載作用下，榫卯節(jié)點的工作狀態(tài)可劃分為滑移段、彈性段、變形強化段和破壞段。

如圖11所示，完好節(jié)點滑移段較短，節(jié)點的轉(zhuǎn)動彎矩最大。松動節(jié)點滑移段較長，其轉(zhuǎn)動彎矩最小。木楔加固節(jié)點通過木楔與卯口的反復擠壓使節(jié)點恢復彎矩明顯提高，有效減小了榫卯節(jié)點的滑移段;如圖11所示，木楔對正向加載段彎矩的提高程度高于反向加載段，這是因為正向加載時，木楔與卯口擠壓程度增加（圖6（a））。在加載后期，木楔加固節(jié)點的彎矩與完好節(jié)點幾乎接近，較松動節(jié)點的彎矩提高約30%。正向加載到0.050 rad時，由于木楔發(fā)生擠壓破壞，剛度曲線出現(xiàn)明顯下降段，表明榫卯節(jié)點主要依靠木材的擠壓力抵抗外荷載。

3.3 剛度退化曲線

根據(jù)每級控制轉(zhuǎn)角下剛度的計算方法[15]，得到圖12所示的剛度退化曲線。由圖12可知，榫頭先滑移，剛度較小。榫端與卯側(cè)相互擠壓時，節(jié)點抗彎剛度逐漸增加。當榫頭木材屈服后，剛度降低，曲線下降。當超過0.050 rad后，榫頭出現(xiàn)材料破壞，剛度迅速下降;木楔加固節(jié)點和完好節(jié)點的正向加載段剛度變化基本一致，表現(xiàn)為初始加載段剛度較低，隨后榫頭與卯口的擠壓變形和木楔與卯口的擠壓變形使二者的剛度增加。繼續(xù)加載，二者剛度降低。另一側(cè)加載時，由于木楔加固節(jié)點的滑移量相對較大，其剛度較小，隨后榫端與卯側(cè)互相擠壓，剛度增加。到0.037 5 rad時，木楔加固節(jié)點的剛度與完好節(jié)點接近;到0.050 rad時，木楔發(fā)生擠壓破壞，剛度下降。由圖12可知，在轉(zhuǎn)動過程中，榫卯節(jié)點一般會首先滑移，具有接觸非線性特征，表現(xiàn)為初始剛度較小而滑移較大;隨變形的發(fā)展，榫頭與卯口相互接觸擠緊，節(jié)點剛度逐漸增大并出現(xiàn)彈性、彈塑性變形，且正反向剛度表現(xiàn)出差異性。

3.4 耗能

透榫節(jié)點的耗能能力來源于節(jié)點的摩擦、木材的塑性變形耗能以及節(jié)點破壞時的材料斷裂耗能，用等效粘滯阻尼系數(shù)he來衡量[6]。

3組節(jié)點的he-θ曲線如圖13所示，初始加載時節(jié)點的等效黏滯阻尼系數(shù)較大，表明透榫節(jié)點主要依靠摩擦耗能，此時木材擠壓變形消耗的能量較少。當榫頭與卯口互相接觸后，he隨轉(zhuǎn)角增加而逐漸減小，隨后經(jīng)歷一段平穩(wěn)段后又有所回升。這是因為在滑移段時，節(jié)點摩擦耗能增加，隨著節(jié)點彈性變形的出現(xiàn)，節(jié)點耗能減小;當節(jié)點破壞時，3個節(jié)點榫頭變截面處木纖維撕裂破壞以及木楔擠壓破壞，消耗能量較大，節(jié)點耗能能力增加。

3.5 應力狀態(tài)

為研究木楔加固后榫卯的應力狀態(tài)，直觀地明晰節(jié)點區(qū)域內(nèi)部應力、應變等微觀受力性能的變化，建立了ABAQUS有限元模型（圖14）。材料本構(gòu)關(guān)系選用雙線性簡化模型，材性參數(shù)見表2;模型網(wǎng)格單元選用C3D8R實體單元。FEM的邊界條件與試驗一致。榫頭與卯口之間的法向作用選用“硬接觸”，切向作用采用靜動摩擦來處理。

圖15為完好節(jié)點、松動節(jié)點和木楔加固節(jié)點在加載中間狀態(tài)（對應轉(zhuǎn)角為0.028 rad）時的變形和應力云圖。當轉(zhuǎn)角為0.028 rad時，完好節(jié)點榫頭右側(cè)擠壓處最大應力為1.802 MPa，松動節(jié)點榫頭右側(cè)擠壓處的最大應力為1.42 MPa，木楔加固節(jié)點榫頭右側(cè)擠壓處最大應力為0.83 MPa，木楔的最大應力為1.8 MPa。根據(jù)榫頭的應力變化可知，木楔加固后，由于木楔直接與卯口接觸，榫頭的變形量進一步減小，應力也隨之減小，而木楔的變形和應力增加。因此，木楔能顯著減小榫頭的變形和應力，使榫頭不易出現(xiàn)橫紋壓縮破壞。

4 結(jié)論

1）在反復荷載作用下，榫頭的主要破壞形式為變截面出現(xiàn)延伸至榫頭根部的木材順紋撕裂破壞，木楔加固節(jié)點的滑移現(xiàn)象減弱;破壞特征為正向加載時木楔擠壓破壞，反向加載時榫頭撕裂破壞。

2）完好節(jié)點和松動節(jié)點在受力過程中會首先出現(xiàn)滑移，具有接觸非線性特征，表現(xiàn)為初始剛度較小而滑移較大;隨著變形的發(fā)展，榫頭與卯口相互接觸擠緊，節(jié)點剛度會逐漸增大并產(chǎn)生彈性、塑性變形。木楔加固節(jié)點滑移現(xiàn)象較弱，主要表現(xiàn)為木楔與卯口互相擠壓，節(jié)點剛度逐漸增加。

3）木楔加固節(jié)點通過木楔與卯口的反復擠壓使節(jié)點恢復彎矩明顯提高。在加載后期，木楔加固節(jié)點的彎矩與完好節(jié)點幾乎接近，較松動節(jié)點的彎矩提高約30%。木楔能有效提高松動節(jié)點的耗能能力、剛度和延性等抗震性能。

參考文獻：

[1]CHEN C C， QIU H X， LU Y. Flexural behaviour of timber dovetail mortise-tenon joints [J]. Construction and Building Materials， 2016， 112： 366-377.

[2]潘毅， 王超， 唐麗娜， 等. 古建筑木結(jié)構(gòu)直榫節(jié)點力學模型的研究[J]. 工程力學， 2015， 32（2）： 82-89.

PAN Y， WANG C， TANG L N， et al. Study on mechanical model of straight-tenon joints in ancient timber structures [J]. Engineering Mechanics， 2015， 32（2）： 82-89. （in Chinese）

[3]SEO J M， CHOI I K， LEE J R. Static and cyclic behavior of wooden frames with tenon joints under lateral load [J]. Journal of Structural Engineering， 1999， 125（3）： 344-349.

[4]FEIO A O， LOURENO P B， MACHADO J S. Testing and modeling of a traditional timber mortise and tenon joint [J]. Materials and Structures， 2014， 47（1/2）： 213-225.

[5]夏海倫. 不同松動程度下古建筑透榫節(jié)點抗震性能試驗研究[D]. 西安： 西安建筑科技大學， 2015.

XIA H L. Experimental study on seismic behavior of through-tenon joints under different degree of looseness in ancient wooden buildings [D]. Xian： Xian University of Architecture and Technology， 2015. （in Chinese）

[6]謝啟芳， 鄭培君， 向偉， 等. 殘損古建筑木結(jié)構(gòu)單向直榫榫卯節(jié)點抗震性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報， 2014， 35（11）： 143-150.

XIE Q F， ZHENG P J， XIANG W， et al. Experimental study on seismic behavior of damaged straight mortise-tenon joints of ancient timber buildings [J]. Journal of Building Structures， 2014， 35（11）： 143-150. （in Chinese）

[7]OGAWA K， SASAKI Y， YAMASAKI M. Theoretical estimation of the mechanical performance of traditional mortise-tenon joint involving a gap [J]. Journal of Wood Science， 2016， 62（3）： 242-250.

[8]CHANG W S， HSU M F， KOMATSU K. Rotational performance of traditional Nuki joints with gap I： Theory and verification [J]. Journal of Wood Science， 2006， 52（1）： 58-62.

[9]CHANG W S， HSU M F. Rotational performance of traditional Nuki joints with gap II： The behavior of butted Nuki joint and its comparison with continuous Nuki joint [J]. Journal of Wood Science， 2007， 53（5）： 401-407.

[10]GUAN Z W， KITAMORI A， KOMATSU K. Experimental study and finite element modelling of Japanese “Nuki” joints—Part one： Initial stress states subjected to different wedge configurations [J]. Engineering Structures， 2008， 30（7）： 2032-2040.

[11]GUAN Z W， KITAMORI A， KOMATSU K. Experimental study and finite element modelling of Japanese “Nuki” joints—Part two： Racking resistance subjected to different wedge configurations [J]. Engineering Structures， 2008， 30（7）： 2041-2049.

[12]周乾， 閆維明， 李振寶， 等. 古建筑榫卯節(jié)點加固方法振動臺試驗研究[J]. 四川大學學報（工程科學版）， 2011， 43（6）： 70-78.

ZHOU Q， YAN W M， LI Z B， et al. Aseismic strengthening methods on Chinese ancient tenon-mortise joint by shaking table tests [J]. Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition）， 2011， 43（6）： 70-78. （in Chinese）

[13]潘毅， 安仁兵， 張春濤， 等. BFRP布加固圓截面木梁受彎性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報， 2019， 40（10）： 197-206.

PAN Y， AN R B， ZHANG C T， et al. Experimental study on flexural behavior of BFRP reinforced circular timber beams [J]. Journal of Building Structures， 2019， 40（10）： 197-206. （in Chinese）

[14]潘毅， 王超， 唐麗娜， 等. 古建筑直榫節(jié)點扁鋼與阻尼器加固比較研究[J]. 西南交通大學學報， 2014， 49（6）： 981-986， 1031.

PAN Y， WANG C， TANG L N， et al. Comparative research on flat steel and damper strengthening of straight type of tenon-mortise joints [J]. Journal of Southwest Jiaotong University， 2014， 49（6）： 981-986， 1031. （in Chinese）

[15]潘毅， 安仁兵， 王曉玥， 等. 古建筑木結(jié)構(gòu)透榫節(jié)點力學模型研究[J]. 土木工程學報， 2020， 53（4）： 61-70，82.

PAN Y， AN R B， WANG X Y， et al. Study on mechanical model of through-tenon joints in ancient timber structures [J]. China Civil Engineering Journal， 2020， 53（4）： 61-70，82. （in Chinese）

[16]李誡. 營造法式[M]. 北京： 商務印書館， 2010.

LI J. Ying zao fa shi [M]. Beijing： Commercial Press， 2006.

[17]Timber structures： Joints made with mechanical fasteners： Qusai-static reversed-cyclic test method： ISO-16670 [S]. Geneva： International Organization for Standardization， 2003.

（編輯 胡玲）

3424500338210