劉姝均

一、榫卯節(jié)點耗能減震原理

耗能減震結構是在小震作用下，耗能構件主要提供的剛度或者摩擦阻尼，基本位于彈性階段，可使結構始終滿足正常使用狀態(tài)要求；在中震與大震作用下，構件耗能裝置會產生諸多阻尼，輸入到結構中的能量會消耗一部分，使結構動力響應減小，但不會使主體結構發(fā)生明顯變形，由此確保結構安全可靠。減震原理可從能量角度分析，在地震作用下任意時段能量可表示為：

式中，Ein代表的是地震期間減震結構體系總能量；Ee代表的是減震結構彈性應變能；Ek代表的是減震結構體系動能；Ec代表的是粘滯阻尼耗能；Eh代表的是結構體系滯回耗能；Ed代表的是吸收耗散能量。在上述方程中，Ee與Ek僅為能量轉換，不會出現(xiàn)能量消耗。在摩擦減震結構中，耗能減震器先進入耗能狀態(tài)，此時主體結構尚未處于非彈性狀態(tài)，耗能構件的耗能作用得到充分發(fā)揮，大多數(shù)能量得以耗散，對結構自身所需耗散能量會有所降低，結構響應減少，使主體結構避免受到損壞。在該結構中，以耗能構建產生阻尼耗散地震輸入的部分能量的方式，達到減震目標。

在節(jié)點減震方面，古建筑結構中柱、額枋均利用榫卯連接，而榫卯連接是在剛接與鉸接間，具有半剛性特點，不但可抵抗一定彎矩，還可發(fā)生較大轉動變形，該結構不但可承受特定水平作用，還可增加水平位移。因受到半剛性影響，使節(jié)點在水平荷載作用下受到剪力、軸力、彎矩等綜合作用，榫頭側面因與卯口之間相互擠壓出現(xiàn)一定變形，并產生與節(jié)點方向背離的摩擦力，榫頭上下表面與側面則會產生局部壓應力。在節(jié)點發(fā)生變形后，榫頭與卯口均呈現(xiàn)局部受壓態(tài)勢，木材順紋方向只有局部受壓，壓力少于完全受壓，使節(jié)點擁有一定的耗能減震能力，可通過榫頭與卯口間的摩擦，使節(jié)點具備耗能減震性能。

二、古建筑榫卯節(jié)點減震性能分析

1.測點布置

古建筑中結構多為豎向分層，且允許構件之間存在相對滑移。在正式開展試驗前，針對各構件初始處進行準確測量，安裝12枚磁電拾震器。在闌額兩側、加固節(jié)點鋼片與柱體根部位置安裝應變片，對模型相應位置的內力與變形情況進行測試。量測方案為利用位移計測量榫卯拔出量與柱側移情況；利用傾角儀測量柱額相對轉角；利用7V08數(shù)據(jù)采集儀器對數(shù)據(jù)進行采集；利用電阻應變片對柱、額、CFRP布與扁鋼應變情況進行測量。

2.加載方式

分級交替輸入模擬地震E1 Centro波與Taft波，對模型動力響應情況進行測試，并在臺面中陸續(xù)輸入地震波加速度峰值。加固前地震激勵峰值加速度分別為0.058g、0.106g、0.206g、0.302g、0.417g、0.594g、0.876g；加固后分別為0.062g、0.104g、0.204g、0.320g、0.397g、0.537g、0.795g。在本次研究中，針對模型加固前后各項動力參數(shù)、內力變化情況進行測試。在加載方案中，利用水平自由滑動千斤頂施加恒定豎向荷載；為避免構架朝著平面外側位移，在梁兩側布設側向支撐；采用變幅值位移控制加載，每級位移幅值循環(huán)三次。

3.試驗結果

（1）節(jié)點未加固結果

將模擬地震E1 Centro波與Taft波依次輸入，當輸入加速度級別不斷增加時，模型振動幅度也隨之增加，且產生“吱吱”聲，榫卯縫隙擠緊；在輸入地震波0.4g后，結構出現(xiàn)輕微的扭動，尤其是柱根位置扭動最為顯著，但節(jié)點尚未受到損壞；當輸入地震波超過0.5g后，榫卯閉合幅度不斷增加，斗拱與普拍枋之間出現(xiàn)相對滑移，后者滑移為130mm。臺面輸入地震激勵超過0.9g后，模型開始分層側移擺動，混凝土配種板擺動減小，柱架在額坊水平位置來回擺動，可見與梁架接觸位置拱與斗之間存在轉動與起落，將榫拔出后卯閉合，整體強度與穩(wěn)定性良好。在輸入1.20g后，結構出現(xiàn)十分明顯的“嘎吱”聲響，此時榫卯已經完全拔出，反復試驗后，模型順著激勵方向榫卯脫離，整體模型倒塌。

（2）節(jié)點加固結果

根據(jù)靜力試驗結果可知，扁鋼適用于破損程度較大的節(jié)點加固，將受損模型按照原本位置組裝起來，將設計好的加固方案對榫卯周圍扁鋼進行加固，再重新逐級輸入地震激勵，用于對比古建筑中結構加固前后的抗震性。在輸入激勵為0.05g時，結構朝著同一方向微顫；在輸入激勵值在0.1～0.2g之間時，柱根已經逐漸滑移，且方向不盡相同；在輸入激勵為0.40g時，普拍枋與斗拱間滑移陸續(xù)顯現(xiàn)出來，模型擺動更加顯著。在普拍枋與櫨斗底部出現(xiàn)個別結構脫離情況，但節(jié)點榫卯未脫離出來，這意味著節(jié)點包箍扁鋼具有約束作用；在激勵值為0.50g時，與柱頭扁鋼相鄰位置的扁鋼出現(xiàn)部分屈服，在臨近節(jié)點固定處的扁鋼已被拔出，節(jié)點與鋼箍位移方向并不一致；當激勵為0.80g時，節(jié)點鋼片出現(xiàn)明顯的細碎裂紋，且扁鋼屈曲、起鼓，這意味著隨著變形的增加，扁鋼已經超出屈服強度，處于塑性階段。根據(jù)試驗全過程可知，梁端與柱頭應力應變值均較低，與材料強度極限相比較低，結構構件在整體試驗中均為彈性階段。

（3）動力放大系數(shù)特性

①激勵值與斗拱層關系。頂面動力系數(shù)為頂面峰值與柱頭加速度比值，可將激勵值與斗拱層間的關系體現(xiàn)出來。在地震影響下，斗拱如同彈球一般循環(huán)擺動，加上斗拱與普拍枋間有一定的摩擦滑移，可消耗諸多地震能。與放大系數(shù)變化趨勢相比，未加固模型放大系數(shù)降低變化規(guī)律與加固后規(guī)律相同，這意味著扁鋼加固處理后也具備良好的減震效果。但因結構處于極限狀態(tài)，其動力放大系數(shù)逐漸提升，未固定模型放大值與加固系數(shù)基本相同，說明加固方式科學可行。一般情況下，節(jié)點加固動力值普遍超過加固之前，意味著加固后剛度有所提升，且在未加固模型倒塌后，柱頂與表面動力系數(shù)與以往相比有所提高，意味著在結構承載力消失時，其自身減震性能也隨之降低。

②激勵值與放大系數(shù)關系。從整體來看，動力放大系數(shù)為頂面與激勵值的比值，可將激勵值與整體減震間的關系體現(xiàn)出來。當激勵降低時，不同層面放大系數(shù)相對較大，且減震作用無法充分發(fā)揮出來。在激勵值增加時，不同層面放大系數(shù)逐漸降低，且降低速度不斷加快，減震效果更加顯著。但未加固模型結構在激勵值處于1.2g時，其不同層面動力系數(shù)與以往相比均有所提升?？梢姡趯嶋H活動中榫卯拔出長度較大，結構隨時可能坍塌。根據(jù)計算結果將加固與未加固模型中不同層面放大系數(shù)變化趨勢進行分析。在激勵較小情況下，柱根與臺面加速度時程曲線基本重合，這意味著此時二者處于同步運動狀態(tài)，振動臺面、摩擦力與柱根一同運動。與摩擦試驗結果相同，即沖破最大靜摩擦力之前，摩擦力值均由上方結構運動趨勢所決定；當激勵不斷增加后，不同階段的放大特性也不盡相同。

③激勵值與減震性能關系。在模擬地震E1 Centro波與Taft波影響下，沒有加固的模型柱頭放大系數(shù)與加固后放大系數(shù)均小于1，并且隨著級別的增加而減小，這說明榫卯節(jié)點具有減震性，該模型的地震響應衰減也較為顯著。木柱自身的彎曲變形能力較弱，側移柔度主要借助榫卯張角變形柔度來實現(xiàn)，張角變形使諸多振動能量被消耗，主要從柱頭加速度逐漸降低而體現(xiàn)，這意味著榫卯耗能性更加顯著，擁有較強的減震能力。

三、結語

綜上所述，通過對榫卯連接木構架抗震性能進行試驗可知，隨著位移增加各構架剛度逐漸減小，但減小幅度較小；扁鋼加固可提高節(jié)點強度與剛度，但會受地震影響更大。對此，應在節(jié)點加固后探尋剛度與強度間的變化規(guī)律，合理選擇扁鋼合適用量；針對剛度或者強度顯著不足，且位置較為隱蔽的榫卯節(jié)點可利用扁鋼加固。根據(jù)試驗結果可知，節(jié)點榫卯加固方案科學可行，可使古建筑結構更加穩(wěn)定可靠。