黔东南州传统木结构直榫节点类型和受力分析

王展光，魏述和

（凯里学院 建筑工程学院，贵州凯里 556011）

0 引言

黔东南地区是苗侗等少数民居聚集区，其传统民居为穿斗式木结构，现在在黔东南仍然存在着50多万栋木质民居和数以百计的鼓楼和风雨桥。黔东南民居基本采用榫卯结构节点连接，很少采用钉子和钢节点连接，按榫卯节点形式分其主要采用的是燕尾榫节点和直榫节点，见图1。在这两种榫卯节点连接方式中，直榫节点是黔东南木结构采用的最主要的方式，大部分木柱和木枋的连接都采用这种形式，而燕尾榫节点主要用于地脚枋、美人靠靠背枋等几个特殊部位。因此对黔东南地区直榫节点进行梳理和分类，并对其进行力学分析是十分必要的。

图1 榫卯节点

对于传统木结构直榫节点，已经开展了相关研究。姚侃[1]提出的三折线模型；杨艳华[2]建立了直榫节点4参数幂函数弯矩-转角的相关曲线模型；潘毅[3]通过对直榫节点进行力学分析，建立了力学模型，并推导出简化计算公式；淳庆[4-5]研究了江南传统木构建筑直榫节点的力学性能；谢启芳[6]通过直榫节点的低周反复加载试验，得到了不同形式直榫节点的破坏特征、滞回曲线和耗能等；陈春超[7]通过试验和有限元模拟，对直榫节点的受弯性能进行研究；孙俊[8]借助木材嵌压理论，推导出直榫节点弯矩和转角的理论公式；胡旭[9]对黔东南地区穿斗式木结构材料性能和榫卯节点性能进行研究。

目前黔东南的木结构都没有经过设计计算，都是民族工匠根据其多年的经验和传承来进行设计和施工，因此结构的合理性和安全难以得到保证。对黔东南木结构直榫节点还没有学者进行全面梳理和分析，本文在其他学者研究的基础上，以黔东南木结构直榫节点为研究对象，通过大量的实际调研，对黔东南木结构直榫节点进行分类，并对其受力过程进行初步梳理，以期为后续研究提供思路和指导。

1 节点分类

黔东南木结构数量众多，其营造技法按国家非物质文化遗产大类分为“苗寨吊脚楼营造技艺”和“侗族木构建筑营造技术”。但实际上黔东南木结构做法十分复杂，不同村寨不同师承关系都会导致做法的差异，节点的连接上也会有各种不同的处理方式。

1.1 按销钉进行分类

按木柱和木枋的连接方式是否采用销钉进行分类，可以分为以下三种形式：不带销钉的直榫节点、带明销钉的直榫节点、带暗销钉榫卯节点，见图2—图4。

图2 不带销钉的直榫节点

这三种方式在民居、鼓楼和风雨桥中都大量采用，没有等级高低和优劣之分，更多的是由工匠自己的习惯、所学，并结合工程实际进行处理。其实在一般节点，很多工匠采用的是不带销钉的直榫节点，但在一些关键节点上，为了保证连接强度，会根据情况增加销钉。

图3 带明销钉的直榫节点

图4 带暗销钉的直榫节点

1.2 按截面形式分类

按截面形式进行分类可以分为：全截面直榫节点、半截面直榫节点、三分之一截面直榫节点。在所有直榫节点中，全截面直榫节点采用最为广泛；半截面直榫节点一般用于纵横向木枋需要保持在同一标高，如屋檐处，见图5；三分之一截面直榫节点原理同半截面直榫节点一样，一般用于纵向、横向和斜向木枋需要保持在同一标高，如在侗族鼓楼中较常使用，见图6。

图5 半截面直榫节点

图6 三分之一截面直榫节点

2 节点受力分析

为了比较不同类型直榫节点的受力情况，本文对按销钉进行分类的三种直榫节点进行分析，阐述三种类型直榫节点受力分析思路。

2.1 基本假定

由于榫卯节点受力十分复杂，为了在力学分析中进行简化，采用以下基本假定：

（1）假设榫头和销钉为刚性，忽略榫头和销钉本身变形；榫头发生刚体运动，忽略榫头和销钉的弯曲变形；

（2）榫头侧面摩擦力对弯矩贡献很小，为了简化问题难度，忽略榫头侧面摩擦力的影响[3]；

（3）平截面假定，假设木柱和木枋无论是在弹性阶段还是弹塑性阶段，其应变保持为直线。

2.2 变形和受力分析

对直榫节点进行力学分析，利用几何条件分析直榫节点的变形情况，利用平衡条件分析直榫节点弯矩和压力、摩擦力关系，最后引入木材的应力-应变模型，通过联立方程，最后得出弯矩和位移的计算公式。

（1） 几何条件

不同类型直榫节点变形状态示意图，见图7。从图7可以看出，不带销钉的直榫节点在外荷载作用下，直榫节点中点从A点移动到A’点，木枋既有横向移动δ又有围绕轴线的转动θ；带明销钉的直榫节点在外荷载作用下，不考虑早期错动和销钉变形情况，木枋围绕销钉B点进行转动，只有一个变量转角θ；带暗销钉榫卯节点，在不考虑销钉变形的情况下，木枋也是围绕销钉C点进行转动。

图7 直榫节点变形状态示意图

（2） 平衡条件

不同类型直榫节点的受力示意图，见图8。从图8中可以看出，在忽略侧面摩擦力的情况下，木枋所受弯矩M主要由木枋和柱的接触面的轴向力N和摩擦力f来平衡，通过建立力的平衡关系，可以得到弯矩与轴向力和摩擦力的方程式。

图8 直榫节点受力示意

在上面的两个条件的基础上，通过与木材的应力应变进行联合，求出木枋所受弯矩与木枋横向移动和转角的关系。

将推导出来的理论公式与相关直榫节点试验以及有限元模拟结果进行比较，验证理论推导结果的正确性与否。

由于直榫节点是半刚性连接，对节点半刚性性质的把握是直榫节点性能和木结构性能分析的关键。在理论分析、试验分析和有限元模拟的基础上，可以提出不同直榫节点情况下半刚度系数，从而可以将木结构简化为刚性连接进行分析计算，再用节点半刚性系数对木结构内力进行重分配，从而用结构力学的知识来解决木结构设计问题，使黔东南地区木结构设计和施工做到有据可依。

3 结论

通过上面的方法，可以对上述直榫节点受力情况进行分析，通过理论推导、力学试验以及有限元模拟计算，对每种直榫节点给出定量结论，从而较为完整地掌握直榫节点的力学性质，为后续对木构架的分析奠定基础。在此基础上，提出木结构的设计计算方法，为黔东南木结构的科学广泛使用提供理论支持。

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