榫头与卯口不同接触程度下大头榫节点的低周反复荷载试验

刘芳莲　陶忠　刘涛　张联霞

摘要： 为研究不同松动对大头榫节点抗震性能的影响，按云南“一口印”传统穿斗式木构架做法，选用杉木由作了3个大头榫节点模型，大头榫节点松动采用削减榫头宽度的方法来模拟。通过低周期的往复载荷试验，研究了3个大头榫卯节点的损伤形态，弯矩转角滞回曲线，骨架曲线，刚度退化规律和能量耗散能力。

Abstract： In order to study the effect of different loosening on the seismic performance of the bulkhead joints， according to the practice of "one seal" traditional wear bucket wooden frame， the Chinese fir was made up of three big head and tenon joint model， and the big tenon joints were used to reduce the tenon width simulation. The damage morphology， bending moment hysteresis curve， skeleton curve， stiffness degradation law and energy dissipation capacity of three bulkhead joints were studied by low cycle reciprocating load test.

关键词： 大头榫节点；低周往复荷载试验；抗震性能

Key words： large joint；low-cycle reciprocating load test；seismic performance

中图分类号：TU366.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）05-0110-04

0 引言

榫卯节点是传统木结构建筑的一大特色，在地震中榫头与卯口的相对运动能消耗地震能量。

近年来，高永林[1]等将榫卯节点进行拟静力试验，研究了摩擦效应对节点耗能能力的影响。陆伟东[2]等将破损的直榫节点进行加固，验证了不同材料加固后直榫节点抗震性能。Chang等[3]研究穿斗木构架榫卯节点的转动能力。

以上学者研究主要为节点摩擦机理、加固和转动性能缺乏节点在榫头与卯口不同挤压程度情况下抗震性能的研究。

1 试验概况

1.1 模型设计与制作

按照云南“一口印”穿斗木构架做法[4]，选用杉木作了3个大头榫节点模型， 表 1为节点模型尺寸，图1为节点具体构造图。

1.2 试验设备和装置

试验采用电液伺服作动器进行反复荷载加载，规定作动器向下推为正，向上拉为负。将两个钢制圆形套筒分别安装在柱头和柱脚，用于固定柱子，柱脚套筒底板焊接于钢梁上。图2为加载简图，图 3为加载现场图。

1.3 加载方案

竖向恒定轴向荷载N为10kN，施加到柱顶。加载装置中心与木柱边缘相距500mm。加载位移时间图如图4所示。

1.4 试验数据采集方案

试验中通过位移计和应变片采集数据从而计算的量有节点转角、节点弯矩、榫头拔出量。图5为应变片布置示意图。

2 模型试验

限于篇幅，现将3个模型加载试验现象描述如下：加载位移较小时，榫头拔出量极小，接近于零。3个模型加载过程中均有木纤维断裂现象，其中宽松模型在加载位移为50mm，适中模型30mm，紧密模型20mm时木纤维断裂，发出吱吱声。3个模型均在加载中卯口有劈裂破坏，紧密模型卯口最先破坏，宽松模型最晚破坏。加载结束榫头无法回位，宽松、适中、紧密模型拔榫量分别为25mm，20mm，20mm。加载结束，梁、柱除节点处以外均未破坏。

3 试验结果及分析

3.1 M-θ滞回曲线

M-θ滞回曲线可以通过滞回环面积表示节点耗能能力，它是節点抗震性能最直观的体现。图6为三个节点的滞回曲线图。

3个节点滞回环整体形状为反Z形，曲线中间有明显的捏缩效应。滞回环均随加载位移逐渐增大。第1圈滞回曲线的面积稍大于第2、3圈面积。加载位移较小时，曲线上升缓慢，加载继续进行，节点曲线迅速上升；加载模型卸载时，曲线下降速率逐渐增大。3个节点的滞回曲线均未出现弯矩跌落现象，与模型加载过程中3个节点模型榫头均未出现断裂有关。3个节点模型中，宽松节点模型榫头与卯口空隙较大，故加载初期滑移量最大。

3.2 M-θ骨架曲线

将M-θ曲线当中所有荷载最大的点连接即可得到M-θ骨架曲线[5]。图7中加载位移较小时，节点均出现滑移阶段。加载继续，紧密节点模型最早进入弹性阶段，宽松节点模型最后。加载位移越来越大，节点模型均发生破坏。宽松节点模型体现的承载力最低，且节点刚度小于适中和紧密模型节点。紧密节点模型曲线下降速率和弯矩极限值均最大，加载方向为负时更明显。

3.3 刚度退化曲线

试验节点刚度随每级加载位移循环次数增加和控制位移的增大逐渐下降。这种刚度下降的现象被称为刚度退化。在本次模型刚度采用割线刚度K表示 。模型割线刚度按（1）和（2）计算，其中（1）针对正向加载，结果为Ki，（2）针对负向加载，结果为ki。

其中：Mi取第i级，第一次循环弯矩极限值；mi取第i级，第一次循环负向弯矩极限值；？专i弯矩为Mi时转角值；？兹i取弯矩为mi时的转角值。

图8即为3个节点模型刚度退化曲线图，3个节点模型的刚度数值和退化曲线斜率有巨大差别。正向加载时初始刚度只为负向加载时的初始刚度的1/10。整个负向加载过程中刚度退化迅速，3个节点模型中紧密模型退化最快，宽松模型最慢，适中模型居中。当转角大于0.18rad以后刚度退化不再明显。endprint

3.4 耗能性能

本试验中3个节点模型的耗能性能以等效黏滞阻尼系数he来代表。he数值大小与节点模型耗能能力成正比。按（3）計算。

式中：SAFBE为滞回环面积（图 9阴影部分）；S？驻CEO+S？驻DFO为？驻CEO和？驻DFO面积之和。

由图10可见模型转角值小于0.16rad时，模型耗能能力均逐渐降低。且宽松模型小于适中模型小于紧密模型。榫头与卯口互相移动且相互挤压摩擦是消耗能量的最主要方式，故紧密模型在加载初期就挤紧，具有更大的耗能能力。当转角大于0.16rad时，模型耗能能力迅速增大。节点he均在0.16以上，最大值为0.425，可见模型均具有良好的耗能能力。

3.5 榫头拔榫量分析

模型均出现榫头拔出且随着拔出量越来越大难以复位的情况。拔榫量按照梁中线相对卯口外侧边缘相对位移定义。计算式为（4），图11、12为拔榫量计算示意图，模型转角与榫头拔出量关系图。

其中：？啄t、？啄b取值为拉线式位移计D2、D3所测数据。

模型的转角均小于0.16rad时，榫头拔出量与加载位移的大小成正比，与转角大小成正比。控制位移达100mm时，宽松节点模型卯口由于发生劈裂破坏，故拔榫量迅速增加，加载结束时榫头拔出量为27mm。模型由于榫头对卯口挤压较大，当加载控制位移达90mm时，卯口劈裂程度增加，榫头拔出量为52mm。适中模型加载过程中卯口劈裂破坏不严重，拔榫量数值增加缓慢。

4 结论

大头榫节点破坏形式主要为榫头拔榫和卯口劈裂、及榫颈处横纹压屈。

大头榫模型滞回环负向加载模型承载力更大，且负向加载时刚度为正向加载10倍。

大头榫模型极限转角均大于0.11rad，表现出良好的变形能力。He在0.16到0.42，减震消能性能良好。

大头榫模型榫头与卯口接触越紧密则越早进入塑性，但刚度、拔榫量、极限承载力和节点变形能力下降。

参考文献：

[1]高永林，陶忠，叶燎原，等.传统木结构典型榫卯节点基于摩擦机理特性的低周反复加载试验研究[J].建筑结构学报， 2015， 36（10）：139-145.

[2]陆伟东，邓大利.木结构榫卯节点抗震性能及其加固试验研[J].地震工程与工程振动，2012，32（3）：109-116.

[3]Chang W S. Research on rotational performance of traditional Chuan-Dou timber joints in Taiwan[D]. Tainan： Chen Kung University，2006： 13-17.

[4]杨立峰.匠作·匠场·手风——滇南“一颗印”民居大木匠作调查研究[D].同济大学，2005.

[5]徐明刚.中国古建筑木结构榫卯节点抗震性能研究[D].东南大学，2011.endprint