陸偉東 吳偉強 施程凱 劉杏杏

摘 要：針對木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點抗震加固和性能提升的需求，提出采用內(nèi)嵌卯口耗能器增強榫卯節(jié)點性能的技術(shù)，并制作了包括未增強、單層增強及雙層增強的5組縮尺榫卯節(jié)點模型。通過開展抗震性能試驗研究，對不同厚度、層數(shù)的卯口耗能器增強榫卯節(jié)點與未增強榫卯節(jié)點的抗震性能進行對比，分析了不同參數(shù)的卯口耗能器對榫卯節(jié)點抗震性能指標的影響。結(jié)果表明：內(nèi)嵌卯口耗能器具有雙向耗能、多點屈服、可設(shè)計性強等特點，可大幅提升榫卯節(jié)點的抗震性能，有效抑制節(jié)點的拔榫現(xiàn)象;耗能器增強節(jié)點相較于未增強節(jié)點，承載力有小幅提升，耗能能力有大幅提升，而初始剛度有50倍以上的大幅提升;耗能器的鋼板厚度和層數(shù)是影響榫卯節(jié)點抗震性能的主要因素，且厚度對于耗能器加固榫卯節(jié)點力學性能的影響最大;與單層耗能器相比，雙層耗能器對榫卯節(jié)點的加固性能更加卓越。

關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu);內(nèi)嵌卯口耗能器;榫卯節(jié)點;抗震性能

中圖分類號：TU366.2 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）02-0030-08

基金項目：國家自然科學基金（51678298）

作者簡介：陸偉東（1970- ），男，教授，博士生導師，主要從事木結(jié)構(gòu)研究，E-mail：wdlu@njtech.edu.cn.

Abstract： In response to the needs of seismic reinforcement and performance improvement of the mortise-tenon joints in wood structure buildings， this paper proposed the use of embedded dampers to enhance the performance of the mortise-tenon joints and made five groups of scaled mortise-tenon joint models including unreinforced， single-layer reinforced and double-layer reinforced embedded dampers. Through the test research of seismic performance， the seismic performance of the mortise-tenon joints with different thickness and number of layers was compared with that of the joints without reinforcement， and the seismic performance of embedded dampers with different parameters on the joints of mortise-tenon were analyzed. The results show that the embedded dampers have the characteristics of two-way energy dissipation， multi-point yielding and strong designability， which can greatly improve the seismic performance of the mortise-tenon joints and effectively suppress the tenon pulling phenomenon of joints; compared with the unreinforced joint， the embedded dampers-enhanced joints has a small increase in bearing capacity， the energy consumption capacity has been greatly improved and the initial stiffness has been greatly improved by more than 50 times; the steel plate thickness and the number of layers of the embedded dampers are the main factors affecting the seismic performance of the mortise-tenon joints， and the thickness has the greatest impact on the mechanical properties of the mortise-tenon joints strengthened by the embedded dampers; the double-layer embedded dampers is more effective than the single-layer energy dissipater.

Keywords：wood structure; embedded dampers; mortise-tenon joint; seismic performance.

近年來，傳統(tǒng)樣式木結(jié)構(gòu)建筑在歷史文化街區(qū)和民俗風貌區(qū)中被廣泛應(yīng)用，且多用于商業(yè)、展覽和餐飲等公共建筑中。這類新建的傳統(tǒng)樣式木結(jié)構(gòu)建筑需要滿足現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計理念及結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求，對傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)性能也提出了更高的要求[1]。榫卯節(jié)點的力學性能作為影響傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素，為了滿足更高的結(jié)構(gòu)性能需求，需要對其開展抗震性能增強的相關(guān)研究。

學者們對榫卯節(jié)點的受力性能及增強措施已經(jīng)進行了大量研究，謝啟芳等[2]分別對用碳纖維布（CFRP）和扁鋼加固后的平面木構(gòu)架進行了水平反復(fù)荷載作用下的實驗研究，發(fā)現(xiàn)扁鋼適用于加固強度或剛度明顯不足且較隱蔽的榫卯節(jié)點;碳纖維布對榫卯節(jié)點強度和剛度的性能提高作用不明顯，適用于加固破損程度較小的榫卯節(jié)點。薛建陽等[3-4]對殘損的榫卯節(jié)點分別采用角鋼和碳纖維布進行加固試驗，提出了扁鋼加固古建筑木結(jié)構(gòu)殘損節(jié)點的抗彎承載力計算公式，發(fā)現(xiàn)碳纖維布加固的榫卯節(jié)點具有良好的耗能減震能力。閆維明等[5-6]發(fā)現(xiàn)馬口鐵和CFRP均可提高構(gòu)架的剛度和承載力，且加固后的構(gòu)架仍有很好的變形性能，但耗能能力不如加固前;CFRP加固榫卯節(jié)點的效果優(yōu)于馬口鐵，而馬口鐵對榫卯節(jié)點的約束作用在一定程度上減小了節(jié)點拔榫量。潘毅等[7]分別采用扁鋼和阻尼器對榫卯節(jié)點進行加固，發(fā)現(xiàn)2種加固方法均可提高榫卯節(jié)點結(jié)構(gòu)的抗震性能，但扁鋼加固加大了節(jié)點的剛度和部分相鄰構(gòu)件間的內(nèi)力，容易導致相鄰節(jié)點間的拔榫破壞;而阻尼器加固可在不增大節(jié)點剛度的條件下起到耗能和防止拔榫的作用。Plevris等[8]首次對木梁和柱張拉側(cè)粘貼了碳纖維布，通過試驗研究了它們在加固前后抗彎性能的變化程度。Triantafillou等[9]對用U型碳纖維布加固的木梁進行了試驗，發(fā)現(xiàn)加固后木梁的抗彎性能、剛度和強度有較大提升。

學者們對木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點的加固及其抗震性能展開了大量研究，筆者在已有研究的基礎(chǔ)上，提出一種適用于新建傳統(tǒng)樣式木結(jié)構(gòu)建筑榫卯節(jié)點抗震性能增強的內(nèi)嵌式卯口耗能器增強技術(shù)。

1 內(nèi)嵌卯口耗能器低周反復(fù)荷載試驗

1.1 內(nèi)嵌卯口耗能器設(shè)計及制作

對于榫卯節(jié)點抗震性能加固，筆者團隊前期開展了多種加固方法的研究。例如，研究了角鋼[10]加固的方法，但由于變形能力不足，易在角鋼轉(zhuǎn)角處形成應(yīng)力集中，不利于節(jié)點耗能，如圖1（a）所示;然后在此基礎(chǔ)上提出了弧形耗能器[11]加固方法，問題在于其在受壓狀態(tài)時耗能，且耗能點單一，如圖1（b）所示?；谝陨涎芯?，提出了卯口耗能器的榫卯節(jié)點抗震性能增強方式。

內(nèi)嵌卯口耗能器形狀及尺寸如圖2、圖3所示。耗能器由Q235B鋼制成，屈服強度為402 MPa，抗拉強度為583 MPa，彈性模量為206.0 GPa。耗能器在柱上的開槽尺寸為深45 mm、寬50 mm、高60 mm左右;開槽部位采用鋼材進行替代，對柱構(gòu)件自身的承載力沒有造成影響;對于柱上的槽口，可經(jīng)裝飾處理后復(fù)原木柱原貌。

1.2 榫卯節(jié)點模型設(shè)計

參照劉開封[12]的相關(guān)研究，按1∶2的縮尺比例制作節(jié)點模型，模型中的節(jié)點均為直榫節(jié)點中的單向直榫節(jié)點，節(jié)點形式及尺寸見圖4、表1。由于模型尺寸一致，且試件參數(shù)相同，因此，采用的縮尺比例可用于木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點加固或性能提升試驗。模型所用木材為杉木，通過材性試驗獲得了杉木的材性平均參數(shù)，如表2所示。

內(nèi)嵌卯口耗能器增強技術(shù)是要進行榫卯節(jié)點剛度和耗能能力的均衡增強，通過課題組前期的研究結(jié)果，為保證節(jié)點具有較好的耗能能力和適宜的剛度，耗能器鋼板的厚度不能過大，因此，設(shè)定的鋼板厚度取值為4～7 mm。因施加卯口耗能器需對榫卯節(jié)點上下兩側(cè)進行開槽處理，T0B0兩側(cè)不開口，形制如傳統(tǒng)榫卯節(jié)點;T5B40單側(cè)開口高5.8 cm、寬5 cm、深4.5 cm;T4B40、T4/2B40雙側(cè)開口高5.8 cm、寬5 cm、深4.5 cm;T5/2B40雙側(cè)開口高6 cm、寬5 cm、深4.5 cm，各試件耗能器參數(shù)如表3所示。安裝內(nèi)嵌卯口耗能器時采用長70 mm、直徑6 mm、8.8級沉頭的自攻螺釘，單側(cè)開口時使用8個自攻螺釘，雙側(cè)開口時使用16個自攻螺釘。

1.3 試驗方案

1.3.1 加載方案

通過榫卯節(jié)點低周反復(fù)荷載試驗獲取該類型節(jié)點的變形特征、剛度變化、滯回曲線、破壞形態(tài)和耗能能力。試驗選用南京工業(yè)大學結(jié)構(gòu)實驗室50 t油壓伺服作動器對梁端進行加載來模擬節(jié)點在地震中的受力過程，梁端與伺服作動器相連接。為消除P-Δ效應(yīng)對榫卯節(jié)點受力性能的影響以及方便加載，試驗過程中需將柱水平放置，以滿足柱上下兩端均為不動鉸支座的邊界條件。圖5為試驗裝置示意圖。

試驗采用圖6所示的位移控制加載方式，位移向右加載為正向。最大位移幅值取梁端產(chǎn)生0.2 rad轉(zhuǎn)角時所對應(yīng)位移120 mm。當水平荷載下降到極限荷載的85%以下或構(gòu)件喪失承載力時，則加載暫停。

1.3.2 測量內(nèi)容及測點布置

通過拉壓傳感器來實時測量柱端軸向荷載，使之保持恒定的受壓狀態(tài)。分別在距離梁柱交點10 mm處各安裝一個拉線位移計，用來記錄節(jié)點的拔榫情況，并通過拔榫量的相對值來計算節(jié)點轉(zhuǎn)角，圖7為位移計的布置示意圖。位移數(shù)據(jù)通過TST3828E動靜態(tài)信號測試分析系統(tǒng)進行采集。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

由于卯口與榫頭之間存在初始縫隙，試件T0B0在加載初期并無明顯變化。40 mm位移等級時，榫頭開始出現(xiàn)拔出跡象，榫頭根部受壓變形。80 mm位移等級時，榫頭與卯口間木材的摩擦聲開始變得明顯，并伴有“咔咔”聲。隨著試驗的進行，榫頭與卯口處的木材不斷擠壓變形，導致榫頭與卯口之間的空隙增大，并伴有木屑掉出的現(xiàn)象。試驗結(jié)束時，節(jié)點存在明顯的轉(zhuǎn)動殘余變形且榫頭能夠輕松拔出，如圖8所示。

試件T5B40試驗過程中的現(xiàn)象與T0B0相似，加載初期并無明顯變化，隨著試驗的進行，榫頭發(fā)生擠壓變形。結(jié)束時，未安裝耗能器一側(cè)處卯口變形嚴重，承載力下降且榫頭拔出量比安裝耗能器一側(cè)拔出量大。原因是由于耗能器的存在，嵌壓支點向外轉(zhuǎn)移，抑制了榫卯節(jié)點轉(zhuǎn)動中榫頭的拔出現(xiàn)象，且隨著耗能器的屈服承載力越大，拔榫量隨轉(zhuǎn)角上升越少，梁柱結(jié)合越緊密，如圖9（a）、（b）所示。

由于雙側(cè)施加了耗能器，試件T4B40、T4/2B40和T5/2B40榫頭與卯口連接緊密。加載初期，每隔0.5 s便有木材被擠壓的“咔咔”聲傳出。加載到40 mm時，榫頭開始出現(xiàn)拔出現(xiàn)象，耗能器出現(xiàn)明顯變形，而雙層耗能器的內(nèi)層和外層變形較為均勻。當加載到80 mm時，節(jié)點木材之間的摩擦聲音更加清脆、響亮，耗能器隨榫卯轉(zhuǎn)動呈現(xiàn)規(guī)律的轉(zhuǎn)角變形。在100 mm加載過程中，伴隨著轉(zhuǎn)角的擴大，耗能器出現(xiàn)帶裂縫工作，力位移曲線出現(xiàn)突變。試驗結(jié)束后，試件T4B40左端焊接處因疲勞累積，焊縫處出現(xiàn)整齊斷裂，導致耗能器退出工作，如圖9（c）所示。從耗能器斷裂的試驗過程中可以得出，耗能器制作時的焊接工藝有待進一步提高。

試件T4/2B40 和T5/2B40的耗能器在受拉時內(nèi)外層協(xié)同工作，可直接觀察到枋端受到約束，均勻嵌入柱邊，有效約束了拔榫現(xiàn)象。梁端與柱身擠壓處因低周反復(fù)過程中梁柱嵌壓，導致榫頭與柱子卯口兩側(cè)有較深的嵌壓痕跡、木材橫劈裂破壞和兩端有木屑擠壓脫落等現(xiàn)象，如圖9（d）、（e）、（f）所示。兩側(cè)內(nèi)嵌卯口耗能器一側(cè)受壓，另一側(cè)受拉，兩側(cè)變形及受力相反，在低周反復(fù)下，每一個循環(huán)結(jié)束后都可回復(fù)到初始狀態(tài)，其對于榫卯節(jié)點的抗震性能提升更加明顯。

試驗中，增強與未增強的榫卯節(jié)點雖然都表現(xiàn)出了不同程度的拔榫現(xiàn)象，但內(nèi)嵌卯口耗能器對拔榫現(xiàn)象具有一定的抑制作用。試驗結(jié)束后，普遍出現(xiàn)了榫頭受壓變形、榫頭壓屈和木材橫紋劈裂破壞等現(xiàn)象，個別試件出現(xiàn)了耗能器斷裂破壞，原因為焊縫工藝不足。

2.2 滯回曲線

通過對增強前后榫卯節(jié)點滯回曲線的對比分析，對榫卯節(jié)點耗能器的抗震性能進行研究，如圖10所示。

試件T0B0的滯回曲線具有明顯的“捏縮”現(xiàn)象和滑移現(xiàn)象，整體呈現(xiàn)為“Z”形。表明在加載初期構(gòu)件間接觸不緊密，滑移幅度較大。正反向加載均在轉(zhuǎn)角約為0.2 rad時達到極限彎矩，但正向加載下的極限彎矩要小于反向加載。在相同位移等級下，后一級位移加載的承載力和剛度低于前一級，表明節(jié)點的強度和剛度有顯著的退化趨勢。

帶耗能器各試件的滯回曲線均呈現(xiàn)為近似平行四邊形，曲線飽滿且對稱，這表明耗能器對榫卯節(jié)點的滯回性能影響較大，提高了節(jié)點的耗能能力。在相同位移等級下，后一級位移加載的承載力和剛度與前一級相近，表明節(jié)點的強度和剛度退化趨勢不明顯。由圖10中滯回曲線的對比，可以得出以下結(jié)論：

1）無論哪種尺寸的耗能器，均能提高榫卯節(jié)點抗震性能，使得榫卯節(jié)點在地震作用下表現(xiàn)出更加出色的性能。在大位移情況下，含耗能器的榫卯節(jié)點的承載能力、耗能隨著位移的增加而不斷增加。

2）對于不同尺寸的耗能器，能夠明顯觀察到T5/2B40的滯回環(huán)最飽滿，耗能能力最強。對于單層耗能器，T5B40的滯回環(huán)要比T4B40飽滿，而雙層耗能器中，T5/2B40的滯回環(huán)要比T4/2B40飽滿。

3）未增強榫卯節(jié)點的強度和剛度退化趨勢明顯，通過內(nèi)嵌卯口耗能器增強后，榫卯節(jié)點強度和剛度退化趨勢有效減緩。

2.3 M-θ骨架曲線

耗能器對于榫卯節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度有顯著的影響，極大地提高了榫卯節(jié)點的初始剛度，對于不同厚度耗能器加固的榫卯節(jié)點，鋼板厚度越大，對榫卯節(jié)點的初始剛度提升越大，榫卯節(jié)點進入屈服段的位移也相應(yīng)增大。對于雙層耗能器，增加外層耗能器可以有效提升構(gòu)件的初始剛度，但對榫卯節(jié)點的屈服位移影響相對較弱，在較小的位移下耗能更加充分。當鋼板過厚時，則會導致耗能器剛度過大而無法變形，從而影響榫卯節(jié)點的耗能特性。

對于試件T0B0，參照歐洲規(guī)范EN12512[13]給出的1/6斜率法來確定其初始剛度與屈服彎矩，如表4所示。由圖11可得，由于榫卯節(jié)點間間隙的存在，節(jié)點初始剛度較低，隨著荷載的增大，剛度逐漸增大，最終由于出現(xiàn)劈裂裂縫和受壓屈服等現(xiàn)象，木材節(jié)點剛度開始逐漸退化。而對于耗能器增強的試件，節(jié)點間接觸緊密，初始剛度大，其中，試件T5/2B40的初始剛度最大，提升了近90倍。通過對比T4B40、T5B40和T4/2B40的初始剛度，可以發(fā)現(xiàn)，相較于耗能器的鋼板層數(shù)而言，鋼板厚度對于榫卯節(jié)點的加固作用更加明顯。帶有雙層鋼板的耗能器雖然鋼板總厚度更大，但由于鋼板之間存在縫隙等原因，導致加固效果并不理想。T5/2B40的初始剛度雖然最大，但之后出現(xiàn)下降趨勢，并一度小于T5B40，可以得出，當耗能器鋼板過厚或鋼板間有間隙時，耗能器的耗能特征受到影響。對比T5/2B40與T5B40的初始剛度差值和T4/2B40與T4B40的初始剛度差值，也可以發(fā)現(xiàn)T5/2B40對節(jié)點的加固作用稍有減弱。綜上可知，相較于雙層耗能器鋼板總厚度的增加，單層耗能器鋼板厚度對于榫卯節(jié)點的加固作用更加明顯。

對于含耗能器的榫卯節(jié)點，耗能器受壓側(cè)與受拉側(cè)剛度有輕微的不對稱，耗能器受壓時會較早地進入屈服階段，對榫卯節(jié)點的初始剛度提升貢獻更大。當節(jié)點轉(zhuǎn)角達到0.01 rad左右時，各帶耗能器試件的骨架曲線基本為線彈性，可稱之為基本線彈性階段;當節(jié)點轉(zhuǎn)角大于0.01 rad時，各骨架曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，彎矩呈現(xiàn)增長緩慢的趨勢，轉(zhuǎn)角剛度呈退化趨勢，將其稱為緩慢退化階段。

2.4 耗能能力

受到地震作用后，建筑結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生塑性變形，此時可用耗能能力來衡量結(jié)構(gòu)對地震能量的吸收能力，結(jié)構(gòu)耗散地震能量越多，承受的破壞就越少，所以，抗震性能指標將其作為評價結(jié)構(gòu)抗震性能的依據(jù)。借助Jacobson[14]提出的等效粘滯阻尼系數(shù)he來實現(xiàn)對耗能能力的定量研究，該系數(shù)的計算式為

從圖12的曲線對比中可以看出，耗能器增強的各試件阻尼系數(shù)he大于未增強試件，其中，T4B40最小增大了1.10倍，T5/2B40最大增大了1.32倍，表明耗能器增強榫卯的耗能能力優(yōu)于未增強節(jié)點。T4B40與T4/2B40和T5B40與T5/2B40的阻尼系數(shù)曲線分別較為接近，表明耗能器的鋼板層數(shù)對構(gòu)件耗能能力的影響居次要地位。在耗能器影響耗能能力的兩個關(guān)鍵因素：厚度和層數(shù)中，耗能器的厚度對于榫卯節(jié)點耗能能力的影響更大。

3 結(jié)論

基于不同參數(shù)內(nèi)嵌卯口耗能器在低周反復(fù)荷載作用下對榫卯節(jié)點抗震性能影響的試驗，得出以下結(jié)論：

1）內(nèi)嵌卯口耗能器的滯回曲線較為飽滿，接近于鋼連接件的滯回曲線特征，相比于未增強榫卯節(jié)點的具有“捏縮”效應(yīng)的滯回曲線，耗能能力有明顯提升，且耗能器的增強對于榫卯節(jié)點強度和剛度退化趨勢有減緩作用。

2）耗能器增強節(jié)點的承載力有小幅度提升，耗能能力提升了2倍左右，而初始剛度有大幅提升，T5/2B40最大提升可達到90倍左右。耗能器增強效果明顯。

3）榫卯節(jié)點的耗能能力隨著耗能器鋼板厚度和層數(shù)的增大而不斷提升，并且在鋼板厚度、層數(shù)這兩個參數(shù)中，厚度對耗能器加固榫卯節(jié)點的力學性能影響更大。

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（編輯 胡玲）

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