古建筑木结构榫卯节点研究

刘姝均

一、榫卯节点耗能减震原理

耗能减震结构是在小震作用下，耗能构件主要提供的刚度或者摩擦阻尼，基本位于弹性阶段，可使结构始终满足正常使用状态要求；在中震与大震作用下，构件耗能装置会产生诸多阻尼，输入到结构中的能量会消耗一部分，使结构动力响应减小，但不会使主体结构发生明显变形，由此确保结构安全可靠。减震原理可从能量角度分析，在地震作用下任意时段能量可表示为：

式中，Ein代表的是地震期间减震结构体系总能量；Ee代表的是减震结构弹性应变能；Ek代表的是减震结构体系动能；Ec代表的是粘滞阻尼耗能；Eh代表的是结构体系滞回耗能；Ed代表的是吸收耗散能量。在上述方程中，Ee与Ek仅为能量转换，不会出现能量消耗。在摩擦减震结构中，耗能减震器先进入耗能状态，此时主体结构尚未处于非弹性状态，耗能构件的耗能作用得到充分发挥，大多数能量得以耗散，对结构自身所需耗散能量会有所降低，结构响应减少，使主体结构避免受到损坏。在该结构中，以耗能构建产生阻尼耗散地震输入的部分能量的方式，达到减震目标。

在节点减震方面，古建筑结构中柱、额枋均利用榫卯连接，而榫卯连接是在刚接与铰接间，具有半刚性特点，不但可抵抗一定弯矩，还可发生较大转动变形，该结构不但可承受特定水平作用，还可增加水平位移。因受到半刚性影响，使节点在水平荷载作用下受到剪力、轴力、弯矩等综合作用，榫头侧面因与卯口之间相互挤压出现一定变形，并产生与节点方向背离的摩擦力，榫头上下表面与侧面则会产生局部压应力。在节点发生变形后，榫头与卯口均呈现局部受压态势，木材顺纹方向只有局部受压，压力少于完全受压，使节点拥有一定的耗能减震能力，可通过榫头与卯口间的摩擦，使节点具备耗能减震性能。

二、古建筑榫卯节点减震性能分析

1.测点布置

古建筑中结构多为竖向分层，且允许构件之间存在相对滑移。在正式开展试验前，针对各构件初始处进行准确测量，安装12枚磁电拾震器。在阑额两侧、加固节点钢片与柱体根部位置安装应变片，对模型相应位置的内力与变形情况进行测试。量测方案为利用位移计测量榫卯拔出量与柱侧移情况；利用倾角仪测量柱额相对转角；利用7V08数据采集仪器对数据进行采集；利用电阻应变片对柱、额、CFRP布与扁钢应变情况进行测量。

2.加载方式

分级交替输入模拟地震E1 Centro波与Taft波，对模型动力响应情况进行测试，并在台面中陆续输入地震波加速度峰值。加固前地震激励峰值加速度分别为0.058g、0.106g、0.206g、0.302g、0.417g、0.594g、0.876g；加固后分别为0.062g、0.104g、0.204g、0.320g、0.397g、0.537g、0.795g。在本次研究中，针对模型加固前后各项动力参数、内力变化情况进行测试。在加载方案中，利用水平自由滑动千斤顶施加恒定竖向荷载；为避免构架朝着平面外侧位移，在梁两侧布设侧向支撑；采用变幅值位移控制加载，每级位移幅值循环三次。

3.试验结果

（1）节点未加固结果

将模拟地震E1 Centro波与Taft波依次输入，当输入加速度级别不断增加时，模型振动幅度也随之增加，且产生“吱吱”声，榫卯缝隙挤紧；在输入地震波0.4g后，结构出现轻微的扭动，尤其是柱根位置扭动最为显著，但节点尚未受到损坏；当输入地震波超过0.5g后，榫卯闭合幅度不断增加，斗拱与普拍枋之间出现相对滑移，后者滑移为130mm。台面输入地震激励超过0.9g后，模型开始分层侧移摆动，混凝土配种板摆动减小，柱架在额坊水平位置来回摆动，可见与梁架接触位置拱与斗之间存在转动与起落，将榫拔出后卯闭合，整体强度与稳定性良好。在输入1.20g后，结构出现十分明显的“嘎吱”声响，此时榫卯已经完全拔出，反复试验后，模型顺着激励方向榫卯脱离，整体模型倒塌。

（2）节点加固结果

根据静力试验结果可知，扁钢适用于破损程度较大的节点加固，将受损模型按照原本位置组装起来，将设计好的加固方案对榫卯周围扁钢进行加固，再重新逐级输入地震激励，用于对比古建筑中结构加固前后的抗震性。在输入激励为0.05g时，结构朝着同一方向微颤；在输入激励值在0.1～0.2g之间时，柱根已经逐渐滑移，且方向不尽相同；在输入激励为0.40g时，普拍枋与斗拱间滑移陆续显现出来，模型摆动更加显著。在普拍枋与栌斗底部出现个别结构脱离情况，但节点榫卯未脱离出来，这意味着节点包箍扁钢具有约束作用；在激励值为0.50g时，与柱头扁钢相邻位置的扁钢出现部分屈服，在临近节点固定处的扁钢已被拔出，节点与钢箍位移方向并不一致；当激励为0.80g时，节点钢片出现明显的细碎裂纹，且扁钢屈曲、起鼓，这意味着随着变形的增加，扁钢已经超出屈服强度，处于塑性阶段。根据试验全过程可知，梁端与柱头应力应变值均较低，与材料强度极限相比较低，结构构件在整体试验中均为弹性阶段。

（3）动力放大系数特性

①激励值与斗拱层关系。顶面动力系数为顶面峰值与柱头加速度比值，可将激励值与斗拱层间的关系体现出来。在地震影响下，斗拱如同弹球一般循环摆动，加上斗拱与普拍枋间有一定的摩擦滑移，可消耗诸多地震能。与放大系数变化趋势相比，未加固模型放大系数降低变化规律与加固后规律相同，这意味着扁钢加固处理后也具备良好的减震效果。但因结构处于极限状态，其动力放大系数逐渐提升，未固定模型放大值与加固系数基本相同，说明加固方式科学可行。一般情况下，节点加固动力值普遍超过加固之前，意味着加固后刚度有所提升，且在未加固模型倒塌后，柱顶与表面动力系数与以往相比有所提高，意味着在结构承载力消失时，其自身减震性能也随之降低。

②激励值与放大系数关系。从整体来看，动力放大系数为顶面与激励值的比值，可将激励值与整体减震间的关系体现出来。当激励降低时，不同层面放大系数相对较大，且减震作用无法充分发挥出来。在激励值增加时，不同层面放大系数逐渐降低，且降低速度不断加快，减震效果更加显著。但未加固模型结构在激励值处于1.2g时，其不同层面动力系数与以往相比均有所提升。可见，在实际活动中榫卯拔出长度较大，结构随时可能坍塌。根据计算结果将加固与未加固模型中不同层面放大系数变化趋势进行分析。在激励较小情况下，柱根与台面加速度时程曲线基本重合，这意味着此时二者处于同步运动状态，振动台面、摩擦力与柱根一同运动。与摩擦试验结果相同，即冲破最大静摩擦力之前，摩擦力值均由上方结构运动趋势所决定；当激励不断增加后，不同阶段的放大特性也不尽相同。

③激励值与减震性能关系。在模拟地震E1 Centro波与Taft波影响下，没有加固的模型柱头放大系数与加固后放大系数均小于1，并且随着级别的增加而减小，这说明榫卯节点具有减震性，该模型的地震响应衰减也较为显著。木柱自身的弯曲变形能力较弱，侧移柔度主要借助榫卯张角变形柔度来实现，张角变形使诸多振动能量被消耗，主要从柱头加速度逐渐降低而体现，这意味着榫卯耗能性更加显著，拥有较强的减震能力。

三、结语

综上所述，通过对榫卯连接木构架抗震性能进行试验可知，随着位移增加各构架刚度逐渐减小，但减小幅度较小；扁钢加固可提高节点强度与刚度，但会受地震影响更大。对此，应在节点加固后探寻刚度与强度间的变化规律，合理选择扁钢合适用量；针对刚度或者强度显著不足，且位置较为隐蔽的榫卯节点可利用扁钢加固。根据试验结果可知，节点榫卯加固方案科学可行，可使古建筑结构更加稳定可靠。