劉芳蓮　陶忠　劉濤　張聯(lián)霞

摘要： 為研究不同松動對大頭榫節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，按云南“一口印”傳統(tǒng)穿斗式木構(gòu)架做法，選用杉木由作了3個(gè)大頭榫節(jié)點(diǎn)模型，大頭榫節(jié)點(diǎn)松動采用削減榫頭寬度的方法來模擬。通過低周期的往復(fù)載荷試驗(yàn)，研究了3個(gè)大頭榫卯節(jié)點(diǎn)的損傷形態(tài)，彎矩轉(zhuǎn)角滯回曲線，骨架曲線，剛度退化規(guī)律和能量耗散能力。

Abstract： In order to study the effect of different loosening on the seismic performance of the bulkhead joints， according to the practice of "one seal" traditional wear bucket wooden frame， the Chinese fir was made up of three big head and tenon joint model， and the big tenon joints were used to reduce the tenon width simulation. The damage morphology， bending moment hysteresis curve， skeleton curve， stiffness degradation law and energy dissipation capacity of three bulkhead joints were studied by low cycle reciprocating load test.

關(guān)鍵詞： 大頭榫節(jié)點(diǎn)；低周往復(fù)荷載試驗(yàn)；抗震性能

Key words： large joint；low-cycle reciprocating load test；seismic performance

中圖分類號：TU366.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0110-04

0 引言

榫卯節(jié)點(diǎn)是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的一大特色，在地震中榫頭與卯口的相對運(yùn)動能消耗地震能量。

近年來，高永林[1]等將榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，研究了摩擦效應(yīng)對節(jié)點(diǎn)耗能能力的影響。陸偉東[2]等將破損的直榫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，驗(yàn)證了不同材料加固后直榫節(jié)點(diǎn)抗震性能。Chang等[3]研究穿斗木構(gòu)架榫卯節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動能力。

以上學(xué)者研究主要為節(jié)點(diǎn)摩擦機(jī)理、加固和轉(zhuǎn)動性能缺乏節(jié)點(diǎn)在榫頭與卯口不同擠壓程度情況下抗震性能的研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型設(shè)計(jì)與制作

按照云南“一口印”穿斗木構(gòu)架做法[4]，選用杉木作了3個(gè)大頭榫節(jié)點(diǎn)模型， 表 1為節(jié)點(diǎn)模型尺寸，圖1為節(jié)點(diǎn)具體構(gòu)造圖。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和裝置

試驗(yàn)采用電液伺服作動器進(jìn)行反復(fù)荷載加載，規(guī)定作動器向下推為正，向上拉為負(fù)。將兩個(gè)鋼制圓形套筒分別安裝在柱頭和柱腳，用于固定柱子，柱腳套筒底板焊接于鋼梁上。圖2為加載簡圖，圖 3為加載現(xiàn)場圖。

1.3 加載方案

豎向恒定軸向荷載N為10kN，施加到柱頂。加載裝置中心與木柱邊緣相距500mm。加載位移時(shí)間圖如圖4所示。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方案

試驗(yàn)中通過位移計(jì)和應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)從而計(jì)算的量有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角、節(jié)點(diǎn)彎矩、榫頭拔出量。圖5為應(yīng)變片布置示意圖。

2 模型試驗(yàn)

限于篇幅，現(xiàn)將3個(gè)模型加載試驗(yàn)現(xiàn)象描述如下：加載位移較小時(shí)，榫頭拔出量極小，接近于零。3個(gè)模型加載過程中均有木纖維斷裂現(xiàn)象，其中寬松模型在加載位移為50mm，適中模型30mm，緊密模型20mm時(shí)木纖維斷裂，發(fā)出吱吱聲。3個(gè)模型均在加載中卯口有劈裂破壞，緊密模型卯口最先破壞，寬松模型最晚破壞。加載結(jié)束榫頭無法回位，寬松、適中、緊密模型拔榫量分別為25mm，20mm，20mm。加載結(jié)束，梁、柱除節(jié)點(diǎn)處以外均未破壞。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 M-θ滯回曲線

M-θ滯回曲線可以通過滯回環(huán)面積表示節(jié)點(diǎn)耗能能力，它是節(jié)點(diǎn)抗震性能最直觀的體現(xiàn)。圖6為三個(gè)節(jié)點(diǎn)的滯回曲線圖。

3個(gè)節(jié)點(diǎn)滯回環(huán)整體形狀為反Z形，曲線中間有明顯的捏縮效應(yīng)。滯回環(huán)均隨加載位移逐漸增大。第1圈滯回曲線的面積稍大于第2、3圈面積。加載位移較小時(shí)，曲線上升緩慢，加載繼續(xù)進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)曲線迅速上升；加載模型卸載時(shí)，曲線下降速率逐漸增大。3個(gè)節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均未出現(xiàn)彎矩跌落現(xiàn)象，與模型加載過程中3個(gè)節(jié)點(diǎn)模型榫頭均未出現(xiàn)斷裂有關(guān)。3個(gè)節(jié)點(diǎn)模型中，寬松節(jié)點(diǎn)模型榫頭與卯口空隙較大，故加載初期滑移量最大。

3.2 M-θ骨架曲線

將M-θ曲線當(dāng)中所有荷載最大的點(diǎn)連接即可得到M-θ骨架曲線[5]。圖7中加載位移較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)滑移階段。加載繼續(xù)，緊密節(jié)點(diǎn)模型最早進(jìn)入彈性階段，寬松節(jié)點(diǎn)模型最后。加載位移越來越大，節(jié)點(diǎn)模型均發(fā)生破壞。寬松節(jié)點(diǎn)模型體現(xiàn)的承載力最低，且節(jié)點(diǎn)剛度小于適中和緊密模型節(jié)點(diǎn)。緊密節(jié)點(diǎn)模型曲線下降速率和彎矩極限值均最大，加載方向?yàn)樨?fù)時(shí)更明顯。

3.3 剛度退化曲線

試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)剛度隨每級加載位移循環(huán)次數(shù)增加和控制位移的增大逐漸下降。這種剛度下降的現(xiàn)象被稱為剛度退化。在本次模型剛度采用割線剛度K表示 。模型割線剛度按（1）和（2）計(jì)算，其中（1）針對正向加載，結(jié)果為Ki，（2）針對負(fù)向加載，結(jié)果為ki。

其中：Mi取第i級，第一次循環(huán)彎矩極限值；mi取第i級，第一次循環(huán)負(fù)向彎矩極限值；？專i彎矩為Mi時(shí)轉(zhuǎn)角值；？茲i取彎矩為mi時(shí)的轉(zhuǎn)角值。

圖8即為3個(gè)節(jié)點(diǎn)模型剛度退化曲線圖，3個(gè)節(jié)點(diǎn)模型的剛度數(shù)值和退化曲線斜率有巨大差別。正向加載時(shí)初始剛度只為負(fù)向加載時(shí)的初始剛度的1/10。整個(gè)負(fù)向加載過程中剛度退化迅速，3個(gè)節(jié)點(diǎn)模型中緊密模型退化最快，寬松模型最慢，適中模型居中。當(dāng)轉(zhuǎn)角大于0.18rad以后剛度退化不再明顯。endprint

3.4 耗能性能

本試驗(yàn)中3個(gè)節(jié)點(diǎn)模型的耗能性能以等效黏滯阻尼系數(shù)he來代表。he數(shù)值大小與節(jié)點(diǎn)模型耗能能力成正比。按（3）計(jì)算。

式中：SAFBE為滯回環(huán)面積（圖 9陰影部分）；S？駐CEO+S？駐DFO為？駐CEO和？駐DFO面積之和。

由圖10可見模型轉(zhuǎn)角值小于0.16rad時(shí)，模型耗能能力均逐漸降低。且寬松模型小于適中模型小于緊密模型。榫頭與卯口互相移動且相互擠壓摩擦是消耗能量的最主要方式，故緊密模型在加載初期就擠緊，具有更大的耗能能力。當(dāng)轉(zhuǎn)角大于0.16rad時(shí)，模型耗能能力迅速增大。節(jié)點(diǎn)he均在0.16以上，最大值為0.425，可見模型均具有良好的耗能能力。

3.5 榫頭拔榫量分析

模型均出現(xiàn)榫頭拔出且隨著拔出量越來越大難以復(fù)位的情況。拔榫量按照梁中線相對卯口外側(cè)邊緣相對位移定義。計(jì)算式為（4），圖11、12為拔榫量計(jì)算示意圖，模型轉(zhuǎn)角與榫頭拔出量關(guān)系圖。

其中：？啄t、？啄b取值為拉線式位移計(jì)D2、D3所測數(shù)據(jù)。

模型的轉(zhuǎn)角均小于0.16rad時(shí)，榫頭拔出量與加載位移的大小成正比，與轉(zhuǎn)角大小成正比?？刂莆灰七_(dá)100mm時(shí)，寬松節(jié)點(diǎn)模型卯口由于發(fā)生劈裂破壞，故拔榫量迅速增加，加載結(jié)束時(shí)榫頭拔出量為27mm。模型由于榫頭對卯口擠壓較大，當(dāng)加載控制位移達(dá)90mm時(shí)，卯口劈裂程度增加，榫頭拔出量為52mm。適中模型加載過程中卯口劈裂破壞不嚴(yán)重，拔榫量數(shù)值增加緩慢。

4 結(jié)論

大頭榫節(jié)點(diǎn)破壞形式主要為榫頭拔榫和卯口劈裂、及榫頸處橫紋壓屈。

大頭榫模型滯回環(huán)負(fù)向加載模型承載力更大，且負(fù)向加載時(shí)剛度為正向加載10倍。

大頭榫模型極限轉(zhuǎn)角均大于0.11rad，表現(xiàn)出良好的變形能力。He在0.16到0.42，減震消能性能良好。

大頭榫模型榫頭與卯口接觸越緊密則越早進(jìn)入塑性，但剛度、拔榫量、極限承載力和節(jié)點(diǎn)變形能力下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]高永林，陶忠，葉燎原，等.傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)典型榫卯節(jié)點(diǎn)基于摩擦機(jī)理特性的低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2015， 36（10）：139-145.

[2]陸偉東，鄧大利.木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能及其加固試驗(yàn)研[J].地震工程與工程振動，2012，32（3）：109-116.

[3]Chang W S. Research on rotational performance of traditional Chuan-Dou timber joints in Taiwan[D]. Tainan： Chen Kung University，2006： 13-17.

[4]楊立峰.匠作·匠場·手風(fēng)——滇南“一顆印”民居大木匠作調(diào)查研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2005.

[5]徐明剛.中國古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[D].東南大學(xué)，2011.endprint