古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗震與加固思考

周永恒

（福州歷史文化名城街區(qū)保護(hù)開發(fā)有限公司　福建　福州　350000）

古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗震與加固思考

周永恒

（福州歷史文化名城街區(qū)保護(hù)開發(fā)有限公司福建福州350000）

本文為探討古建筑木結(jié)構(gòu)抗震、加固的有效方法，采用馬口鐵與CFRP對榫卯節(jié)點(diǎn)予以加固，對節(jié)點(diǎn)加固前后構(gòu)架的抗震性能予以研究。借助制作的木結(jié)構(gòu)空間模型，通過低周反復(fù)加載試驗(yàn)，得到構(gòu)架加固前后力-側(cè)移曲線，并對相應(yīng)骨架曲線等抗震指標(biāo)加以對比、分析。最終得到馬口鐵與CFRP均有提高構(gòu)架承載力及剛度的作用，雖然加固后耗能能力有所下降，但構(gòu)架仍具有較好的變形性能，且CFRP加固榫卯節(jié)點(diǎn)的效果要比馬口鐵好。

古建筑；木結(jié)構(gòu)；榫卯節(jié)點(diǎn)；抗震與加固

我國古建筑均以木結(jié)構(gòu)為主，梁、柱之間以榫卯形式連接，具有較好的抗震性能。但，由于木材本身強(qiáng)度并不高，且長期直接暴露在空氣中很容易發(fā)生腐蝕，由此會發(fā)生各種形式的損壞，其中最為典型的就是節(jié)點(diǎn)拔榫。拔榫不利于構(gòu)架間的穩(wěn)固連接，降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，直接威脅到木結(jié)構(gòu)的安全，需及時予以加固。常用的馬口鐵可以很好的增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)與構(gòu)架的剛度及強(qiáng)度，但由于馬口鐵易腐蝕老化，若未能很好加固反而會對原結(jié)構(gòu)本身造成損壞。而纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料FRP也就此應(yīng)運(yùn)而生，其具有的良好熱性能、抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)已使其普遍應(yīng)用于榫卯節(jié)點(diǎn)的加固中。

1　試驗(yàn)概況

1.1模型的制作

未加固構(gòu)架、馬口鐵加固構(gòu)架及CFRP加固構(gòu)架各1組。構(gòu)架形式為4梁、4柱，木材材料為紅松，梁柱連接形式為燕尾榫卯節(jié)點(diǎn)形式。模型比例為1：8；額枋、柱子及榫卯節(jié)點(diǎn)具體尺寸如表1所示。

安裝尺寸圖如圖1所示。

本次研究使用混凝土板模擬古建筑屋頂，將混凝土板重量確定為1.03t，取浮擱在住頂?shù)陌惭b方法。盡量保證屋面板板底的粗糙，以此增強(qiáng)其與主頂間的摩擦力。為避免試驗(yàn)的過程中屋面板倒塌，應(yīng)在板頂中部設(shè)置鋼筋吊鉤，且柱子基礎(chǔ)使用單向鉸支座形式，保持鉸轉(zhuǎn)動方向與加載方向一致。

1.2關(guān)于數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)中采用的數(shù)據(jù)采集裝置有力傳感器，位移計（W1～W4，Wa～Wh）以及變片（Z1～Z4），力傳感器測定構(gòu)架外力，位移計測定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角及構(gòu)架側(cè)移，應(yīng)變片測定節(jié)點(diǎn)彎矩。

表1　模型尺寸表（單位：mm）

圖1　模型安裝尺寸示意圖

沿加載方向，將應(yīng)變片布置在榫卯節(jié)點(diǎn)外側(cè)的中部位置；位移計分兩種：量程200mm（簡稱量2）共4個（W1～W4），量程100mm（簡稱量1）共8個（Wa～Wh）。將量2避開應(yīng)變片粘貼位置，布置于榫卯節(jié)點(diǎn)外側(cè)。該位移計測定構(gòu)架側(cè)移，將量1布置于加載方向兩根梁的上、下兩端，并依據(jù)上下位移計的讀數(shù)差獲取節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)交與拔榫量。采集裝置布置尺寸與位置見圖2。

圖2　數(shù)據(jù)采集裝置

1.3關(guān)于加固方案

1.3.1馬口鐵

馬口鐵長度為150mm，端部直鉤長度50mm，直徑為6mm，圖2（a）所示與加載方向平行的兩根梁與柱節(jié)點(diǎn)處為加固位置。

1.3.2CFRP

CFRP厚度在0.11mm，使用碳纖維膠按照先包裹梁柱節(jié)點(diǎn)，再豎向包裹梁的方法粘貼1層。CFRP布尺寸及加固節(jié)點(diǎn)尺寸如圖3所示。

圖3　CFRP加固榫卯節(jié)點(diǎn)尺寸

另外，進(jìn)行粘貼CFRP時應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)：均勻涂刷碳纖維膠，不要留有氣泡；包裹之后應(yīng)晾干，實(shí)現(xiàn)CFRP與碳纖維膠的完全粘結(jié)，強(qiáng)度最大后才可開始試驗(yàn)。

1.4關(guān)于加載方案

木結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力有限，對施力要求非常嚴(yán)格，不允許使用初始力較大的油泵加載。因此本次研究中使用手動加載裝置，裝置如圖4所示。

圖4　手動加載裝置

手動加載方法的具體操作如下：使用扳手?jǐn)Q動連接板外側(cè)及內(nèi)側(cè)螺母，分別產(chǎn)生拉力與推力。

2　關(guān)于試驗(yàn)現(xiàn)象的分析

2.1未加固模型

由平衡位置節(jié)點(diǎn)無拔榫狀態(tài)開始，當(dāng)推拉30mm時并未發(fā)現(xiàn)顯著構(gòu)架側(cè)移；當(dāng)推拉60mm時，有顯著位移及拔榫發(fā)生；當(dāng)推拉90mm時，有輕微吱吱聲出現(xiàn)，拔榫增強(qiáng)；當(dāng)推拉150mm時，發(fā)生大幅度的架構(gòu)傾斜，榫頭開裂且脫落，架構(gòu)被破壞，見圖5（a）。

2.2馬口鐵加固模型

當(dāng)推拉30mm時，節(jié)點(diǎn)上端發(fā)生5mm拔榫、下端擠緊；繼而反向推拉，使構(gòu)架重回平衡位置，在此推拉30mm，節(jié)點(diǎn)下段有2mm拔榫出現(xiàn)，上端擠緊，未發(fā)生顯著傾斜。經(jīng)平衡位置在此推拉60mm，節(jié)點(diǎn)上端發(fā)生8mm拔榫，下端擠緊；反向外力，推拉60mm，節(jié)點(diǎn)下端發(fā)生5mm拔榫，上端擠緊；同時隨著構(gòu)架側(cè)移的愈來愈大，節(jié)點(diǎn)拔榫同時也在繼續(xù)增加。當(dāng)構(gòu)架推拉150mm時，在整個過程中構(gòu)架的諸多位置都發(fā)出“吱”聲，節(jié)點(diǎn)咬合愈加緊密，且構(gòu)架剛度進(jìn)一步增強(qiáng)。此時節(jié)點(diǎn)上端產(chǎn)生23mm拔榫，但在馬口鐵的作用下，榫頭并未完全脫離卯口。外向外力構(gòu)架再被推拉150mm后，節(jié)點(diǎn)下端便有20mm拔榫發(fā)生。當(dāng)構(gòu)架回到平衡位置，拔榫量為5mm。榫頭與卯口搭接長度并未發(fā)生明顯變化，確保了構(gòu)架的穩(wěn)定性，具體見圖5（b）。

2.3CFRP加固模型

推拉30mm時就已經(jīng)稍有“吱”聲發(fā)生，表明CFRP一開始便出現(xiàn)強(qiáng)度。推拉60mm及90mm時并未有“吱”聲出現(xiàn)，但是逐漸隨著側(cè)移量的增大，4個節(jié)點(diǎn)也逐漸發(fā)生且發(fā)生持續(xù)的劈裂聲音（為CFRP撕裂或碳纖維脫離布的聲音）；推拉150mm時發(fā)生巨大劈裂聲音，內(nèi)側(cè)CFRP并無外鼓問題發(fā)生，表示CFRP外裹受拉時發(fā)揮了作用。借助力傳感器讀數(shù)發(fā)現(xiàn)，CFRP加固節(jié)點(diǎn)后所予以的推力要比馬口鐵加固大，說明CFRP可有效增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)剛度，見圖5（c）。

圖5　節(jié)點(diǎn)與構(gòu)架照片

3　結(jié)果

3.1滯回曲線

在依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將構(gòu)架加固前后的力-側(cè)移滯回曲線進(jìn)行繪制，具體如圖6所示。其中，未加固架構(gòu)滯回曲線特征包括以下幾點(diǎn)：①呈Z形的滯回曲線。表明在受力時榫卯節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了較大的滑移，同時伴隨構(gòu)架側(cè)移的增強(qiáng)滑移量也逐漸增強(qiáng)。②當(dāng)構(gòu)架側(cè)移較小時，曲線與X軸基本成重合狀，表明節(jié)點(diǎn)耗能能力弱；當(dāng)構(gòu)架側(cè)移增強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)耗能能力隨之增強(qiáng)；當(dāng)構(gòu)架側(cè)移較大時，滯回曲線的斜率也就逐漸變緩。③構(gòu)架滯回環(huán)相對飽滿，表明構(gòu)架具有很好的耗能性。

馬口鐵加固構(gòu)架試驗(yàn)中，構(gòu)架滯回曲線則呈Z與蝶形之間的形狀，與未加固相比，其滯回環(huán)面有所減小，表示耗能能力弱。當(dāng)發(fā)生位移較小時，滯回環(huán)與X軸更為接近，構(gòu)架恢復(fù)能力較強(qiáng)。在構(gòu)架側(cè)移增強(qiáng)至150mm的過程中，隨著梁柱轉(zhuǎn)角的增加，馬口鐵受力愈來愈強(qiáng)，隨之在恢復(fù)平衡位置時構(gòu)架所需的反向加載力也會逐漸增強(qiáng)，更可顯著看到馬口鐵的加固效果。

CFRP架構(gòu)滯回曲線呈蝶形，滯回環(huán)面積雖然有所增強(qiáng)但不及未加固時的滯回環(huán)飽滿，表示CFRP雖然能提升架構(gòu)節(jié)點(diǎn)剛度，但會使耗能能力下降。當(dāng)位移增強(qiáng)至150mm，構(gòu)架回復(fù)至平衡位置，曲線斜率隨之變小，保持與X軸的基本平衡，在此階段CFRP并未有較好的加固效果。

3.2骨架曲線

采用馬口鐵及CFRP進(jìn)行對榫卯節(jié)點(diǎn)的加固之后，構(gòu)架滯回曲線的斜率與峰值便有了顯著增強(qiáng)，且可見CFRP與馬口鐵比較更為顯著。這也進(jìn)一步表明，馬口鐵與CFRP都可以增強(qiáng)構(gòu)架的承載力與剛度，且CFRP的效果比馬口鐵要好。同時，構(gòu)架加固前后的骨架曲線整體呈平緩態(tài)勢，具有良好的延性。具體如圖7所示。

圖6　滯回曲線圖

圖7　三種加固形式骨架曲線對比

4　結(jié)論

①馬口鐵與未加固構(gòu)架比較，可提升0.3倍左右的承載力，CFRP則可提升1倍左右；②采用馬口鐵與CFRP進(jìn)行對榫卯節(jié)點(diǎn)的加固之后，構(gòu)架耗能能力得到大幅度降低；同時并未見顯著的構(gòu)架剛度退化；③在構(gòu)架加固前后，都可見有較好的變形能力，綜上所述，本次研究中還有不足之處待以提高，在今后試驗(yàn)中還需結(jié)合斗拱等結(jié)構(gòu)對古建筑木結(jié)構(gòu)抗震受力的影響加以分析。

[1]周乾，閆維明，周錫元，等.古建筑榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)[J].振動、測試與診斷，2011，31（6）：679～684.

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TU366.2

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1673-0038（2015）07-0054-03

2015-1-23