宋明燁 趙慶雙

(聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000)

0 引 言

木結(jié)構(gòu)作為我國(guó)的傳統(tǒng)建筑形式，一直延續(xù)使用了數(shù)千年，已經(jīng)成為一種相當(dāng)成熟的建筑結(jié)構(gòu)形式。榫卯連接是我國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)的特色，木結(jié)構(gòu)各構(gòu)件節(jié)點(diǎn)之間采用榫卯連接時(shí)無(wú)需一鐵一釘，榫卯連接不屬于剛性連接，因此在發(fā)生地震作用時(shí)，榫卯節(jié)點(diǎn)之間會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移以一定的變形來(lái)吸收一部分震能，也正是因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，木結(jié)構(gòu)建筑具有比較好的抗震性能。同時(shí)榫卯節(jié)點(diǎn)也是整個(gè)木結(jié)構(gòu)中最容易受到破壞的部位，在受到周圍環(huán)境侵蝕或人為破壞甚至地震等自然災(zāi)害的破壞后，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生拔榫或榫頭折斷，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)建筑的失效。目前國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能展開(kāi)研究，因結(jié)構(gòu)形式和連接部位的差別，榫卯節(jié)點(diǎn)有很多類型，其中對(duì)燕尾榫和直榫節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究較為普遍。本文在介紹榫卯節(jié)點(diǎn)破壞形式的基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)者們?cè)跉垞p榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能及加固方式方面的研究方法和成果進(jìn)行綜述，并提出筆者的看法。

1 榫卯節(jié)點(diǎn)破壞形式

1.1 拔榫

榫卯節(jié)點(diǎn)屬于半剛性連接，在受到風(fēng)、地震等外力作用時(shí)，榫頭和卯口之間會(huì)發(fā)生滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，時(shí)間一長(zhǎng)，榫頭和卯口之間就會(huì)出現(xiàn)間隙，即發(fā)生拔榫。較小程度的拔榫可以通過(guò)變形吸收一部分能量，具有一定的耗能能力，但拔榫量較大形成脫榫，就可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)建筑破壞。

1.2 榫頭變形

榫頭變形包括榫頭下沉和榫頭歪閃。榫頭和卯口發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，榫頭受到擠壓，榫頭尺寸壓縮，形成下沉問(wèn)題，導(dǎo)致榫頭和卯口之間產(chǎn)生一定的間隔，外力作用時(shí)，就容易發(fā)生拔榫。在水平外力作用下，榫頭和卯口之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，一般發(fā)生榫頭歪閃時(shí)，榫頭很有可能已經(jīng)開(kāi)裂。

1.3 榫頭槽朽

在潮濕環(huán)境下，提供了木腐菌侵蝕木材的條件，是木材的特性之一。榫頭槽朽后剛度退化嚴(yán)重，在受力發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，榫頭受力截面容易折減，節(jié)點(diǎn)的連接性減弱。

2 殘損榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

2.1 試驗(yàn)研究

模擬試驗(yàn)是研究榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能的常用手段，將研究對(duì)象制作成小比例模型，采用人工手段模擬榫卯節(jié)點(diǎn)已出現(xiàn)的損壞形式，通過(guò)試驗(yàn)分別獲得殘損和完好榫卯節(jié)點(diǎn)的滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線，通過(guò)與完好節(jié)點(diǎn)各類曲線的對(duì)比，研究已出現(xiàn)殘損榫卯節(jié)點(diǎn)的剛度、承載力、耗能能力等抗震指標(biāo)的變化。

2.1.1 擬靜力試驗(yàn)研究

擬靜力試驗(yàn)是通過(guò)施加靜力荷載，測(cè)試殘損榫卯節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形性能。靜力試驗(yàn)可以直接測(cè)量節(jié)點(diǎn)的變形和位移，評(píng)估加固效果。

謝啟芳等[1]為了研究直榫節(jié)點(diǎn)的抗震性能是否受殘損類型的影響，制作了7個(gè)1∶4.8的直榫節(jié)點(diǎn)縮尺模型，通過(guò)鉆孔來(lái)模擬蟲(chóng)蛀和真菌腐朽（見(jiàn)圖1所示），然后進(jìn)行低周反復(fù)荷載加載實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖2所示），得到結(jié)論：榫卯節(jié)點(diǎn)破壞主要是發(fā)生了拔榫和接觸面的擠壓變形。滯回曲線捏攏效應(yīng)明顯。殘損節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩、剛度和耗能能力明顯低于完好節(jié)點(diǎn)，不過(guò)受損構(gòu)件仍具有良好的延性。

圖1 人工模擬蟲(chóng)蛀

圖2 加載裝置示意圖

薛建陽(yáng)等[2]為研究松動(dòng)程度不同的透榫節(jié)點(diǎn)的抗震性能，保持卯口的尺寸不變，人工縮減榫頭的大小，水平低周往復(fù)加載，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同松動(dòng)程度的節(jié)點(diǎn)剛度和極限彎矩均小于完好節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的耗能能力與松動(dòng)程度成反比。

謝啟芳等[3]為研究不同殘損形式對(duì)燕尾榫抗震性能的影響，通過(guò)三個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)模型（一個(gè)完好，一個(gè)模擬真菌腐朽，一個(gè)模擬蟲(chóng)蛀），進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明完好節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均高于殘損節(jié)點(diǎn)，其中蟲(chóng)蛀節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩下降更明顯，但殘損節(jié)點(diǎn)的耗能能力更強(qiáng)。

2.1.2 振動(dòng)臺(tái)研究

振動(dòng)臺(tái)研究旨在研究殘損榫卯節(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下的抗震性能，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)M地震作用，獲取榫卯節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)、加速度響應(yīng)和應(yīng)變響應(yīng)等參數(shù)，以評(píng)估其在地震災(zāi)害中的抗震可靠性。

魯志雄等[4]將包含直榫節(jié)點(diǎn)的單間木結(jié)構(gòu)模型，加載白噪聲和地震波，試驗(yàn)過(guò)程中改變?cè)O(shè)防地震加速度值，觀察模型在平臺(tái)上的扭擺幅度和榫卯節(jié)點(diǎn)的拔榫運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在9度地震烈度下，結(jié)構(gòu)仍然屹立不倒，各工況下，柱頂位移反應(yīng)峰值遠(yuǎn)大于柱底位移，說(shuō)明拔榫和插榫對(duì)削減結(jié)構(gòu)整體位移響應(yīng)顯著，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移也隨著地震強(qiáng)度增大，榫卯節(jié)點(diǎn)動(dòng)力放大系數(shù)是通過(guò)榫頭和卯口的擠壓摩擦來(lái)體現(xiàn)，反應(yīng)節(jié)點(diǎn)的耗能能力，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)榫卯節(jié)點(diǎn)耗能能力隨著地震強(qiáng)度增強(qiáng)而增大。

以上學(xué)者都是通過(guò)人工手段來(lái)模擬自然環(huán)境對(duì)不同類型的榫卯節(jié)點(diǎn)的損壞，但通過(guò)人工模擬能夠驗(yàn)證的破壞類型太少，大部分試驗(yàn)都是圍繞松動(dòng)和腐朽來(lái)進(jìn)行，對(duì)于其他破壞類型的研究樣本太少，如拔榫和榫頭變形，這些很難通過(guò)離散少量的樣本來(lái)驗(yàn)證理論猜想。

2.2 有限元模擬研究

因?yàn)椴坌嗍墉h(huán)境溫度、濕度等的影響，很難進(jìn)行人工模擬試驗(yàn)，唐家進(jìn)[5]通過(guò)有限元軟件ABAQUS建立直榫單向節(jié)點(diǎn)模型，進(jìn)行低周往復(fù)荷載，滯回曲線呈“S”形，出現(xiàn)了明顯的捏攏效應(yīng)，說(shuō)明單向直榫節(jié)點(diǎn)榫頭與卯口之間出現(xiàn)明顯滑移，與前人試驗(yàn)結(jié)論對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元模型的有效性。

謝啟芳等[6]通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立完好和拔榫程度不同直榫節(jié)點(diǎn)模型，通過(guò)有限元分析得到各榫卯節(jié)點(diǎn)的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線及等效粘滯阻尼系數(shù)，通過(guò)各類曲線的對(duì)比分析，隨著拔榫量的增加，直榫節(jié)點(diǎn)的耗能能力有所增強(qiáng)，但節(jié)點(diǎn)的承載力、變形能力和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度都有明顯的退化，與已有試驗(yàn)結(jié)果相同，證明拔榫狀態(tài)下的直榫節(jié)點(diǎn)抗震性能顯著降低。

康昆等[7]為了研究有無(wú)縫隙對(duì)燕尾榫節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，通過(guò)有限元軟件建立兩個(gè)一榀柱架模型，在不同豎向荷載作用下，施加低周往復(fù)荷載，比較有無(wú)縫隙燕尾榫在不同豎向荷載下的滯回曲線，有縫隙滯回環(huán)的面積遠(yuǎn)小于無(wú)縫隙節(jié)點(diǎn)面積，這也說(shuō)明有縫隙節(jié)點(diǎn)的耗能能力較差，抗震性低于無(wú)縫隙節(jié)點(diǎn)，通過(guò)滯回曲線、構(gòu)造骨架曲線，發(fā)現(xiàn)有縫隙燕尾榫節(jié)點(diǎn)剛度明顯低于無(wú)縫隙節(jié)點(diǎn)，數(shù)值模擬的結(jié)果與理想結(jié)果吻合。

朱傳偉等[8]為了研究能夠有效提高榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能的有效方式，對(duì)提前制作的直透榫節(jié)點(diǎn)模型開(kāi)展靜力試驗(yàn)，研究直透榫節(jié)點(diǎn)的抗震性能，發(fā)現(xiàn)滯回曲線捏攏效應(yīng)明顯，說(shuō)明在加載過(guò)程中榫頭和卯口之間產(chǎn)生了相對(duì)滑移，通過(guò)材性試驗(yàn)獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)多階屈曲耗能支撐，建立榫卯節(jié)點(diǎn)模型，通過(guò)ABAQUS有限元軟件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)?zāi)M，比較加固前后滯回曲線和骨架曲線，發(fā)現(xiàn)加固后節(jié)點(diǎn)的承載力、抗拔榫力和耗能能力都有明顯提升，說(shuō)明經(jīng)多階屈曲耗能增強(qiáng)后的榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能有所改善。

3 榫卯節(jié)點(diǎn)不同加固方式研究

3.1 金屬加固

周乾等[9]將包含燕尾榫節(jié)點(diǎn)的木結(jié)構(gòu)空間框架模型，以有無(wú)鋼構(gòu)件加固作為控制變量，進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)鋼構(gòu)件加固后，節(jié)點(diǎn)滯回曲線面積更飽滿，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)耗能能力增強(qiáng)，加固后節(jié)點(diǎn)抗彎剛度和承載力也有明顯提升，且加固節(jié)點(diǎn)仍具有良好的變形能力。鋼構(gòu)件加載裝置見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3 鋼構(gòu)件加載裝置結(jié)構(gòu)

圖4 鋼構(gòu)件加載裝置現(xiàn)場(chǎng)圖

薛建陽(yáng)等[10]采用角鋼對(duì)半榫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，通過(guò)加載試驗(yàn)與未加固節(jié)點(diǎn)對(duì)比，結(jié)果表明角鋼加固節(jié)點(diǎn)的剛度、承載力都有明顯提升，且仍具有較好的延性。

孫兆洋等[11]以單向直榫節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，在構(gòu)件表面人工鉆取不同深度和不同直徑的孔洞來(lái)模擬榫卯節(jié)點(diǎn)不同程度的損壞，節(jié)點(diǎn)采用內(nèi)嵌鋼板-自攻螺釘加固，進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加固后的節(jié)點(diǎn)滯回曲線更飽滿，加固殘損節(jié)點(diǎn)的承載能力甚至超過(guò)完好節(jié)點(diǎn)。通過(guò)等效粘滯阻尼系數(shù)發(fā)現(xiàn)，加固殘損節(jié)點(diǎn)的耗能能力低于未加固節(jié)點(diǎn)。不過(guò)加固后的榫卯節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度有顯著提高。

金屬加固法是一種用于提高榫卯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的方法，這種方法通過(guò)在榫卯節(jié)點(diǎn)處使用金屬加固件，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形能力，如鋼板-自攻螺釘加固（見(jiàn)圖5所示）。金屬加固件可以是金屬棒、金屬板或其他金屬材料，取決于榫卯節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和需求。金屬加固會(huì)對(duì)木結(jié)構(gòu)造成一定程度不可逆的二次損傷，對(duì)結(jié)構(gòu)以后的更換和維修都有所不便，而且由于缺乏有效的改善和加固措施，榫卯節(jié)點(diǎn)容易被拔榫。

圖5 鋼板-自攻螺釘加固示意圖

3.2 碳纖維布加固

周乾等[12-13]為研究經(jīng)CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）加固后榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能的變化，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)對(duì)燕尾榫節(jié)點(diǎn)模型輸入不同頻率的地震波，得到經(jīng)碳纖維布加固前后節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力放大系數(shù)和加速度響應(yīng)特征，結(jié)果表明，加固后構(gòu)架位移和加速度響應(yīng)更小，小震時(shí)未加固節(jié)點(diǎn)耗能能力較強(qiáng)，地震波強(qiáng)度較大時(shí)，加固后節(jié)點(diǎn)的耗能抗震能力要優(yōu)于未加固節(jié)點(diǎn)。

孫文等[14]將三種透榫木構(gòu)架用三種不同碳纖維布進(jìn)行加固，將三種加固構(gòu)架和未加固構(gòu)架進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明加固后節(jié)點(diǎn)承載力和構(gòu)架剛度都得到了明顯提升，其中CFRP雙層分離布效果最優(yōu)，并且加固后仍具有不錯(cuò)的耗能能力。

薛建陽(yáng)等[15]為研究經(jīng)CFRP加固后節(jié)點(diǎn)的破壞特性、耗能能力和動(dòng)力特性，將殘損的燕尾榫節(jié)點(diǎn)模型用碳纖維布進(jìn)行加固，輸入不同的地震波通過(guò)振動(dòng)臺(tái)傳遞給模型，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在三種不同地震波的激勵(lì)下，動(dòng)力放大系數(shù)呈相同的下降趨勢(shì)（見(jiàn)圖6所示），證明加固后的節(jié)點(diǎn)仍然具有良好的耗能能力。

圖6 加固模型動(dòng)力放大系數(shù)

碳纖維布加固技術(shù)可以有效地提高榫卯節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)安全性，特別是對(duì)于那些需要美觀且殘損程度不大的節(jié)點(diǎn)，CFRP布破壞主要發(fā)生在梁柱相交處，在地震作用下，豎向碳纖維布和橫向碳纖維布環(huán)箍交匯處易受力剪斷。經(jīng)碳纖維布加固后的節(jié)點(diǎn)主要因承載力不足發(fā)生破壞，提高節(jié)點(diǎn)承載力是今后研究殘損節(jié)點(diǎn)加固的關(guān)鍵。

3.3 不同加固方式對(duì)比

謝啟芳等[16]將制作好的3個(gè)燕尾榫模型（兩個(gè)完好模型，一個(gè)未完全加固模擬受損），通過(guò)水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究未加固構(gòu)架、碳纖維加固構(gòu)架和扁鋼加固構(gòu)架的抗震性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加固后構(gòu)架的滯回曲線更飽滿，滯回環(huán)面積更大，表明加固構(gòu)架消耗地震的能力提高。通過(guò)骨架曲線發(fā)現(xiàn)經(jīng)扁鋼和碳纖維加固后的構(gòu)架剛度和強(qiáng)度也到了明顯提高，其中扁鋼加固構(gòu)架剛度最大。通過(guò)等效粘滯阻尼系數(shù)發(fā)現(xiàn)未加固構(gòu)架的耗能能力反而更好，而扁鋼加固構(gòu)架耗能能力最差。

許清風(fēng)等[17]為研究榫卯節(jié)點(diǎn)在不同加固方式下抗震性能的變化，將4個(gè)足尺透榫節(jié)點(diǎn)試件經(jīng)過(guò)竹斜撐、角鋼以及CFRP布三種加固技術(shù)處理，進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，竹斜撐加固效果最為優(yōu)越，操作也更為容易；加固后的節(jié)點(diǎn)承載力和延性都有所提高，此外，角鋼與CFRP布加固在增強(qiáng)榫卯節(jié)點(diǎn)剛度及減少能量消耗上也有明顯的效果，但節(jié)點(diǎn)延性都存在不同程度的下降[18]。然而，雖然它們各自具備特殊的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在著某些局限。

4 問(wèn)題分析及建議

4.1 問(wèn)題分析

（1） 在殘損榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能測(cè)試 ，大多數(shù)模型都是用不同種類的木材制作的，這就導(dǎo)致了測(cè)試結(jié)果的差異性。即使是用同一種木材制作的模型，測(cè)試結(jié)果也可能存在一定的誤差。

（2） 在對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，由于木材具有各向異性，而且經(jīng)歷了數(shù)百年的自然環(huán)境侵蝕和人為破壞，使得木材的本構(gòu)關(guān)系受到了嚴(yán)重的影響，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際可能會(huì)存在較大的偏差[19-20]。

4.2 研究建議

（1）雖然古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的殘損情況普遍存在，但是目前還沒(méi)有進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)準(zhǔn)確地評(píng)估它們的抗震性能。由于木材的各向異性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)受到一定程度的影響，因此，建議今后應(yīng)該增加試驗(yàn)樣本的數(shù)量，以減少實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。

（2）目前榫卯節(jié)點(diǎn)加固的方法大多是傳統(tǒng)的，這些方式并不能很好地達(dá)到古建筑修舊如舊的要求，因此，建議今后應(yīng)該引入更先進(jìn)的材料來(lái)加固榫卯節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到修舊如舊的目的。

（3）經(jīng)過(guò)對(duì)古建筑榫卯節(jié)點(diǎn)不同殘損類型的評(píng)估，對(duì)已經(jīng)受損的節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確修復(fù)，從而可以達(dá)到防患于未然的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的努力，國(guó)際社會(huì)已經(jīng)開(kāi)展了關(guān)于殘缺榫卯結(jié)構(gòu)的抗震性能和加固技術(shù)的深入探索，并取得了豐碩的結(jié)論。實(shí)踐證實(shí)，隨著殘缺部位的增多，榫卯節(jié)點(diǎn)的耐久性和耐用性都會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致其耗能和減振效率較之正常結(jié)構(gòu)顯著降低。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，各種加固方案對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)的耗能能力都有所改善， 然而，這些改善仍然受到“修舊如舊”要求的制約。因此，我們需要進(jìn)行進(jìn)一步地探索，以期找到最佳的加固方案，并開(kāi)發(fā)出適用的新型加固材料與技術(shù)，以期為中國(guó)的傳統(tǒng)古代建筑物的安全與完整做好準(zhǔn)備。