宋明燁 趙慶雙

(聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252000)

0 引 言

木結(jié)構(gòu)作為我國的傳統(tǒng)建筑形式，一直延續(xù)使用了數(shù)千年，已經(jīng)成為一種相當成熟的建筑結(jié)構(gòu)形式。榫卯連接是我國古建筑木結(jié)構(gòu)的特色，木結(jié)構(gòu)各構(gòu)件節(jié)點之間采用榫卯連接時無需一鐵一釘，榫卯連接不屬于剛性連接，因此在發(fā)生地震作用時，榫卯節(jié)點之間會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動和滑移以一定的變形來吸收一部分震能，也正是因為這個特點，木結(jié)構(gòu)建筑具有比較好的抗震性能。同時榫卯節(jié)點也是整個木結(jié)構(gòu)中最容易受到破壞的部位，在受到周圍環(huán)境侵蝕或人為破壞甚至地震等自然災害的破壞后，節(jié)點會發(fā)生拔榫或榫頭折斷，嚴重時可能會導致整個建筑的失效。目前國內(nèi)外不少學者對榫卯節(jié)點的抗震性能展開研究，因結(jié)構(gòu)形式和連接部位的差別，榫卯節(jié)點有很多類型，其中對燕尾榫和直榫節(jié)點抗震性能的研究較為普遍。本文在介紹榫卯節(jié)點破壞形式的基礎(chǔ)上，對學者們在殘損榫卯節(jié)點抗震性能及加固方式方面的研究方法和成果進行綜述，并提出筆者的看法。

1 榫卯節(jié)點破壞形式

1.1 拔榫

榫卯節(jié)點屬于半剛性連接，在受到風、地震等外力作用時，榫頭和卯口之間會發(fā)生滑移和轉(zhuǎn)動，時間一長，榫頭和卯口之間就會出現(xiàn)間隙，即發(fā)生拔榫。較小程度的拔榫可以通過變形吸收一部分能量，具有一定的耗能能力，但拔榫量較大形成脫榫，就可能會導致整個建筑破壞。

1.2 榫頭變形

榫頭變形包括榫頭下沉和榫頭歪閃。榫頭和卯口發(fā)生相對運動時，榫頭受到擠壓，榫頭尺寸壓縮，形成下沉問題，導致榫頭和卯口之間產(chǎn)生一定的間隔，外力作用時，就容易發(fā)生拔榫。在水平外力作用下，榫頭和卯口之間發(fā)生錯動和扭轉(zhuǎn)，一般發(fā)生榫頭歪閃時，榫頭很有可能已經(jīng)開裂。

1.3 榫頭槽朽

在潮濕環(huán)境下，提供了木腐菌侵蝕木材的條件，是木材的特性之一。榫頭槽朽后剛度退化嚴重，在受力發(fā)生相對運動時，榫頭受力截面容易折減，節(jié)點的連接性減弱。

2 殘損榫卯節(jié)點抗震性能研究

2.1 試驗研究

模擬試驗是研究榫卯節(jié)點抗震性能的常用手段，將研究對象制作成小比例模型，采用人工手段模擬榫卯節(jié)點已出現(xiàn)的損壞形式，通過試驗分別獲得殘損和完好榫卯節(jié)點的滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線，通過與完好節(jié)點各類曲線的對比，研究已出現(xiàn)殘損榫卯節(jié)點的剛度、承載力、耗能能力等抗震指標的變化。

2.1.1 擬靜力試驗研究

擬靜力試驗是通過施加靜力荷載，測試殘損榫卯節(jié)點的承載能力和變形性能。靜力試驗可以直接測量節(jié)點的變形和位移，評估加固效果。

謝啟芳等[1]為了研究直榫節(jié)點的抗震性能是否受殘損類型的影響，制作了7個1∶4.8的直榫節(jié)點縮尺模型，通過鉆孔來模擬蟲蛀和真菌腐朽（見圖1所示），然后進行低周反復荷載加載實驗（見圖2所示），得到結(jié)論：榫卯節(jié)點破壞主要是發(fā)生了拔榫和接觸面的擠壓變形。滯回曲線捏攏效應明顯。殘損節(jié)點的轉(zhuǎn)動彎矩、剛度和耗能能力明顯低于完好節(jié)點，不過受損構(gòu)件仍具有良好的延性。

圖1 人工模擬蟲蛀

圖2 加載裝置示意圖

薛建陽等[2]為研究松動程度不同的透榫節(jié)點的抗震性能，保持卯口的尺寸不變，人工縮減榫頭的大小，水平低周往復加載，試驗發(fā)現(xiàn)不同松動程度的節(jié)點剛度和極限彎矩均小于完好節(jié)點，節(jié)點的耗能能力與松動程度成反比。

謝啟芳等[3]為研究不同殘損形式對燕尾榫抗震性能的影響，通過三個獨立節(jié)點模型（一個完好，一個模擬真菌腐朽，一個模擬蟲蛀），進行低周反復加載試驗，結(jié)果表明完好節(jié)點的轉(zhuǎn)動彎矩和轉(zhuǎn)動剛度均高于殘損節(jié)點，其中蟲蛀節(jié)點的轉(zhuǎn)動彎矩下降更明顯，但殘損節(jié)點的耗能能力更強。

2.1.2 振動臺研究

振動臺研究旨在研究殘損榫卯節(jié)點在地震荷載作用下的抗震性能，通過振動臺試驗模擬地震作用，獲取榫卯節(jié)點的位移響應、加速度響應和應變響應等參數(shù)，以評估其在地震災害中的抗震可靠性。

魯志雄等[4]將包含直榫節(jié)點的單間木結(jié)構(gòu)模型，加載白噪聲和地震波，試驗過程中改變設(shè)防地震加速度值，觀察模型在平臺上的扭擺幅度和榫卯節(jié)點的拔榫運動，發(fā)現(xiàn)在9度地震烈度下，結(jié)構(gòu)仍然屹立不倒，各工況下，柱頂位移反應峰值遠大于柱底位移，說明拔榫和插榫對削減結(jié)構(gòu)整體位移響應顯著，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移也隨著地震強度增大，榫卯節(jié)點動力放大系數(shù)是通過榫頭和卯口的擠壓摩擦來體現(xiàn)，反應節(jié)點的耗能能力，試驗發(fā)現(xiàn)榫卯節(jié)點耗能能力隨著地震強度增強而增大。

以上學者都是通過人工手段來模擬自然環(huán)境對不同類型的榫卯節(jié)點的損壞，但通過人工模擬能夠驗證的破壞類型太少，大部分試驗都是圍繞松動和腐朽來進行，對于其他破壞類型的研究樣本太少，如拔榫和榫頭變形，這些很難通過離散少量的樣本來驗證理論猜想。

2.2 有限元模擬研究

因為槽朽受環(huán)境溫度、濕度等的影響，很難進行人工模擬試驗，唐家進[5]通過有限元軟件ABAQUS建立直榫單向節(jié)點模型，進行低周往復荷載，滯回曲線呈“S”形，出現(xiàn)了明顯的捏攏效應，說明單向直榫節(jié)點榫頭與卯口之間出現(xiàn)明顯滑移，與前人試驗結(jié)論對比分析，驗證了有限元模型的有效性。

謝啟芳等[6]通過ABAQUS有限元軟件建立完好和拔榫程度不同直榫節(jié)點模型，通過有限元分析得到各榫卯節(jié)點的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線及等效粘滯阻尼系數(shù)，通過各類曲線的對比分析，隨著拔榫量的增加，直榫節(jié)點的耗能能力有所增強，但節(jié)點的承載力、變形能力和轉(zhuǎn)動剛度都有明顯的退化，與已有試驗結(jié)果相同，證明拔榫狀態(tài)下的直榫節(jié)點抗震性能顯著降低。

康昆等[7]為了研究有無縫隙對燕尾榫節(jié)點抗震性能的影響，通過有限元軟件建立兩個一榀柱架模型，在不同豎向荷載作用下，施加低周往復荷載，比較有無縫隙燕尾榫在不同豎向荷載下的滯回曲線，有縫隙滯回環(huán)的面積遠小于無縫隙節(jié)點面積，這也說明有縫隙節(jié)點的耗能能力較差，抗震性低于無縫隙節(jié)點，通過滯回曲線、構(gòu)造骨架曲線，發(fā)現(xiàn)有縫隙燕尾榫節(jié)點剛度明顯低于無縫隙節(jié)點，數(shù)值模擬的結(jié)果與理想結(jié)果吻合。

朱傳偉等[8]為了研究能夠有效提高榫卯節(jié)點抗震性能的有效方式，對提前制作的直透榫節(jié)點模型開展靜力試驗，研究直透榫節(jié)點的抗震性能，發(fā)現(xiàn)滯回曲線捏攏效應明顯，說明在加載過程中榫頭和卯口之間產(chǎn)生了相對滑移，通過材性試驗獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計多階屈曲耗能支撐，建立榫卯節(jié)點模型，通過ABAQUS有限元軟件進行低周反復加載試驗模擬，比較加固前后滯回曲線和骨架曲線，發(fā)現(xiàn)加固后節(jié)點的承載力、抗拔榫力和耗能能力都有明顯提升，說明經(jīng)多階屈曲耗能增強后的榫卯節(jié)點抗震性能有所改善。

3 榫卯節(jié)點不同加固方式研究

3.1 金屬加固

周乾等[9]將包含燕尾榫節(jié)點的木結(jié)構(gòu)空間框架模型，以有無鋼構(gòu)件加固作為控制變量，進行低周反復加載試驗，試驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)鋼構(gòu)件加固后，節(jié)點滯回曲線面積更飽滿，說明節(jié)點耗能能力增強，加固后節(jié)點抗彎剛度和承載力也有明顯提升，且加固節(jié)點仍具有良好的變形能力。鋼構(gòu)件加載裝置見圖3、圖4所示。

圖3 鋼構(gòu)件加載裝置結(jié)構(gòu)

圖4 鋼構(gòu)件加載裝置現(xiàn)場圖

薛建陽等[10]采用角鋼對半榫節(jié)點進行加固，通過加載試驗與未加固節(jié)點對比，結(jié)果表明角鋼加固節(jié)點的剛度、承載力都有明顯提升，且仍具有較好的延性。

孫兆洋等[11]以單向直榫節(jié)點為研究對象，在構(gòu)件表面人工鉆取不同深度和不同直徑的孔洞來模擬榫卯節(jié)點不同程度的損壞，節(jié)點采用內(nèi)嵌鋼板-自攻螺釘加固，進行低周反復荷載試驗，試驗發(fā)現(xiàn)加固后的節(jié)點滯回曲線更飽滿，加固殘損節(jié)點的承載能力甚至超過完好節(jié)點。通過等效粘滯阻尼系數(shù)發(fā)現(xiàn)，加固殘損節(jié)點的耗能能力低于未加固節(jié)點。不過加固后的榫卯節(jié)點強度和剛度有顯著提高。

金屬加固法是一種用于提高榫卯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的方法，這種方法通過在榫卯節(jié)點處使用金屬加固件，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形能力，如鋼板-自攻螺釘加固（見圖5所示）。金屬加固件可以是金屬棒、金屬板或其他金屬材料，取決于榫卯節(jié)點的設(shè)計和需求。金屬加固會對木結(jié)構(gòu)造成一定程度不可逆的二次損傷，對結(jié)構(gòu)以后的更換和維修都有所不便，而且由于缺乏有效的改善和加固措施，榫卯節(jié)點容易被拔榫。

圖5 鋼板-自攻螺釘加固示意圖

3.2 碳纖維布加固

周乾等[12-13]為研究經(jīng)CFRP（碳纖維增強復合材料）加固后榫卯節(jié)點抗震性能的變化，通過振動臺對燕尾榫節(jié)點模型輸入不同頻率的地震波，得到經(jīng)碳纖維布加固前后節(jié)點的動力放大系數(shù)和加速度響應特征，結(jié)果表明，加固后構(gòu)架位移和加速度響應更小，小震時未加固節(jié)點耗能能力較強，地震波強度較大時，加固后節(jié)點的耗能抗震能力要優(yōu)于未加固節(jié)點。

孫文等[14]將三種透榫木構(gòu)架用三種不同碳纖維布進行加固，將三種加固構(gòu)架和未加固構(gòu)架進行低周反復加載試驗，結(jié)果表明加固后節(jié)點承載力和構(gòu)架剛度都得到了明顯提升，其中CFRP雙層分離布效果最優(yōu)，并且加固后仍具有不錯的耗能能力。

薛建陽等[15]為研究經(jīng)CFRP加固后節(jié)點的破壞特性、耗能能力和動力特性，將殘損的燕尾榫節(jié)點模型用碳纖維布進行加固，輸入不同的地震波通過振動臺傳遞給模型，試驗發(fā)現(xiàn)在三種不同地震波的激勵下，動力放大系數(shù)呈相同的下降趨勢（見圖6所示），證明加固后的節(jié)點仍然具有良好的耗能能力。

圖6 加固模型動力放大系數(shù)

碳纖維布加固技術(shù)可以有效地提高榫卯節(jié)點的結(jié)構(gòu)安全性，特別是對于那些需要美觀且殘損程度不大的節(jié)點，CFRP布破壞主要發(fā)生在梁柱相交處，在地震作用下，豎向碳纖維布和橫向碳纖維布環(huán)箍交匯處易受力剪斷。經(jīng)碳纖維布加固后的節(jié)點主要因承載力不足發(fā)生破壞，提高節(jié)點承載力是今后研究殘損節(jié)點加固的關(guān)鍵。

3.3 不同加固方式對比

謝啟芳等[16]將制作好的3個燕尾榫模型（兩個完好模型，一個未完全加固模擬受損），通過水平低周反復荷載試驗研究未加固構(gòu)架、碳纖維加固構(gòu)架和扁鋼加固構(gòu)架的抗震性能。試驗發(fā)現(xiàn)加固后構(gòu)架的滯回曲線更飽滿，滯回環(huán)面積更大，表明加固構(gòu)架消耗地震的能力提高。通過骨架曲線發(fā)現(xiàn)經(jīng)扁鋼和碳纖維加固后的構(gòu)架剛度和強度也到了明顯提高，其中扁鋼加固構(gòu)架剛度最大。通過等效粘滯阻尼系數(shù)發(fā)現(xiàn)未加固構(gòu)架的耗能能力反而更好，而扁鋼加固構(gòu)架耗能能力最差。

許清風等[17]為研究榫卯節(jié)點在不同加固方式下抗震性能的變化，將4個足尺透榫節(jié)點試件經(jīng)過竹斜撐、角鋼以及CFRP布三種加固技術(shù)處理，進行低周反復荷載試驗，試驗發(fā)現(xiàn)，竹斜撐加固效果最為優(yōu)越，操作也更為容易；加固后的節(jié)點承載力和延性都有所提高，此外，角鋼與CFRP布加固在增強榫卯節(jié)點剛度及減少能量消耗上也有明顯的效果，但節(jié)點延性都存在不同程度的下降[18]。然而，雖然它們各自具備特殊的優(yōu)勢，但在實際應用中仍存在著某些局限。

4 問題分析及建議

4.1 問題分析

（1） 在殘損榫卯節(jié)點的抗震性能測試 ，大多數(shù)模型都是用不同種類的木材制作的，這就導致了測試結(jié)果的差異性。即使是用同一種木材制作的模型，測試結(jié)果也可能存在一定的誤差。

（2） 在對古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點的抗震性能進行數(shù)值模擬時，由于木材具有各向異性，而且經(jīng)歷了數(shù)百年的自然環(huán)境侵蝕和人為破壞，使得木材的本構(gòu)關(guān)系受到了嚴重的影響，從而導致模擬結(jié)果與實際可能會存在較大的偏差[19-20]。

4.2 研究建議

（1）雖然古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點的殘損情況普遍存在，但是目前還沒有進行充分的實驗研究來準確地評估它們的抗震性能。由于木材的各向異性，實驗結(jié)果可能會受到一定程度的影響，因此，建議今后應該增加試驗樣本的數(shù)量，以減少實驗結(jié)果的偏差。

（2）目前榫卯節(jié)點加固的方法大多是傳統(tǒng)的，這些方式并不能很好地達到古建筑修舊如舊的要求，因此，建議今后應該引入更先進的材料來加固榫卯節(jié)點，以達到修舊如舊的目的。

（3）經(jīng)過對古建筑榫卯節(jié)點不同殘損類型的評估，對已經(jīng)受損的節(jié)點能夠及時發(fā)現(xiàn)并準確修復，從而可以達到防患于未然的目的。

5 結(jié)束語

經(jīng)過多年的努力，國際社會已經(jīng)開展了關(guān)于殘缺榫卯結(jié)構(gòu)的抗震性能和加固技術(shù)的深入探索，并取得了豐碩的結(jié)論。實踐證實，隨著殘缺部位的增多，榫卯節(jié)點的耐久性和耐用性都會受到影響，從而導致其耗能和減振效率較之正常結(jié)構(gòu)顯著降低。經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)，各種加固方案對榫卯節(jié)點的耗能能力都有所改善， 然而，這些改善仍然受到“修舊如舊”要求的制約。因此，我們需要進行進一步地探索，以期找到最佳的加固方案，并開發(fā)出適用的新型加固材料與技術(shù)，以期為中國的傳統(tǒng)古代建筑物的安全與完整做好準備。