木結構殘損榫卯節點抗震性能及加固修復研究進展

任現才·， 高飛飛， 趙劍橋， 孫偉明， 楊樂華

（1.聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252000；2.聊城市孟達建筑安裝工程有限公司，山東 聊城 252000）

0 引言

我國古建筑木結構在世界上享有極高聲譽，其中榫卯連接是其一大特色。榫卯連接是一種半剛性連接，在地震作用下能夠通過自身轉動和摩擦吸收一部分能量，從而達到減震效果。然而隨著年限的增長、自然環境的侵蝕及人為的破壞，榫卯節點是最容易發生破壞的，嚴重時甚至導致木結構倒塌。因此研究榫卯節點的抗震性能對古建筑的保護和修繕具有重大意義。

目前，國內外學者已經對榫卯節點的抗震性能展開了很多研究，并取得了一些成果，集中為常見的燕尾榫和直榫節點的抗震性能研究和加固修復方式等，主要采用試驗研究和數值模擬兩種方法。姚侃等［1］通過對直榫和燕尾榫連接的靜力分析和試驗模型的低周反復荷載試驗，揭示了榫卯連接是半剛性連接和其具有滑移耗能的特性；徐明剛等［2］通過對五個相同的燕尾榫榫卯節點模型進行低周反復荷載試驗，證明了榫卯節點具有一定的變形能力，驗證了其具半剛性的特性；趙鴻鐵等［3］通過對透榫榫卯連接的試驗模型進行低周反復荷載試驗，探究透榫節點的半剛性連接特性和剛度退化的規律；薛建陽等［4］對通榫榫卯節點試驗模型進行低周反復荷載試驗，同時采用ABAQUS有限元軟件進行數值分析，所得試驗結果與有限元分析結果吻合較好，得出通榫榫卯節點具有較強的承載力和較好的延性；薛建陽等［5］對已經進行振動臺試驗后產生破壞的殿堂式單間構架采用碳纖維布（CFRP）進行加固，后再次進行振動臺試驗對加固后結構的抗震性能進行探究。綜上所述，國內對完好榫卯節點的研究較多，而對殘損榫卯節點抗震性能及加固修復的研究較少。因此，有必要對殘損榫卯節點抗震性能及加固修復的研究進展進行一個總結。

文中針對常見的殘損燕尾榫和直榫節點的抗震性能和加固修復方式進行介紹，首先對殘損榫卯節點抗震性能的試驗研究、數值模擬及殘損榫卯節點加固方法，從二個方面進行歸納總結；其次指出了該研究領域目前存在的問題并提出進一步的研究建議，最后對榫卯節點的抗震性能研究發展趨勢進行了展望，以期為古建筑木結構的保護和修繕提供參考。

1 殘損榫卯節點抗震性能研究

由于古建筑木結構已存在數百甚至數千年，在服役期間遭受過自然和人為破壞，再加上木材是一種生物質材料，它容易受地理環境、氣候條件等影響，導致出現腐朽、蟲蛀等不同病害特征，嚴重會導致整個結構發生倒塌。另外古建筑木結構在幾百年間承受數次地震的反復作用，導致整個結構在不斷地發生損傷，因此研究殘損榫卯節點的抗震性能至關重要。目前主要有試驗研究和數值模擬兩種方法。

1.1 試驗研究

對榫卯節點進行模型試驗是常用的研究手段，一般是按照縮尺比例制作模型，通過擬靜力試驗來獲得榫卯節點典型的滯回曲線和骨架曲線，它能夠直觀的反映榫卯節點的耗能能力、剛度退化、延性性能等抗震性能指標。

謝啟芳等［6-7］對構件采取鉆不同深度孔洞的方法來模擬不同殘損程度榫頭真菌腐朽和榫頭蟲蛀的現象，并進行低周反復試驗得到殘損榫卯節點的破壞主要發生在榫卯接觸區域；試驗中榫卯節點的滯回曲線飽滿度較差，但是殘損的榫卯節點仍有良好的延性。

Chen 等［8］采用人工模擬不同榫卯腐朽深度和表面腐朽程度的方法來研究殘損榫卯節點對單向直榫連接木構架抗震性能的影響，并對其進行低周反復荷載試驗得到榫卯腐朽深度比表面腐朽更能影響木構架的抗震性能，在古建筑木結構的維護加固中應引起足夠的重視。

以上學者通過對榫頭表面鉆孔來模擬殘損，但是鉆取不同直徑、深度孔洞大小來模擬真實殘損情況有待進一步研究。

Xue等［9］通過改變燕尾榫榫頭大小來模擬榫卯節點不同松動程度，對其進行低周反復荷載試驗得到榫卯接觸區域的擠壓破壞和榫頭拔出量與松動程度大小呈線性關系；耗能能力與完好榫卯節點相比有所下降，但變形能力較好。Li等［10］通過人工調整榫卯之間的間隙和寬度來模擬實際中單向直榫榫卯接頭的殘損，并進行低周反復荷載試驗，得到隨著榫卯間距的增大，榫卯之間滑移越明顯，滯回曲線豐滿度和峰值逐漸減小的結果。

對于殘損榫卯節點試驗中的樣本較少，其結果有一定的離散性，建議加大樣本數量的同時提高樣本制作的精度，同時人工模擬自然環境條件下榫卯節點的殘損試驗有待進一步研究；大部分學者一般都是模擬榫卯節點受到不同程度的腐朽和松動，而對于拔榫和榫頭變形等問題研究不多。

1.2 數值模擬

康昆等［11］建立了有無間隙的柱模型，并對其進行了水平往復加載模擬，來研究榫卯間有無縫隙對其抗震性能的影響，結果表明帶有縫隙的榫卯節點耗能能力低，抗震性能較差；在外力作用較大時，帶縫隙的榫卯節點榫頭更容易拔出。謝啟芳等［12］通過建立未拔榫和拔榫狀態下的有限元模型，對其進行低周反復加載模擬，得到不同狀態的滯回耗能曲線，結果表明隨著榫頭的拔出，節點承載力減小，變形能力減弱，抗震性能也有不同程度地下降。

目前對殘損榫卯節點的松動和拔榫研究取得了一定的成果，但對于榫卯節點腐朽的數值模擬較少。對于模型的建立問題，木材本構模型的定義也有所不同，這取決于木材的材性的不同。

2 榫卯節點的加固方式研究

由于木材的老化和受到不同程度地震的影響，亟需對榫卯節點進行加固。目前對榫卯節點加固方式主要有金屬連接構件加固和FRP材料加固。

2.1 金屬連接構件加固

葛鴻鵬等［13］，姚侃等［14］采用扁鋼對殘損的燕尾榫節點進行加固，并對加固后的燕尾榫連接木構件進行振動臺試驗，結果表明扁鋼加固后燕尾榫節點的剛度得到明顯提高，且其承載力、耗能能力也都大幅增強；加固前后的固有頻率相差不大，符合剛度等效原則，表明加固后有良好的抗震性能。郇君虹等［15］為解決木結構榫卯節點的老化抗震能力下降的問題，對榫卯節點設計了不同的扁鋼加固裝置如圖1 所示，結果表明螺釘加固效果最為明顯，可以提高榫卯節點的抗震性能。

圖1 扁鋼加固示意圖

以上學者利用扁鋼本身有一定的剛度，可以在榫卯節點處承受一定的彎矩的優點。用扁鋼在榫卯接觸區域包裹一周，用木螺絲固定在額枋上。對于扁鋼加固榫卯節點的用量多少還需要進一步研究。

黏彈性阻尼器加固榫卯節點能夠為節點提供附加阻尼力，吸收地震能量，是一種良好的加固方式。聶雅雯等［16，17］分別制作了12 個半榫和12 個燕尾榫試件，選擇6個半榫和6個燕尾榫用黏彈性阻尼器加固，并進行擬靜力試驗，試驗結果表明，用阻尼器加固的燕尾榫節點和半榫節點相比較于未加固的燕尾榫節點和半榫節點的耗能能力大幅度增強，且其承載力和剛度也都明顯提升。

以上使用金屬連接構件對其木結構進行加固，使其抗震性能得到提升，但是在一定程度上對木結構造成了不可恢復的二次損傷，對于后期的維修和更換造成了不便。同時對于榫卯節點易于拔榫的現象沒有針對性的改善和加固措施。

2.2 FRP加固

FRP是一種新材料，它將一種高強度的纖維與某些化學樹脂陣列緊密地結合到了一起，具有高強度、便捷的處理、良好防腐蝕性、舒適度以及速率快的特殊優勢。由于加固榫卯節點的位置和種類不同，所使用到的增強材料也就不同，在此只介紹碳纖維布材料（CFRP）和玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）兩種加固材料。

碳纖維布材料（CFRP）由于其重量較輕、強度高、耐腐蝕性能好以及易于切割的特點，在結構的修復加固過程中得到了廣泛的應用［18］。

孫文等［19］用3種不同碳纖維布對木構架進行加固如圖2 所示，通過擬靜定試驗來研究不同層數碳纖維布對木構架承載力的影響。結果表明，加固后的木構架承載力、耗能能力都得到了提高；雙層碳纖維布加固具有最優的效果，但是否層數越多加固效果越好，仍需進一步研究。

圖2 不同方式CFRP布加固

王建省等［20］制作4 個直榫木梁，通過有無碳纖維布加固的直榫木梁研究抗震性能，對其進行擬靜定試驗，結果表明，碳纖維布能夠顯著降低節點位移，有良好的抗震性能。

碳纖維布加固適用于殘損程度較小且要求美觀的榫卯節點。在模擬地震作用下，碳纖維布主要在梁柱交界處發生破壞，在豎向碳纖維布環箍和橫向碳纖維布相交處易發生剪斷。以上可以看出加固后的碳纖維布破壞主要是因為其承載力不足導致，如何提高其承載力是殘損節點加固的核心問題。

法冠喆等［21］初次探討以BFRP材料層數為變量對加固后直榫節點的抗震性能的影響，并進行擬靜力試驗，得到直榫節點的剛度和承載力隨著BFRP 材料層數的增加而增加，表現出良好的加固效果。

2.3 不同加固材料對比

許清風等［22］為研究采用竹斜撐、角鋼和碳纖維布3 種加固方式如圖3 所示，對榫卯節點抗震性能的影響，制作了4個足尺透榫節點試件，并對加固后的試件進行擬靜力試驗，試驗結果表明，采用竹斜撐加固榫卯節點的方式的效果是最好的，也是最簡便的；而采用角鋼和碳纖維布加固的方式對榫卯節點的剛度和耗能能力也都均有不同程度的提升，但這兩種加固方式的適用范圍有一定的局限性。金昱成等［23］通過制作15組典型榫卯節點試件進行擬靜力試驗，其中4組分別采用扒釘、鋼板和木條（兩組）加固。試驗結果表明，木條加固對承載力的提高效果最好，扒釘和鋼板加固的效果類似；從節點負向剛度來看：木條＞扒釘＞鋼板＞未加固；在耗能能力來看，采用木條加固的效果最佳，扒釘和鋼板加固的效果一般。

圖3 不同加固方式示意圖

3 問題分析及建議

3.1 問題分析

（1） 在殘損榫卯節點的抗震性能試驗研究中，大多數試件由新木材制成，而且木材的種類也不盡相同，得到的實驗結果也有一定的差異性，即使是同一種木材制作不同試件，得到的結果也有一定差異性。

（2） 在對古建筑木結構榫卯節點抗震性能數值模擬中，由于木材是各向異性材料，又經歷過數百年的自然環境和人為的破壞，木材受到了不同程度的殘損，對木材的本構關系難以考慮全面，使得數值模擬結果與實際有一定的誤差。

3.2 研究建議

（1） 古建筑木結構榫卯節點普遍存在殘損現象，但目前關于殘損榫卯節點抗震性能的試驗研究較少，由于木材有較大的離散性，對于殘損構件的試驗結果有一定誤差，建議今后可以增加試件的數量來減少結果誤差。

（2） 對于榫卯節點加固大都采用較為常規的方法，沒有起到古建筑修舊如舊的原則，建議今后能引入新的材料對其進行加固，真正做到修舊如舊。

（3） 對于榫卯節點的加固方法，一般都是對殘損的榫卯節點進行加固，這對古建筑木結構的加固修復有一定的延遲性，建議今后開展對古建筑木結構榫卯節點的抗震性能評估，以期能夠達到防患于未然，及時對榫卯連接節點進行加固修復。

4 結語

通過以上研究可以看出，國內外學者對殘損榫卯節點的抗震性能及加固方式進行了大量研究，并取得了一定的成果。對于殘損榫卯節點的研究表明，榫卯節點在不同的殘損方式下其抗震性能均存在不同程度的降低，耗能減震能力與完好榫卯節點相比也有所下降。對于不同加固方式加固榫卯節點的研究，由試驗可得出，不同加固方式對榫卯節點的耗能能力均有不同程度的提升，但都存在一定的局限性，無法保證古建筑“修舊如舊”的原則。

隨著研究的不斷深入，木結構殘損榫卯節點加固方式將更加合理化、規范化，新型加固材料和技術將會不斷研發和推廣，從而對中國古建筑木結構實現科學、有效的保護。