木结构榫卯节点抗震性能及加固对比试验研究

金昱成，苏何先，潘文，何颖成，杜杰伟，付高攀

(昆明理工大学 a.建筑工程学院；b.云南省抗震工程技术研究中心；c.公共安全与应急管理学院，昆明 650500)

木结构榫卯节点具有半刚性特点，能在地震作用时产生较大滑动位移而减轻结构的地震损伤，但若没有良好的拉结措施，榫卯节点可能脱开而导致节点失稳、房屋倒塌，所以，榫卯节点是木结构抗震设防的关注重点[1]。中国西南地区由于受地区经济、自然条件、传统民族文化等因素影响，木结构仍是该地区村镇民居建筑的一种主要结构形式。虽然木结构整体抗震性能较好[2-3]，但村镇木结构往往没有经过严谨的抗震设计，大部分房屋由施工者按照经验进行施工，且多数使用年限较长，年久失修，一旦发生地震，未进行加固的木结构房屋榫卯节点极易出现断裂、拔榫等破坏，造成严重的经济损失和人员伤亡[4-6]。因此，针对村镇木结构的抗震加固研究逐渐受到关注。

周乾等[7]开展的木结构缩尺模型振动台试验结果表明，采用钢构件加固节点的效果优于CFRP布和马口铁。熊海贝等[8]通过开展单层单跨梁柱式足尺木框架拟静力试验，验证了节点采用碳纤维布和自攻螺丝加固均能有效抑制裂缝开展，并能够恢复结构强度、刚度等力学性能，节点加固并增设隅撑可显著提高结构抗侧移性能。姚侃等[9]对采用Q235钢加固榫卯连接节点的缩尺木结构模型进行了振动台试验，结果表明，加固木结构的强度、刚度和整体性获得提升，Q235扁钢加固榫卯连接节点有效地阻止了结构节点的破坏。郇君虹等[10]对采用不同形式扁钢加固的有损节点进行了静力推复试验，结果表明，带螺钉加固装置的加固效果最为明显，加固件与构件之间的有效连接可以提高榫卯节点的抗震性能。Kramár等[11]对采用不同类型碳纤维布加固的木梁开展了试验，结果表明，有纹路的CFRP布具有更好的加固性能。聂雅雯等[12]对不同紧密程度的附加黏弹性阻尼器燕尾榫节点开展了拟静力试验，结果表明：紧密节点耗能较强；安装阻尼器后，节点刚度、强度和耗能均得到提高，且负向加载时提高较显著。高永林等[13-14]对榫卯节点附加黏弹性阻尼器的两层足尺穿斗式木结构房屋模型进行了振动台试验，结果表明：榫卯节点附加黏弹性阻尼器后节点刚度增大，变形恢复能力显著提高，结构未出现明显倾斜破坏；结构模型具有明显扭转效应，未发生塑性破坏，底层层间耗能最高，屋脊最低。Xue等[15-16]对采用形状记忆合金钢丝和SMA阻尼器加固的榫卯节点进行了拟静力试验，结果表明：采用形状记忆合金钢丝加固节点能降低其拔榫量，提升极限承载力和初始刚度；增加SMA阻尼器中形状记忆合金钢丝的预应力可以有效降低拔榫量，提高节点极限承载力、耗能能力和恢复能力。

尽管学者们针对木结构榫卯节点提出了采用钢(铁)件加固、碳纤维增强复合材料(CFRP)加固以及附加阻尼器等一系列技术措施并验证了其有效性，但针对村镇木结构，特别是在役木结构房屋节点的加固方式需优先考虑其经济性、可操作性和实施便利性。为此，需要在已有研究基础上进一步开展榫卯节点加固研究，特选取西南地区典型透榫、半榫和燕尾榫榫卯节点为原型，制作15件榫卯节点试件，并对其中12件试件分别采用扒钉、钢板和木条进行加固，开展拟静力试验，对比研究加固与非加固节点试件的抗震性能，为村镇传统木结构节点加固提供建议与指导方法。

1 试验概况

1.1 试件设计

选取中国西南地区常见铁杉设计制作了透榫、半榫和燕尾榫3类节点试件，每种类型的节点试件包括未加固、扒钉加固、钢板加固、木条φ10螺栓加固和木条φ12螺栓加固节点试件共5件[17]。试件均参照西南地区村镇木结构典型榫卯节点样式进行设计，由昆明理工大学抗震研究所的专业技术工人制作，具体流程为卯口、榫头制作和组装以及盖木、垫木安装，节点示意图如图1所示。试件模型尺寸见表1。试件编号JD-1a～JD-5a为透榫节点，JD-1b～JD-5b为半榫节点，JD-1c～JD-5c为燕尾榫节点。节点编号如表2所示。

表1 试件尺寸Table 1 Sizes of specimens

表2 节点编号Table 2 Numbers of joints

榫卯节点试件加固共使用了4种方案。方案一:利用4根直径10 mm、长度150 mm、钉长50 mm扒钉进行双侧加固，扒钉与梁呈30°夹角；方案二:采用两条宽40 mm、长425 mm、厚2 mm钢板进行双侧加固，钢板与梁平行，连接方式采用φ12螺栓锚固；方案三:通过两条宽60 mm、长600 mm、厚60 mm木条进行双侧加固，木条与梁呈45°夹角，连接方式采用φ10螺栓锚固；方案四与方案三的差异是将连接螺栓改为φ12螺栓。加固方案中的扒钉、钢板均采用Q235钢进行制作，螺栓选用普通螺栓，加固节点试件示意图如图2所示，节点加固材料尺寸参数见表3。

图2 加固节点试件示意图Fig.2 Diagram of specimens of reinforcement

表3 加固材料尺寸Table 3 Sizes of reinforcement materials

1.2 材料性能

按照木材物理性能与力学性能测定标准，选取12个试样进行木材密度、含水率、顺纹抗压强度、顺纹抗压弹性模量、横纹抗压强度、横纹抗压弹性模量和抗弯强度等指标的测量，取平均值作为测试结果，如表4、表5所示。

表4 木材物理性能指标Table 4 Physical properties of wood

表5 木材力学性能指标Table 5 Mechanical properties of wood

1.3 加载与测试

1.3.1 试验加载设备与措施 为防止节点试件在加载过程中侧移失稳，试件柱顶与柱底采用钢管套筒进行固定。利用液压千斤顶向柱顶施加10 kN的竖向恒荷载，采用电液伺服作动器在悬挑梁端施加循环荷载，作动器加载点距柱边缘500 mm，加载示意如图3所示。

图3 试验加载装置Fig.3 Experimental loading

1.3.2 加载制度 根据木结构榫卯节点特点，参照《建筑抗震试验方法规程》(JGJ/T 101—2015)中的5.3.4条[18]，梁端荷载采用位移控制分级加载，第1级控制位移幅值为10 mm，每级位移增幅10 mm，循环3次，直至试件破坏或控制位移达到试验设备最大行程±125 mm时试验结束，加载制度如图4所示。

图4 加载制度

1.3.3 测量内容与测点位置 节点试验的主要测量项目是力和位移，柱顶恒载由油压表测读，梁端荷载由电液伺服作动器配置的力传感器测量，位移测量重点关注梁端加载位移和节点的拔榫量，共布置3只位移传感器，在节点上方、下方各布置1只位移计测量节点拔榫量，为避免加载装置连接间隙的影响，在距柱内侧500 mm处安装位移计测量梁端位移，测点布置如图3所示。

2 试验现象及结果分析

2.1 试验现象

2.1.1 未加固试件 在10 mm位移工况下，透榫节点JD-1a榫卯间出现挤压声响，榫头被轻微拔出；至加载中期，卯口出现缝隙，拔榫量明显增大；加载至90 mm，拔榫更显著，荷载开始下降，试验结束。半榫节点JD-1b试验现象与透榫节点JD-1a类似，加载至110 mm时拔榫严重，为避免榫头掉落，停止加载。燕尾榫节点JD-1c试验现象与透榫节点JD-1a类似，加载至作动器最大行程，试验结束。试件破坏状态如图5所示。

图5 未加固试件破坏状态Fig.5 Failure patterns of specimens before

2.1.2 扒钉加固试件 透榫节点JD-2a在加载前期就出现榫卯间的连续挤压声，上侧扒钉孔扩展；后续加载过程中，扒钉孔持续扩展；至加载后期，榫头开始拔出，荷载降低，出现榫头断裂声，试验结束。半榫节点JD-2b试验现象与透榫节点JD-2a类似，加载过程中伴有木材断裂声；加载至100 mm时，扒钉断裂，退出工作，试验结束。燕尾榫节点JD-2c试验现象与半榫节点JD-2b类似，但未出现明显裂缝且后期荷载趋于平稳，加载至作动器最大行程，试验结束。节点试件破坏状态如图6所示。

图6 扒钉加固试件破坏状态Fig.6 Failure patterns of specimens after reinforcement

2.1.3 钢板加固试件 透榫节点JD-3a在试验加载前期有轻微间断响声，卯口变大；至加载中期，榫头断裂，钢板出现弯曲扭转；加载至作动器最大行程，试验结束。半榫节点JD-3b试验现象与透榫节点JD-3a类似，加载后期梁底部垫木脱落，加载至作动器最大行程，试验结束。燕尾榫节点JD-3c试验现象与透榫节点JD-3a类似，往复荷载作用下，钢板产生显著塑性变形，加载至作动器最大行程，试验结束。试件破坏状态如图7所示。

图7 钢板加固试件破坏状态Fig.7 Failure patterns of specimens after reinforcement

2.1.4 木条加固试件 在试验加载前期,透榫节点JD-4a、JD-5a木条、梁柱之间均出现挤压声，但未产生明显裂纹；至加载中期，出现大量裂缝；加载至100 mm时，荷载明显下降，试验结束。半榫节点JD-4b、JD-5b在10 mm位移工况下出现轻微声响；加载后期，试验现象与透榫节点JD-4a、JD-5a类似，为防止榫头脱落，停止加载。燕尾榫节点JD-4c、JD-5c试验现象与半榫节点JD-4b、JD-5b类似，加载至作动器最大行程，试验结束。破坏状态如图8所示，采用不同直径螺栓进行加固的节点试件破坏形态类似。

图8 木条加固试件破坏状态Fig.8 Failure patterns of specimens after reinforcement

2.2 结果分析

2.2.1 滞回曲线 15件榫卯节点试件在反复荷载下的滞回曲线如图9～图13所示。节点试件的滞回曲线形状整体均呈反“Z”型，捏缩效应明显，说明加载过程中榫卯间存在大量滑移。在每一级加载位移工况下，第1循环圈的滞回曲线面积均大于第2、第3圈，说明榫卯节点在循环荷载作用下产生了不可逆的变形，出现了强度退化。除加固件破坏的节点外，其余节点试件的滞回曲线面积与加载控制位移呈正相关。

由图9可见，未加固节点试件滞回曲线均呈反“Z”型。图9(a)中透榫节点JD-1a的滞回曲线较为平滑，滑移较大，在加载控制位移转角达到0.260 rad时，弯矩达到4.46 kN·m，且仍呈增长趋势。图9(b)中半榫节点JD-1b和图9(c)中燕尾榫节点JD-1c拔榫滑移均低于透榫节点JD-1a。

图9 未加固节点滞回曲线Fig.9 Hysteresis curves of joints before

由图10可见，扒钉加固节点试件滞回曲线在前3级加载位移工况下均呈反“S”型，与未加固节点试件相比，滑移量降低，在相同加载控制位移工况下，其节点承载力得到提高。所有节点在位移控制加载前期承载力增长较快，加载后期，由于加固件破坏或试件破损，节点承载力增长变缓后开始降低，但试验全程节点未出现显著破坏。

图10 扒钉加固节点滞回曲线Fig.10 Hysteresis curves of joints after reinforcement with iron

由图11可见，钢板加固节点试件的滞回曲线前期呈反“S”型，形状较为饱满，榫卯间的滑移较小，说明加固节点的钢板参与耗能效果较好。图11(a)中透榫节点JD-3a在转角位移加至-0.112 rad时榫头断裂，但节点承载力未出现明显下降。在试验加载全程，半榫节点JD-3b与燕尾榫节点JD-3c弯矩值均逐渐增长而未出现下降。

图11 钢板加固节点滞回曲线Fig.11 Hysteresis curves of joints after reinforcement with steel

由图12、图13可见，木条加固节点试件的滞回曲线呈非对称的反“Z”型，转角位移负值方向滞回曲线面积较大且饱满，这与加固木条仅在梁柱下侧布置直接相关。与未加固节点对比，采用木条加固后榫卯间的滑移降低。试验加载前期节点试件承载力增长较快，随着加载控制位移的增大，节点承载力增长变缓，位移控制加载后期节点承载力陡降是木条断裂所致。

图12 木条φ10螺栓加固节点滞回曲线Fig.12 Hysteresis curves of joints after reinforcement with φ10 bolt wood

图13 木条φ12螺栓加固节点滞回曲线Fig.13 Hysteresis curves of joints after reinforcement with φ12 bolt wood

图14 骨架曲线

2.2.3 节点拔榫 节点拔榫量为枋边中心线与柱边的相对位移[19]，计算公式见式(1)。

(1)

式中：δ1、δ2为梁端位移计所测位移量，拉伸为正，压缩为负。

试验节点试件的拔榫情况如图15所示。由图15可见，所有加固方式都能有效降低节点拔榫，拔榫量与加载控制位移呈正比关系。与未加固节点相比，扒钉、钢板、木条φ10螺栓和木条φ12螺栓加固透榫节点JD-2a、JD-3a、JD-4a和JD-5a在90 mm位移工况下节点拔榫量分别降低了3.43、5.04、6.04、6.31 mm，榫卯节点抗拔性能得到明显提升。在110 mm控制位移下，未加固节点试件透榫、半榫和燕尾榫节点JD-1a、JD-2a和JD-3a拔榫量分别为28.33、34.52、23.32 mm，说明燕尾榫节点抗拔性能较好。图15(a)、(c)中木条加固透榫JD-4a和燕尾榫节点JD-4c拔榫量出现突变，原因是加固木条断裂，造成螺栓脱离。木条加固节点试件中，采用不同直径的螺栓对拔榫量无显著影响。

图15 节点拔榫量Fig.15 Pullout amount of mortise-tenon

2.2.4 刚度退化曲线 刚度与加载控制位移、位移循环圈数成反比的现象称为刚度退化，节点刚度可用割线刚度K值表示，计算公式见式(2)、式(3)。

(2)

(3)

计算得出节点试件的刚度退化曲线如图16所示。加固节点试件的初始刚度与加载结束时的刚度总体均有提高，节点负向刚度从大到小依次为：木条φ12螺栓加固节点(JD-5a、JD-5b、JD-5c)>木条φ10螺栓加固节点(JD-4a、JD-4b、JD-4c)>扒钉加固节点(JD-2a、JD-2b、JD-2c)>钢板加固节点(JD-3a、JD-3b、JD-3c)>未加固节点(JD-1a、JD-1b、JD-1c)。刚度退化曲线总体呈下降趋势，其中，木条加固节点试件初始刚度提高较为显著，节点负向初始刚度提升超过4.9倍。在加载前期，木条加固节点试件刚度退化斜率最大，退化较快。木条加固件的非对称布置导致节点正、负向加载受力不一致，负向加载刚度明显高于正向加载刚度。扒钉、钢板加固节点试件的刚度退化相对较平缓。图16(a)中扒钉、钢板加固透榫节点JD-2a、JD-3a在负向加载时发生刚度退化突变，原因是上侧扒钉和单侧钢板发生破坏，退出工作。

图16 刚度退化曲线Fig.16 Rigidity degradation

表6 耗能能力Table 6 Energy consumption capacity

3 结论

通过对未加固与采用扒钉、钢板和木条加固的透榫、半榫以及燕尾榫节点试件进行拟静力试验，得出以下主要结论：

1)榫卯节点试件采用相应加固措施后仍具有“半刚性”特点，其试验滞回曲线呈反“Z”型。

2)未加固榫卯节点的主要破坏形式是榫头卯口挤压开裂、榫头拔出、垫木盖木脱落，加固后榫卯节点以加固件破坏形态而破坏，主要表现为扒钉断裂、钢板弯扭屈服和木条断裂。

3)各节点试件的拔榫量与加载控制位移呈正比关系，所有加固措施均能有效降低节点的拔榫量，其中木条加固措施对降低节点拔榫效果最为显著。

4)所有加固措施均能有效提高节点的承载力、刚度和耗能能力，采用木条加固提升效果最佳，加固后的半榫和燕尾榫节点负向加载时承载力提升超过10倍，刚度提升超过8倍，加固后的半榫节点耗能能力提升超过2.6倍。

5)实测木条加固榫卯节点采用非对称形式时受力性能明显不对称，实际应用中宜考虑通过调整木条安装角度和连接螺栓数量等以实现对称加固。