木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能及加固對(duì)比試驗(yàn)研究

金昱成 蘇何先 潘文 何穎成 杜杰偉 付高攀

摘 要：為研究不同加固措施對(duì)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，參照西南地區(qū)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)典型榫卯節(jié)點(diǎn)做法，制作透榫、半榫和燕尾榫3類共5組榫卯節(jié)點(diǎn)試件開展節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)，其中4組分別采用扒釘、鋼板和木條（兩組）加固。對(duì)比研究加固與非加固節(jié)點(diǎn)試件的破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、節(jié)點(diǎn)拔榫量和耗能能力等抗震性能參數(shù)。結(jié)果表明：未加固榫卯節(jié)點(diǎn)的主要破壞形態(tài)是榫頭卯口擠壓開裂、榫頭拔出，加固節(jié)點(diǎn)主要以扒釘斷裂、鋼板彎扭屈服和木條斷裂形態(tài)而破壞;所有加固措施均能有效提升節(jié)點(diǎn)承載力和降低節(jié)點(diǎn)拔榫量，加固節(jié)點(diǎn)拔榫量降低比例均超過5%;與扒釘、鋼板加固相比，采用木條加固對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力提升效果最為顯著，加固后，半榫和燕尾榫節(jié)點(diǎn)負(fù)向承載力提高超過10倍。同時(shí)，木條加固半榫節(jié)點(diǎn)的耗能能力提升超過2.6倍，扒釘、鋼板加固節(jié)點(diǎn)也能明顯提升其耗能能力。

關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu);榫卯節(jié)點(diǎn);節(jié)點(diǎn)加固;擬靜力試驗(yàn);抗震性能

中圖分類號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）02-0138-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFD1100703-04）;云南省教育廳科學(xué)研究基金（2021J0062）

作者簡(jiǎn)介：金昱成（1997- ），男，主要從事木結(jié)構(gòu)研究，E-mail：mori10969taka@163.com。

蘇何先（通信作者），男，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師， E-mail：sxhh870@kust.edu.cn。

Abstract： In order to investigate the impact of different reinforcement measures on the seismic performance of the mortise-tenon joints in timber structures， five groups of mortise-tenon joint specimens of three types： Tou mortise-tenon joints， Ban mortise-tenon joints， and dovetail mortise-tenon joints were made to carry out the quasi-static tests referring to the typical mortise-tenon joint of traditional timber structure in the southwest region of China. The four groups were reinforced with iron hook， steel plate， and wood strip（two groups）. The seismic performance parameters of reinforced and non-reinforced joint specimens， such as failure forms， hysteretic and skeleton curves， amount of tenon pullout， and energy dissipation， were comparatively studied. The test results show that the main failure modes of the unreinforced mortise-tenon joints are cracking in squeeze of the mortise-tenon and pullout of the tenon.The reinforced joints are mainly damaged by iron hook breakage， steel plate bending-torsion yielding， and wood strip breaking. All the reinforcement measures can effectively improve the bearing capacity of the joint and reduce the pullout of tenon. The reduction ratio of the pullout amount of the reinforced joint is more than 5%. By comparison， the bearing capacity of the joints reinforced with wood strip is improved significantly. The negative bearing capacity of the Ban mortise-tenon joints and dovetail joints is increased by more than 10 times after reinforcement.At the same time， the energy dissipation of the Ban mortise-tenon joint reinforced with wood strips is increased by more than 260%， and the energy dissipation of the reinforced joint with iron hook and steel plate can also be significantly improved.

Keywords：timber structure; mortise-tenon joints; joint reinforcement; quasi-static test; seismic performance

木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)具有半剛性特點(diǎn)，能在地震作用時(shí)產(chǎn)生較大滑動(dòng)位移而減輕結(jié)構(gòu)的地震損傷，但若沒有良好的拉結(jié)措施，榫卯節(jié)點(diǎn)可能脫開而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失穩(wěn)、房屋倒塌，所以，榫卯節(jié)點(diǎn)是木結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的關(guān)注重點(diǎn)[1]。中國(guó)西南地區(qū)由于受地區(qū)經(jīng)濟(jì)、自然條件、傳統(tǒng)民族文化等因素影響，木結(jié)構(gòu)仍是該地區(qū)村鎮(zhèn)民居建筑的一種主要結(jié)構(gòu)形式。雖然木結(jié)構(gòu)整體抗震性能較好[2-3]，但村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)往往沒有經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目拐鹪O(shè)計(jì)，大部分房屋由施工者按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工，且多數(shù)使用年限較長(zhǎng)，年久失修，一旦發(fā)生地震，未進(jìn)行加固的木結(jié)構(gòu)房屋榫卯節(jié)點(diǎn)極易出現(xiàn)斷裂、拔榫等破壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[4-6]。因此，針對(duì)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)的抗震加固研究逐漸受到關(guān)注。

周乾等[7]開展的木結(jié)構(gòu)縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用鋼構(gòu)件加固節(jié)點(diǎn)的效果優(yōu)于CFRP布和馬口鐵。熊海貝等[8]通過開展單層單跨梁柱式足尺木框架擬靜力試驗(yàn)，驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)采用碳纖維布和自攻螺絲加固均能有效抑制裂縫開展，并能夠恢復(fù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能，節(jié)點(diǎn)加固并增設(shè)隅撐可顯著提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)移性能。姚侃等[9]對(duì)采用Q235鋼加固榫卯連接節(jié)點(diǎn)的縮尺木結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明，加固木結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和整體性獲得提升，Q235扁鋼加固榫卯連接節(jié)點(diǎn)有效地阻止了結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的破壞。郇君虹等[10]對(duì)采用不同形式扁鋼加固的有損節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力推復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明，帶螺釘加固裝置的加固效果最為明顯，加固件與構(gòu)件之間的有效連接可以提高榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能。Kramár等[11]對(duì)采用不同類型碳纖維布加固的木梁開展了試驗(yàn)，結(jié)果表明，有紋路的CFRP布具有更好的加固性能。聶雅雯等[12]對(duì)不同緊密程度的附加黏彈性阻尼器燕尾榫節(jié)點(diǎn)開展了擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明：緊密節(jié)點(diǎn)耗能較強(qiáng);安裝阻尼器后，節(jié)點(diǎn)剛度、強(qiáng)度和耗能均得到提高，且負(fù)向加載時(shí)提高較顯著。高永林等[13-14]對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)附加黏彈性阻尼器的兩層足尺穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明：榫卯節(jié)點(diǎn)附加黏彈性阻尼器后節(jié)點(diǎn)剛度增大，變形恢復(fù)能力顯著提高，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯傾斜破壞;結(jié)構(gòu)模型具有明顯扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，未發(fā)生塑性破壞，底層層間耗能最高，屋脊最低。Xue等[15-16]對(duì)采用形狀記憶合金鋼絲和SMA阻尼器加固的榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明：采用形狀記憶合金鋼絲加固節(jié)點(diǎn)能降低其拔榫量，提升極限承載力和初始剛度;增加SMA阻尼器中形狀記憶合金鋼絲的預(yù)應(yīng)力可以有效降低拔榫量，提高節(jié)點(diǎn)極限承載力、耗能能力和恢復(fù)能力。

盡管學(xué)者們針對(duì)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)提出了采用鋼（鐵）件加固、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）加固以及附加阻尼器等一系列技術(shù)措施并驗(yàn)證了其有效性，但針對(duì)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)，特別是在役木結(jié)構(gòu)房屋節(jié)點(diǎn)的加固方式需優(yōu)先考慮其經(jīng)濟(jì)性、可操作性和實(shí)施便利性。為此，需要在已有研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展榫卯節(jié)點(diǎn)加固研究，特選取西南地區(qū)典型透榫、半榫和燕尾榫榫卯節(jié)點(diǎn)為原型，制作15件榫卯節(jié)點(diǎn)試件，并對(duì)其中12件試件分別采用扒釘、鋼板和木條進(jìn)行加固，開展擬靜力試驗(yàn)，對(duì)比研究加固與非加固節(jié)點(diǎn)試件的抗震性能，為村鎮(zhèn)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)加固提供建議與指導(dǎo)方法。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

選取中國(guó)西南地區(qū)常見鐵杉設(shè)計(jì)制作了透榫、半榫和燕尾榫3類節(jié)點(diǎn)試件，每種類型的節(jié)點(diǎn)試件包括未加固、扒釘加固、鋼板加固、木條10螺栓加固和木條12螺栓加固節(jié)點(diǎn)試件共5件[17]。試件均參照西南地區(qū)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)典型榫卯節(jié)點(diǎn)樣式進(jìn)行設(shè)計(jì)，由昆明理工大學(xué)抗震研究所的專業(yè)技術(shù)工人制作，具體流程為卯口、榫頭制作和組裝以及蓋木、墊木安裝，節(jié)點(diǎn)示意圖如圖1所示。試件模型尺寸見表1。試件編號(hào)JD-1a～JD-5a為透榫節(jié)點(diǎn)，JD-1b～JD-5b為半榫節(jié)點(diǎn)，JD-1c～JD-5c為燕尾榫節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)編號(hào)如表2所示。

榫卯節(jié)點(diǎn)試件加固共使用了4種方案。方案一：利用4根直徑10 mm、長(zhǎng)度150 mm、釘長(zhǎng)50 mm扒釘進(jìn)行雙側(cè)加固，扒釘與梁呈30°夾角;方案二：采用兩條寬40 mm、長(zhǎng)425 mm、厚2 mm鋼板進(jìn)行雙側(cè)加固，鋼板與梁平行，連接方式采用12螺栓錨固;方案三：通過兩條寬60 mm、長(zhǎng)600 mm、厚60 mm木條進(jìn)行雙側(cè)加固，木條與梁呈45°夾角，連接方式采用10螺栓錨固;方案四與方案三的差異是將連接螺栓改為12螺栓。加固方案中的扒釘、鋼板均采用Q235鋼進(jìn)行制作，螺栓選用普通螺栓，加固節(jié)點(diǎn)試件示意圖如圖2所示，節(jié)點(diǎn)加固材料尺寸參數(shù)見表3。

1.2 材料性能

按照木材物理性能與力學(xué)性能測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，選取12個(gè)試樣進(jìn)行木材密度、含水率、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗壓彈性模量、橫紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓彈性模量和抗彎強(qiáng)度等指標(biāo)的測(cè)量，取平均值作為測(cè)試結(jié)果，如表4、表5所示。

1.3 加載與測(cè)試

1.3.1 試驗(yàn)加載設(shè)備與措施

為防止節(jié)點(diǎn)試件在加載過程中側(cè)移失穩(wěn)，試件柱頂與柱底采用鋼管套筒進(jìn)行固定。利用液壓千斤頂向柱頂施加10 kN的豎向恒荷載，采用電液伺服作動(dòng)器在懸挑梁端施加循環(huán)荷載，作動(dòng)器加載點(diǎn)距柱邊緣500 mm，加載示意如圖3所示。

1.3.2 加載制度

根據(jù)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)，參照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ/T 101—2015）中的5.3.4條[18]，梁端荷載采用位移控制分級(jí)加載，第1級(jí)控制位移幅值為10 mm，每級(jí)位移增幅10 mm，循環(huán)3次，直至試件破壞或控制位移達(dá)到試驗(yàn)設(shè)備最大行程±125 mm時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，加載制度如圖4所示。

1.3.3 測(cè)量?jī)?nèi)容與測(cè)點(diǎn)位置

節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的主要測(cè)量項(xiàng)目是力和位移，柱頂恒載由油壓表測(cè)讀，梁端荷載由電液伺服作動(dòng)器配置的力傳感器測(cè)量，位移測(cè)量重點(diǎn)關(guān)注梁端加載位移和節(jié)點(diǎn)的拔榫量，共布置3只位移傳感器，在節(jié)點(diǎn)上方、下方各布置1只位移計(jì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)拔榫量，為避免加載裝置連接間隙的影響，在距柱內(nèi)側(cè)500 mm處安裝位移計(jì)測(cè)量梁端位移，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1.1 未加固試件

在10 mm位移工況下，透榫節(jié)點(diǎn)JD-1a榫卯間出現(xiàn)擠壓聲響，榫頭被輕微拔出;至加載中期，卯口出現(xiàn)縫隙，拔榫量明顯增大;加載至90 mm，拔榫更顯著，荷載開始下降，試驗(yàn)結(jié)束。半榫節(jié)點(diǎn)JD-1b試驗(yàn)現(xiàn)象與透榫節(jié)點(diǎn)JD-1a類似，加載至110 mm時(shí)拔榫嚴(yán)重，為避免榫頭掉落，停止加載。燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-1c試驗(yàn)現(xiàn)象與透榫節(jié)點(diǎn)JD-1a類似，加載至作動(dòng)器最大行程，試驗(yàn)結(jié)束。試件破壞狀態(tài)如圖5所示。

2.1.2 扒釘加固試件 透榫節(jié)點(diǎn)JD-2a在加載前期就出現(xiàn)榫卯間的連續(xù)擠壓聲，上側(cè)扒釘孔擴(kuò)展;后續(xù)加載過程中，扒釘孔持續(xù)擴(kuò)展;至加載后期，榫頭開始拔出，荷載降低，出現(xiàn)榫頭斷裂聲，試驗(yàn)結(jié)束。半榫節(jié)點(diǎn)JD-2b試驗(yàn)現(xiàn)象與透榫節(jié)點(diǎn)JD-2a類似，加載過程中伴有木材斷裂聲;加載至100 mm時(shí)，扒釘斷裂，退出工作，試驗(yàn)結(jié)束。燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-2c試驗(yàn)現(xiàn)象與半榫節(jié)點(diǎn)JD-2b類似，但未出現(xiàn)明顯裂縫且后期荷載趨于平穩(wěn)，加載至作動(dòng)器最大行程，試驗(yàn)結(jié)束。節(jié)點(diǎn)試件破壞狀態(tài)如圖6所示。

2.1.3 鋼板加固試件

透榫節(jié)點(diǎn)JD-3a在試驗(yàn)加載前期有輕微間斷響聲，卯口變大;至加載中期，榫頭斷裂，鋼板出現(xiàn)彎曲扭轉(zhuǎn);加載至作動(dòng)器最大行程，試驗(yàn)結(jié)束。半榫節(jié)點(diǎn)JD-3b試驗(yàn)現(xiàn)象與透榫節(jié)點(diǎn)JD-3a類似，加載后期梁底部墊木脫落，加載至作動(dòng)器最大行程，試驗(yàn)結(jié)束。燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-3c試驗(yàn)現(xiàn)象與透榫節(jié)點(diǎn)JD-3a類似，往復(fù)荷載作用下，鋼板產(chǎn)生顯著塑性變形，加載至作動(dòng)器最大行程，試驗(yàn)結(jié)束。試件破壞狀態(tài)如圖7所示。

2.1.4 木條加固試件

在試驗(yàn)加載前期，透榫節(jié)點(diǎn)JD-4a、JD-5a木條、梁柱之間均出現(xiàn)擠壓聲，但未產(chǎn)生明顯裂紋;至加載中期，出現(xiàn)大量裂縫;加載至100 mm時(shí)，荷載明顯下降，試驗(yàn)結(jié)束。半榫節(jié)點(diǎn)JD-4b、JD-5b在10 mm位移工況下出現(xiàn)輕微聲響;加載后期，試驗(yàn)現(xiàn)象與透榫節(jié)點(diǎn)JD-4a、JD-5a類似，為防止榫頭脫落，停止加載。燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-4c、JD-5c試驗(yàn)現(xiàn)象與半榫節(jié)點(diǎn)JD-4b、JD-5b類似，加載至作動(dòng)器最大行程，試驗(yàn)結(jié)束。破壞狀態(tài)如圖8所示，采用不同直徑螺栓進(jìn)行加固的節(jié)點(diǎn)試件破壞形態(tài)類似。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 滯回曲線

15件榫卯節(jié)點(diǎn)試件在反復(fù)荷載下的滯回曲線如圖9～圖13所示。節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線形狀整體均呈反“Z”型，捏縮效應(yīng)明顯，說(shuō)明加載過程中榫卯間存在大量滑移。在每一級(jí)加載位移工況下，第1循環(huán)圈的滯回曲線面積均大于第2、第3圈，說(shuō)明榫卯節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生了不可逆的變形，出現(xiàn)了強(qiáng)度退化。除加固件破壞的節(jié)點(diǎn)外，其余節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線面積與加載控制位移呈正相關(guān)。

由圖9可見，未加固節(jié)點(diǎn)試件滯回曲線均呈反“Z”型。圖9（a）中透榫節(jié)點(diǎn)JD-1a的滯回曲線較為平滑，滑移較大，在加載控制位移轉(zhuǎn)角達(dá)到0.260 rad時(shí)，彎矩達(dá)到4.46 kN·m，且仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。圖9（b）中半榫節(jié)點(diǎn)JD-1b和圖9（c）中燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-1c拔榫滑移均低于透榫節(jié)點(diǎn)JD-1a。

由圖10可見，扒釘加固節(jié)點(diǎn)試件滯回曲線在前3級(jí)加載位移工況下均呈反“S”型，與未加固節(jié)點(diǎn)試件相比，滑移量降低，在相同加載控制位移工況下，其節(jié)點(diǎn)承載力得到提高。所有節(jié)點(diǎn)在位移控制加載前期承載力增長(zhǎng)較快，加載后期，由于加固件破壞或試件破損，節(jié)點(diǎn)承載力增長(zhǎng)變緩后開始降低，但試驗(yàn)全程節(jié)點(diǎn)未出現(xiàn)顯著破壞。

由圖11可見，鋼板加固節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線前期呈反“S”型，形狀較為飽滿，榫卯間的滑移較小，說(shuō)明加固節(jié)點(diǎn)的鋼板參與耗能效果較好。圖11（a）中透榫節(jié)點(diǎn)JD-3a在轉(zhuǎn)角位移加至-0.112 rad時(shí)榫頭斷裂，但節(jié)點(diǎn)承載力未出現(xiàn)明顯下降。在試驗(yàn)加載全程，半榫節(jié)點(diǎn)JD-3b與燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-3c彎矩值均逐漸增長(zhǎng)而未出現(xiàn)下降。

由圖12、圖13可見，木條加固節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線呈非對(duì)稱的反“Z”型，轉(zhuǎn)角位移負(fù)值方向滯回曲線面積較大且飽滿，這與加固木條僅在梁柱下側(cè)布置直接相關(guān)。與未加固節(jié)點(diǎn)對(duì)比，采用木條加固后榫卯間的滑移降低。試驗(yàn)加載前期節(jié)點(diǎn)試件承載力增長(zhǎng)較快，隨著加載控制位移的增大，節(jié)點(diǎn)承載力增長(zhǎng)變緩，位移控制加載后期節(jié)點(diǎn)承載力陡降是木條斷裂所致。

2.2.2 骨架曲線

骨架曲線是彎矩轉(zhuǎn)角曲線中各級(jí)循環(huán)荷載下彎矩極值點(diǎn)的包絡(luò)線，節(jié)點(diǎn)試件的試驗(yàn)骨架曲線如圖14所示。節(jié)點(diǎn)負(fù)向極限承載力從大到小依次為：木條12螺栓加固節(jié)點(diǎn)（JD-5a、JD-5b、JD-5c）>木條10螺栓加固節(jié)點(diǎn)（JD-4a、JD-4b、JD-4c）>鋼板加固節(jié)點(diǎn)（JD-3a、JD-3b、JD-3c）>扒釘加固節(jié)點(diǎn)（JD-2a、JD-2b、JD-2c）>未加固節(jié)點(diǎn)（JD-1a、JD-1b、JD-1c）。除鋼板加固半榫節(jié)點(diǎn)JD-3b、鋼板加固燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-3c外，其余節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)均可近似劃分為彈性、屈服和破壞3個(gè)階段，骨架曲線呈“S”型。采用木條加固后，節(jié)點(diǎn)試件骨架曲線斜率變大，較快到達(dá)極限承載力，在加固件破壞之前，受力均未出現(xiàn)下降。對(duì)比未加固節(jié)點(diǎn)試件，透榫節(jié)點(diǎn)JD-5a在0.140 rad轉(zhuǎn)角位移下負(fù)向彎矩由-2.37 kN·m增長(zhǎng)到-10.5 kN·m，半榫節(jié)點(diǎn)JD-5b在0.180 rad轉(zhuǎn)角位移下負(fù)向彎矩由-0.72 kN·m增長(zhǎng)到-10.585 kN·m，燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-5c在0.140 rad轉(zhuǎn)角位移下負(fù)向彎矩由-0.43 kN·m增長(zhǎng)到-7.96 kN·m，節(jié)點(diǎn)承載力顯著提高，提升比例大于3.4倍，負(fù)向加載時(shí)表現(xiàn)出更大的承載力。采用扒釘加固和鋼板加固效果類似，節(jié)點(diǎn)承載力得到提高，骨架曲線較為平緩，屈服較慢。由于加固件破壞或試件破損，部分節(jié)點(diǎn)骨架曲線發(fā)生突變，但所有加固節(jié)點(diǎn)試件的承載力等力學(xué)性能均獲得提高。

2.2.3 節(jié)點(diǎn)拔榫

節(jié)點(diǎn)拔榫量為枋邊中心線與柱邊的相對(duì)位移[19]，計(jì)算公式見式（1）。

式中：δ1、δ2為梁端位移計(jì)所測(cè)位移量，拉伸為正，壓縮為負(fù)。

試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)試件的拔榫情況如圖15所示。由圖15可見，所有加固方式都能有效降低節(jié)點(diǎn)拔榫，拔榫量與加載控制位移呈正比關(guān)系。與未加固節(jié)點(diǎn)相比，扒釘、鋼板、木條10螺栓和木條12螺栓加固透榫節(jié)點(diǎn)JD-2a、JD-3a、JD-4a和JD-5a在90 mm位移工況下節(jié)點(diǎn)拔榫量分別降低了3.43、5.04、6.04、6.31 mm，榫卯節(jié)點(diǎn)抗拔性能得到明顯提升。在110 mm控制位移下，未加固節(jié)點(diǎn)試件透榫、半榫和燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-1a、JD-2a和JD-3a拔榫量分別為28.33、34.52、23.32 mm，說(shuō)明燕尾榫節(jié)點(diǎn)抗拔性能較好。圖15（a）、（c）中木條加固透榫JD-4a和燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-4c拔榫量出現(xiàn)突變，原因是加固木條斷裂，造成螺栓脫離。木條加固節(jié)點(diǎn)試件中，采用不同直徑的螺栓對(duì)拔榫量無(wú)顯著影響。

2.2.4 剛度退化曲線

剛度與加載控制位移、位移循環(huán)圈數(shù)成反比的現(xiàn)象稱為剛度退化，節(jié)點(diǎn)剛度可用割線剛度K值表示，計(jì)算公式見式（2）、式（3）。

式中：M+i為第i級(jí)控制位移下的正向彎矩最值;M-i為第i級(jí)控制位移下負(fù)向彎矩最值的絕對(duì)值;θ+i為M+i對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角;θ-i為M-i對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角的絕對(duì)值。

計(jì)算得出節(jié)點(diǎn)試件的剛度退化曲線如圖16所示。加固節(jié)點(diǎn)試件的初始剛度與加載結(jié)束時(shí)的剛度總體均有提高，節(jié)點(diǎn)負(fù)向剛度從大到小依次為：木條12螺栓加固節(jié)點(diǎn)（JD-5a、JD-5b、JD-5c）>木條10螺栓加固節(jié)點(diǎn)（JD-4a、JD-4b、JD-4c）>扒釘加固節(jié)點(diǎn)（JD-2a、JD-2b、JD-2c）>鋼板加固節(jié)點(diǎn)（JD-3a、JD-3b、JD-3c）>未加固節(jié)點(diǎn)（JD-1a、JD-1b、JD-1c）。剛度退化曲線總體呈下降趨勢(shì)，其中，木條加固節(jié)點(diǎn)試件初始剛度提高較為顯著，節(jié)點(diǎn)負(fù)向初始剛度提升超過4.9倍。在加載前期，木條加固節(jié)點(diǎn)試件剛度退化斜率最大，退化較快。木條加固件的非對(duì)稱布置導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)正、負(fù)向加載受力不一致，負(fù)向加載剛度明顯高于正向加載剛度。扒釘、鋼板加固節(jié)點(diǎn)試件的剛度退化相對(duì)較平緩。圖16（a）中扒釘、鋼板加固透榫節(jié)點(diǎn)JD-2a、JD-3a在負(fù)向加載時(shí)發(fā)生剛度退化突變，原因是上側(cè)扒釘和單側(cè)鋼板發(fā)生破壞，退出工作。

2.2.5 耗能能力

節(jié)點(diǎn)試件荷載變形滯回曲線所包圍的面積可以用來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)非彈性變形階段的能量吸收耗散能力，統(tǒng)一選取加固前后節(jié)點(diǎn)位移為30 mm倍數(shù)的荷載變形曲線滯回面積進(jìn)行對(duì)比分析，試件在各加載控制位移下的耗能能力如表6所示。木條加固節(jié)點(diǎn)試件耗能能力最佳，透榫節(jié)點(diǎn)JD-4a、半榫節(jié)點(diǎn)JD-5b和燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-5c在90 mm控制位移下耗能分別達(dá)到491、448、378 kN·mm，對(duì)比非加固節(jié)點(diǎn)，耗能分別提升1.6、2.6和2.4倍，扒釘加固節(jié)點(diǎn)試件和鋼板加固節(jié)點(diǎn)試件耗能能力增長(zhǎng)較為穩(wěn)定。所有加固方式均提升了節(jié)點(diǎn)耗能，除因加固件或試件在加載后期發(fā)生破損的透榫節(jié)點(diǎn)JD-2a和燕尾榫節(jié)點(diǎn)JD-4c出現(xiàn)耗能能力降低外，其余節(jié)點(diǎn)試件的耗能能力與加載控制位移呈正比關(guān)系。

3 結(jié)論

通過對(duì)未加固與采用扒釘、鋼板和木條加固的透榫、半榫以及燕尾榫節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，得出以下主要結(jié)論：

1）榫卯節(jié)點(diǎn)試件采用相應(yīng)加固措施后仍具有“半剛性”特點(diǎn)，其試驗(yàn)滯回曲線呈反“Z”型。

2）未加固榫卯節(jié)點(diǎn)的主要破壞形式是榫頭卯口擠壓開裂、榫頭拔出、墊木蓋木脫落，加固后榫卯節(jié)點(diǎn)以加固件破壞形態(tài)而破壞，主要表現(xiàn)為扒釘斷裂、鋼板彎扭屈服和木條斷裂。

3）各節(jié)點(diǎn)試件的拔榫量與加載控制位移呈正比關(guān)系，所有加固措施均能有效降低節(jié)點(diǎn)的拔榫量，其中木條加固措施對(duì)降低節(jié)點(diǎn)拔榫效果最為顯著。

4）所有加固措施均能有效提高節(jié)點(diǎn)的承載力、剛度和耗能能力，采用木條加固提升效果最佳，加固后的半榫和燕尾榫節(jié)點(diǎn)負(fù)向加載時(shí)承載力提升超過10倍，剛度提升超過8倍，加固后的半榫節(jié)點(diǎn)耗能能力提升超過2.6倍。

5）實(shí)測(cè)木條加固榫卯節(jié)點(diǎn)采用非對(duì)稱形式時(shí)受力性能明顯不對(duì)稱，實(shí)際應(yīng)用中宜考慮通過調(diào)整木條安裝角度和連接螺栓數(shù)量等以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱加固。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭婷， 楊娜， 周海賓， 等. 穿斗式木結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的抗彎性能試驗(yàn)研究[J]. 土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)（中英文）， 2022， 44（2）： 83-90.

GUO T， YANG N， ZHOU H B， et al.Experimental study on the moment-resisting performance of interior joints with wooden peg [J]. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2022， 44（2）： 83-90. （in Chinese）

[2]高大峰， 趙鴻鐵， 薛建陽(yáng). 木結(jié)構(gòu)古建筑中斗栱與榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能： 試驗(yàn)研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)， 2008， 17（2）： 58-64.

GAO D F， ZHAO H T， XUE J Y. Aseismic characteristics of bucket arch and mortise-tenon joint of ancient Chinese timber buildings： Experimental research [J]. Journal of Natural Disasters， 2008， 17（2）： 58-64. （in Chinese）

[3]李書進(jìn)， 鈴木祥之. 足尺木結(jié)構(gòu)房屋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2010， 43（12）： 69-77.

LIS J， SUZUKI Y. Full size shaking table test and numerical simulations of traditional wooden houses [J]. China Civil Engineering Journal， 2010， 43（12）： 69-77. （in Chinese）

[4]何玲， 潘文， 楊正海， 等. 村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)房屋震害及抗震技術(shù)措施[J]. 工程抗震與加固改造， 2006， 28（6）： 94-101.

HE L， PAN W， YANG Z H， et al. Seismic damage and seismic countermeasures of timber houses in villages and towns [J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting， 2006， 28（6）： 94-101. （in Chinese）

[5]高永武， 金波， 戴君武， 等. 蘆山7級(jí)地震村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)震害調(diào)查及加固建議[J]. 地震工程與工程振動(dòng)， 2013， 33（3）： 48-52.

GAO Y W， JIN B， DAI J W， et al. Damage to rural wooden structures in M 7.0 Lushan earthquake and reinforcement suggestions [J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2013， 33（3）： 48-52. （in Chinese）

[6]陸偉東， 鄧大利， 居興鵬， 等. 中國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑分布及其震害[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2011， 43（4）： 464-469.

LU W D， DENG D L， JU X P， et al. Distribution of timber structures in China and seismic damages analysis [J]. Journal of Xian University of Architecture & Technology （Natural Science Edition）， 2011， 43（4）： 464-469. （in Chinese）

[7]周乾， 閆維明， 李振寶， 等. 古建筑榫卯節(jié)點(diǎn)加固方法振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)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）

[8]熊海貝， 劉應(yīng)揚(yáng)， 姚亞， 等. 梁柱式木結(jié)構(gòu)加固方法及抗側(cè)力性能試驗(yàn)研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2016， 44（5）： 695-702.

XIONG H B， LIU Y Y， YAO Y， et al. Experimental study of reinforcement methods and lateral resistance of glued-laminated timber post and beam structures [J]. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2016， 44（5）： 695-702. （in Chinese）

[9]姚侃， 趙鴻鐵， 薛建陽(yáng)， 等. 古建木結(jié)構(gòu)榫卯連接的扁鋼加固試驗(yàn)[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 41（10）： 220-224.

YAO K， ZHAO H T， XUE J Y， et al. Experimental studies on seismic characteristic of strengthened mortise-tenon jointin historical timber buildings [J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2009， 41（10）： 220-224. （in Chinese）

[10]郇君虹， 馬東輝， 郭小東， 等. 扁鋼加固半榫、透榫及燕尾榫抗震性能試驗(yàn)研究[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019， 45（8）： 763-771.

HUAN J H， MA D H， GUO X D， et al. Experimental study of aseismic behaviors of flexural tenon joint， through tenon joint and dovetail joint reinforced with flat steel devices [J]. Journal of Beijing University of Technology， 2019， 45（8）： 763-771. （in Chinese）

[11]KRAMR S， BRABEC M， PAIL P， et al. Constraining delamination of CFRP by beam corrugation [J]. Engineering Structures， 2020， 207： 110237.

[12]聶雅雯， 陶忠， 高永林. 黏彈性阻尼器增強(qiáng)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)燕尾榫節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2021， 42（1）： 125-133.

NIE Y W， TAO Z， GAO Y L. Experimental study on dovetail mortise-tenon joints with viscoelastic dampers in traditional timber structures [J]. Journal of Building Structures， 2021，42（1）： 125-133. （in Chinese）

[13]高永林， 陶忠， 葉燎原， 等. 傳統(tǒng)穿斗木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)附加黏彈性阻尼器振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2016， 49（2）： 59-68.

GAO Y L， TAO Z， YE L Y， et al. Shaking table tests of mortise-tenon joints of a traditional Chuan-Dou wood structure attached with viscoelastic dampers [J]. China Civil Engineering Journal， 2016， 49（2）： 59-68. （in Chinese）

[14]高永林， 陶忠， 葉燎原， 等. 帶有黏彈性阻尼器穿斗木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2017， 36（1）： 240-247，260.

GAO Y L， TAO Z， YE L Y， et al. Shaking table tests for a Chuan-Dou timber building with viscoelastic dampers [J]. Journal of Vibration and Shock， 2017， 36（1）： 240-247，260. （in Chinese）

[15]XUE J Y， WU C W， ZHANG X C， et al. Experimental study on seismic behavior of mortise-tenon joints reinforced with shape memory alloy [J]. Engineering Structures， 2020， 218： 110839.

[16]XUE J Y， WU C W， ZHANG X C， et al. Effect of pre-tension in superelastic shape memory alloy on cyclic behavior of reinforced mortise-tenon joints [J]. Construction and Building Materials， 2020， 241： 118136.

[17]付高攀. 傳統(tǒng)民居木構(gòu)架加固改造技術(shù)研究[D]. 昆明： 昆明理工大學(xué)， 2016.

FU G P. Study on reinforcement and transformation method for timber frame of traditional folk houses [D]. Kunming： Kunming University of Science and Technology， 2016. （in Chinese）

[18]建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程： JGJ/T 101—2015 [S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2015.

Specificating of testing methods for earthquake resistant building： JGJ/T 101-2015 [S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2015. （in Chinese）

[19]王文波. 古建木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)加固后力學(xué)性能研究[D]. 南京： 東南大學(xué)， 2017.

WANG W B. Study on mechanical properties of reinforced mortise-tenon joints in ancient timber structures [D]. Nanjing： Southeast University， 2017. （in Chinese）

（編輯 黃廷）

3218500338231