古建筑榫卯结构抗震性能与加固方法

诸葛泽衍，朱炯，吕芳礼

（徐州工程学院，江苏 徐州 221000）

0 引言

榫卯结构作为我国木建筑的传统结构形式，设计合理且实用性强。其采用的木材性能与连接方式能够在复杂变化中达到平衡。同样榫卯结构采用的“以柔克刚的设计方式”，在地震中能够凭借木材的柔韧性和延展性，缓解产生的震动。

通过借鉴古今中外对榫卯结构的研究案例，选择不同榫卯结构作为研究对象，总结出同一榫卯结构经过不同材料辅助后的抗震抗压能力。

1 常规榫卯结构抗震性能分析

我国榫卯结构历史悠久。木结构拥有一定的抗弯能力，能够在地震作用下消耗能量，从而达到抗震作用。榫卯结构样式多样，其中较为常见的有燕尾榫、半榫、夹头榫等。

1.1 燕尾榫抗震性能研究

燕尾榫作为最具有标志性的榫卯结构，国内外学者对其进行了大量研究。薛建阳等人进行抗震压力实验时，燕尾榫的破坏均发生在榫头和卯口处，其他试件部位受到的影响可忽略不计。在国外，Tannert等学者通过静力试验研究燕尾榫足尺模型，得出了燕尾榫榫头的高度与收乍角度的联系。

1.2 半榫抗震性能研究

半榫用于建筑物中部的柱，这种柱将梁架分为前后两段，由于两边的梁架均须与柱相交，因而其榫头做成了半榫形式。

国内关于半榫的抗震性能研究论文较为充足。淳庆等人进行抗震性能实验时，研究出半榫的滞回曲线、骨架曲线、转角刚度等。匡妍艺研究得出，实验中荷载弯矩不断加大时，半榫初始刚度由较平均逐渐缓慢衰减。在半榫受弯性能研究方面，荆鑫等人建立了弯矩-转角关系曲线，得出变化规律，弯矩增长随着转动初期上升缓慢而缓慢，半榫的破坏形态为榫头连接处出现断裂。

1.3 夹头榫抗震性能研究

目前国内研究有关夹头榫的论文并不充足，其中杨天智曾使用测距传感器等仪器根据尺寸比例模拟建筑抗震，得出尽管震动强度增加，但夹头榫建筑晃动幅度小、十分稳定的结论，进而证明夹头榫结构也具有良好的抗震性能。

1.4 不同榫卯抗震性能对比

半榫与燕尾榫破坏形态相似，两种榫卯抗震性能类似。上述三者的节点抗弯强度与破坏后强度为：燕尾榫＞半榫＞夹头榫。

2 榫卯结构加固方法

2.1 扁钢加固

扁钢拥有体积小、延展性优秀、强度高的优异性能，因此在建筑加固领域成为了首选。同时相对于木建筑，扁钢本身耐用，并且能够很好抵御环境腐蚀，避免自身物理性能的劣化。

郇君虹等人在进行扁钢加固的榫卯结构抗震性能测试时总结出：不同形态、不同厚度的扁钢提升的性能效果也有所差异。薛建阳曾在对破损的榫卯节点进行抗弯承载力实验分析时，更加完善地总结出：经过扁钢加固的榫卯结构的破坏形态主要是固定扁钢的部分螺钉被拔出，同时提出以U型扁钢进行加固的想法与极限抗弯矩计算公式，其抗震效果比原始扁钢加固更为突出。U型扁钢抗弯承载力公式如式（1）所示。

其中h为榫卯枋截面高度，hs为扁钢的净截面宽度，t为扁钢的厚度，σsy为加固扁钢的抗拉屈服强度。

2.2 CFRP布加固

CFRP的比强度和比刚度高，具有良好的抗疲劳性能、耐腐蚀性能和耐火性能，同时，对于任意封闭结构和形状复杂的被加固结构表面，CFRP布能够降低复杂表面处受到磨损的风险，使用CFRP布进行加固简便易行效率高。

有学者通过静力受弯实验研究，确定经过CFRP布加固燕尾榫之后，其抗弯性能有所提升。在低周反复荷载实验中，闫维明、陆伟东等人研究发现，构架节点处转动刚度虽然提高但是耗能能力下降。同时，薛建阳等通过模拟地震作用，分析CFRP布加固榫卯结构后的抗震性能与动力特性，此加固方法能够提高节点的延展性、转动刚度和承载力，可用于损坏较轻的榫卯节点处，但具有一定的局限性。

2.3 马口铁加固

目前我国部分地区榫卯结构加固采用的是马口铁进行辅助稳固，其加固方式采用10～15 mm的钢筋，两端做成直钩形状，嵌入榫卯节点处。闫维明进行振动台实验研究时得出结论，马口铁通过限制节点处位移，能使得榫卯结构在刚度上获得一定的提高，但是在强烈地震摇晃下效果明显减弱。在另一个实验中总结出，马口铁加固榫卯虽然提高了结构承载力，保留了较好的变形能力，但是其节点耗能能力有所下降。

2.4 加固方法效果对比

扁钢加固性能最优，之后依次为CFRP布加固与马口铁加固。

3 结语

传统木结构作为我国古代建筑文化传承下来的瑰宝，在我国仍然具有较大的影响力。推广榫卯结构能够获得较多群众的支持与采纳。但在榫卯结构抗震领域仍存在许多问题需要去深入研究解决，比如榫卯结构自身性能退化与抗震的联系、新型抗震榫卯结构的运用以及材料加固位置、木建筑结构关键位置的选取等。如何将新型加固材料与榫卯结构结合使用，成为未来研究与实践的课题。