泰山紅門榫卯節點加固方法的可行性研究

李凱琦

摘 要：木結構建筑中梁、柱等構件由凹凸結合的榫頭和卯口連接。榫卯節點不僅在長期的地震力、風力影響下易出現節點松動、拔榫、脫榫等情況，而且建造時木材含水率、紋理方向等因素影響連接特性，不利于建筑的穩定。因此，探索榫卯節點的加固方法對建筑的安全性具有重要意義。文章通過實地考察彌勒院、紅門宮、飛云閣梁柱結構現狀，探索梁柱間榫卯節點的最佳加固方法。

關鍵詞：泰山紅門;榫卯節點;加固方法

紅門為泰山古建筑群的第一組建筑群，明清時重建，以紅門路為軸線，分為東西兩院，東為彌勒院，西為紅門宮，中間由飛云閣相連。中國古建筑木結構的榫卯節點是紅門梁柱結構的主要連接構件，具有良好的抗震性、抗側性和承載性，對建筑的穩定性具有積極意義。榫卯節點介于剛性與柔性之間，屬半剛性節點，具有一定可活動性，能夠很好地承受建筑的荷載以及地震力和風力，且具有適應性強、施工速度快、便于修繕和搬遷等優點。在長期發展過程中，紅門梁柱結構主要受地震、風力等外部因素和木材含水率、紋理方向等內部因素兩大因素影響，出現節點松動等情況。我國地域遼闊，木結構建筑基數大，榫卯節點損壞情況復雜多樣，給節點加固工作帶來巨大壓力。

1 紅門榫卯節點現狀分析

首先，泰山位于郯城—營口地震帶，地震活動頻度高、震源淺，據泰安市地震局統計，自1970年以來泰安平均每年發生一級以上地震約十次;其次，泰山古建筑群呈軸線式布局，彌勒院、紅門宮位于紅門路東、西兩側，飛云閣位于紅門路北首，獨特的布局形式導致軸線中心氣壓低于兩側，風速快;再次，泰安屬暖溫帶季風氣候，春季干燥多風，夏季高溫多雨，不同季節木材含水率差異大。因此，紅門梁柱間榫卯節點的現狀為地震力導致的節點松動、風力導致的侵蝕（圖1）和水分蒸發引起的開裂（圖2）等。

2 外部因素導致紅門榫卯節點損壞情況

2.1 地震力對榫卯節點的損壞

木結構建筑與磚石建筑相比具有良好的抗震性和抗側性。紅門梁柱結構的選材以具有良好柔韌性的松木為主，在物理性質上具備承受建筑荷載的強度和韌性。但木材是由縱向纖維構成，橫向受力時易斷裂，當地震波到達地表時，沿地表橫向傳播，出現前后、左右的劇烈晃動，紅門榫卯節點出現節點松動的情況。地震力對建筑結構的破壞程度分為擾動、損壞、破壞、倒塌四種震害狀況。紅門位于郯城—營口地震帶，地震多發于郯城，且郯城距泰山250多千米，地震波到達紅門時消耗了大部分能量，加之榫卯節點的抗震性能，地震力對紅門榫卯節點的震害狀況以擾動為主：受長期的地震力影響，柱底與柱礎間出現輕微滑移現象，榫卯節點松動。

榫卯節點的可活動性可以較好地抵御中低強度的地震力所帶來的影響，但仍對木構架產生一定的破壞作用。地震力對彌勒院、紅門宮、飛云閣的梁柱結構造成的震害癥狀以節點松動為主，即榫卯節點可以通過榫頭和卯口之間的摩擦與擠壓進行耗能，以達到消減地震力的目的;在節點摩擦與擠壓過程中，節點縫隙不斷變大，摩擦力不斷減小，節點的剛性不斷下降，先后出現節點松動和節點拔榫情況，影響結構穩定性。①

2.2 風力對榫卯節點的損壞

風力侵蝕也是導致榫卯節點損壞的重要因素。泰山古建筑群呈軸線式布局，建筑分布于軸線兩側，導致軸線中心壓力較低，風速較快，布局形式給榫卯節點的保存帶來不利影響。軸線兩側的彌勒院、紅門宮均有博風板遮擋，受風蝕情況較小;位于軸線中心的飛云閣正處紅門路北首迎風口，且門前廊道兩側未設置博風板，梁柱結構受風蝕情況嚴重。榫卯節點經過長期風吹雨打以及微生物的侵害，節點逐漸腐朽，逐漸失去抗拉強度，使建筑失去原有的穩定性。

3 內部因素（木材含水率）導致紅門榫卯節點損壞情況

泰安屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春季干燥多風，夏季高溫多雨，不同季節木材含水率差異大，含水率的起伏變化導致榫卯節點開裂變形（圖3、圖4）。木材橫紋方向的干縮率高于縱紋方向，榫頭的橫紋方向容易因水分的蒸發而干縮變形。①華南林業大學林學院的榫卯結構拉伸實驗表明，榫卯結構的拉伸破壞過程是一個靜摩擦與動摩擦交替的過程。榫卯結構的抗拉強度隨著木材含水率的增加而增加。因此，在制作榫卯時需對木材進行烘干處理，使木材含水率降至泰安平均含水率以下，使木材含水率呈上升趨勢，增加榫卯結構的抗拉強度。

4 紅門榫卯節點加固方法可行性分析

為了保護紅門梁柱結構，彌勒院、紅門宮、飛云閣建造之初就已在梁柱間設置雀替，共同承擔上部的壓力，提高結構的穩定性。由于地震損耗、風雨侵蝕、蟲蛀等因素導致結構損壞，梁柱間已失去原有的穩定性和抗側性，需采取現代加固方法進行加固保護。現有加固方法可大致分為金屬連接件加固（扒釘加固、扁鋼加固、螺栓加固等）和碳纖維增強材料加固（碳纖維布加固、玄武巖纖維布加固等）兩類。下文針對紅門梁柱現狀分析最佳加固方法。

4.1 金屬連接件加固

4.1.1 扒釘加固

扒釘加固通過扒釘限制節點的松動脫榫，扒釘為兩條腿的釘子，屬剛性材質，其本身具有一定抗拉抗壓能力，對梁柱的側傾可以提供一定程度的抵抗能力。故宮博物院與北京工業大學對扒釘加固榫卯節點的研究表明，扒釘受自身質量限制，提供給節點的抗拉、抗壓能力有限，適用于小型木結構加固。

4.1.2 扁鋼加固

扁鋼組件利用扁鋼的柔韌性，用螺釘加固，附著于受損的梁柱結構，可以通過調整螺母的松緊控制鋼箍與木材間的摩擦力來抵抗拔榫力，提高節點的抗拉能力。周乾等在鋼構件加固古建筑榫卯節點抗震試驗中，選用厚度為3mm、寬度為50mm的Q235鋼材組件加固榫卯節點，通過對加固前后的節點性能進行對比分析發現，未加固節點的最大插榫量為4mm，拔榫量為13.5mm;鋼構件加固節點后，插榫量降為3.5mm，拔榫量則減小至7.9mm，鋼構件加固榫卯節點后，節點拔榫量可降低為加固前的0.6倍（7.9/13.5）。②但扁鋼缺乏彈性，限制了節點間的可活動性，使節點的耗能能力降低。

4.2 碳纖維增強材料加固

4.2.1 碳纖維布加固

碳纖維布具有重量輕、易裁剪、可塑性大、抗拉強度高和耐久性好的特點，利于加固轉角較復雜的榫卯節點。碳纖維布加固是運用包裹法對榫卯節點進行加固，用與榫頭等寬的碳纖維布包裹每個節點梁部的內外兩側，包裹長度延伸至梁的250mm處。為減少碳纖維布在受力時產生剝落情況，每根梁采用6條50mm寬的碳纖維布條對橫向包裹的碳纖維布進行間隔50mm的縱向加固處理。包裹法大大降低了脫榫、拔榫等情況，但包裹法也在一定程度上降低了節點的可活動性，與加固前相比可活動性有所下降。碳纖維布加固的缺點在于完全附著于節點，消耗了節點的大部分作用力，在長期耗能過程中易出現斷裂和剝落現象;優點是使用碳纖維布加固后的榫卯節點仍具有半剛性特點，優于扒釘、鋼箍、螺栓等金屬鏈接件加固方法。

4.2.2 玄武巖纖維布加固

玄武巖纖維是由玄武巖高溫熔煉拉絲而成，具有密度低、拉力強、抗蠕變的特點。玄武巖纖維屬礦物纖維，在抗腐蝕方面表現優異，能適應長期風吹日曬雨淋的情況。雖紅門梁柱結構大多有博風板遮擋，但泰山古建筑群的空間布局決定了紅門建筑群長期暴露于風蝕環境下，飛云閣門前廊道正處于紅門路北首迎風口，且兩側未設置博風板，梁柱結構上的彩繪圖案和結構邊緣侵蝕嚴重，采用玄武巖纖維布加固，可充分發揮玄武巖纖維的抗腐蝕特性。飛云閣門前廊道梁柱柱底置于花墻之上，沒有柱礎的頂托作用，耗能全部依靠梁柱間的榫卯結構。玄武巖纖維的抗拉強度是鋼性材料的5倍（表1），可充分滿足節點的拉力和剛性需求。

5 不同加固方法在紅門榫卯節點中的利害分析

目前泰山紅門的梁柱結構使用年限已久，結構受地震力、風力等損害，彌勒院、紅門宮、飛云閣主要梁柱結構已做加固修復處理，僅有飛云閣門前廊道等中小型梁柱結構保留原狀。隨著時間的推移，對前者進行加固保護是必然趨勢，所以要分析梁柱結構的現狀，尋求最合理的加固方法。

扒釘由鋼筋兩端彎成直鉤而成，施工方便快捷，但扒釘受自身質量的限制，所能提供的拉力有限，只能用于加固小型梁柱結構。扒釘的缺點在于外露于榫卯節點兩側，影響節點美觀。扒釘加固適用于加固結構簡單的彌勒院院門，且院門兩側置有博風板，可遮擋外露的扒釘，消弭節點美觀的不足。

扁鋼通過螺釘加固，附著于梁柱結構，可以通過調整螺母的松緊控制鋼箍與木材間的摩擦力來抵抗拔榫力，提高節點的抗拉能力。扁鋼加固可有效改善榫卯節點松動情況，但由于扁鋼缺乏彈性，限制了節點的可活動性，使節點的耗能能力降低。扁鋼加固適用于不單一通過榫卯節點耗能的彌勒院和紅門宮，柱底和柱礎間的頂托作用可以彌補扁鋼加固使節點耗能降低的缺陷。

碳纖維布加固的優點在于重量輕、易裁剪、可塑性大、抗拉強度高和耐久性好，采用包裹法加固榫卯節點，改善了節點松動情況。缺點在于包裹法完全附著于榫卯節點，消耗了節點的大部分作用力，在長期耗能過程中易出現斷裂和剝落現象;包裹法會一定程度上限制節點的可活動性，但通過碳纖維布加固的榫卯節點仍具有可活動性，符合榫卯的半剛性特點。

玄武巖纖維布與碳纖維布特點大致相同，玄武巖纖維屬礦物纖維，在抗腐蝕方面優于碳纖維。玄武巖纖維的拉強是鋼性材料的5倍，適于加固受風蝕嚴重和無柱礎頂托的飛云閣門前廊道。

通過分析不同加固方法在榫卯節點中的利害關系，可得彌勒院院門等小型木結構的加固效果：扒釘加固>扁鋼加固>碳纖維布加固，不適用玄武巖纖維布加固;飛云閣門前廊道梁柱結構加固效果為：玄武巖纖維布加固>碳纖維布加固>扁鋼加固>扒釘加固。

6 結語

傳統榫卯節點對梁柱結構的抗震性、抗側性都具有重要影響。應加大對榫卯節點的性能研究，在原有加固方法上實現理論和材料的創新，并遵守“恢復原狀和保持現狀”的古建筑維修加固原則，盡量不破壞榫卯節點原有性能，并將加固材料的耐久性問題納入研究范圍。

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