殘損榫卯節點抗震性能及加固方式研究綜述

宋明燁 趙慶雙

(聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252000)

0 引 言

木結構作為我國的傳統建筑形式，一直延續使用了數千年，已經成為一種相當成熟的建筑結構形式。榫卯連接是我國古建筑木結構的特色，木結構各構件節點之間采用榫卯連接時無需一鐵一釘，榫卯連接不屬于剛性連接，因此在發生地震作用時，榫卯節點之間會產生轉動和滑移以一定的變形來吸收一部分震能，也正是因為這個特點，木結構建筑具有比較好的抗震性能。同時榫卯節點也是整個木結構中最容易受到破壞的部位，在受到周圍環境侵蝕或人為破壞甚至地震等自然災害的破壞后，節點會發生拔榫或榫頭折斷，嚴重時可能會導致整個建筑的失效。目前國內外不少學者對榫卯節點的抗震性能展開研究，因結構形式和連接部位的差別，榫卯節點有很多類型，其中對燕尾榫和直榫節點抗震性能的研究較為普遍。本文在介紹榫卯節點破壞形式的基礎上，對學者們在殘損榫卯節點抗震性能及加固方式方面的研究方法和成果進行綜述，并提出筆者的看法。

1 榫卯節點破壞形式

1.1 拔榫

榫卯節點屬于半剛性連接，在受到風、地震等外力作用時，榫頭和卯口之間會發生滑移和轉動，時間一長，榫頭和卯口之間就會出現間隙，即發生拔榫。較小程度的拔榫可以通過變形吸收一部分能量，具有一定的耗能能力，但拔榫量較大形成脫榫，就可能會導致整個建筑破壞。

1.2 榫頭變形

榫頭變形包括榫頭下沉和榫頭歪閃。榫頭和卯口發生相對運動時，榫頭受到擠壓，榫頭尺寸壓縮，形成下沉問題，導致榫頭和卯口之間產生一定的間隔，外力作用時，就容易發生拔榫。在水平外力作用下，榫頭和卯口之間發生錯動和扭轉，一般發生榫頭歪閃時，榫頭很有可能已經開裂。

1.3 榫頭槽朽

在潮濕環境下，提供了木腐菌侵蝕木材的條件，是木材的特性之一。榫頭槽朽后剛度退化嚴重，在受力發生相對運動時，榫頭受力截面容易折減，節點的連接性減弱。

2 殘損榫卯節點抗震性能研究

2.1 試驗研究

模擬試驗是研究榫卯節點抗震性能的常用手段，將研究對象制作成小比例模型，采用人工手段模擬榫卯節點已出現的損壞形式，通過試驗分別獲得殘損和完好榫卯節點的滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線，通過與完好節點各類曲線的對比，研究已出現殘損榫卯節點的剛度、承載力、耗能能力等抗震指標的變化。

2.1.1 擬靜力試驗研究

擬靜力試驗是通過施加靜力荷載，測試殘損榫卯節點的承載能力和變形性能。靜力試驗可以直接測量節點的變形和位移，評估加固效果。

謝啟芳等[1]為了研究直榫節點的抗震性能是否受殘損類型的影響，制作了7個1∶4.8的直榫節點縮尺模型，通過鉆孔來模擬蟲蛀和真菌腐朽（見圖1所示），然后進行低周反復荷載加載實驗（見圖2所示），得到結論：榫卯節點破壞主要是發生了拔榫和接觸面的擠壓變形。滯回曲線捏攏效應明顯。殘損節點的轉動彎矩、剛度和耗能能力明顯低于完好節點，不過受損構件仍具有良好的延性。

圖1 人工模擬蟲蛀

圖2 加載裝置示意圖

薛建陽等[2]為研究松動程度不同的透榫節點的抗震性能，保持卯口的尺寸不變，人工縮減榫頭的大小，水平低周往復加載，試驗發現不同松動程度的節點剛度和極限彎矩均小于完好節點，節點的耗能能力與松動程度成反比。

謝啟芳等[3]為研究不同殘損形式對燕尾榫抗震性能的影響，通過三個獨立節點模型（一個完好，一個模擬真菌腐朽，一個模擬蟲蛀），進行低周反復加載試驗，結果表明完好節點的轉動彎矩和轉動剛度均高于殘損節點，其中蟲蛀節點的轉動彎矩下降更明顯，但殘損節點的耗能能力更強。

2.1.2 振動臺研究

振動臺研究旨在研究殘損榫卯節點在地震荷載作用下的抗震性能，通過振動臺試驗模擬地震作用，獲取榫卯節點的位移響應、加速度響應和應變響應等參數，以評估其在地震災害中的抗震可靠性。

魯志雄等[4]將包含直榫節點的單間木結構模型，加載白噪聲和地震波，試驗過程中改變設防地震加速度值，觀察模型在平臺上的扭擺幅度和榫卯節點的拔榫運動，發現在9度地震烈度下，結構仍然屹立不倒，各工況下，柱頂位移反應峰值遠大于柱底位移，說明拔榫和插榫對削減結構整體位移響應顯著，結構側向位移也隨著地震強度增大，榫卯節點動力放大系數是通過榫頭和卯口的擠壓摩擦來體現，反應節點的耗能能力，試驗發現榫卯節點耗能能力隨著地震強度增強而增大。

以上學者都是通過人工手段來模擬自然環境對不同類型的榫卯節點的損壞，但通過人工模擬能夠驗證的破壞類型太少，大部分試驗都是圍繞松動和腐朽來進行，對于其他破壞類型的研究樣本太少，如拔榫和榫頭變形，這些很難通過離散少量的樣本來驗證理論猜想。

2.2 有限元模擬研究

因為槽朽受環境溫度、濕度等的影響，很難進行人工模擬試驗，唐家進[5]通過有限元軟件ABAQUS建立直榫單向節點模型，進行低周往復荷載，滯回曲線呈“S”形，出現了明顯的捏攏效應，說明單向直榫節點榫頭與卯口之間出現明顯滑移，與前人試驗結論對比分析，驗證了有限元模型的有效性。

謝啟芳等[6]通過ABAQUS有限元軟件建立完好和拔榫程度不同直榫節點模型，通過有限元分析得到各榫卯節點的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線及等效粘滯阻尼系數，通過各類曲線的對比分析，隨著拔榫量的增加，直榫節點的耗能能力有所增強，但節點的承載力、變形能力和轉動剛度都有明顯的退化，與已有試驗結果相同，證明拔榫狀態下的直榫節點抗震性能顯著降低。

康昆等[7]為了研究有無縫隙對燕尾榫節點抗震性能的影響，通過有限元軟件建立兩個一榀柱架模型，在不同豎向荷載作用下，施加低周往復荷載，比較有無縫隙燕尾榫在不同豎向荷載下的滯回曲線，有縫隙滯回環的面積遠小于無縫隙節點面積，這也說明有縫隙節點的耗能能力較差，抗震性低于無縫隙節點，通過滯回曲線、構造骨架曲線，發現有縫隙燕尾榫節點剛度明顯低于無縫隙節點，數值模擬的結果與理想結果吻合。

朱傳偉等[8]為了研究能夠有效提高榫卯節點抗震性能的有效方式，對提前制作的直透榫節點模型開展靜力試驗，研究直透榫節點的抗震性能，發現滯回曲線捏攏效應明顯，說明在加載過程中榫頭和卯口之間產生了相對滑移，通過材性試驗獲得基礎數據，設計多階屈曲耗能支撐，建立榫卯節點模型，通過ABAQUS有限元軟件進行低周反復加載試驗模擬，比較加固前后滯回曲線和骨架曲線，發現加固后節點的承載力、抗拔榫力和耗能能力都有明顯提升，說明經多階屈曲耗能增強后的榫卯節點抗震性能有所改善。

3 榫卯節點不同加固方式研究

3.1 金屬加固

周乾等[9]將包含燕尾榫節點的木結構空間框架模型，以有無鋼構件加固作為控制變量，進行低周反復加載試驗，試驗發現經鋼構件加固后，節點滯回曲線面積更飽滿，說明節點耗能能力增強，加固后節點抗彎剛度和承載力也有明顯提升，且加固節點仍具有良好的變形能力。鋼構件加載裝置見圖3、圖4所示。

圖3 鋼構件加載裝置結構

圖4 鋼構件加載裝置現場圖

薛建陽等[10]采用角鋼對半榫節點進行加固，通過加載試驗與未加固節點對比，結果表明角鋼加固節點的剛度、承載力都有明顯提升，且仍具有較好的延性。

孫兆洋等[11]以單向直榫節點為研究對象，在構件表面人工鉆取不同深度和不同直徑的孔洞來模擬榫卯節點不同程度的損壞，節點采用內嵌鋼板-自攻螺釘加固，進行低周反復荷載試驗，試驗發現加固后的節點滯回曲線更飽滿，加固殘損節點的承載能力甚至超過完好節點。通過等效粘滯阻尼系數發現，加固殘損節點的耗能能力低于未加固節點。不過加固后的榫卯節點強度和剛度有顯著提高。

金屬加固法是一種用于提高榫卯結構穩定性和耐久性的方法，這種方法通過在榫卯節點處使用金屬加固件，以提高結構的承載能力和抗變形能力，如鋼板-自攻螺釘加固（見圖5所示）。金屬加固件可以是金屬棒、金屬板或其他金屬材料，取決于榫卯節點的設計和需求。金屬加固會對木結構造成一定程度不可逆的二次損傷，對結構以后的更換和維修都有所不便，而且由于缺乏有效的改善和加固措施，榫卯節點容易被拔榫。

圖5 鋼板-自攻螺釘加固示意圖

3.2 碳纖維布加固

周乾等[12-13]為研究經CFRP（碳纖維增強復合材料）加固后榫卯節點抗震性能的變化，通過振動臺對燕尾榫節點模型輸入不同頻率的地震波，得到經碳纖維布加固前后節點的動力放大系數和加速度響應特征，結果表明，加固后構架位移和加速度響應更小，小震時未加固節點耗能能力較強，地震波強度較大時，加固后節點的耗能抗震能力要優于未加固節點。

孫文等[14]將三種透榫木構架用三種不同碳纖維布進行加固，將三種加固構架和未加固構架進行低周反復加載試驗，結果表明加固后節點承載力和構架剛度都得到了明顯提升，其中CFRP雙層分離布效果最優，并且加固后仍具有不錯的耗能能力。

薛建陽等[15]為研究經CFRP加固后節點的破壞特性、耗能能力和動力特性，將殘損的燕尾榫節點模型用碳纖維布進行加固，輸入不同的地震波通過振動臺傳遞給模型，試驗發現在三種不同地震波的激勵下，動力放大系數呈相同的下降趨勢（見圖6所示），證明加固后的節點仍然具有良好的耗能能力。

圖6 加固模型動力放大系數

碳纖維布加固技術可以有效地提高榫卯節點的結構安全性，特別是對于那些需要美觀且殘損程度不大的節點，CFRP布破壞主要發生在梁柱相交處，在地震作用下，豎向碳纖維布和橫向碳纖維布環箍交匯處易受力剪斷。經碳纖維布加固后的節點主要因承載力不足發生破壞，提高節點承載力是今后研究殘損節點加固的關鍵。

3.3 不同加固方式對比

謝啟芳等[16]將制作好的3個燕尾榫模型（兩個完好模型，一個未完全加固模擬受損），通過水平低周反復荷載試驗研究未加固構架、碳纖維加固構架和扁鋼加固構架的抗震性能。試驗發現加固后構架的滯回曲線更飽滿，滯回環面積更大，表明加固構架消耗地震的能力提高。通過骨架曲線發現經扁鋼和碳纖維加固后的構架剛度和強度也到了明顯提高，其中扁鋼加固構架剛度最大。通過等效粘滯阻尼系數發現未加固構架的耗能能力反而更好，而扁鋼加固構架耗能能力最差。

許清風等[17]為研究榫卯節點在不同加固方式下抗震性能的變化，將4個足尺透榫節點試件經過竹斜撐、角鋼以及CFRP布三種加固技術處理，進行低周反復荷載試驗，試驗發現，竹斜撐加固效果最為優越，操作也更為容易；加固后的節點承載力和延性都有所提高，此外，角鋼與CFRP布加固在增強榫卯節點剛度及減少能量消耗上也有明顯的效果，但節點延性都存在不同程度的下降[18]。然而，雖然它們各自具備特殊的優勢，但在實際應用中仍存在著某些局限。

4 問題分析及建議

4.1 問題分析

（1） 在殘損榫卯節點的抗震性能測試 ，大多數模型都是用不同種類的木材制作的，這就導致了測試結果的差異性。即使是用同一種木材制作的模型，測試結果也可能存在一定的誤差。

（2） 在對古建筑木結構榫卯節點的抗震性能進行數值模擬時，由于木材具有各向異性，而且經歷了數百年的自然環境侵蝕和人為破壞，使得木材的本構關系受到了嚴重的影響，從而導致模擬結果與實際可能會存在較大的偏差[19-20]。

4.2 研究建議

（1）雖然古建筑木結構榫卯節點的殘損情況普遍存在，但是目前還沒有進行充分的實驗研究來準確地評估它們的抗震性能。由于木材的各向異性，實驗結果可能會受到一定程度的影響，因此，建議今后應該增加試驗樣本的數量，以減少實驗結果的偏差。

（2）目前榫卯節點加固的方法大多是傳統的，這些方式并不能很好地達到古建筑修舊如舊的要求，因此，建議今后應該引入更先進的材料來加固榫卯節點，以達到修舊如舊的目的。

（3）經過對古建筑榫卯節點不同殘損類型的評估，對已經受損的節點能夠及時發現并準確修復，從而可以達到防患于未然的目的。

5 結束語

經過多年的努力，國際社會已經開展了關于殘缺榫卯結構的抗震性能和加固技術的深入探索，并取得了豐碩的結論。實踐證實，隨著殘缺部位的增多，榫卯節點的耐久性和耐用性都會受到影響，從而導致其耗能和減振效率較之正常結構顯著降低。經過多次測試發現，各種加固方案對榫卯節點的耗能能力都有所改善， 然而，這些改善仍然受到“修舊如舊”要求的制約。因此，我們需要進行進一步地探索，以期找到最佳的加固方案，并開發出適用的新型加固材料與技術，以期為中國的傳統古代建筑物的安全與完整做好準備。