古建筑木結構榫卯節點研究

劉姝均

一、榫卯節點耗能減震原理

耗能減震結構是在小震作用下，耗能構件主要提供的剛度或者摩擦阻尼，基本位于彈性階段，可使結構始終滿足正常使用狀態要求；在中震與大震作用下，構件耗能裝置會產生諸多阻尼，輸入到結構中的能量會消耗一部分，使結構動力響應減小，但不會使主體結構發生明顯變形，由此確保結構安全可靠。減震原理可從能量角度分析，在地震作用下任意時段能量可表示為：

式中，Ein代表的是地震期間減震結構體系總能量；Ee代表的是減震結構彈性應變能；Ek代表的是減震結構體系動能；Ec代表的是粘滯阻尼耗能；Eh代表的是結構體系滯回耗能；Ed代表的是吸收耗散能量。在上述方程中，Ee與Ek僅為能量轉換，不會出現能量消耗。在摩擦減震結構中，耗能減震器先進入耗能狀態，此時主體結構尚未處于非彈性狀態，耗能構件的耗能作用得到充分發揮，大多數能量得以耗散，對結構自身所需耗散能量會有所降低，結構響應減少，使主體結構避免受到損壞。在該結構中，以耗能構建產生阻尼耗散地震輸入的部分能量的方式，達到減震目標。

在節點減震方面，古建筑結構中柱、額枋均利用榫卯連接，而榫卯連接是在剛接與鉸接間，具有半剛性特點，不但可抵抗一定彎矩，還可發生較大轉動變形，該結構不但可承受特定水平作用，還可增加水平位移。因受到半剛性影響，使節點在水平荷載作用下受到剪力、軸力、彎矩等綜合作用，榫頭側面因與卯口之間相互擠壓出現一定變形，并產生與節點方向背離的摩擦力，榫頭上下表面與側面則會產生局部壓應力。在節點發生變形后，榫頭與卯口均呈現局部受壓態勢，木材順紋方向只有局部受壓，壓力少于完全受壓，使節點擁有一定的耗能減震能力，可通過榫頭與卯口間的摩擦，使節點具備耗能減震性能。

二、古建筑榫卯節點減震性能分析

1.測點布置

古建筑中結構多為豎向分層，且允許構件之間存在相對滑移。在正式開展試驗前，針對各構件初始處進行準確測量，安裝12枚磁電拾震器。在闌額兩側、加固節點鋼片與柱體根部位置安裝應變片，對模型相應位置的內力與變形情況進行測試。量測方案為利用位移計測量榫卯拔出量與柱側移情況；利用傾角儀測量柱額相對轉角；利用7V08數據采集儀器對數據進行采集；利用電阻應變片對柱、額、CFRP布與扁鋼應變情況進行測量。

2.加載方式

分級交替輸入模擬地震E1 Centro波與Taft波，對模型動力響應情況進行測試，并在臺面中陸續輸入地震波加速度峰值。加固前地震激勵峰值加速度分別為0.058g、0.106g、0.206g、0.302g、0.417g、0.594g、0.876g；加固后分別為0.062g、0.104g、0.204g、0.320g、0.397g、0.537g、0.795g。在本次研究中，針對模型加固前后各項動力參數、內力變化情況進行測試。在加載方案中，利用水平自由滑動千斤頂施加恒定豎向荷載；為避免構架朝著平面外側位移，在梁兩側布設側向支撐；采用變幅值位移控制加載，每級位移幅值循環三次。

3.試驗結果

（1）節點未加固結果

將模擬地震E1 Centro波與Taft波依次輸入，當輸入加速度級別不斷增加時，模型振動幅度也隨之增加，且產生“吱吱”聲，榫卯縫隙擠緊；在輸入地震波0.4g后，結構出現輕微的扭動，尤其是柱根位置扭動最為顯著，但節點尚未受到損壞；當輸入地震波超過0.5g后，榫卯閉合幅度不斷增加，斗拱與普拍枋之間出現相對滑移，后者滑移為130mm。臺面輸入地震激勵超過0.9g后，模型開始分層側移擺動，混凝土配種板擺動減小，柱架在額坊水平位置來回擺動，可見與梁架接觸位置拱與斗之間存在轉動與起落，將榫拔出后卯閉合，整體強度與穩定性良好。在輸入1.20g后，結構出現十分明顯的“嘎吱”聲響，此時榫卯已經完全拔出，反復試驗后，模型順著激勵方向榫卯脫離，整體模型倒塌。

（2）節點加固結果

根據靜力試驗結果可知，扁鋼適用于破損程度較大的節點加固，將受損模型按照原本位置組裝起來，將設計好的加固方案對榫卯周圍扁鋼進行加固，再重新逐級輸入地震激勵，用于對比古建筑中結構加固前后的抗震性。在輸入激勵為0.05g時，結構朝著同一方向微顫；在輸入激勵值在0.1～0.2g之間時，柱根已經逐漸滑移，且方向不盡相同；在輸入激勵為0.40g時，普拍枋與斗拱間滑移陸續顯現出來，模型擺動更加顯著。在普拍枋與櫨斗底部出現個別結構脫離情況，但節點榫卯未脫離出來，這意味著節點包箍扁鋼具有約束作用；在激勵值為0.50g時，與柱頭扁鋼相鄰位置的扁鋼出現部分屈服，在臨近節點固定處的扁鋼已被拔出，節點與鋼箍位移方向并不一致；當激勵為0.80g時，節點鋼片出現明顯的細碎裂紋，且扁鋼屈曲、起鼓，這意味著隨著變形的增加，扁鋼已經超出屈服強度，處于塑性階段。根據試驗全過程可知，梁端與柱頭應力應變值均較低，與材料強度極限相比較低，結構構件在整體試驗中均為彈性階段。

（3）動力放大系數特性

①激勵值與斗拱層關系。頂面動力系數為頂面峰值與柱頭加速度比值，可將激勵值與斗拱層間的關系體現出來。在地震影響下，斗拱如同彈球一般循環擺動，加上斗拱與普拍枋間有一定的摩擦滑移，可消耗諸多地震能。與放大系數變化趨勢相比，未加固模型放大系數降低變化規律與加固后規律相同，這意味著扁鋼加固處理后也具備良好的減震效果。但因結構處于極限狀態，其動力放大系數逐漸提升，未固定模型放大值與加固系數基本相同，說明加固方式科學可行。一般情況下，節點加固動力值普遍超過加固之前，意味著加固后剛度有所提升，且在未加固模型倒塌后，柱頂與表面動力系數與以往相比有所提高，意味著在結構承載力消失時，其自身減震性能也隨之降低。

②激勵值與放大系數關系。從整體來看，動力放大系數為頂面與激勵值的比值，可將激勵值與整體減震間的關系體現出來。當激勵降低時，不同層面放大系數相對較大，且減震作用無法充分發揮出來。在激勵值增加時，不同層面放大系數逐漸降低，且降低速度不斷加快，減震效果更加顯著。但未加固模型結構在激勵值處于1.2g時，其不同層面動力系數與以往相比均有所提升。可見，在實際活動中榫卯拔出長度較大，結構隨時可能坍塌。根據計算結果將加固與未加固模型中不同層面放大系數變化趨勢進行分析。在激勵較小情況下，柱根與臺面加速度時程曲線基本重合，這意味著此時二者處于同步運動狀態，振動臺面、摩擦力與柱根一同運動。與摩擦試驗結果相同，即沖破最大靜摩擦力之前，摩擦力值均由上方結構運動趨勢所決定；當激勵不斷增加后，不同階段的放大特性也不盡相同。

③激勵值與減震性能關系。在模擬地震E1 Centro波與Taft波影響下，沒有加固的模型柱頭放大系數與加固后放大系數均小于1，并且隨著級別的增加而減小，這說明榫卯節點具有減震性，該模型的地震響應衰減也較為顯著。木柱自身的彎曲變形能力較弱，側移柔度主要借助榫卯張角變形柔度來實現，張角變形使諸多振動能量被消耗，主要從柱頭加速度逐漸降低而體現，這意味著榫卯耗能性更加顯著，擁有較強的減震能力。

三、結語

綜上所述，通過對榫卯連接木構架抗震性能進行試驗可知，隨著位移增加各構架剛度逐漸減小，但減小幅度較小；扁鋼加固可提高節點強度與剛度，但會受地震影響更大。對此，應在節點加固后探尋剛度與強度間的變化規律，合理選擇扁鋼合適用量；針對剛度或者強度顯著不足，且位置較為隱蔽的榫卯節點可利用扁鋼加固。根據試驗結果可知，節點榫卯加固方案科學可行，可使古建筑結構更加穩定可靠。