古建筑檻窗木構(gòu)架抗震性能及損傷等級(jí)評(píng)價(jià)

郇君虹 郭小東 馬東輝 管忠正

摘 要：為了研究木結(jié)構(gòu)古建筑帶內(nèi)部填充木框架的抗震性能和價(jià)值損傷規(guī)律，選取清式木結(jié)構(gòu)古建筑中廣泛應(yīng)用的檻窗木構(gòu)架為研究對(duì)象，制作了縮尺比例為1∶2的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行低周往復(fù)試驗(yàn)，分析了檻窗木構(gòu)架的荷載位移滯回曲線、骨架曲線、剛度退化規(guī)律和耗能能力。試驗(yàn)結(jié)果表明：檻窗木構(gòu)架滯回曲線有明顯的“捏縮效應(yīng)”，隨著加載位移的增大和加載循環(huán)次數(shù)的增多，這種效應(yīng)就越明顯;試驗(yàn)過程中墻體首先發(fā)生破壞，而后隨著加載的進(jìn)行，墻體逐漸加劇破壞，木構(gòu)件出現(xiàn)拔榫、欞條劈裂等破壞。墻體對(duì)木構(gòu)架的剛度影響較大。結(jié)合檻窗木構(gòu)架可能存在的價(jià)值點(diǎn)，提出基于價(jià)值的損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)，為古建筑的修復(fù)、加固和價(jià)值損傷評(píng)估提供參考。

關(guān)鍵詞：古建筑;檻窗木構(gòu)架;低周往復(fù)試驗(yàn);損傷等級(jí)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TU366.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）02-0129-09

基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金市教委聯(lián)合資助項(xiàng)目（KZ202010005012）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFC1520803）

作者簡(jiǎn)介：郇君虹（1989- ），女，博士，主要從事木結(jié)構(gòu)抗震性能研究，E-mail：junhonghuan@stdu.edu.cn。

郭小東（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：gxd@bjut.edu.cn。

Abstract： In order to study the seismic performance and value damage pattern of timber frame， which are used in ancient timber architecture and infilled with windows and wall， Kanchuang frame is selected as the study object. Kangchuang frames are widely used in Qing official architecture. The 1∶2 reduced-scale models were made for low cyclic loading test. The load-displacement hysteretic curves， skeleton curves， stiffness degradation law and energy dissipation capacity of models were analyzed. The research results show that the load-displacement hysteretic curves have obvious pinching effect， and this effect becomes more obvious with increase of loading displacement and loading cycle number. The walls of Kanchuang frame cracked at first， then the cracks increase with the load increase. The wood structure appears to tenon pulling， lattice splintering and other damage. Walls contribute great stiffness to the structure. Combined with the possible value points of sill window frame， a value-based damage evaluation standard for Kanchuang frame is proposed， which provides good reference for the repair， reinforcement， and value loss evaluation of ancient timber architecture.

Keywords：ancient timber architecture; Kanchuang frame; low cyclic loading test; damage grade evaluation

木結(jié)構(gòu)古建筑是中國(guó)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(guó)是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)其進(jìn)行動(dòng)力和靜力加載試驗(yàn)，分析了斗栱的構(gòu)件對(duì)整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。Yeo等[6-9]對(duì)兩種不同形式的斗栱進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)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(lì)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。DAyala等[11]建立了臺(tái)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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)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(jià)值的重要組成部分，研究其抗震性能和價(jià)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(duì)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(duì)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(guó)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(guó)古建筑知識(shí)手冊(cè)》[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(hào)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(cè)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。

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(duì)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。

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。

通常木結(jié)構(gòu)在承受較小荷載的時(shí)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(shí)，每級(jí)加載位移增加5 mm;加載位移在70～110 mm時(shí)，每級(jí)加載位移增加10 mm;加載位移大于110 mm時(shí)，每級(jí)加載位移增加20 mm，每級(jí)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。

在千斤頂頂端設(shè)置力傳感器和位移計(jì)，用來測(cè)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(cè)量枋端的脫榫量。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖8所示。

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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí);榫卯節(jié)點(diǎn)的最大拔榫量達(dá)到3 mm，約為榫頭長(zhǎng)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為KC1和KC2的荷載位移滯回曲線，可以看出：

1）兩榀檻窗木構(gòu)架的荷載位移曲線形狀及變化趨勢(shì)基本一致，檻窗木構(gòu)架的滯回曲線均呈“Z”字形。

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(duì)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

荷載位移骨架曲線是試驗(yàn)檻窗木構(gòu)架的荷載位移滯回曲線峰值點(diǎn)的連線。試驗(yàn)中每一級(jí)加載位移循環(huán)3次。KC1和KC2的荷載位移骨架曲線如圖11所示，可以看出：

1）每級(jí)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(huì)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(dòng)、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(shí)，兩榀木構(gòu)架的曲線基本呈直線，此時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)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。

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(shí)，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(duì)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(huì)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。

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(duì)結(jié)構(gòu)的剛度影響較大。

4 檻窗木構(gòu)架損傷等級(jí)分析

4.1 墻體裂縫長(zhǎng)度發(fā)展規(guī)律分析

試驗(yàn)和震害資料[1]表明，對(duì)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(jià)值部分更容易損傷。為了充分反映墻體上可能會(huì)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(jià)值損傷指標(biāo)，對(duì)檻窗木構(gòu)架的墻體裂縫長(zhǎng)度進(jìn)行了分析，圖14為檻窗木構(gòu)架墻體裂縫長(zhǎng)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(zhǎng)度進(jìn)行歸一化，記作

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

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(shí)的加載位移。對(duì)根據(jù)試驗(yàn)所得的裂縫長(zhǎng)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。

4.2 檻窗木構(gòu)架整體損傷評(píng)價(jià)

目前，中國(guó)還沒有專門針對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。建立評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)先從墻體可能會(huì)附帶的文物價(jià)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?；诖?，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(jià)值的損傷等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表4所示。

5 結(jié)論

通過對(duì)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(huì)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(duì)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(jià)值的基礎(chǔ)上建議了基于價(jià)值的損傷等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，為文物的保護(hù)和研究提供參考依據(jù)。

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Method of testing in tensile strength parallel to grain of wood： GB 1939-1991 [S]. Beijing： Standards Press of China， 1992. （in Chinese）

[19]木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法： GB/T 1935—1991 [S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 1992.

Test method for the compressive strength of longitudinal fiber of wood： GB/T 1935-1991 [S]. Beijing： Standards Press of China， 1992. （in Chinese）

[20]木材密度測(cè)定方法： GB/T 1933—2009 [S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2009.

Method for determination of the density of wood： GB/T 1933-2009 [S]. Beijing： Standards Press of China， 2009. （in Chinese）

[21]木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法： GB/T 1929—2009 [S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2009.

Method of sample logs sawing and test specimens selection for physical and mechanical tests of wood： GB/T 1929-2009 [S]. Beijing： Standards Press of China， 2009. （in Chinese）

[22]建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)： JGJ/T 70—2009 [S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2009.

Standard for test method of basic properties of construction mortar： JGJ/T 70-2009 [S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2009. （in Chinese）

[23]砌墻磚試驗(yàn)方法： GB/T 2542—2012 [S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2013.

Test methods for wall bricks： GB/T 2542-2012 [S]. Beijing： Standards Press of China， 2013. （in Chinese）

[24]砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)： GB/T 50129—2011 [S]. 北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社， 2012.

Standard for test method of basic mechanics properties of masonry： GB/T 50129-2011 [S]. Beijing： China Planning Press， 2012. （in Chinese）

（編輯 胡玲）

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