張 建 孫德樂(lè)

（1.南京市市政工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210061；2 中鐵橋隧技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210061）

0 前言

隨著科技水平的發(fā)展，預(yù)制構(gòu)件的加工精度與質(zhì)量顯著提高。由于勞動(dòng)力成本增加，因此裝配式橋梁得到廣泛應(yīng)用。預(yù)制裝配式橋梁是一種以預(yù)制構(gòu)件為主，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)裝配、連接而成的橋梁結(jié)構(gòu)[1]。橋梁中的大多數(shù)的構(gòu)件基本單元，可以在工廠(chǎng)中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制，構(gòu)件質(zhì)量易于控制，現(xiàn)場(chǎng)僅需要起吊、定位安裝即可，因此預(yù)制裝配式橋梁具有交通干擾量小、建設(shè)工期短、施工安全風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)。但預(yù)制裝配式橋梁因發(fā)展起步較晚等因素，也存在預(yù)制構(gòu)件連接方式單一，節(jié)點(diǎn)處質(zhì)量不宜控制等缺點(diǎn)。

鋼筋混凝土預(yù)制裝配式橋梁多采用后張法預(yù)應(yīng)力連接、鋼筋焊接或搭接，并采用濕接縫連接、灌漿套筒連接以及UHPC 連接等方式。鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配式橋梁一般采用焊接或高強(qiáng)螺栓連接[2]。節(jié)點(diǎn)連接處形狀較為單一，多采用剛性連接，不能有效分散集中應(yīng)力的效果，且施工質(zhì)量不宜控制。

榫卯結(jié)構(gòu)泛指我國(guó)古代建筑中木制構(gòu)件之間的連接方式，其通過(guò)在一個(gè)構(gòu)件上采用凸起構(gòu)造，在另一個(gè)構(gòu)件上設(shè)置凹進(jìn)部分，而使兩個(gè)構(gòu)件相互連接的一種方式[3]。榫卯結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度、韌性和變形能力，榫頭與卯眼之間的穿插在力學(xué)中相當(dāng)于鉸接點(diǎn)，可承受特定方向上的拉力和壓力。在抗震方面，外來(lái)的破壞力通過(guò)榫頭與卯口之間產(chǎn)生的受力變形和摩擦滑移進(jìn)行了消納，化解了地震動(dòng)能，從而保障結(jié)構(gòu)安全。因此，筆者對(duì)古建筑中榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探究預(yù)制裝配式橋梁的節(jié)點(diǎn)形式。

1 榫卯結(jié)構(gòu)的力學(xué)分類(lèi)

榫卯建筑中的榫卯結(jié)構(gòu)包括立柱、橫梁、順檁等主要構(gòu)件，雖然每個(gè)構(gòu)件都比較單薄，但通過(guò)榫卯結(jié)構(gòu)使各構(gòu)件之間相互結(jié)合、相互支撐，能承受較大荷載。建筑中的榫卯結(jié)構(gòu)形式多樣，受力也較為復(fù)雜，根據(jù)其不同的受力，常見(jiàn)的榫卯結(jié)構(gòu)可分為以下幾類(lèi)[4]。

2.1 主要承受壓力的榫卯結(jié)構(gòu)

在榫卯結(jié)構(gòu)中，主要承受壓力的結(jié)構(gòu)形式有夾頭榫、插肩榫以及抱肩榫等（圖1）。夾頭榫、插肩榫、抱肩榫外觀不同，但結(jié)構(gòu)差別不大。它的腿足頂端出榫，和頂面接合，上端也開(kāi)口，嵌夾牙條，腿足上端外皮削出斜肩，牙條與腿足相交處剔出槽口，當(dāng)牙條與腿足拍合時(shí)，又將腿足的斜肩嵌夾起一，形成平齊的表面，此類(lèi)結(jié)構(gòu)牙條在受重下壓時(shí)，可與腿足的斜肩咬合得更緊。

圖1 主要承受壓力的榫卯結(jié)構(gòu)圖

2.2 主要承受拉力的榫卯結(jié)構(gòu)

榫卯結(jié)構(gòu)中，主要承受拉力的結(jié)構(gòu)形式主要有十字棖連接、燕尾榫等結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 主要承受拉力的榫卯結(jié)構(gòu)圖

以燕尾榫為例，燕尾榫根部窄，端部寬，呈大頭狀，這種做法在古建筑中稱(chēng)為“乍”，燕尾榫上面大，下面小，稱(chēng)為“溜”。放乍，是為了使榫卯有拉結(jié)力；收溜是為了在下落式安裝時(shí)，愈落愈緊，以增加節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性。

2.3 主要承受拉力的榫卯結(jié)構(gòu)

在榫卯結(jié)構(gòu)中，橫豎材丁字形榫卯結(jié)構(gòu)具有承受剪力和彎矩的作用（圖3）。

圖3 丁字形結(jié)合結(jié)構(gòu)圖

丁字形榫卯在豎材上鑿出榫窩，并在外側(cè)開(kāi)出與榫頭上相等的豁口，正好與榫頭上的斜肩拍合，其不僅能夠輔助榫頭承擔(dān)部分壓力，同時(shí)還能打破開(kāi)口處平直呆板的氣氛。

3 水平構(gòu)件榫卯結(jié)構(gòu)對(duì)梁板設(shè)計(jì)的啟示

裝配式橋梁上部結(jié)構(gòu)形式主要包括板梁、T 梁、組合箱梁等。在橋梁的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，梁體之間的接縫易出現(xiàn)病害[5]。榫卯結(jié)構(gòu)中，針對(duì)板與板之間的連接問(wèn)題，常采用銀錠口、穿帶、抄手帶、裁口以及龍鳳榫等結(jié)構(gòu)形式。

3.1 銀錠口結(jié)構(gòu)

銀錠口又名銀錠榫，是兩頭大、中腰細(xì)的榫。兩板接縫處，每隔一段距離開(kāi)出與銀錠榫相同的凹槽，待板與板拼裝到位后，將銀錠榫鑲?cè)雰砂蹇p之間，可以有效防止膠膘年久失效后拼板松散開(kāi)裂（如圖4（a）所示）。

圖4 榫卯結(jié)構(gòu)中典型板連接圖

3.2 穿帶結(jié)構(gòu)

穿帶是將拼黏好的板的反面剔出燕尾槽。槽一端略寬，另一端略窄，槽深約為板厚的1/3，然后將事先做好的燕尾帶（一頭略寬、一頭略窄）打入槽內(nèi)。它可鎖合諸板不使開(kāi)裂，并有防止板面凹凸變形的作用。

3.3 龍鳳榫結(jié)構(gòu)

龍鳳榫又稱(chēng)之為企口，將木板小面居中打槽，另一塊與之結(jié)合的板面居中裁做凸榫，將兩板互相咬合。

3.4 對(duì)梁板設(shè)計(jì)的啟示

在古建筑中，板間的連接方式多采用銀錠口、穿帶和龍鳳榫等結(jié)構(gòu)，這些榫卯結(jié)構(gòu)形式，在直縫搭接的基礎(chǔ)上，加入連接件，不僅增強(qiáng)了板與板之間整體性，也減少了梁體錯(cuò)位的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也有利于減少鉸縫間病害的發(fā)生[7]。因此，在預(yù)制裝配式橋梁梁板施工時(shí)，可參照榫卯結(jié)構(gòu)在水平構(gòu)件中的應(yīng)用，將其設(shè)計(jì)成銀錠口或穿帶結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)梁體之間的橫向聯(lián)系。

4 垂直構(gòu)件榫卯結(jié)構(gòu)對(duì)墩臺(tái)設(shè)計(jì)的啟示

目前，在裝配式橋梁中，大多數(shù)都是在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)預(yù)制橋墩，然后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。橋墩與承臺(tái)之間的連接，多采用現(xiàn)場(chǎng)濕接縫連接或灌漿套筒連接等方式。在橋墩的搭接截面形式上，構(gòu)造較為單一。

古建筑中，固定垂直構(gòu)件也多采用榫卯結(jié)構(gòu)，其種類(lèi)分為無(wú)榫、管腳榫和套頂榫等（如圖5 所示）。

圖5 固定垂直構(gòu)件的榫卯結(jié)構(gòu)

4.1 管腳榫結(jié)構(gòu)

管腳榫是一種施于腿足的下部，用于固定柱腳的榫，用于各種落地柱的根部，童柱與梁架或墩斗相交處也用管腳榫它的作用是防止柱腳位移。管腳榫又分為透直榫、不透直榫（半榫）、明榫和暗榫等類(lèi)別。

管腳榫的長(zhǎng)度通常為柱徑的3/10～2/10，管腳榫截面或方或圓，榫的端部適當(dāng)收溜（即頭部略?。?，榫的外端要倒楞，以便安裝。

4.2 套頂榫結(jié)構(gòu)

套頂榫式管腳榫的一種特殊形式，其長(zhǎng)度與寸徑都遠(yuǎn)超過(guò)管腳榫，并穿透柱頂石，直接落腳于基礎(chǔ)上的長(zhǎng)榫，套頂榫的長(zhǎng)度通常是柱子外漏部分的1/3～1/5。在古建筑中，套頂榫多用于室外長(zhǎng)廊的柱子，也常用于地勢(shì)高、受風(fēng)荷載較大的建筑物，其能夠有效地抵抗水平荷載的作用。

4.3 對(duì)墩臺(tái)設(shè)計(jì)的啟示

在古建筑中，垂直結(jié)構(gòu)的連接形式主要是在基礎(chǔ)上面開(kāi)出凹槽，在柱子上留有管腳榫或套頂榫，并根據(jù)水平荷載的大小，確定榫腳的長(zhǎng)度。這兩個(gè)榫卯結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)預(yù)制較為簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，并可在透眼或海眼中添加灌漿料等特種材料，以達(dá)到增加橋墩與承臺(tái)的連接力效果。

5 插肩榫結(jié)構(gòu)對(duì)橋墩與蓋梁間設(shè)計(jì)的啟示

橋墩與蓋梁之間的連接是橋梁下部結(jié)構(gòu)中連接的薄弱之處，在裝配式橋梁設(shè)計(jì)中，將其設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，以減少連接位置的風(fēng)險(xiǎn)（如圖6 所示）。隨著裝配式橋梁的推廣，越來(lái)越多的大型橋梁也開(kāi)始進(jìn)行裝配式施工。受現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地和起重設(shè)備的限制，橋墩與蓋梁分別預(yù)制并現(xiàn)場(chǎng)拼裝，已成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[8]。

圖6 插肩榫材料方向

5.1 插肩榫受力分析

根據(jù)前文中榫卯結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，在柱與蓋梁之間可采用夾頭榫或插肩榫式結(jié)構(gòu)，可參照夾頭榫或插肩榫結(jié)構(gòu)。楊建福[4]利用有限元分析軟件，對(duì)插肩榫受力條件下進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)部件兩端施加滑動(dòng)約束，頂端面施加合力后，分析插肩榫各部位受力情況。

根據(jù)有限元模擬結(jié)果可知（如圖7 所示），在荷載作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置均在兩部件拐角和榫頭處，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，因此可以通過(guò)選擇抗壓材料較強(qiáng)的材料、合理布置榫頭截面尺寸，以提高榫頭位置的穩(wěn)定性[6]。

圖7 插肩榫結(jié)構(gòu)受力圖

5.2 對(duì)橋墩與蓋梁之間連接設(shè)計(jì)的啟示

通過(guò)上文中插肩榫的受力分析，可知其在承受壓力時(shí)，有較好的穩(wěn)定性，且安裝較為方便。因此，在預(yù)制裝配式橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)蓋梁與柱之間的設(shè)計(jì)，可參照參照插肩榫結(jié)構(gòu)樣式進(jìn)行分解，不僅可以提高現(xiàn)場(chǎng)拼裝的效率，還可以提高節(jié)點(diǎn)處的連接質(zhì)量[9]。

6 結(jié)論

榫卯工藝是一項(xiàng)兼?zhèn)湮幕瘜傩院涂茖W(xué)理性的工藝[10]?？此破胀ǖ耐獗?，卻蘊(yùn)含著不為現(xiàn)代人所知的深刻含義和復(fù)雜構(gòu)造，榫卯結(jié)構(gòu)是中國(guó)古代建筑中典型的結(jié)構(gòu)形式，其施工工藝與當(dāng)前裝配式橋梁結(jié)構(gòu)有很多相似之處。文章通過(guò)對(duì)古建筑中榫卯結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合當(dāng)前預(yù)制裝配式橋梁的設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了針對(duì)梁板、墩臺(tái)以及橋墩與蓋梁間的節(jié)點(diǎn)連接，以期達(dá)到對(duì)裝配式橋梁設(shè)計(jì)人員有所啟示。當(dāng)代BIM 技術(shù)等信息化的橋梁設(shè)計(jì)軟件，在為工程設(shè)計(jì)提供變革的同時(shí)，也為榫卯技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的應(yīng)用環(huán)境。