榫頭與卯口不同接觸程度下大頭榫節點的低周反復荷載試驗

劉芳蓮　陶忠　劉濤　張聯霞

摘要： 為研究不同松動對大頭榫節點抗震性能的影響，按云南“一口印”傳統穿斗式木構架做法，選用杉木由作了3個大頭榫節點模型，大頭榫節點松動采用削減榫頭寬度的方法來模擬。通過低周期的往復載荷試驗，研究了3個大頭榫卯節點的損傷形態，彎矩轉角滯回曲線，骨架曲線，剛度退化規律和能量耗散能力。

Abstract： In order to study the effect of different loosening on the seismic performance of the bulkhead joints， according to the practice of "one seal" traditional wear bucket wooden frame， the Chinese fir was made up of three big head and tenon joint model， and the big tenon joints were used to reduce the tenon width simulation. The damage morphology， bending moment hysteresis curve， skeleton curve， stiffness degradation law and energy dissipation capacity of three bulkhead joints were studied by low cycle reciprocating load test.

關鍵詞： 大頭榫節點；低周往復荷載試驗；抗震性能

Key words： large joint；low-cycle reciprocating load test；seismic performance

中圖分類號：TU366.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0110-04

0 引言

榫卯節點是傳統木結構建筑的一大特色，在地震中榫頭與卯口的相對運動能消耗地震能量。

近年來，高永林[1]等將榫卯節點進行擬靜力試驗，研究了摩擦效應對節點耗能能力的影響。陸偉東[2]等將破損的直榫節點進行加固，驗證了不同材料加固后直榫節點抗震性能。Chang等[3]研究穿斗木構架榫卯節點的轉動能力。

以上學者研究主要為節點摩擦機理、加固和轉動性能缺乏節點在榫頭與卯口不同擠壓程度情況下抗震性能的研究。

1 試驗概況

1.1 模型設計與制作

按照云南“一口印”穿斗木構架做法[4]，選用杉木作了3個大頭榫節點模型， 表 1為節點模型尺寸，圖1為節點具體構造圖。

1.2 試驗設備和裝置

試驗采用電液伺服作動器進行反復荷載加載，規定作動器向下推為正，向上拉為負。將兩個鋼制圓形套筒分別安裝在柱頭和柱腳，用于固定柱子，柱腳套筒底板焊接于鋼梁上。圖2為加載簡圖，圖 3為加載現場圖。

1.3 加載方案

豎向恒定軸向荷載N為10kN，施加到柱頂。加載裝置中心與木柱邊緣相距500mm。加載位移時間圖如圖4所示。

1.4 試驗數據采集方案

試驗中通過位移計和應變片采集數據從而計算的量有節點轉角、節點彎矩、榫頭拔出量。圖5為應變片布置示意圖。

2 模型試驗

限于篇幅，現將3個模型加載試驗現象描述如下：加載位移較小時，榫頭拔出量極小，接近于零。3個模型加載過程中均有木纖維斷裂現象，其中寬松模型在加載位移為50mm，適中模型30mm，緊密模型20mm時木纖維斷裂，發出吱吱聲。3個模型均在加載中卯口有劈裂破壞，緊密模型卯口最先破壞，寬松模型最晚破壞。加載結束榫頭無法回位，寬松、適中、緊密模型拔榫量分別為25mm，20mm，20mm。加載結束，梁、柱除節點處以外均未破壞。

3 試驗結果及分析

3.1 M-θ滯回曲線

M-θ滯回曲線可以通過滯回環面積表示節點耗能能力，它是節點抗震性能最直觀的體現。圖6為三個節點的滯回曲線圖。

3個節點滯回環整體形狀為反Z形，曲線中間有明顯的捏縮效應。滯回環均隨加載位移逐漸增大。第1圈滯回曲線的面積稍大于第2、3圈面積。加載位移較小時，曲線上升緩慢，加載繼續進行，節點曲線迅速上升；加載模型卸載時，曲線下降速率逐漸增大。3個節點的滯回曲線均未出現彎矩跌落現象，與模型加載過程中3個節點模型榫頭均未出現斷裂有關。3個節點模型中，寬松節點模型榫頭與卯口空隙較大，故加載初期滑移量最大。

3.2 M-θ骨架曲線

將M-θ曲線當中所有荷載最大的點連接即可得到M-θ骨架曲線[5]。圖7中加載位移較小時，節點均出現滑移階段。加載繼續，緊密節點模型最早進入彈性階段，寬松節點模型最后。加載位移越來越大，節點模型均發生破壞。寬松節點模型體現的承載力最低，且節點剛度小于適中和緊密模型節點。緊密節點模型曲線下降速率和彎矩極限值均最大，加載方向為負時更明顯。

3.3 剛度退化曲線

試驗節點剛度隨每級加載位移循環次數增加和控制位移的增大逐漸下降。這種剛度下降的現象被稱為剛度退化。在本次模型剛度采用割線剛度K表示 。模型割線剛度按（1）和（2）計算，其中（1）針對正向加載，結果為Ki，（2）針對負向加載，結果為ki。

其中：Mi取第i級，第一次循環彎矩極限值；mi取第i級，第一次循環負向彎矩極限值；？專i彎矩為Mi時轉角值；？茲i取彎矩為mi時的轉角值。

圖8即為3個節點模型剛度退化曲線圖，3個節點模型的剛度數值和退化曲線斜率有巨大差別。正向加載時初始剛度只為負向加載時的初始剛度的1/10。整個負向加載過程中剛度退化迅速，3個節點模型中緊密模型退化最快，寬松模型最慢，適中模型居中。當轉角大于0.18rad以后剛度退化不再明顯。endprint

3.4 耗能性能

本試驗中3個節點模型的耗能性能以等效黏滯阻尼系數he來代表。he數值大小與節點模型耗能能力成正比。按（3）計算。

式中：SAFBE為滯回環面積（圖 9陰影部分）；S？駐CEO+S？駐DFO為？駐CEO和？駐DFO面積之和。

由圖10可見模型轉角值小于0.16rad時，模型耗能能力均逐漸降低。且寬松模型小于適中模型小于緊密模型。榫頭與卯口互相移動且相互擠壓摩擦是消耗能量的最主要方式，故緊密模型在加載初期就擠緊，具有更大的耗能能力。當轉角大于0.16rad時，模型耗能能力迅速增大。節點he均在0.16以上，最大值為0.425，可見模型均具有良好的耗能能力。

3.5 榫頭拔榫量分析

模型均出現榫頭拔出且隨著拔出量越來越大難以復位的情況。拔榫量按照梁中線相對卯口外側邊緣相對位移定義。計算式為（4），圖11、12為拔榫量計算示意圖，模型轉角與榫頭拔出量關系圖。

其中：？啄t、？啄b取值為拉線式位移計D2、D3所測數據。

模型的轉角均小于0.16rad時，榫頭拔出量與加載位移的大小成正比，與轉角大小成正比。控制位移達100mm時，寬松節點模型卯口由于發生劈裂破壞，故拔榫量迅速增加，加載結束時榫頭拔出量為27mm。模型由于榫頭對卯口擠壓較大，當加載控制位移達90mm時，卯口劈裂程度增加，榫頭拔出量為52mm。適中模型加載過程中卯口劈裂破壞不嚴重，拔榫量數值增加緩慢。

4 結論

大頭榫節點破壞形式主要為榫頭拔榫和卯口劈裂、及榫頸處橫紋壓屈。

大頭榫模型滯回環負向加載模型承載力更大，且負向加載時剛度為正向加載10倍。

大頭榫模型極限轉角均大于0.11rad，表現出良好的變形能力。He在0.16到0.42，減震消能性能良好。

大頭榫模型榫頭與卯口接觸越緊密則越早進入塑性，但剛度、拔榫量、極限承載力和節點變形能力下降。

參考文獻：

[1]高永林，陶忠，葉燎原，等.傳統木結構典型榫卯節點基于摩擦機理特性的低周反復加載試驗研究[J].建筑結構學報， 2015， 36（10）：139-145.

[2]陸偉東，鄧大利.木結構榫卯節點抗震性能及其加固試驗研[J].地震工程與工程振動，2012，32（3）：109-116.

[3]Chang W S. Research on rotational performance of traditional Chuan-Dou timber joints in Taiwan[D]. Tainan： Chen Kung University，2006： 13-17.

[4]楊立峰.匠作·匠場·手風——滇南“一顆印”民居大木匠作調查研究[D].同濟大學，2005.

[5]徐明剛.中國古建筑木結構榫卯節點抗震性能研究[D].東南大學，2011.endprint