郭 宇 劉睿靜 宋 怡 李源河 姚利宏

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，呼和浩特 010018)

我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久，用榫卯連接的梁柱木結(jié)構(gòu)框架體系，是我國木結(jié)構(gòu)古建筑經(jīng)歷地震、臺風(fēng)等自然災(zāi)害后仍能保存至今的關(guān)鍵之一。梁思成[1-3]等建筑學(xué)家通過實(shí)地勘測與研究我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的具體構(gòu)造和工藝，也證實(shí)木結(jié)構(gòu)建筑中的榫卯節(jié)點(diǎn)是其穩(wěn)定性與框架承載性能的重要因素。我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑榫卯節(jié)點(diǎn)結(jié)合方式是介于剛接和鉸接之間的半剛性連接。它不同于鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鐵件加固連接等，在抗壓的同時具有一定的抗彎與抗扭能力，能在地震作用下消減能量，達(dá)到抗震效果[4]，但是在強(qiáng)大的地震作用下，部分榫卯節(jié)點(diǎn)仍會遭到嚴(yán)重破壞。如何對傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑震后節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固與修復(fù)，成為木結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能

我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中梁柱節(jié)點(diǎn)的榫卯連接，即為柱頂預(yù)留卯口由梁端的榫頭插入，二者緊密連接，形成特殊的連接系統(tǒng)。榫卯節(jié)點(diǎn)將梁柱構(gòu)件連接到一起，形成木構(gòu)架，其中柱與枋之間利用榫卯連接緊密結(jié)合，形成了富有柔性的連接結(jié)構(gòu)，從而對地震起到了消減作用。榫卯節(jié)點(diǎn)震后常見的破壞形式有拔榫、榫頭下沉、扭曲，節(jié)點(diǎn)松動等[5-6]，這主要和榫卯節(jié)點(diǎn)的承載能力、榫頭長度、形狀和卯口深度有關(guān)[7-8]。榫卯節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要有直榫、燕尾榫、搭扣榫、饅頭榫和管腳榫等，其中直榫與燕尾榫應(yīng)用最廣，本文重點(diǎn)對這兩種節(jié)點(diǎn)性能的相關(guān)研究進(jìn)行介紹。

1.1 直榫

直榫的榫頭與卯口的形狀為長方形。直榫有長短之分，長榫頭將構(gòu)件打穿，稱為透榫。而短榫頭不穿透柱身，稱為半榫。

圖1 透榫Fig.1 Through-tenon joint

圖2 半榫Fig.2 Half-tenon joint

謝啟芳[9]等通過制作長度和形狀不同的榫頭以及不同模型比例的直榫測試，研究不同直榫節(jié)點(diǎn)的抗震性能，結(jié)果表明：直榫節(jié)點(diǎn)的破壞形式主要是榫頭拔榫、擠壓變形及卯口受損，梁和柱無明顯破壞；不論是單向直榫節(jié)點(diǎn)或者半榫透榫節(jié)點(diǎn)，其彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線均呈現(xiàn)“S”狀，而且不同木材種類對直榫的轉(zhuǎn)動剛度與承載力具有明顯影響[10]。直榫有半榫與透榫之分，有學(xué)者分別對半榫、透榫的榫卯節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行低周往復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)半榫榫卯節(jié)點(diǎn)耗能大于透榫[11-12]。直榫節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角可達(dá)1/8 rad，證明直榫榫卯節(jié)點(diǎn)有良好的變形能力[5]。榫頭和卯口之間產(chǎn)生的摩擦滑移使其具有良好的抗震性能[13]。若對透榫與半榫進(jìn)行剛度對比發(fā)現(xiàn)透榫的剛度大于半榫[14]。一般情況下榫接無法避免間隙的產(chǎn)生，從理論和試驗兩個方面對帶間隙直榫的力學(xué)性能分析研究表明：當(dāng)榫卯節(jié)點(diǎn)存在間隙時，隨著間隙尺寸的增大，榫頭力學(xué)性能逐漸下降，因此在評價榫頭力學(xué)性能時考慮間隙非常必要[15-16]。

1.2 燕尾榫

燕尾榫也可稱為“大頭榫”、銀錠榫”或“銀錠扣”。其形狀為上部寬而下部窄，內(nèi)小而外大，很像燕子的尾巴，故而通常稱為燕尾榫。在木構(gòu)架中常用于水平構(gòu)件與垂直構(gòu)件的連接。

圖3 燕尾榫Fig.3 Swallow-tailed tenon joint

徐明剛等[17]對燕尾榫進(jìn)行單個節(jié)點(diǎn)和低周往復(fù)荷載試驗，燕尾榫節(jié)點(diǎn)破壞形式為脫榫破壞，榫頭和卯口產(chǎn)生明顯的擠壓變形。其滯回曲線具有明顯的“捏縮效應(yīng)”，證明燕尾榫出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，具有半剛性的特點(diǎn)[18-21]。燕尾榫的極限轉(zhuǎn)角為0.12 rad，在達(dá)到極限轉(zhuǎn)角時，榫頭在順紋方向未達(dá)到屈服強(qiáng)度，在橫紋方向處于二次應(yīng)變硬化的階段[22]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，燕尾榫節(jié)點(diǎn)的剛度和峰值載荷會隨著榫卯面積的增加而增大[23]。對于燕尾榫不同拔榫程度，有學(xué)者采用擬靜力試驗和有限元分析相結(jié)合進(jìn)行研究，結(jié)果表明：燕尾榫節(jié)點(diǎn)的受力過程分為彈性段與強(qiáng)化段，且在拔榫程度增大時，彈性剛度與強(qiáng)化段剛度會減小[24]。

1.3 不同榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能比較研究

木結(jié)構(gòu)建筑中不同部位會采用不同的榫卯節(jié)點(diǎn)連接，研究其抗震特性，可以為木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計與建造提供理論基礎(chǔ)。

謝啟芳[9]等對抬梁和穿斗形式的木構(gòu)架建筑的典型榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，對節(jié)點(diǎn)耗能比較得出：半榫＞饅頭榫＞透榫＞瓜柱柱腳直榫。通過數(shù)值模擬針對直榫與燕尾榫節(jié)點(diǎn)的破壞特征與形式進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，直榫的榫頭比燕尾榫的更易被破壞，然而其卯口則比燕尾榫的破壞程度小[25]。周乾[26]對透榫、半榫與燕尾榫的最大轉(zhuǎn)動剛度與彎矩值進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：若是同一種榫卯節(jié)點(diǎn)，榫頭越長其承載能力越強(qiáng)；節(jié)點(diǎn)抗彎強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度均為透榫＞燕尾榫＞半榫。透榫與燕尾榫在抗震性能上具有相似之處，兩種榫卯節(jié)點(diǎn)的松動程度越大，其試件破壞程度越嚴(yán)重。耗能能力均隨著松動程度的增大而減小，榫頭的強(qiáng)度退化系數(shù)均在0.8～1.0之間[27]。李軒[28]在榫卯節(jié)點(diǎn)等效剛度對木結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究中，對不同榫卯節(jié)點(diǎn)的等效剛度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)性能，填充墻等附屬構(gòu)件可以選取合理的節(jié)點(diǎn)等效剛度與等效分析模型，對于一般性的工程建議選取半剛接型及其相應(yīng)的等效剛度。孟濤[29]等通過對帶有關(guān)鍵榫卯節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載下的有限元分析，發(fā)現(xiàn)帶有關(guān)鍵榫卯節(jié)點(diǎn)易發(fā)生破壞的位置主要是卯口邊緣和關(guān)鍵。其中所使用的關(guān)鍵是為使榫卯交接牢固而采用，用硬木做成，長度略大于柱子直徑。因此，今后在對榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固保護(hù)時，要確保對榫卯節(jié)點(diǎn)水平拔榫和榫頭的約束以及卯口間的充分轉(zhuǎn)動和摩擦，以提高節(jié)點(diǎn)的承載力，充分發(fā)揮其抗震性能。

2 榫卯節(jié)點(diǎn)加固與震后修復(fù)

木結(jié)構(gòu)建筑榫卯結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)烈的地震作用下容易導(dǎo)致變形、拔榫、折榫、節(jié)點(diǎn)破壞松動、承載力降低以及剛度變小等一系列問題，節(jié)點(diǎn)破損嚴(yán)重會導(dǎo)致建筑物較大變形甚至倒塌，因此對破損的榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固及修復(fù)顯得尤為重要。我國古代傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中常在梁柱榫卯節(jié)點(diǎn)處設(shè)置雀替，以有效提高節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動剛度，使其具有較好的抗震耗能效果。現(xiàn)代，學(xué)者們側(cè)重于利用外部構(gòu)件的形式對榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固與修復(fù)，常用的方法包括[30-33]：采用扁鋼對拔榫的位置進(jìn)行固定支撐；采用馬口鐵直接對榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定；利用碳纖維布對已破壞的榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固與修復(fù)。

2.1 扁鋼加固

姚侃等在古建木結(jié)構(gòu)榫卯連接的扁鋼加固試驗中，對Q235扁鋼加固榫卯節(jié)點(diǎn)加固前后的各個性能進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)扁鋼加固后的榫卯結(jié)構(gòu)剛度提高，榫卯連接結(jié)構(gòu)耗能轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽勘怃撉蟮乃苄宰冃魏哪?，可以阻止榫卯?jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的破壞，加固后的節(jié)點(diǎn)耗能能力降低[34]。U型扁鋼加固破壞后的殘損節(jié)點(diǎn)，在保證扁鋼有足夠的抗拉強(qiáng)度和螺釘具有足夠的抗剪強(qiáng)度的前提下，既能提高殘損節(jié)點(diǎn)的承載力，又能提高節(jié)點(diǎn)的延性[35]，扁鋼加固的方法更適合剛度明顯不足或一些強(qiáng)度較低的隱蔽的榫卯節(jié)點(diǎn)。扁鋼體積小、延性好、強(qiáng)度高，近些年被頻繁用于木結(jié)構(gòu)的震后加固。目前國內(nèi)的扁鋼加固技術(shù)手段仍然處于初級階段，有待深入研究。

2.2 馬口鐵加固

我國部分地區(qū)采用馬口鐵對古建筑的榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，以提高木構(gòu)架的抗震性能。2008年，汶川地震中，廣元市某古建筑由于采用了馬口鐵加固榫卯節(jié)點(diǎn)，其震后榫卯節(jié)點(diǎn)未受到破壞，因此震害很小[36]。在利用馬口鐵加固故宮太和殿榫卯節(jié)點(diǎn)的研究中發(fā)現(xiàn)，馬口鐵對榫卯節(jié)點(diǎn)的約束作用減小了拔榫量，可以提高構(gòu)架的側(cè)移剛度與承載力[11,37]，而且馬口鐵對榫卯節(jié)點(diǎn)的滑移有一定的抑制作用，加固后的構(gòu)架耗能能力較弱[38]?？傮w而言，利用馬口鐵加固榫卯節(jié)點(diǎn)效果較好，相關(guān)研究結(jié)果表明，馬口鐵加固榫卯節(jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)拔榫量減小，抗彎承載力提高，剛度退化不明顯，加固后的節(jié)點(diǎn)仍有較好的耗能能力和延性[39]。

2.3 碳纖維布加固

碳纖維布具有重量輕、易裁剪、可塑性大、抗拉強(qiáng)度高和耐久性好的特點(diǎn)，且在榫卯節(jié)點(diǎn)的加固過程中施工方便、簡單。

榫卯節(jié)點(diǎn)采用碳纖維布加固后，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動會受到限制，榫頭拔出量有一定程度的減少，且節(jié)點(diǎn)破壞形式主要是碳纖維布因受拉而發(fā)生脆性與剝離破壞[40]。由于木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特殊，使用碳纖維布加固后的榫卯節(jié)點(diǎn)具有較好的延性，滯回曲線形狀為“蝶形”[41]。通過對已破壞的燕尾榫進(jìn)行碳纖維布加固，發(fā)現(xiàn)加固后的燕尾榫節(jié)點(diǎn)仍然是半剛性的連接特性，但耗能減震的效果弱于原燕尾榫。分析其骨架曲線，已加固的節(jié)點(diǎn)初始剛度較大，而后衰減，且速度較慢，但強(qiáng)度低于原燕尾榫[5]。利用碳纖維布加固木構(gòu)架模型同樣也可以得到很好的減震效果，試驗結(jié)果表明：加固模型相較于未加固的模型其動力放大系數(shù)低，其木構(gòu)架榫卯節(jié)點(diǎn)的阻尼耗能能力顯著增強(qiáng)[42-43]。

2.4 不同加固修復(fù)方式比較研究

目前現(xiàn)存許多古建木結(jié)構(gòu)使用年限已久，榫卯節(jié)點(diǎn)殘損嚴(yán)重，建筑整體結(jié)構(gòu)受殘損節(jié)點(diǎn)的影響出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，通過對比不同木結(jié)構(gòu)加固方式，尋求合理有效的加固方法，為古建筑修繕加固工作提供理論依據(jù)，具有現(xiàn)實(shí)意義。

余雯雯[44]對兩個木結(jié)構(gòu)建筑的榫卯節(jié)點(diǎn)縮尺模型分別進(jìn)行碳纖維布與扁鋼加固發(fā)現(xiàn)，榫卯節(jié)點(diǎn)的承載力均得到很大提升，扁鋼加固的效果優(yōu)于碳纖維布，扁鋼加固后的榫卯節(jié)點(diǎn)承載力提高了3倍，而碳纖維布僅提高了1倍；對于節(jié)點(diǎn)剛度而言，利用扁鋼加固的節(jié)點(diǎn)剛度增加了2倍，碳纖維布則增加了1倍[23]。對馬口鐵與碳纖維布進(jìn)行分析對比，碳纖維布加固榫卯節(jié)點(diǎn)的效果要優(yōu)于馬口鐵的加固效果[45]。周乾[46]采用振動臺的試驗方法分析了不同加固方法的基頻大小與抗震性能，結(jié)論為：扁鋼加固＞碳纖維加固＞馬口鐵加固。

3 結(jié)語

國內(nèi)外學(xué)者對木結(jié)構(gòu)建筑的抗震與節(jié)點(diǎn)加固修復(fù)做了諸多開創(chuàng)性研究，并取得了重要成果，但在木結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域仍有很多問題有待深入研究，如木材自身性能退化與建筑抗震的關(guān)系、木結(jié)構(gòu)建筑榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震機(jī)理、普柏枋和雀替等構(gòu)件對抗震的貢獻(xiàn)、不同加固材料及其用量對結(jié)構(gòu)抗震效應(yīng)的影響等。同時應(yīng)不斷探索新的加固材料和加固方法，并將加固材料的耐久性問題納入研究范圍。目前對木結(jié)構(gòu)殘損節(jié)點(diǎn)加固設(shè)計理論方法還滯后于實(shí)際應(yīng)用，因此應(yīng)強(qiáng)化殘損節(jié)點(diǎn)加固修復(fù)設(shè)計理論的研究。