古木結構榫卯節點抗震性能研究

崔 航 施畢新 叢 宇 藍 迪

（1.四川省文物考古研究院，四川 成都 610041；2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010）

0 引言

傳統木結構是我國古建筑中最主要的結構形式，是世界建筑史學上獨具風格的一門建筑體系。榫卯連接是傳統木結構極具特色的營造技藝，單一的木構件通過榫卯連接形成了一個符合多種要求，能夠承受各種荷載的整體木結構。榫卯具有非常悠久的歷史，新石器時代的河姆渡遺址木構件中就有了榫卯的使用。傳統木結構不斷發展演變，榫卯的功能與形狀隨著榫卯所處部位以及結合方式的不同而不斷改變。

但是與現代鋼筋混凝土結構中強節點弱構件的設計理念不同，榫卯節點由于獨特的制作方式，存在截面削弱，榫卯節點相對于構件來說屬于薄弱部位，加上木結構由于自身性能老化，在地震等外力作用下，榫卯節點容易發生拔榫現象，進而可能導致整體結構變成機構而破壞。

在地震作用下，榫頭反復拉拔，榫卯節點通過摩擦耗散能量，由于卯口順紋抗壓強度遠大于榫頭橫紋抗壓強度，因而當榫卯節點發生轉動，榫頭與卯口邊緣的擠壓造成榫頭橫紋發生塑形擠壓變形，榫頭與卯口間縫隙逐漸變大，最后發生拔榫破壞。

近年來學者們對古建筑木結構榫卯節點進行了大量研究，得出了一系列研究成果。本文以古建筑木結構榫卯節點為對象，依據榫卯節點的震害特征，歸納了榫卯節點的抗震性能，以期能更好地對古建筑木結構進行合理保護。

1 榫卯節點抗震性能

根據對古建筑木結構以往的震害調研中發現，由于古木結構采用的榫卯連接具有較好的減震耗能作用，因而古木結構在地震力等外力作用下抗震性能良好，大部分木結構主體結構較為完好。但由于修繕加固不當和年久失修等原因，仍有部分木結構建筑發生了局部破壞甚至整體倒塌，且木構架的破壞主要表現為榫卯節點拔榫及構架傾斜。為了研究古木結構榫卯節點獨特的抗震性能，學者們通過實驗研究、有限元模擬及理論分析等方法對梁柱等主要榫卯節點的抗震性能進行了大量研究。

1.1 燕尾榫節點

在理論分析方面，高大峰通過制作縮尺比為1:3.52的二等材榫卯節點木構架模型進行擬靜力試驗研究，建立了榫卯節點彎矩-轉角位移的恢復力模型。潘毅等人通過對燕尾榫節點構造特點和受力機理進行分析，建立了以屈服點、極限點為特征點的燕尾榫節點M-θ雙折線多參數模型（如圖1所示）。

圖1 燕尾榫節點M-θ關系曲線

在實驗研究方面，杜彬考慮普拍枋、雀替的影響，對帶有普拍枋、雀替的燕尾榫節點進行擬靜力試驗，試驗結果表明：帶雀替燕尾榫節點的滯回曲線的對稱性遠不如帶普拍枋燕尾榫節點的滯回曲線；普拍枋和雀替的存在均提高了燕尾榫節點的抗彎剛度，其剛度退化規律差異顯著。謝啟芳等人采用人工模擬蟲蛀和腐朽研究了殘損對燕尾榫節點抗震性能的影響（如圖2所示），進行了低周反復加載試驗，分析殘損節點的抗震性能，研究表明：殘損節點的轉動彎矩等下降幅度較大，殘損燕尾榫節點的抗震性能較完好燕尾榫節點顯著降低。

圖2 人工模擬蟲蛀燕尾榫節點

在有限元模擬方面，張俊通過對不同縮尺比例、不同材級的燕尾榫節點模型進行擬靜力試驗模擬，結果表明：隨縮尺比例的增大，節點的整體剛度與強度退化系數減小，但耗能能力和拔榫量增加，同縮尺比例下，三等材節點耗能能力、榫頭拔榫量小于二等材節點。康昆等人通過有限元模擬研究了節點間縫隙與豎向荷載對燕尾榫木構架的抗震性能的影響，結果表明：縫隙的存在使得木構架的抗震性能大大降低，豎向荷載越大，整體結構的抗側移剛度越大。

燕尾榫因其獨特的構造具有很好的抗拉拔能力。此外，燕尾榫具有良好的抗震性能，在低周往復荷載作用下燕尾榫節點破壞主要表現為榫頭與卯口的擠壓塑性變形、榫頭拔出破壞，枋、柱基本沒有發生破壞，殘損對燕尾榫節點的抗震性能影響較大。

1.2 直榫節點

在理論分析方面，賀俊筱對往復荷載作用下下松動透榫節點的受力機理進行了分析，得到透榫節點的工作狀態，并給出了相應的工作狀態判定條件，在考慮縫隙及不對稱性的基礎上，提出了松動透榫節點彎矩—轉角力學模型。潘毅等人對低周往復荷載作用下的直榫節點的受力機理進行了詳細分析，建立了考慮節點拔榫量影響的彎矩—轉角理論模型，并給出了相應的簡化計算公式。

在實驗研究方面，謝啟芳等人考慮榫頭形式等對直榫節點抗震性能的影響，通過低周反復加載試驗得到了不同形式直榫節點的破壞特征以及滯回規律等。李衛等人通過對帶雀替的（如圖3所示）與不帶雀替的半榫節點木構架進行低周往復荷載試驗，實驗表明：與不帶雀替的半榫節點木構架相比，帶雀替節點的轉動剛度得到了提高，并且加強了木構架的整體性。

圖3 帶雀替的半榫節點木構件模型

在有限元模擬方面，吳瑋對無縫的與帶縫隙的半榫節點在低周往復荷載作用下的抗震性能進行了有限元模擬，研究表明縫隙使得半榫節點在低周往復荷載作用下發生滑移，半榫節點的抗彎承載力和剛度降低。薛建陽等人研究了榫頭高度、摩擦系數等參數對透榫節點受力性能的影響，結果表明：透榫節點的剛度隨著榫頭的高度和摩擦系數的增大不斷增大，榫頭高度、摩擦系數與順紋抗拉強度對透榫節點的受力性能影響最為顯著。

同等情況下，相對于燕尾榫節點，透榫節點的初始剛度和耗能能力均要高出。在直榫節點中，透榫節點的耗能能力好于半榫節點，且半榫的抜榫量較大，普柏枋和雀替等構件可以提高節點的抗彎剛度。

1.3 其他榫卯節點

在理論分析方面，陳春超通過試驗結果和有限元模擬，對不同的榫卯節點的受力機理進行了分析，建立了燕尾榫、直榫、半榫等共六種典型榫卯節點M-θ簡化力學模型。Chang W.S建立了一種新的理論模型來研究Nuki榫卯節點的轉動性能，該模型與實驗結果吻合，該理論模型不僅可以表示出帶有間隙的Nuki榫卯節點的初始剛度，也證明了初始滑移階段被視為銷釘連接。

在實驗研究方面，時玉筏通過對無縫、帶縫的箍頭榫木構架進行擬靜力試驗來研究榫卯間縫隙對箍頭榫節點抗震性能的影響，結果表明：縫隙的存在會削減箍頭榫節點的整體耗能能力，降低箍頭榫木構架的抗側剛度。吳志強通過對傳統燕尾榫卯木構架模型、傳統透榫木構架模型及新型豎向半燕尾榫木構架模型進行低周往復荷載試驗，結果表明：木構架模型的耗能能力，傳統燕尾榫節點<傳統透榫節點<新型豎向半燕尾榫節點，新型豎向半燕尾榫節點的整體抗震性能較傳統榫卯節點表現更好。

在有限元模擬方面，Keita Ogawa等人提出了一種以榫卯節點縫隙為參數對日本傳統的榫卯節點的力學性能的理論估計方法。此外，它還通過實驗驗證了該估計方法，并通過數值分析研究間隙的大小對力學性能的影響，結果表明隨著間隙尺寸的增大，節點的力學性能逐漸降低。Z.W.Guan等人通過對日本傳統木構架中帶木楔的Nuki榫卯節點（如圖4所示）進行水平反復荷載試驗研究及有限元分析，研究了不同尺寸、形狀的木楔對Nuki節點力學性能的影響。

圖4 日本傳統寺廟中典型的“Nuki”節點

受中國文化影響，如日本、韓國等國家，也對具有本國特色的榫卯節點進行了一些研究。國內外研究表明，榫頭和卯口間的縫隙對節點的力學性能及抗震性能影響較大，縫隙會減少節點的摩擦耗能和榫卯節點木構架的抗側移剛度等。

2 結語

本文歸納了燕尾榫、直榫及其他梁柱榫卯節點的抗震性能，分析了不同因素對榫卯節點抗震性能的影響。

（1）不同榫卯節點抗震性能差異較大，在地震作用下燕尾榫節點不易出現拔榫現象，直榫節點抗拉拔性能很差，但透榫節點的初始剛度和耗能能力均高于燕尾榫節點。在直榫節點中透榫節點的耗能能力好于半榫節點，半榫節點的抜榫量較大，多與替木等構件一起使用。

（2）雀替、普拍枋等構件能不同程度的提高榫卯節點的抗震性能，蟲蛀、縫隙等殘損對榫卯節點的抗震性能有顯著的削弱。在地震作用下，榫卯節點易發生拔榫破壞，進而導致結構傾斜甚至倒塌。因此，研究榫卯節點的抗震性能對古建筑木結構的保護具有重要意義。