第一作者 謝啟芳 男，博士，副教授，1978年生

殘損古建筑木結(jié)構(gòu)燕尾榫節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

謝啟芳1,2，杜彬1，李雙1，向偉1，鄭培君1

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安710055；2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640)

摘要：殘損是現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)的普遍狀況，顯著地降低了結(jié)構(gòu)的抗震性能。為研究殘損對燕尾榫節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，參照宋《營造法式》殿堂三等材的尺寸要求，制作了3個(gè)比例為1∶3.2的燕尾榫節(jié)點(diǎn)模型，包括1個(gè)完好節(jié)點(diǎn)、1個(gè)模擬榫頭真菌腐朽的殘損節(jié)點(diǎn)和1個(gè)模擬榫頭蟲蛀的殘損節(jié)點(diǎn)。榫頭真菌腐朽和榫頭蟲蛀分別采用在榫頭表面鉆一定深度的孔和在榫頭鉆通孔的方法來模擬。通過低周反復(fù)加載試驗(yàn)對殘損節(jié)點(diǎn)的破壞特征、彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線、骨架曲線和耗能性能進(jìn)行了研究，分析了殘損燕尾榫節(jié)點(diǎn)抗震性能的退化規(guī)律。結(jié)果表明：殘損燕尾榫節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)與完好節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)類似，主要表現(xiàn)為榫頭和卯口有明顯的擠壓變形、榫頭沿枋縱向部分拔出，枋柱整體完好，但殘損節(jié)點(diǎn)的榫頭拔出更早、拔出量更大，模擬蟲蛀節(jié)點(diǎn)有榫角被擠碎；殘損燕尾榫節(jié)點(diǎn)的滯回曲線也有明顯的“捏縮”效應(yīng)，但滯回環(huán)飽滿度較差；殘損節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均明顯低于完好節(jié)點(diǎn)，但耗能能力基本不變化；當(dāng)兩種不同殘損類型的殘損程度相近時(shí)，人工模擬真菌腐朽節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩更高、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度更大。

關(guān)鍵詞：古建筑木結(jié)構(gòu)；燕尾榫節(jié)點(diǎn)；殘損；人工模擬；低周反復(fù)荷載試驗(yàn)；抗震性能

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)

收稿日期：2013-12-30修改稿收到日期：2014-04-10

中圖分類號:TU366.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Tests for aseismic behaviors of damaged dovetail mortise-tenon joints of ancient timber buildings

XIEQi-fang1,2,DUBin1,LIShuang1,XIANGWei1,ZHENGPei-jun1(1. School of Civil Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China；2. State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract:Damage is a common state for existing ancient wood structures, it reduces their aseismic performance dramatically. In order to investigate the influence of damage on the aseismic performance of dovetail mortise-tenon joints, 3 mortise-tenon joints with a 1∶3.2 scale including 1 intact joint, 1 joint artificially degraded by fungi and 1 joint artificially degraded by termites were made according to the fabrication methods of Song dynasty. Several holes with a certain depth were drilled uniformly on the entire surface of the tenon to simulate fungi damage, while several holes were drilled through cross section on the entire tenon to simulate the damage by termites. The aseismic behaviors, such as, failure characteristics, hysteretic curve, skeleton curve, degeneration of stiffness and energy dissipation, were studied comparatively with low-cyclic reversal loading tests. The results showed that the failure patterns of damaged joints are similar to those of the intact joint, they are mainly squeeze deformation of mortise and tenon, and partial evulsion of the tenon, the beams and columns are intact; moreover, for the damaged joints, the evulsion of the tenon is earlier and bigger, and some tenons of the man-made termites damage joint are crushed partly in the corner; the hysteretic curves of damaged joints have obvious “gathering effect”, but the curves are not very full; the bending-bearing capacity, and stiffness of damaged joints are significantly less than those of the intact one，while their energy dissipation ability has no change basically; when damage levels are similar, the final bending-bearing capacity and stiffness of the man-made fungi damage joint are bigger than those of the man-made termites damage joints, but their energy dissipation capacity is almost the same.

Key words: ancient timber structure; dovetail mortise-tenon joint; damage; artificial simulation; low-cyclic reversal loading test; aseismic behavior

我國古建筑以木結(jié)構(gòu)為主，現(xiàn)存代表性的有木結(jié)構(gòu)古建筑群-故宮、高層木結(jié)構(gòu)塔式建筑-佛宮寺釋迦塔(應(yīng)縣木塔)、寧波保國寺大殿、薊縣獨(dú)樂寺觀音閣等。

我國古建筑木結(jié)構(gòu)的構(gòu)件間通常采用榫卯連接，無需一釘一鐵，這是我國古建筑木結(jié)構(gòu)的主要特色之一[1]。古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的類型很豐富，有燕尾榫、直榫、饅頭榫、管腳榫等，但以燕尾榫居多，也最具代表性。榫卯節(jié)點(diǎn)剛?cè)嵯酀?jì)，可以承受一定的荷載，具有良好的彈性和較好的抵消水平推力的作用[2]。此外，榫卯節(jié)點(diǎn)還允許產(chǎn)生一定的變形，吸收部分地震能量，減少結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，是確保古建筑木結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能的關(guān)鍵構(gòu)造，但同時(shí)也是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的主要部位。因此，掌握榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能對古建筑木結(jié)構(gòu)的抗震評估和保護(hù)具有重要作用。

近年來國內(nèi)外一些學(xué)者已對古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了部分研究。俞茂宏[3]在西安箭樓木結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能計(jì)算分析中，首次將古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯連接簡化為三維變剛性節(jié)點(diǎn)單元，對節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。高大峰等[4]通過木構(gòu)架模型的擬靜力試驗(yàn)研究，分析探討了榫卯節(jié)點(diǎn)工作機(jī)理，確定了榫卯節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，提出了該類型結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的計(jì)算模型。姚侃等[5]通過對燕尾榫連接木構(gòu)架模型的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究了燕尾榫節(jié)點(diǎn)的半剛性連接特性，并擬合出了燕尾榫節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型。淳慶等[6]對中國南方傳統(tǒng)木構(gòu)建筑典型榫卯節(jié)點(diǎn)(燕尾榫、饅頭榫等)的抗震性能進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究，得到了各類榫卯節(jié)點(diǎn)在水平荷載作用下的破壞模式、滯回曲線及轉(zhuǎn)角剛度等性能。Bulleit等[7]對各種設(shè)有暗銷的榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致研究的基礎(chǔ)上，提出了節(jié)點(diǎn)和這類木結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。Seo等[8]對一組韓國木結(jié)構(gòu)榫卯連接木構(gòu)架進(jìn)行了靜力和反復(fù)加載試驗(yàn)，研究了其在水平荷載作用下的非線性和塑性變形特征。Chang[9]對臺灣傳統(tǒng)穿斗式連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)性能進(jìn)行了研究，得到了穿斗式連接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與轉(zhuǎn)角的關(guān)系。

可以看出，上述研究大部分以完好的節(jié)點(diǎn)或結(jié)構(gòu)為研究對象，然而古建筑木結(jié)構(gòu)歷經(jīng)幾百年甚至上千年后，由于所受環(huán)境因素、物理作用和化學(xué)反應(yīng)等外部因素的影響，很容易發(fā)生老化(如腐朽、蟲蛀、開裂等)，從而引起木材材性的劣化，導(dǎo)致其抗震性能有不同程度的降低，因而對殘損狀況下的節(jié)點(diǎn)或結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行研究更符合實(shí)際情況。King等[10]通過人工模擬透榫榫卯節(jié)點(diǎn)常見的3種殘損狀態(tài)，對比分析了殘損和完好透榫節(jié)點(diǎn)的抗震性能退化規(guī)律, 結(jié)果表明半剛性榫卯節(jié)點(diǎn)經(jīng)人工老化處理后，其抗彎剛度有明顯下降。

但是上述人工模擬殘損榫卯節(jié)點(diǎn)的研究僅限于透榫節(jié)點(diǎn)，并沒有對古建筑木結(jié)構(gòu)中更具代表性的燕尾榫節(jié)點(diǎn)展開研究?；诖耍瑸檠芯繗垞p對燕尾榫節(jié)點(diǎn)的抗震性能的影響，參照宋《營造法式》[11]殿堂三等材的尺寸要求，人工模擬了古建筑木結(jié)構(gòu)中最常見的兩種殘損類型：真菌腐朽和蟲蛀，通過低周反復(fù)加載試驗(yàn)對殘損節(jié)點(diǎn)的破壞特征、彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線、骨架曲線和耗能性能進(jìn)行了研究，并分析了殘損燕尾榫節(jié)點(diǎn)抗震性能的退化規(guī)律，以期為殘損古建筑木結(jié)構(gòu)的抗震性能評估提供參考。

1試件設(shè)計(jì)與制作

參照宋《營造法式》殿堂三等材的尺度要求(由于《營造法式》沒有對饅頭榫的尺寸做具體規(guī)定，其尺寸參照清工部《工程做法則例》[12]的相關(guān)規(guī)定來選取)，制作了3個(gè)比例為1∶3.2(考慮到三等材原型的1份等于1.6 cm，采用該比例可使大部分尺寸為整數(shù)且模型大小適中)的獨(dú)立燕尾榫節(jié)點(diǎn)模型，包括1個(gè)完好節(jié)點(diǎn)(DS-J1)、1個(gè)模擬榫頭真菌腐朽的殘損節(jié)點(diǎn)(DS-J2)、1個(gè)模擬榫頭蟲蛀的殘損節(jié)點(diǎn)(DS-J3)，各試件均有柱端局部普柏枋和模擬櫨斗構(gòu)造(局部普柏枋是為了施加豎向荷載而設(shè)置的，以免剛性千斤頂直接加在柱頂)，并將櫨斗造型予以簡化，僅考慮其傳力作用。試件原型尺寸和模型尺寸見表1，試件詳細(xì)尺寸見圖1，組裝后的整體節(jié)點(diǎn)模型見圖2。各試件模型均由古建師傅手工制作而成。

表1　 試件原始尺寸與模型尺寸

注：①宋三等材1份等于16 mm。

②柱長和枋長根據(jù)加載方便來確定，未按照法式尺寸選取。

③饅頭榫長和榫根邊長取柱徑的3/10，榫端邊長取柱徑的1/5。

圖1　試件詳細(xì)尺寸 Fig.1 Sketch of the model

圖2　組裝后的整體 節(jié)點(diǎn)模型示意圖 Fig.2 Sketch of complete joint after assembly

榫頭真菌腐朽和榫頭蟲蛀分別采用在榫頭表面鉆一定深度孔和在榫頭鉆通孔的方法來模擬。① 通過在榫頭均勻鉆取直徑為3 mm，深為5 mm的小洞來模擬榫頭的腐朽。② 通過在榫頭上鉆取直徑為5 mm的貫穿小洞來模擬榫頭蟲蛀。試驗(yàn)以小洞的體積占原榫頭體積的比例來衡量殘損的程度。試件殘損狀況見表2，殘損模型示意圖(見圖3)。

表2　試件殘損狀況

圖3　殘損模型示意圖 Fig.3 Sketch of damaged model

本次試驗(yàn)所用木材為落葉松，天然干燥期半年。試驗(yàn)時(shí)測得含水率為14.3%，所測力學(xué)性能見表3。

表3　木材力學(xué)性能

2加載方案及量測方案

2.1加載設(shè)備

(1) 為了消除P-Δ效應(yīng)對節(jié)點(diǎn)受力性能試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)時(shí)將柱水平放置，采用枋端加載的方式來模擬受力過程(見圖4)。

(2) 將柱兩端固定并用鋼梁壓住，通過水平千斤頂在柱端模擬施加恒定豎向荷載，水平低周反復(fù)荷載由MTS電液伺服系統(tǒng)施加。

圖4　試驗(yàn)加載裝置示意圖 Fig.4 Loading scheme

2.2加載制度

(1) 將燕尾榫節(jié)點(diǎn)模型就位并固定后，對柱端施加豎向荷載至預(yù)定值，各個(gè)試件需施加的豎向荷載大小為13.5 kN。(豎向荷載根據(jù)單個(gè)柱所承受的質(zhì)量來確定。)

(2) 保持豎向荷載不變，對枋端逐級施加水平荷載。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO-16670[13]，水平荷載采用變幅值位移控制的方式加載，加載曲線的控制位移為單向加載試驗(yàn)所確定的極限位移(荷載下降至極限荷載的80%或者試件出現(xiàn)嚴(yán)重破壞時(shí)的位移，本次取極限位移為50 mm)，先采用峰值位移為控制位移的1.25%、2.5%、5%、10%三角形波依次進(jìn)行一次循環(huán)，再采用峰值位移為控制位移的20%、40%、60%、80%、100%、120%三角形波依次進(jìn)行三個(gè)循環(huán)后終止試驗(yàn)(見圖5)。

圖5　加載制度 Fig.5 Loading program

2.3量測方案

試件的豎向荷載通過水平千斤頂施加，所有數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集。為測得榫頭拔出量，在枋靠近節(jié)點(diǎn)處左右兩側(cè)共布置2個(gè)±5 cm量程的位移計(jì)。為測得枋柱節(jié)點(diǎn)的水平相對位移，在枋上端距節(jié)點(diǎn)根部500 mm處布置1個(gè)±15 cm量程位移計(jì)。具體布置情況見圖4。

文中敘述時(shí)按圖4所示向右推時(shí)為正向，即榫頭根部右側(cè)與柱邊緣擠壓時(shí)為正向、榫頭根部左側(cè)與普拍枋擠壓時(shí)為反向。

3試驗(yàn)過程及現(xiàn)象描述

通過3個(gè)燕尾榫節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在加載過程中具有如下特點(diǎn)：

(1) 殘損節(jié)點(diǎn)DS-J2、DS-J3的破壞形態(tài)與完好節(jié)點(diǎn)DS-J1的破壞形態(tài)類似，具體過程表現(xiàn)為：在加載初期，由于控制位移較小，節(jié)點(diǎn)區(qū)域變化不明顯。隨著控制位移的增大和荷載循環(huán)數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)逐漸發(fā)出富有節(jié)奏的“吱吱”聲，榫頭和卯口開始出現(xiàn)少許的擠壓變形，榫頭沿枋縱向部分逐漸拔出(見圖6(a))。由于燕尾榫節(jié)點(diǎn)的特殊構(gòu)造，其可以承受拉壓兩個(gè)方向的力。正向受推時(shí)，卯口根部逐漸被擠緊，柱端榫頭逐漸被拔出，拔出量隨著轉(zhuǎn)角的增大而增加；反向受拉時(shí)，榫頭拔出方向相反。隨著榫卯節(jié)點(diǎn)擠壓變形加劇，榫卯間的咬合愈來愈松動(dòng)，榫卯節(jié)點(diǎn)呈拔出和局部閉合交叉循環(huán)的態(tài)勢。在加載后期，當(dāng)恢復(fù)到平衡位置時(shí)，枋整體會(huì)突然下落，發(fā)出“砰”聲，這是卯口在不斷的摩擦和擠壓作用下逐漸擴(kuò)大的結(jié)果。當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角達(dá)0.12 rad時(shí)，轉(zhuǎn)角已遠(yuǎn)超過限值，停止加載。

加載結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)破壞均發(fā)生在榫卯連接區(qū)，主要表現(xiàn)為榫頭繞卯口轉(zhuǎn)動(dòng)且不斷被拔出，榫頭和卯口有明顯擠壓變形，枋和柱均沒出現(xiàn)明顯破壞。

(2) 殘損節(jié)點(diǎn)DS-J2在加載過程中，除了有榫卯?dāng)D壓發(fā)出的“吱吱”聲外，節(jié)點(diǎn)處還不時(shí)有木材纖維斷裂聲傳出，同時(shí)還有少量碎木屑從榫卯間縫隙擠出(見圖6(b))。此外，相對于完好節(jié)點(diǎn)，其榫頭拔出較早，拔出量也較大，且榫頭的擠壓變形也更明顯。加載結(jié)束時(shí)，DS-J2的最大拔榫量為14.7 mm，而完好節(jié)點(diǎn)的榫頭最大拔出量為12.3 mm見圖6(c)。

(3) 相對于試件DS-J1、DS-J2，殘損節(jié)點(diǎn)DS-J3榫頭拔出更早、拔出量更大，且從節(jié)點(diǎn)處發(fā)出的木材纖維斷裂聲更頻繁、更響亮。此外，從卯口擠出的碎木屑更多，一方面是因?yàn)樨灤┛锥磧?nèi)的木屑滯留量相對DS-J2更多，另一方面是因?yàn)樨灤┛锥撮g被分割的木頭有可能被擠出。加載結(jié)束后，將榫卯節(jié)點(diǎn)的枋和柱分離后可以發(fā)現(xiàn)，榫頭擠壓變形更顯著，部分榫角被擠碎，在普柏枋與模擬櫨斗接觸面也有明顯的擠壓變形(見圖6(d)、圖6(e)、圖6(f))。

圖6　部分試件破壞情況 Fig.6 Failure patterns of specimens

4試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1滯回曲線

滯回曲線是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下力與非彈性變形間的關(guān)系曲線，是抗震性能的一個(gè)綜合體現(xiàn)。一般來說，滯回環(huán)面積越大，抗震性能越好。本試驗(yàn)得到了各燕尾榫節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線(彎矩由水平荷載與其至柱上表面距離相乘得到，轉(zhuǎn)角由枋水平位移與距柱上表面距離相除得到)(見圖7)，可看出如下特點(diǎn)：

(1) 曲線均有明顯的“捏縮”效應(yīng)，總體呈反“Z”型，這表明榫卯節(jié)點(diǎn)在受力過程中發(fā)生一定的滑移，且滑移量隨轉(zhuǎn)角的增加而增大。

(2) 加載初期，滯回曲線基本重合，滯回環(huán)較小，說明節(jié)點(diǎn)基本處在彈性階段，殘余變形較小。從滯回環(huán)面積上看，隨著轉(zhuǎn)角的增大及荷載循環(huán)次數(shù)的增多，滯回環(huán)面積不斷增大，說明其耗能越來越多；從曲線斜率來看，在豎向荷載的擠壓作用下，榫卯節(jié)點(diǎn)擠壓緊密，曲線在開始階段就有一定的斜率，反映了榫卯節(jié)點(diǎn)具有一定的初始剛度，一開始就可以承擔(dān)荷載。隨著轉(zhuǎn)角的增大，曲線變陡，斜率增大，說明榫卯之間咬合程度越來越大。卸載后，節(jié)點(diǎn)基本可以自行恢復(fù)到平衡位置，表現(xiàn)出一定的彈性特征。反向受拉時(shí)，曲線斜率先增大，當(dāng)達(dá)到控制位移附近時(shí)，曲線逐漸變緩并趨于水平，表明試件在轉(zhuǎn)角增大過程中出現(xiàn)的拔榫和擠壓變形使節(jié)點(diǎn)剛度出現(xiàn)明顯的退化現(xiàn)象。此外，當(dāng)幅值位移增加一級時(shí)，滯回曲線第一循環(huán)的上升段將沿前一幅值位移的后兩個(gè)循環(huán)曲線的上升段發(fā)展，這是由于控制位移變化時(shí)，其擠壓變形前后一致。

(3) 與完好節(jié)點(diǎn)DS-J1相比，殘損節(jié)點(diǎn)DS-J2的滯回曲線更不規(guī)則，正反兩個(gè)方向差異較大，且節(jié)點(diǎn)的滑移量更大，這主要因?yàn)殚绢^表面的小孔使其擠壓變形相對增大，從而導(dǎo)致榫卯節(jié)點(diǎn)擠緊的過程變長。正向受推時(shí)，滯回環(huán)發(fā)展緩慢，飽滿度較差，節(jié)點(diǎn)耗能較少；反向受拉時(shí)，滯回環(huán)面積擴(kuò)展較快，飽滿度好，塑性變形很大，節(jié)點(diǎn)耗能較多。導(dǎo)致正反向差異的主要原因可能是在榫頭人工開孔的方式及孔的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的受力性能發(fā)生一定的改變。

(4) 與殘損節(jié)點(diǎn)DS-J2相比，殘損節(jié)點(diǎn)DS-J3的滯回環(huán)飽滿度更差，在同一控制位移作用下，滯回環(huán)包括的面積更小，說明其耗能較少。正向受推時(shí)，滯回環(huán)呈狹長平行四邊形狀，曲線斜率變化不大，表現(xiàn)出一定的彈性特征；反向受拉時(shí)，隨著控制位移的不斷增大，曲線斜率逐漸減小，且滯回環(huán)由于不斷收縮而變得狹長，峰值點(diǎn)下降顯著，說明在榫頭鉆通孔對節(jié)點(diǎn)受力性能的削弱程度更大。

圖7　節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線 Fig.7 Moment-rotation hysteretic curves of specimens

4.2骨架曲線

骨架曲線能夠反映節(jié)點(diǎn)的極限承載力和變形能力，各試件的骨架曲線(見圖8)：

(1) 由于燕尾榫節(jié)點(diǎn)的特殊構(gòu)造，骨架曲線正反方向明顯不對稱，存在顯著差異。

(2) 在加載初期，試件正向受推時(shí)，曲線即有一定的斜率，說明節(jié)點(diǎn)在豎向荷載的作用下擠壓緊密，一開始就可以承擔(dān)荷載；隨著轉(zhuǎn)角的增大，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩不斷增大，當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到0.1rad附近時(shí)，曲線出現(xiàn)明顯的下降段，表明節(jié)點(diǎn)經(jīng)過擠壓變形和拔榫后達(dá)到極限狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩開始降低。反向受拉時(shí)，曲線的變化趨勢與正向相似，但曲線下降段出現(xiàn)的更早，加載結(jié)束后荷載降低的更多，這是由于反向轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩低于正向，節(jié)點(diǎn)在相同的控制位移作用下破壞的更早。

(3) 比較完好節(jié)點(diǎn)與殘損節(jié)點(diǎn)的骨架曲線后可以發(fā)現(xiàn)，完好節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩不僅高于殘損節(jié)點(diǎn)，而且增長得更快。正向受推時(shí)，試件DS-J1的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩增長均勻，而試件DS-J2和試件DS-J3曲線均有一定的波動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩仍不斷提高，這說明雖然人工鉆孔對榫頭的內(nèi)部造成一定損傷，但整體性良好。相對于完好節(jié)點(diǎn)DS-J1，DS-J2的正向轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩下降了13.3%，試件DS-J3的正向轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩降低了15.6%。反向受拉時(shí)，試件DS-J2的最大轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩與完好節(jié)點(diǎn)相當(dāng)，而試件DS-J3的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩相對與試件DS-J1降低了6.5%，這主要與榫頭被局部擠碎而喪失整體性有關(guān)。對比殘損節(jié)點(diǎn)DS-J2、DS-J3的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩可以看出，試件DS-J3的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩下降的更多，這說明當(dāng)殘損程度相近時(shí)，貫通鉆孔對節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩的影響更大，即人工模擬蟲蛀對節(jié)點(diǎn)的損傷更嚴(yán)重。

4.3剛度退化

在水平荷載作用下，剛度隨循環(huán)周數(shù)和控制位移的增大而減小的現(xiàn)象稱為剛度退化。節(jié)點(diǎn)的正反向剛度(圖7中滯回曲線的峰值點(diǎn)對坐標(biāo)原點(diǎn)的斜率)退化曲線(見圖9)，從圖9可知：

(1) 各節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均隨轉(zhuǎn)角的增大而減小，正反向均有明顯的剛度退化現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大，當(dāng)轉(zhuǎn)角小于0.01 rad時(shí)，曲線下降較快，隨后曲線逐漸變緩并趨于水平。

(2) 對比分析各節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度退化曲線后可以發(fā)現(xiàn)，殘損燕尾榫節(jié)點(diǎn)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均小于完好節(jié)點(diǎn)，且殘損節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度退化速度更快，退化幅度也更大。通過計(jì)算對比分析，試件DS-J2正反向平均轉(zhuǎn)動(dòng)剛度比完好節(jié)點(diǎn)下降了22%，試件DS-J3比完好節(jié)點(diǎn)降低了27%。相對于人工模擬真菌腐朽的殘損節(jié)點(diǎn)，人工模擬蟲蛀節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度更小，退化幅度更大，這同樣是由于蟲蛀節(jié)點(diǎn)損傷的更嚴(yán)重，這也可以從殘損節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩下降規(guī)律得到佐證。

4.4耗能能力

構(gòu)件的耗能能力通常用等效黏滯阻尼系數(shù)he來衡量，he越大，耗能能力越強(qiáng)。圖10為各節(jié)點(diǎn)不同控制位移下第一循環(huán)的he，可以看出：

(1) 節(jié)點(diǎn)的耗能能力有隨著轉(zhuǎn)角的增大而不斷增大的趨勢，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的擠壓摩擦作用隨轉(zhuǎn)角的增大而不斷增強(qiáng)，而榫卯節(jié)點(diǎn)間的擠壓摩擦是其耗能的主要方式。

圖8 節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角骨架曲線Fig.8Moment-rotationskeletoncurvesofspecimens圖9 節(jié)點(diǎn)剛度-轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.9Rigidity-rotationrelationshipsofspecimens圖10 試件等效粘滯阻尼系數(shù)-轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.10Viscousdampingratio-rotationrelationships

(2) 殘損節(jié)點(diǎn)的整體耗能能力明顯低于完好節(jié)點(diǎn)。殘損節(jié)點(diǎn)DS-J2與殘損節(jié)點(diǎn)DS-J3的耗能能力沒有明確的大小關(guān)系，通過計(jì)算后可得試件DS-J2的平均he為0.098，試件DS-J3的平均he為0.090，說明人工模擬真菌腐朽節(jié)點(diǎn)的耗能能力與人工模擬蟲蛀節(jié)點(diǎn)相差不大。

4.5變形能力

延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在破壞以前承受后期非彈性變形的能力，是評價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一。由于木結(jié)構(gòu)沒有明顯的屈服概念，試驗(yàn)過程中也沒測到節(jié)點(diǎn)的極限承載力，所以本文用骨架曲線定性地描述殘損燕尾榫節(jié)點(diǎn)的變形能力。雖然殘損試件達(dá)到最大轉(zhuǎn)角0.12 rad時(shí)，節(jié)點(diǎn)處沒出現(xiàn)較明顯的破壞，整體性能良好，但從圖8可知，其骨架曲線波動(dòng)較大，達(dá)到最大承載力之前沒有明顯的平緩段，且曲線下降突然，這都說明殘損燕尾榫節(jié)點(diǎn)的變形能力一般。

5結(jié)論

通過對1個(gè)完好和2個(gè)人工模擬殘損燕尾榫節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)及結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 殘損燕尾榫節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)同完好節(jié)點(diǎn)相似，主要表現(xiàn)為榫頭和卯口有明顯的擠壓變形，榫頭沿枋縱向部分拔出，枋柱整體完好；殘損節(jié)點(diǎn)在加載過程中還不時(shí)有木材纖維斷裂聲傳出，其榫頭拔出更早、拔出量也更大，而且模擬蟲蛀節(jié)點(diǎn)還有部分榫角被擠碎的現(xiàn)象發(fā)生。

(2) 殘損節(jié)點(diǎn)與完好節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均有明顯的“捏縮”效應(yīng)，整體呈反“Z”型，但殘損節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)飽滿度更差。

(3) 殘損節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度明顯低于完好節(jié)點(diǎn)，當(dāng)殘損程度約為17%時(shí)，正向轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩降低約13%，反向轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩變化不明顯。殘損節(jié)點(diǎn)正反向平均轉(zhuǎn)動(dòng)剛度約降低20%。

(4) 隨著轉(zhuǎn)角增大，燕尾榫節(jié)點(diǎn)耗能能力逐漸增強(qiáng)，且殘損節(jié)點(diǎn)的耗能能力明顯低于完好節(jié)點(diǎn)。當(dāng)殘損程度相近時(shí)，人工模擬真菌腐朽節(jié)點(diǎn)比人工模擬蟲蛀節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩更大。殘損燕尾榫節(jié)點(diǎn)的變形能力一般。

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