木拱廊橋的抗震、減震及隔震加固探究

李利平，張亞飛，季光耀

（1.麗水學院工學院，浙江麗水323000；2.西南林業大學土木工程學院，云南昆明650000）

0 引言

木結構橋梁是中國傳統木結構建筑的重要組成部分，其中，木拱廊橋是木結構橋梁中的藝術瑰寶，是浙閩兩省勞動人民在與自然斗爭中的杰出創造。木拱廊橋主要遺存于浙閩兩省的交界處，集中分布于溫州、麗水、南平及寧德等地區，具有結構獨特、造型別致以及地域特征明顯等特點。

隨著現代化發展的步伐加快，人們對木拱廊橋的關注程度逐漸降低，木拱廊橋的建造工藝逐漸失傳。木拱廊橋作為木結構橋梁的代表之作，具有超高的科研價值。目前，已有研究人員對木拱廊橋的保護提出意見。黃續[1]提出對木拱廊橋的技藝保護策略：加強木拱廊橋營造技藝生態環境的整體保護；加強木拱廊橋營造技藝研究，建立數字博物館；加強傳承人及其傳承的保護。李旭平[2]提出數字化保護技術、廊橋木結構構建標準化等。繆小龍[3]對木拱廊橋的防火提出以加強防火為重點，研究開發阻燃材料、運用GIS（地理信息系統）、應用性能化消防設計等策略。對于洪澇災害帶給木拱廊橋的破壞，吳明樺[4]提出木拱廊橋泄洪技術方案，對木拱廊橋在洪澇災害下的保護給出了一定的技術方案。但是對于木拱廊橋的抗震、減震以及隔震方面的研究甚少，部分研究人員對廊橋的研究只在橋木拱架部分，而對于廊屋部分沒有進行深入研究。對木拱廊橋的研究發現[5]，有些木拱廊橋的廊屋部分質量對整個木拱廊橋具有重要影響，因此對于木拱廊橋整體的抗震、減震及隔震加固值得深入探究。

1 木拱廊橋的結構特點

木拱廊橋多建于交通不發達的山區，其結構主要包括兩部分：上面部分為廊屋，可供行人遮風擋雨或休憩；下面部分為橋木拱架部分，作用是支撐整個廊橋。下面以浙江麗水慶元縣全國重點文物保護單位——如龍橋（圖1）為對象，簡單介紹木拱廊橋的基本結構和建筑特征。如龍橋位于浙江省慶元縣，全長28.2 m，拱跨14.1 m，凈跨19.5 m，面闊6 m，有廊屋9 旬，兩端橋臺南設橋亭、北設鐘樓(鐘樓結構與整體差異較大,疑為后期改建),橋臺外砌糙塊石,內多堆砌卵石,依地勢分設臺階通往村落及去閩古道,是全國迄今有確切紀年、壽命最長的木拱橋[6]。如龍橋構造科學、合理，橋木拱架部分依照力學原理，運用數十根粗大圓木縱橫拼接對拱而成“八”字型結構；廊橋兩端豎立4 根“將軍柱”（圖1①），從木拱架底墊木通到廊屋部分，使廊屋的重心下移，重心穩定；箬葉、木炭、砂石料、鵝卵石或香糕磚依次層鋪于橋面板上，使橋面具有良好的通風、散氣以及防腐功效。

如龍橋拱架部分由“三折邊”（圖1②）、“五折邊”（圖1③）、“交叉木”相互穿插形成，通過“三折邊”“五折邊”在轉折處搭接于“牛頭”（圖1④）上形成整體“，牛頭”部分的細部構造如圖2 所示，說明其建造技術已十分成熟，能夠科學地解決受力問題。

圖1 如龍橋剖面圖

2 木結構的抗震研究

2.1 木結構的抗震性能研究

木拱廊橋的上下兩部分都具有減震吸能節點。以往的研究表明，可從斗拱、榫卯、梁架、屋頂及柱子等方面對木結構的抗震構造進行評估，具體評估方法包括無損檢測法、三位激光掃描法、試驗法、有限元法等[7]。劉榮桂[8]對古木結構抗震經驗評價方法進行了研究，并在此基礎上提出新的評價公式。

圖2 圖1 中⑤三折邊節點詳圖

Andrew 等[9]研究發現材料的重量、延性、強度變異性、尺寸效應及耐火性等對木結構的抗震設計均具有影響，并指出膠合板剪力墻能夠吸收能量。熊海貝等[10]在高層木結構抗震、抗火及節點連接等方面研究發現，CLT 剪力墻結構在當前木結構高層結構體系中應用廣泛。Pang 等[11]將DDD（直接位移計算）方法用于多層木框架結構的抗震設計，結果表明，在地震作用下DDD 設計的木框架結構具有比較低的軟弱層破壞風險。

薛建陽等[12]、盤錦章[13]、隋[14]及張錫成[15]以殿堂結構為對象，對古建筑中木結構地震動力反應及抗震機理進行研究，結果表明，榫卯節點、柱腳滑移及鋪作層具有吸能能力，且木結構具有較強減震及消震能力。謝啟芳等[16]在汶川地震后對綿竹、寶雞等地區的古建筑進行研究發現，在地震作用下榫卯節點可以通過變形來吸收地震能量，從而減少結構的地震響應；潘毅等[17]對都江堰等地古木結構震害進行調查發現，榫卯連接起到吸能減震作用，使得古建筑具有良好的抗震能力；羅勇[18]運用有限元軟件模擬驗證了榫卯節點具有吸能減震能力;文自剛等[19]對榫卯節點進行研究，根據能量耗散原理將榫卯節點耗散的能量等效為阻尼做功，以廣泛運用的燕尾榫為例，得出結構的等效阻尼系數Ceq=250 kN·s·m-1，說明榫卯結構具有良好的吸能減震能力。

結構循環一周摩擦力耗散的能量：

粘滯阻尼在循環一周內耗散的功：

高大峰[20]研究表明柱腳滑移部分具有良好的隔震表現,卯榫節點具有增大結構延性能力及鋪作層的彈塑性變形使得木結構具有抗震性能。李海娜[21]、吳磊[22]對鋪墊層進行振動臺試驗與理論計算對比分析，證實鋪作層具有良好的吸能減震能力。

2.2 木結構節點加固研究

參考以往的研究可以得出，木結構中的鋪作層、拱架、臺基及榫卯節點等均具有良好的吸能減震作用。周乾、閆維明等[23-25]及薛建陽等[26]采用振動臺試驗進行研究，發現木結構中將CFRP（碳纖維增強塑料）運用在榫卯節點上，對榫卯節點的加固具有較好的吸能減震效果。張風亮[27]通過試驗與軟件模擬表明，碳纖維布在榫卯節點的加固中具有一定的可行性。王全鳳和法冠喆等[28-29]將BFRP（玄武巖纖維布）運用在榫卯節點的加固上，同樣表現出良好的吸能減震效果，且在不同工法下表現不同。

在榫卯結構加固的研究中，陸偉東[30]和鄧大利[31]利用扒釘、角鋼、軟鋼和弧形鋼板等進行榫卯節點加固，表明了這兩種材料能夠提升吸能性能，加固效果明顯；姚侃等[32]運用Q235 扁鋼加固榫卯節點，加固后節點的強度、剛度和整體性均有所提高，可以有效阻止榫卯脫落導致的結構坍塌;扁鋼的塑性變形吸能取代了榫卯破壞階段的吸能，有效阻止了結構榫卯節點的破壞；王超[33]對黃帝殿的研究發現鋼板在卯榫節點中的加固在未來地震中可能存在隱患，提出在相同位置運用阻尼器加固能夠降低結構動力響應。

2.3 木結構隔震支座吸能研究

木拱廊橋中充分運用了各種榫卯、拱架及鋪作層等常見的吸能減震節點，單靠木拱廊橋結構中具有的吸能減震節點是不能夠抵抗所有地震作用的，因此在木拱廊橋中運用隔震系統值得研究。Symans 等[34]對木結構抗震中運用基礎隔震和附加阻尼系統進行總結，表明了基礎隔震和附加阻尼系統是木結構在強地震作用下的希望。

目前,常用的隔震支座有橡膠支座及滑動支座。綠川光正[35]通過振動臺試驗驗證了橡膠支座及滑/滾動支座在木結構中具有明顯的隔震效果;Delfosse[36]通過設計計算一層木結構證實了橡膠支座在單層木結構中的可行性；Pall 等[37]對加拿大某地一棟兩層輕型木結構運用滑動支座進行數值建模分析，得出頂部加速度在隔震系統的作用下減少近1/2，且滑動支座的隔震效果伴隨地面加速度的增大效果更加顯著；Sakamoto 等[38]在兩層木結構中運用疊層橡膠隔震支座、高阻尼橡膠隔震支座及鉛芯橡膠隔震支座，結果表明運用隔震支座后頂層加速度明顯減小。

研究發現隔震支座在木結構中具有良好的隔震表現。Zayas 等[39]、Iiba 等[40]、Junya Sakai 等[41]及Jampole等[42]采用FPS 隔震系統的木結構建筑進行分析，得出FPS 隔震系統具有良好的隔震效果。van de Lindt 等[43]通過對FPS 支座半徑與地震烈度的關系得到回歸方程及回歸系數，其斜率分別是0.97 和0.95：

C的取值見表1。

表1 C 的取值

潘忠煒等[44]研究發現在古木建筑加固中運用普通疊層橡膠支座和彈性滑移支座的混合隔震技術，這種混合隔震能夠有效地提高建筑的抗震能力；肖發平[45]提出反壓式碟形彈簧隔振器的原理及設計思路，并驗證了其合理性及有效性，可運用在木結構隔震中；楊建江[46]通過有限元軟件驗證了臺基具有一定的隔震性能。

通過對木結構中的各種隔震措施的研究表明，上述措施表現良好，那么對于木拱廊橋是否同樣具有良好的隔震性能，值得進一步研究。

3 木拱廊橋減隔震加固

3.1 木拱廊橋節點吸能加固

目前，研究人員對木拱廊橋的保護部分研究眾多，但大部分研究只針對橋木拱架部分，并沒有把廊屋部分考慮進去，這樣的研究具有不確定性，因此，在對木拱廊橋的隔震加固中把廊屋部分考慮進去很有必要。呂偉榮等[5]通過數值模擬得出在不同荷載作用下“三節苗”和“五節苗”的內力變化均勻，“牛頭”部分彎矩及剪力相對集中。張亮[47]和歐加加[48]對木拱廊橋受力機理的研究發現，在荷載作用下榫卯連接部分對整個橋木拱架部分的穩定起關鍵作用，以及牛頭部分和是否有“青蛙腿（馬腿）”對木拱廊橋的受力也具有很大影響。徐哲民[49]、劉明暉[50]在對木拱廊橋的力學特性進行分析時，拱腳處出現最大軸力響應，在地震作用下橋面1/4 位置的位移響應最大。文自剛等[19]提出等效阻尼系數公式

由上述的等效阻尼系數公式可知干摩擦的阻尼貢獻與滑動速度幅值ωX成正比，通過增加榫卯節點的滑動速度幅值能夠提高榫卯節點的吸能減震能力。對木拱廊橋的受力和力學特性研究發現，榫卯節點處受力明顯，且在地震作用下響應明顯，同時榫卯節點具有良好的隔震吸能能力。

對于榫卯節點的加固，傳統的方法有加釘法、螺栓加固法和加箍法等，應用最多的是在節點設置U 形鋼箍、鋼構件。周乾等[51]研究發現，CFRP 加固榫卯節點，其承載力、吸能能力、剛度退化和節點延性比扒釘和鋼箍加固好；張富文等[52]研究表明，竹斜撐、鋼箍和鋼支撐加固榫卯節點的正向峰值荷載較未加固分別提高了105.2%、246.6%和68.1%，而反向峰值荷載僅分別提高了－8.7%、57.7%和12.4%，與未加固相比，竹斜撐、鋼支撐加固的初始剛度分別提高了82.4%和38.3%，鋼箍加固提高有限，僅為3.3%。CFRP（碳纖維增強塑料）、碳纖維布、BFRP（玄武巖纖維布）、鋼箍、軟鋼、弧形鋼板，以及鋼板等，在卯榫節點加固中具有不同的加固效果和抗震表現。將這些材料運用于木拱廊橋的榫卯節點加固，通過數值模擬及振動臺試驗尋找適用于木拱廊橋榫卯節點加固的材料，同時開發新的加固材料應用于木拱廊橋榫卯節點加固很有必要。

3.2 木拱廊橋支座吸能加固

對于木結構中運用的FPS 隔震系統、反壓式碟形彈簧隔振器、橡膠支座、滑/滾動支座以及基礎隔震和附加阻尼系統具有良好的隔震效果，那么對于木拱廊橋的基礎部分同樣可以運用隔震支座進行隔震加固。

關于臺基部分，從現有的研究中得知，臺基具有良好的隔震效果。現將上部廊屋部分考慮進去，廊屋兩邊插入基礎的“將軍柱”，通過加入隔震支座來實現其隔震效果；橋面立柱部分平放在橋木拱架上，將安放橋面立柱的橋面拱架部分修建成類似臺基，這將會使廊屋部分具有良好的隔震吸能能力。張風亮[27]給出柱腳與臺基之間發生相對滑移的條件為臺面的慣性加速度大于柱腳與臺基間的最大靜摩擦力產生的加速度，即，式中表示地面加速度；μs表示柱根與臺基間的最大靜摩擦系數，取0.33[5]；g為重力加速度。

對木拱廊橋插入地基的“將軍柱”使用隔震支座，橋面立柱部分采用類似臺基的方式進行吸能加固，其中“牛頭”部分使用卯榫結構已經具有一定的抗震性能，可根據現實情況運用榫卯節點的加固方式進行加固。這樣“將軍柱”部分相當于基礎隔震結構，橋面立柱部分運用類似臺基方式進行隔震吸能，廊屋部分與橋木拱架部分由臺基隔震形式形成層間隔震結構。“將軍柱”隔震支座位置和橋面臺基安放位置如圖3 所示。

圖3 隔震支座及臺基安放位置

4 討論與結論

木拱廊橋節點具有良好的抗震性能，對于木拱廊橋的抗震、減震及隔震加固方面的研究，提出以下幾個重要方向：

（1）對于榫卯節點的加固，研究發現不同材料在不同結構中表現出不同的加固效果[51-52]，運用CFRP/BFRP、竹斜撐或者鋼等材料進行榫卯節點加固，需要進行有限元模擬或振動臺試驗，從而得出合適運用在木拱廊橋榫卯節點加固的材料。

（2）使用隔震支座，將FPS 隔震系統、反壓式碟形彈簧隔振器、橡膠支座、滑/滾動支座以及基礎隔震和附加阻尼系統進行有限元模擬，并與振動臺試驗結果進行對比分析，得到適用于木拱廊橋的隔震支座。

（3）對兩邊直接插入基礎的“將軍柱”采用隔震支座，橋面立柱部分以模仿臺基的方式，形成類似的基礎隔震和層間隔震結構與原廊橋結構進行有限元模擬及振動臺試驗，得出這種加固方式運用在木拱廊橋中的有效性。

（4）需要對木拱廊橋的整體進行研究，不能僅考慮橋木拱架部分。目前缺少木拱廊橋的振動臺研究，建立木拱廊橋模型，并進行振動臺試驗是很有必要的。