广府木祠堂箍头榫节点力学性能试验研究*

陈庆军 邱凯祥 汤序霖† 袁国财 肖旻 杨春

(1.华南理工大学 土木与交通学院, 广东 广州 510640; 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室, 广东 广州510640； 3.华南理工大学 建筑设计研究院, 广东 广州 510640; 4.华南理工大学 建筑学院, 广东 广州 510640)

广府木祠堂箍头榫节点力学性能试验研究*

陈庆军1,2邱凯祥1汤序霖1†袁国财3肖旻2,4杨春1,2

(1.华南理工大学 土木与交通学院, 广东 广州 510640; 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室, 广东 广州510640； 3.华南理工大学 建筑设计研究院, 广东 广州 510640; 4.华南理工大学 建筑学院, 广东 广州 510640)

以岭南地区具有代表性的广府木祠堂建筑为研究对象，分别进行了1榀菠萝格木构架缩尺模型的竖向加载与1榀木构架缩尺模型的水平低周反复加载试验，研究广府木祠堂箍头榫节点的力学性能.通过木构架的竖向荷载试验，获取箍头榫节点在竖向荷载作用下的破坏形式、受力特点和刚度特性；从木构架的水平低周反复荷载试验中，得到箍头榫节点在水平荷载作用下的破坏形式、滞回曲线、骨架曲线、延性、刚度退化及能量耗散能力等性能.试验结果表明，木构架在梁跨中竖向荷载作用下为梁底部木纤维突然拉断而破坏；而木构架在水平低周反复荷载作用下为节点梁端外侧被挤压劈裂破坏，箍头榫节点呈现出典型的半刚性，其滞回曲线较为饱满，割线刚度曲线呈下凹型且趋于收敛，等效粘滞阻尼系数较大，试件表现出较好的抗震性能.

广府木祠堂；箍头榫；节点；静力试验；低周反复荷载试验；抗震性能

古木建筑是我国灿烂历史文化的重要组成部分，具有很高的科学及文化研究价值.中国古木建筑的主要特点之一是构件间采用榫卯方式连接.榫卯连接方式通过榫卯交界面的摩擦、挤压抵抗外力与耗散能量，其受力机理较为复杂[1].

由于木结构榫卯节点受力的重要性与复杂性，国内外学者陆续开始对传统木结构榫卯节点的力学性能进行研究.方东平等[2- 3]对西安北门箭楼进行脉动和激振试验，证实古木结构的榫卯节点为半刚性，节点刚度对结构整体刚度有很大影响；高大峰等[4]进行了3榀木构架的拟静力试验，确定了榫卯节点的转动刚度，提出了该类木构架在水平地震作用下的计算模型；徐明刚等[5]对不同方法加固的木构架进行了拟静力试验，得到了其破坏形式、滞回曲线、变形及刚度退化等性能；周乾等[6]对加固后的燕尾榫木框架进行振动台试验，根据节点的动力响应得出了不同加固方法的减震效果；谢启芳等[7]对燕尾榫节点的受力机理进行理论分析，推导出了燕尾榫节点的弯矩-转角计算公式；陈春超等[8]进行了不同榫卯连接方式节点的单调加载试验，研究了节点正反向受弯的性能差异；肖旻等[9]对广府木祠堂典型榫卯节点进行了有限元建模，分析得到了节点刚度和构件劣化对结构安全性能的影响；淳庆等[10]对馒头榫节点进行了试验研究和有限元分析，得到了馒头榫节点的平面内转角刚度、平面外转角刚度和扭转刚度之间的关系；Seo等[11]针对韩国传统榫接木结构进行低周反复加载，试验结果表明节点在柱榫位置出现弯曲破坏或剪切破坏；D’Ayala等[12]对台湾叠斗节点进行了试验研究，结果表明竖向荷载的大小对节点的转动刚度有较大影响，但对其侧移刚度没有影响；Jonathan等[13]对挂榫接头节点进行了试验与数值分析，并对其刚度和强度进行了探讨.

广府木祠堂结构是一种介于高级殿堂及普通民宅之间的建筑体系，是广府地区古木建筑重要的代表.该类建筑大都建造于明清时代，由于长时间受到外部环境的侵蚀，迫切需要对其进行保护和修缮.由于广府木祠堂中常采用箍头榫节点进行连接，其尺寸与细部构造具有明显的地域性；同时广府木祠堂多采用性能较好且价格昂贵的菠萝格木材建造，而现有文献中对采用菠萝格木材制作的箍头榫节点进行试验研究的极少.上述原因使得广府木祠堂的保护和修缮工作存在一定困难.文中以广府地区典型的木祠堂为研究对象，对菠萝格木构架缩尺模型分别进行竖向荷载试验与水平低周反复加载试验，探究广府木祠堂结构箍头榫节点的力学性能.

1 试验概述

1.1 木构架的设计与制作

华南理工大学建筑学院建筑历史学科教学研究队伍近10年来对31个广府地区明清木祠堂实例进行了测绘，统计出典型木祠堂的具体尺寸[14].广府木祠堂中内柱与中梁的连接多采用箍头榫形式，因而设计2榀尺寸相同的箍头榫木构架，其中1榀木构架进行竖向加载，另1榀木构架进行水平低周反复加载.综合考虑实验室加载条件及其他因素，本次试验制作的试件缩比为1∶2.7.试件大样见图1.

1.2 材料性能

广府地区木祠堂结构用料多为力学性能较好的菠萝格木材.文中对试验采用的菠萝格木材进行材性试验，典型试件材料的应力-应变曲线如图2所示，受拉时为木材发生脆断，而受压时体现出一定的塑性；通过统计分析，得到木材的质量密度为0.88 g/cm3，含水率为15.7%，材料的强度和弹性模量见表1.

图1 试件尺寸图及照片(单位：mm)

图2 木材的应力-应变曲线

参数试件个数平均值/MPafLt16144．8fLc1259．8fRc1232．4fLm6119．9ELt1614275ELc1220974ERc12588ELm612767

1)f代表强度，E代表弹性模量；下标L(纵向)、R(径向)、T(切向)代表方向；下标t(受拉)、c(受压)、m(受弯)代表受力性质.

1.3 加载方案

广府木祠堂建筑中柱子一般置于柱石上，试验中真实地模拟其边界条件较为困难.已有研究表明古木建筑木柱与基础的力学特征接近于铰接[15]，通常采用将试件木柱柱脚套入特制的钢柱帽中并与地槽铰接的连接方式[5,16- 17].文中也采用该连接方式，具体装置见图3.

图3 试验加载装置(单位：mm)

竖向荷载试验加载装置示意图如图3(a)所示.具体加载制度为：先在两柱头分别施加恒定轴压力20 kN;后在梁跨中竖向进行两次加卸载，第一次先加载至30 kN，考察弹性范围内的结构性能,随后卸载到0 kN，并再次加载直至结构破坏，考察结构的极限承载力.

水平低周反复荷载试验加载装置示意图如图3(b)所示.具体加载制度为：竖向千斤顶通过分配梁向试件梁跨中施加20 kN竖向恒定荷载，之后水平千斤顶在左右两端施加反复荷载.加载全过程以位移控制，10～30 mm时以10 mm为级差，30～130 mm时以20 mm为级差，130～250 mm时以30 mm为级差，每级位移循环3次.

1.4 测量布置

为了解竖向、水平荷载作用下木构架的受力机理，在试件的各关键位置布置电阻应变片，如图4(a)所示.试件梁柱端布置倾角仪以测量榫节点的转角，水平低周反复试验中梁端增设大量程位移计，具体测量方案如图4(b)所示.

2 竖向荷载试验结果及分析

2.1 试验现象

竖向荷载试验中，木构架表现出梁底部木纤维突然拉断的破坏形式(见图5(a)).试件破坏形态和节点局部压缩变形如图5所示.

图4 测量方案(单位：mm)

试件从加载到破坏过程为：加载初期，柱子上原有的干缩裂纹(见图5(b))进一步延长发展，木材发出清脆的开裂声；节点区梁柱挤压摩擦产生“吱吱”响声；加载至30 kN时，柱子出现轻微的平面内弯曲；卸载至0 kN并再次加载至40 kN时，柱卯口位置出现少量裂缝(见图5(c))并在之后一直发展，梁出现明显的弯曲；加载至112 kN时，梁底部木纤维突然拉断(见图5(a))，发出巨响，荷载下降至96 kN；卸载至0 kN，由于梁被拉断且节点挤压产生塑性变形(见图5(d))，结构没有恢复到初始状态.

2.2 梁跨中荷载-挠度曲线

由试验记录的梁跨中竖向位移减去两侧柱顶端竖向位移的平均值得到梁的挠度，由此得到梁的荷载(P)-挠度(Δ)曲线，如图6所示.由图可知，第一次加载时，随着荷载的增大梁的弯曲刚度略有下降；第一次加载后卸载，结构位移并没有完全回复到初始状态；再次加载时，曲线开始阶段与上一级卸载曲线基本重合；到达第一次卸载时的荷载后，梁的位移与第一次加载时基本一致，稳定上升至试件破坏.上述表明，试件在较小荷载下表现出非线性特性；试件的破坏曲线与木材受弯材性试验相似，属于典型的木梁弯曲受拉脆性破坏曲线.

图6 梁跨中竖向荷载-位移曲线

2.3 节点弯矩-转角曲线

由于整榀木构架试件为超静定结构，因此节点弯矩(M)的计算存在困难.文献[18]采用了应变片数据推算弯矩的方法来确定节点弯矩.文中借鉴其方法进行计算，即由试验采集的梁端和柱端的应变值推算其弯矩值，并取其中较大值作为节点弯矩值.节点转角(θ)由试验获取的梁、柱转角计算所得.由此得到节点的弯矩-转角曲线如图7所示，图中Joint1和Joint2分别代表木构架左、右两个节点.由图7可见，箍头榫节点转角随着弯矩的增大而增大；节点弯矩大于1.5 kN·m后，节点转动刚度略有减小；当节点弯矩达到6.5 kN·m左右时，节点转动刚度反而略有增大，这是由于试件在加载后期，梁柱间榫卯节点各接触面已经压实顶紧，相互咬合作用增强.

图7 节点弯矩-转角曲线

3 水平低周反复荷载试验结果分析

3.1 试验现象

水平低周反复荷载试验中，结构的变形见图8(a)，构架最终表现出梁端外侧挤压劈裂(见图8)的破坏形式.

试件从加载到破坏的过程为：加载初期，节点区梁柱慢慢接触紧密并相互挤压和摩擦，发出“吱吱”的响声；控制位移加至50 mm后，梁榫底部与柱卯口开始发生少量脱离(见图8(b))；此后随着控制位移增大，梁内外两侧卯口边缘纤维撕裂(见图8(c))，榫卯之间的挤压变形加剧(见图8(d)、8(e))；当控制位移增大到250 mm时，整体结构变形非常明显；最后试件梁端外侧被挤压产生劈裂破坏(见图8(f))，节点破坏，但榫头没有从卯口中拔出.

3.2 水平荷载-位移滞回曲线

试件的水平荷载-位移滞回曲线如图9所示.由图可见，控制位移为10、20 mm时，滞回曲线呈梭形，节点基本处于弹性阶段.控制位移在30～90 mm范围内，滞回曲线呈弓形，出现“捏缩”现象，榫卯之间在此过程中发生了挤压变形和摩擦滑移；滞回环面积逐渐增大，节点耗散的能量越来越多；滞回曲线的斜率逐渐减小，节点的刚度慢慢退化，这是由于榫卯之间的挤压加剧产生了塑性变形.控制位移为110、130 mm时，滞回曲线呈反S形，随着转角的增大，榫卯之间的滑移进一步增大，超过上一级控制位移时，由于榫卯之间的咬合程度增大，滞回曲线斜率有所增大.控制位移在160～220 mm范围内，滞回曲线呈Z型，“捏缩”现象越来越明显；此时滞回曲线的滑移段很长且几乎与坐标轴横轴平行.控制位移为250 mm时，滞回曲线呈Z型，滞回曲线荷载峰值有所下降.

图9 荷载-位移滞回曲线

3.3 骨架曲线及节点弯矩-转角曲线

试件的水平荷载-位移骨架曲线如图10所示.根据试验记录的梁端和柱端的应变值，由材料力学可以算得梁端和柱端的弯矩值，取其中较大值作为节点弯矩值；再联合试验测量到的节点转角，汇总得到节点的弯矩-转角骨架曲线，如图11所示.由于在竖向荷载作用后应变数据进行了重新平衡，然后才进行水平荷载加载试验，此处的弯矩数值对应的是去除了初始竖向荷载影响的水平荷载作用下的节点弯矩.由图10和11可见，试件加载过程经历了弹性阶段、屈服阶段和强化阶段.加载初期，骨架曲线基本为直线，其斜率较大，试件处于弹性阶段且节点初始刚度较大；当位移约为50 mm(节点转角约为0.015 rad)时，骨架曲线斜率明显减小，说明节点进入屈服阶段，此时试验中观测到节点榫头和卯口之间产生了相对滑移；当位移约为110 mm(节点转角约为0.045 rad)时，骨架曲线斜率增大，试件处于强化阶段；当位移约为250 mm(节点转角约为0.080 rad)时，试件达到极限状态.

图10 荷载-位移骨架曲线

图11 弯矩-转角骨架曲线

3.4 刚度退化

割线刚度Ki可衡量结构或构件在相同的位移幅值下不同的加载循环产生的刚度退化[19].

图12为试件在第一、第二和第三周循环荷载作用下的割线刚度曲线.由图可见，试件的割线刚度随着位移幅值的增大而降低，当位移达到90 mm时，其割线刚度降至较低水平且趋于收敛；同一级位移幅值在不同循环下试件的割线刚度曲线基本重合.这是由于增大位移幅值的第一循环加载时，榫卯之间挤压变形加剧，梁榫切口位置出现裂缝并不断发展，试件损伤较大导致其刚度下降；而同一位移幅值的后续循环加载中，损伤部位只是原有裂缝的张开和闭合，试件并没有出现新的较大损伤，故其刚度变化不大.

图12 割线刚度曲线

3.5 能量耗散能力

结构的耗能能力是衡量结构抗震性能的又一重要指标，采用等效粘滞阻尼系数ξeq来分析试件的能量耗散能力[19].

试件的等效粘滞阻尼系数计算结果如图13所示.由图可见：加载初期到中期(控制位移为10～90 mm)，试件的等效粘滞阻尼系数大体上随着位移的增大而增大，这是由于加载前、中期榫卯之间的挤压变形随着控制位移的增大而不断增大，而榫卯之间的挤压变形和摩擦是箍头榫节点的主要耗能方式；加载后期(控制位移110～220 mm)，试件的等效粘滞阻尼系数有所下降，这是由于随着控制位移进一步加大，节点进入强化阶段，榫卯之间的挤压变形耗能减小，且由于榫卯交界面在不断的磨合后变得光滑，节点的摩擦耗能能力也有所减弱；试件加载全过程，等效粘滞阻尼系数均较大(0.22～0.30)，表明典型广府木祠堂结构具有较好的耗能能力.

图13 试件等效粘滞阻尼系数

3.6 延性

延性是评价结构抗震性能的重要指标.由于木材材料本身并没有明确的屈服概念，因此采用加载结束时的节点转角来反映节点的变形能力[19].本次试验中，节点转角达到0.09 rad时，试件仍可维持稳定状态，说明广府木结构节点具有较好的延性.

4 节点受力机理初探

由前文试验现象及数据分析可知，在荷载作用下，榫头与卯口之间通过摩擦、挤压进行力的传递，并可耗散一定的能量.随着荷载的增大，节点榫卯间缝隙的发展、榫卯交界面不断磨合变得光滑、木材挤压产生塑性，均导致了榫卯节点出现半刚性特点.本次试验中，竖向加载试件为梁底部拉裂而破坏，节点性能仍基本处于弹性阶段，节点虽然呈现出一定的半刚性特征，但其非线性尚未能完全体现，节点刚度相对较大；而水平加载试件的节点弯矩-转角骨架曲线出现弹性阶段、屈服阶段和强化阶段，节点呈现出较为显著的半刚性特征.

以箍头榫节点中梁为分离体进行受力分析；在竖向荷载及水平荷载作用下，木梁受到柱的作用力包括挤压力与摩擦力两部分，如图14所示(图中没有表示节点区梁柱侧面的摩擦力).由图14(a)可见，在竖向荷载作用下，柱卯口底部对梁榫产生向上的压应力；由于梁柱之间的相对转动，榫卯之间相互挤压并在梁榫口位置产生了一对不均匀的压应力，同时各交界面位置也产生一定的摩擦力；此时左右节点的变形趋势均为使得内侧梁柱夹角小于90°的闭合弯矩形式.水平荷载作用下，箍头榫节点受力如图14(b)所示；梁榫受到柱卯口的压应力和摩擦力作用；其左右节点存在不同的变形趋势，其中左侧节点为开口弯矩形式而右侧为闭合弯矩形式.

对于本次竖向荷载试验，其左右节点的变形趋势与图14(a)一致，均为闭合弯矩形式，故其左右节点受力状态和刚度较为接近.而对于水平低周反复荷载试验，由于试件受到竖向荷载与水平荷载共同作用，其节点区的应力状态为图14中两种应力情况的叠加；由于图14(a)与14(b)中左节点变形趋势相反而右节点变形趋势相同，叠加后将使得左右两侧节点的应力状态和刚度存在着较大的不同，也即同一节点在正向加载(水平荷载向右)和反向加载(水平荷载向左)时的应力状态和刚度存在不同；若木构架受到的竖向荷载值发生改变，将对试验结果产生进一步影响.已有文献表明，木结构榫卯节点中正反向受弯存在不同的受力性能[8]；文中的研究则进一步表明，梁上作用竖向荷载也将对节点的力学性能产生影响.

图14 节点受力机理示意图

Fig.14 Schematic diagram of mechanical mechanism of the joint

限于试件数量较少，本试验尚未能给出该类节点的刚度量化指标，后续将进一步通过试验研究及仿真分析探索此类型节点中梁上荷载及开闭口弯矩对节点刚度的影响.

5 结论

文中通过两榀大尺寸的典型广府木结构试件的竖向加载与水平低周反复加载试验，研究广府结构箍头榫节点的力学性能，得出以下主要结论：

(1)试件在梁跨中竖向荷载作用下，其破坏形式为梁下部木纤维突然拉断；而在水平低周反复荷载作用下，试件的破坏形式为节点附近梁端外侧被挤压而产生劈裂破坏.

(2)试件在水平低周反复荷载作用下，其滞回曲线较为饱满，延性较好，割线刚度曲线呈下凹型且趋于收敛，等效粘滞阻尼系数较大，表明典型广府木结构具有良好的抗震性能.

(3)箍头榫节点加载过程中，节点榫卯间缝隙的发展、榫卯交界面不断磨合变得光滑、木材挤压产生塑性，均导致了榫卯节点出现半刚性特点.

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Experimental Investigation into Mechanical Behaviors of Hoop Head Tenon Joint of Timber Ancestral Hall in Canton

CHENQing-jun1,2QIUKai-xiang1TANGXu-lin1YUANGuo-cai3XIAOMin2,4YANGChun1,2

(1.School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong, China;2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science,Guangzhou 510640,Guangdong,China;3.Architectural Design Research Institute,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China;4.School of Architecture,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China)

The typical timber ancestral halls in Canton in Lingnan area were investigated in this paper.In order to explore the mechanical properties of the hoop head tenon joints of the timber ancestral hall,one scaled model of Merbau timber frame was tested under the vertical static load while one scaled model of timber frame was tested under the low-cycle reversed loading.By the former test,the behaviors of the hoop head tenon joints,such as the failure mode,the mechanical characteristics and the stiffness characteristic,were obtained.By the latter test,the behaviors of the hoop head tenon joints,such as the failure mode,the hysteretic curves,the skeleton curves,the ductility,the stiffness degradation and the energy dissipation,were gained.Experimental results show that the specimen under the vertical static load fails because the bottom wood fiber of the beam breaks,while the specimen under the low low-cycleic reversed loading fails because of the splitting failure of the lateral of the beam end.In addition,under the low low-cycleic reversed loading,the hoop head tenon joints show a semi-rigid characteristic with a plump hysteretic curve,a concave and convergent stiffness curve,and a large equivalent viscous damping coefficient,which means that the specimen has a good seismic behavior.

timber ancestral hall in Canton;hoop head tenon;joint;static test;low-cycle reversed loading experiment;seismic behavior

2015- 12- 31

国家自然科学基金青年基金资助项目(51308218)；华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题(2015ZC18)；华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015ZM040)；贵州省科技合作计划项目(黔科合LH(字)[2015]7213) Foundation items: Supported by the Youth Foundation of the National Natural Science Foundation of China(51308218) and the Science and Technology Cooperation Project of Guizhou Province(LH[2015]7213)

陈庆军(1975-)，男，博士，副教授，主要从事结构理论、结构仿真分析等研究.E-mail:qjchen@scut.edu.cn

† 通信作者: 汤序霖(1986-)，男，博士后，主要从事结构工程等研究.E-mail:ctxulintang@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)10- 0096- 08

TU 366

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.10.014