残损榫卯节点抗震性能及加固方式研究综述

宋明烨 赵庆双

(聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000)

0 引 言

木结构作为我国的传统建筑形式，一直延续使用了数千年，已经成为一种相当成熟的建筑结构形式。榫卯连接是我国古建筑木结构的特色，木结构各构件节点之间采用榫卯连接时无需一铁一钉，榫卯连接不属于刚性连接，因此在发生地震作用时，榫卯节点之间会产生转动和滑移以一定的变形来吸收一部分震能，也正是因为这个特点，木结构建筑具有比较好的抗震性能。同时榫卯节点也是整个木结构中最容易受到破坏的部位，在受到周围环境侵蚀或人为破坏甚至地震等自然灾害的破坏后，节点会发生拔榫或榫头折断，严重时可能会导致整个建筑的失效。目前国内外不少学者对榫卯节点的抗震性能展开研究，因结构形式和连接部位的差别，榫卯节点有很多类型，其中对燕尾榫和直榫节点抗震性能的研究较为普遍。本文在介绍榫卯节点破坏形式的基础上，对学者们在残损榫卯节点抗震性能及加固方式方面的研究方法和成果进行综述，并提出笔者的看法。

1 榫卯节点破坏形式

1.1 拔榫

榫卯节点属于半刚性连接，在受到风、地震等外力作用时，榫头和卯口之间会发生滑移和转动，时间一长，榫头和卯口之间就会出现间隙，即发生拔榫。较小程度的拔榫可以通过变形吸收一部分能量，具有一定的耗能能力，但拔榫量较大形成脱榫，就可能会导致整个建筑破坏。

1.2 榫头变形

榫头变形包括榫头下沉和榫头歪闪。榫头和卯口发生相对运动时，榫头受到挤压，榫头尺寸压缩，形成下沉问题，导致榫头和卯口之间产生一定的间隔，外力作用时，就容易发生拔榫。在水平外力作用下，榫头和卯口之间发生错动和扭转，一般发生榫头歪闪时，榫头很有可能已经开裂。

1.3 榫头槽朽

在潮湿环境下，提供了木腐菌侵蚀木材的条件，是木材的特性之一。榫头槽朽后刚度退化严重，在受力发生相对运动时，榫头受力截面容易折减，节点的连接性减弱。

2 残损榫卯节点抗震性能研究

2.1 试验研究

模拟试验是研究榫卯节点抗震性能的常用手段，将研究对象制作成小比例模型，采用人工手段模拟榫卯节点已出现的损坏形式，通过试验分别获得残损和完好榫卯节点的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线，通过与完好节点各类曲线的对比，研究已出现残损榫卯节点的刚度、承载力、耗能能力等抗震指标的变化。

2.1.1 拟静力试验研究

拟静力试验是通过施加静力荷载，测试残损榫卯节点的承载能力和变形性能。静力试验可以直接测量节点的变形和位移，评估加固效果。

谢启芳等[1]为了研究直榫节点的抗震性能是否受残损类型的影响，制作了7个1∶4.8的直榫节点缩尺模型，通过钻孔来模拟虫蛀和真菌腐朽（见图1所示），然后进行低周反复荷载加载实验（见图2所示），得到结论：榫卯节点破坏主要是发生了拔榫和接触面的挤压变形。滞回曲线捏拢效应明显。残损节点的转动弯矩、刚度和耗能能力明显低于完好节点，不过受损构件仍具有良好的延性。

图1 人工模拟虫蛀

图2 加载装置示意图

薛建阳等[2]为研究松动程度不同的透榫节点的抗震性能，保持卯口的尺寸不变，人工缩减榫头的大小，水平低周往复加载，试验发现不同松动程度的节点刚度和极限弯矩均小于完好节点，节点的耗能能力与松动程度成反比。

谢启芳等[3]为研究不同残损形式对燕尾榫抗震性能的影响，通过三个独立节点模型（一个完好，一个模拟真菌腐朽，一个模拟虫蛀），进行低周反复加载试验，结果表明完好节点的转动弯矩和转动刚度均高于残损节点，其中虫蛀节点的转动弯矩下降更明显，但残损节点的耗能能力更强。

2.1.2 振动台研究

振动台研究旨在研究残损榫卯节点在地震荷载作用下的抗震性能，通过振动台试验模拟地震作用，获取榫卯节点的位移响应、加速度响应和应变响应等参数，以评估其在地震灾害中的抗震可靠性。

鲁志雄等[4]将包含直榫节点的单间木结构模型，加载白噪声和地震波，试验过程中改变设防地震加速度值，观察模型在平台上的扭摆幅度和榫卯节点的拔榫运动，发现在9度地震烈度下，结构仍然屹立不倒，各工况下，柱顶位移反应峰值远大于柱底位移，说明拔榫和插榫对削减结构整体位移响应显著，结构侧向位移也随着地震强度增大，榫卯节点动力放大系数是通过榫头和卯口的挤压摩擦来体现，反应节点的耗能能力，试验发现榫卯节点耗能能力随着地震强度增强而增大。

以上学者都是通过人工手段来模拟自然环境对不同类型的榫卯节点的损坏，但通过人工模拟能够验证的破坏类型太少，大部分试验都是围绕松动和腐朽来进行，对于其他破坏类型的研究样本太少，如拔榫和榫头变形，这些很难通过离散少量的样本来验证理论猜想。

2.2 有限元模拟研究

因为槽朽受环境温度、湿度等的影响，很难进行人工模拟试验，唐家进[5]通过有限元软件ABAQUS建立直榫单向节点模型，进行低周往复荷载，滞回曲线呈“S”形，出现了明显的捏拢效应，说明单向直榫节点榫头与卯口之间出现明显滑移，与前人试验结论对比分析，验证了有限元模型的有效性。

谢启芳等[6]通过ABAQUS有限元软件建立完好和拔榫程度不同直榫节点模型，通过有限元分析得到各榫卯节点的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线及等效粘滞阻尼系数，通过各类曲线的对比分析，随着拔榫量的增加，直榫节点的耗能能力有所增强，但节点的承载力、变形能力和转动刚度都有明显的退化，与已有试验结果相同，证明拔榫状态下的直榫节点抗震性能显著降低。

康昆等[7]为了研究有无缝隙对燕尾榫节点抗震性能的影响，通过有限元软件建立两个一榀柱架模型，在不同竖向荷载作用下，施加低周往复荷载，比较有无缝隙燕尾榫在不同竖向荷载下的滞回曲线，有缝隙滞回环的面积远小于无缝隙节点面积，这也说明有缝隙节点的耗能能力较差，抗震性低于无缝隙节点，通过滞回曲线、构造骨架曲线，发现有缝隙燕尾榫节点刚度明显低于无缝隙节点，数值模拟的结果与理想结果吻合。

朱传伟等[8]为了研究能够有效提高榫卯节点抗震性能的有效方式，对提前制作的直透榫节点模型开展静力试验，研究直透榫节点的抗震性能，发现滞回曲线捏拢效应明显，说明在加载过程中榫头和卯口之间产生了相对滑移，通过材性试验获得基础数据，设计多阶屈曲耗能支撑，建立榫卯节点模型，通过ABAQUS有限元软件进行低周反复加载试验模拟，比较加固前后滞回曲线和骨架曲线，发现加固后节点的承载力、抗拔榫力和耗能能力都有明显提升，说明经多阶屈曲耗能增强后的榫卯节点抗震性能有所改善。

3 榫卯节点不同加固方式研究

3.1 金属加固

周乾等[9]将包含燕尾榫节点的木结构空间框架模型，以有无钢构件加固作为控制变量，进行低周反复加载试验，试验发现经钢构件加固后，节点滞回曲线面积更饱满，说明节点耗能能力增强，加固后节点抗弯刚度和承载力也有明显提升，且加固节点仍具有良好的变形能力。钢构件加载装置见图3、图4所示。

图3 钢构件加载装置结构

图4 钢构件加载装置现场图

薛建阳等[10]采用角钢对半榫节点进行加固，通过加载试验与未加固节点对比，结果表明角钢加固节点的刚度、承载力都有明显提升，且仍具有较好的延性。

孙兆洋等[11]以单向直榫节点为研究对象，在构件表面人工钻取不同深度和不同直径的孔洞来模拟榫卯节点不同程度的损坏，节点采用内嵌钢板-自攻螺钉加固，进行低周反复荷载试验，试验发现加固后的节点滞回曲线更饱满，加固残损节点的承载能力甚至超过完好节点。通过等效粘滞阻尼系数发现，加固残损节点的耗能能力低于未加固节点。不过加固后的榫卯节点强度和刚度有显著提高。

金属加固法是一种用于提高榫卯结构稳定性和耐久性的方法，这种方法通过在榫卯节点处使用金属加固件，以提高结构的承载能力和抗变形能力，如钢板-自攻螺钉加固（见图5所示）。金属加固件可以是金属棒、金属板或其他金属材料，取决于榫卯节点的设计和需求。金属加固会对木结构造成一定程度不可逆的二次损伤，对结构以后的更换和维修都有所不便，而且由于缺乏有效的改善和加固措施，榫卯节点容易被拔榫。

图5 钢板-自攻螺钉加固示意图

3.2 碳纤维布加固

周乾等[12-13]为研究经CFRP（碳纤维增强复合材料）加固后榫卯节点抗震性能的变化，通过振动台对燕尾榫节点模型输入不同频率的地震波，得到经碳纤维布加固前后节点的动力放大系数和加速度响应特征，结果表明，加固后构架位移和加速度响应更小，小震时未加固节点耗能能力较强，地震波强度较大时，加固后节点的耗能抗震能力要优于未加固节点。

孙文等[14]将三种透榫木构架用三种不同碳纤维布进行加固，将三种加固构架和未加固构架进行低周反复加载试验，结果表明加固后节点承载力和构架刚度都得到了明显提升，其中CFRP双层分离布效果最优，并且加固后仍具有不错的耗能能力。

薛建阳等[15]为研究经CFRP加固后节点的破坏特性、耗能能力和动力特性，将残损的燕尾榫节点模型用碳纤维布进行加固，输入不同的地震波通过振动台传递给模型，试验发现在三种不同地震波的激励下，动力放大系数呈相同的下降趋势（见图6所示），证明加固后的节点仍然具有良好的耗能能力。

图6 加固模型动力放大系数

碳纤维布加固技术可以有效地提高榫卯节点的结构安全性，特别是对于那些需要美观且残损程度不大的节点，CFRP布破坏主要发生在梁柱相交处，在地震作用下，竖向碳纤维布和横向碳纤维布环箍交汇处易受力剪断。经碳纤维布加固后的节点主要因承载力不足发生破坏，提高节点承载力是今后研究残损节点加固的关键。

3.3 不同加固方式对比

谢启芳等[16]将制作好的3个燕尾榫模型（两个完好模型，一个未完全加固模拟受损），通过水平低周反复荷载试验研究未加固构架、碳纤维加固构架和扁钢加固构架的抗震性能。试验发现加固后构架的滞回曲线更饱满，滞回环面积更大，表明加固构架消耗地震的能力提高。通过骨架曲线发现经扁钢和碳纤维加固后的构架刚度和强度也到了明显提高，其中扁钢加固构架刚度最大。通过等效粘滞阻尼系数发现未加固构架的耗能能力反而更好，而扁钢加固构架耗能能力最差。

许清风等[17]为研究榫卯节点在不同加固方式下抗震性能的变化，将4个足尺透榫节点试件经过竹斜撑、角钢以及CFRP布三种加固技术处理，进行低周反复荷载试验，试验发现，竹斜撑加固效果最为优越，操作也更为容易；加固后的节点承载力和延性都有所提高，此外，角钢与CFRP布加固在增强榫卯节点刚度及减少能量消耗上也有明显的效果，但节点延性都存在不同程度的下降[18]。然而，虽然它们各自具备特殊的优势，但在实际应用中仍存在着某些局限。

4 问题分析及建议

4.1 问题分析

（1） 在残损榫卯节点的抗震性能测试 ，大多数模型都是用不同种类的木材制作的，这就导致了测试结果的差异性。即使是用同一种木材制作的模型，测试结果也可能存在一定的误差。

（2） 在对古建筑木结构榫卯节点的抗震性能进行数值模拟时，由于木材具有各向异性，而且经历了数百年的自然环境侵蚀和人为破坏，使得木材的本构关系受到了严重的影响，从而导致模拟结果与实际可能会存在较大的偏差[19-20]。

4.2 研究建议

（1）虽然古建筑木结构榫卯节点的残损情况普遍存在，但是目前还没有进行充分的实验研究来准确地评估它们的抗震性能。由于木材的各向异性，实验结果可能会受到一定程度的影响，因此，建议今后应该增加试验样本的数量，以减少实验结果的偏差。

（2）目前榫卯节点加固的方法大多是传统的，这些方式并不能很好地达到古建筑修旧如旧的要求，因此，建议今后应该引入更先进的材料来加固榫卯节点，以达到修旧如旧的目的。

（3）经过对古建筑榫卯节点不同残损类型的评估，对已经受损的节点能够及时发现并准确修复，从而可以达到防患于未然的目的。

5 结束语

经过多年的努力，国际社会已经开展了关于残缺榫卯结构的抗震性能和加固技术的深入探索，并取得了丰硕的结论。实践证实，随着残缺部位的增多，榫卯节点的耐久性和耐用性都会受到影响，从而导致其耗能和减振效率较之正常结构显著降低。经过多次测试发现，各种加固方案对榫卯节点的耗能能力都有所改善， 然而，这些改善仍然受到“修旧如旧”要求的制约。因此，我们需要进行进一步地探索，以期找到最佳的加固方案，并开发出适用的新型加固材料与技术，以期为中国的传统古代建筑物的安全与完整做好准备。