直榫节点木结构模型振动台抗震性能试验研究

2022-06-02鲁志雄何宇祥薛国锋曾静茹陈征林

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2022年3期

鲁志雄，何宇祥，薛国锋，曾静茹，陈征林

（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山 528225）

众多古代木结构建筑历经各类大地震的作用仍然屹立不倒，这得益于其独特的抗震构造与优越的抗震性能［1-2］。蒋博光［3］通过对故宫建筑群震害记载进行探讨，发现除康熙十八年、雍正八年发生的大地震以外，木构架均未发生倒塌的情况。为研究古代木结构建筑的抗震性能，周乾等［4］采用分类统计方法，研究了榫卯节点、斗拱与梁柱的开裂、变形等因素的变化对木结构抗震性能的影响，同时也给出了相对应的加固方案。薛建阳［5］进行振动台试验，对铺作层、柱基础的滑移摩擦耗能，以及梁柱的榫卯节点耗能能力进行研究。邱凯祥等［6］通过试验研究得到节点初始转动刚度和极限弯矩与柱直径、榫宽度、摩擦系数、榫头侧面和卯口间挤压宽度的规律。肖旻等［7］通过有限元软件ABAQUS 对广府木结构祠堂的典型节点箍头榫和直榫进行参数分析,获得各种参数变化下节点弯矩承载力和节点转动刚度的变化规律。陈建军等［8］为得到广府古建筑木结构中箍头榫节点的抗震性能，对8 个缩尺节点试件进行低周反复荷载试验，得到了不同研究参数下箍头榫节点试件的破坏形态。

综上，我国众多学者对不同地区不同类型的古建筑抗震性能进行了研究。本文在前人的研究基础上，以岭南建筑陈家祠为背景，建立缩尺比例为1∶5 的直榫结构模型，通过振动台试验的方法研究直榫厅堂型古建筑木结构的抗震性能。

1 试验方案

1.1 试件设计

木构架模型相似比λ=1∶5，木材选用花旗松，采用青石板作为柱顶石，用M16 的地螺栓将青石板和振动台连接，同时校准青石板位置且使其顶面处在同一标高，木构架直接搁放在青石板的顶面，不采取拉结、剪铰等措施；榫卯节点采用直榫连接。模型尺寸见表1。

表1 模型尺寸 mm

1.2 测点布置

为了得到木构架模型在地震波作用下的响应规律，在模型的振动台台面、柱脚、柱头及配重板顶部4 个不同部位布置10 枚传感器，其中2 枚传感器分别置于配重板顶部（D5）和振动台台面（S5），4 枚传感器安装在柱脚（S1～S4），另外4 枚传感器（D1～D4）置于柱头位置，布置如图1 所示。

图1 试验布置图

2 加载方案

试验加载分为白噪声加载和地震波加载，具体如下。

（1）白噪声加载：在试验开始阶段，为识别结构自振模态，采用小幅值白噪声激起结构的频率响应，利用传递函数的频谱分析法得到结构的自振频率为1.83 Hz，采用半功率法得结构阻尼比为3.5 %，如图2 所示。

图2 结构基频

（2）地震波加载：为考虑不同场地影响下木结构的动力响应，选取2 条天然地震波EL-centro 波和Taft 波，以及1 条人工地震波HH 波，分级依次交替输入，加载工况如表2 所示。3 条地震波的频谱如图3 所示，可见其主频区间位于1.5～3.0 Hz 之间，与结构自振频率较为接近。

图3 地震波频谱分析图

表2 加载方案

3 试验现象

根据试验工况，将试验现象分为3 个阶段：

第一阶段：当加速度为0.1 g（7 度设防地震加速度值）时，构件整体出现轻微的扭摆，各构件性能保持完好，柱脚几乎无滑移，顶部发生位移较小；随着输入的地震加速度增大到0.2 g（8 度设防地震加速度值），模型的平面扭摆开始加剧，并且伴随着“吱吱吱”的摩擦声，顶部的位移明显大于柱脚的位移。

第二阶段：当加速度峰值达0.3 g 时，屋顶在平面内扭摆幅度较为显著，榫卯节点插榫和拔榫运动往复进行，伴随着愈发明显的“吱吱”声，木柱的倾斜幅度较大，柱脚位移达到7～15 mm；当台面输入地震激励达0.4 g（9 度设防地震加速度值）时，整个模型除了大幅度摆动以外还伴随着剧烈的扭转发生。

第三阶段：当峰值加速度到达0.6 g 时，节点处榫卯开始少量拔出，木构架摇晃强烈，柱架上的额枋有了较大的扭转滑移，柱脚产生新的位移达到了24 mm，额枋水平向出现轻微裂缝；当台面的地震激励达0.95 g 时，构架在额枋水平高度摆动，榫卯节点处拔榫的长度显著增加，额枋水平向出现较为显著裂缝，柱脚位移明显，由于青石板尺寸的缘故，某柱脚出现半悬空状态。

图4 试验现象图

4 试验分析

4.1 位移和加速度响应分析

通过传感器测得各工况下各位置位移与加速度反应曲线，不同部位位移和加速度峰值如表3 所示。由表3 可知，随着台面输入地震加速度的增加，模型各层位移反应最大值也随之增大。结合测量数据和试验现象，在地震波强度较小时，搁放在柱顶石的柱脚可以近似认为是铰接的关系；随着地震强度增加，结构柱脚发生滑移；在9 度强罕遇地震激励下，柱脚最大位移响应值约为120 mm，结构仍可屹立不倒。在各工况下，柱顶的位移反应峰值远大于柱脚的位移反应峰值。这反应出柱架在地震反应下摇晃较为明显，同时也反应榫卯节点的拔榫和插榫对削减结构的位移响应显著。

表3 模型各层反应位移峰值和加速度峰值

由表3 知，随着台面输入地震加速度的增加，模型各层绝对加速度反应最大值也随之增大。当地震波传到柱脚时，由于柱顶石和柱脚的摩擦往复作用，对地震波起到一定的耗散作用，地震波强度略微下降；当地震波传递到额枋时，通过榫卯节点的摩擦挤压作用，节点峰值加速度显著下降；当传递到屋顶时，由于没有相应的耗能构件，该位置的加速度较额枋处略微增大。综上所述，柱脚搁放于柱顶石与榫卯节点构造措施都发挥着减震耗能的作用。

4.2 动力放大系数

为了探索榫卯节点、柱脚搁放于柱顶石、屋顶等木结构的特殊构造对结构整体减震耗能的影响，引入放大系数β［9］。其中，β1为柱脚搁放于柱顶石的动力放大系数，是柱脚加速度峰值与振动台输入加速度峰值之比，反应柱顶石与柱之间滑移减震的效果。β2为构架榫卯节点的动力放大系数，是柱顶加速度峰值与柱脚加速度峰值之比，反应构架榫卯节点耗能减震的效果。β3为屋顶的动力放大系数，是构架顶面加速度峰值与柱顶加速度峰值之比，地震波从柱顶传递到屋顶的强度衰减状况。β4为木结构模型整体的动力放大系数，是构架顶面加速度峰值与振动台输入加速度峰值之比，反应结构整体隔震、减震耗能的效果。各工况下的动力放大系数如表4 所示。

表4 动力放大系数（减震系数）

（1）当动力放大系数β 小于1 的时候，反应该构造具有一定的减震性能。在表4 中知β1和β2两者均小于1，这表明柱脚、榫卯节点均起到了较好的减震作用。

（2）随着台面输入加速度的增加，β1变化幅度不大，说明柱脚的减震性能是相对稳定的。

（3）随着台面输入加速度的增加，β2下降较明显，榫卯节点的减震耗能性能随地震波强度的增大而增强。在EL-Centro 波作用下，β2由0.780 下降到0.236。分析得知，β2主要是通过卯口和榫头之间的摩擦挤压作用来体现。当地震强度不大时，木结构构架整体变形较小，侧向位移不明显，榫卯节点耗能能力较小；伴随着地震强度的增大，构架侧向位移显著增加，榫卯节点之间的接触愈发紧密，挤压程度增大，榫卯节点的减震耗能能力得到提升。

（4）随着台面输入加速度的增加，β3的值均大于1。屋顶层主要是为木结构提供质量和刚度。当地震波由榫卯节点传递到屋顶时，由于没有其他耗能构造的缘故，屋顶加速度反应得到增大。

（5）木结构模型整体动力放大系数β4随着地震加速度最大值的增大而不断减小。在0.95 g 峰值EL-centro 波作用下，β4最小值达到0.308。充分表明木结构构架具有优良的整体减震能力，其柱脚、榫卯节点等在其中发挥着较大的减震耗能作用。