黔東南州傳統木結構直榫節(jié)點類型和受力分析

王展光，魏述和

（凱里學院 建筑工程學院，貴州凱里 556011）

0 引言

黔東南地區(qū)是苗侗等少數民居聚集區(qū)，其傳統民居為穿斗式木結構，現在在黔東南仍然存在著50多萬棟木質民居和數以百計的鼓樓和風雨橋。黔東南民居基本采用榫卯結構節(jié)點連接，很少采用釘子和鋼節(jié)點連接，按榫卯節(jié)點形式分其主要采用的是燕尾榫節(jié)點和直榫節(jié)點，見圖1。在這兩種榫卯節(jié)點連接方式中，直榫節(jié)點是黔東南木結構采用的最主要的方式，大部分木柱和木枋的連接都采用這種形式，而燕尾榫節(jié)點主要用于地腳枋、美人靠靠背枋等幾個特殊部位。因此對黔東南地區(qū)直榫節(jié)點進行梳理和分類，并對其進行力學分析是十分必要的。

圖1 榫卯節(jié)點

對于傳統木結構直榫節(jié)點，已經開展了相關研究。姚侃[1]提出的三折線模型；楊艷華[2]建立了直榫節(jié)點4參數冪函數彎矩-轉角的相關曲線模型；潘毅[3]通過對直榫節(jié)點進行力學分析，建立了力學模型，并推導出簡化計算公式；淳慶[4-5]研究了江南傳統木構建筑直榫節(jié)點的力學性能；謝啟芳[6]通過直榫節(jié)點的低周反復加載試驗，得到了不同形式直榫節(jié)點的破壞特征、滯回曲線和耗能等；陳春超[7]通過試驗和有限元模擬，對直榫節(jié)點的受彎性能進行研究；孫俊[8]借助木材嵌壓理論，推導出直榫節(jié)點彎矩和轉角的理論公式；胡旭[9]對黔東南地區(qū)穿斗式木結構材料性能和榫卯節(jié)點性能進行研究。

目前黔東南的木結構都沒有經過設計計算，都是民族工匠根據其多年的經驗和傳承來進行設計和施工，因此結構的合理性和安全難以得到保證。對黔東南木結構直榫節(jié)點還沒有學者進行全面梳理和分析，本文在其他學者研究的基礎上，以黔東南木結構直榫節(jié)點為研究對象，通過大量的實際調研，對黔東南木結構直榫節(jié)點進行分類，并對其受力過程進行初步梳理，以期為后續(xù)研究提供思路和指導。

1 節(jié)點分類

黔東南木結構數量眾多，其營造技法按國家非物質文化遺產大類分為“苗寨吊腳樓營造技藝”和“侗族木構建筑營造技術”。但實際上黔東南木結構做法十分復雜，不同村寨不同師承關系都會導致做法的差異，節(jié)點的連接上也會有各種不同的處理方式。

1.1 按銷釘進行分類

按木柱和木枋的連接方式是否采用銷釘進行分類，可以分為以下三種形式：不帶銷釘的直榫節(jié)點、帶明銷釘的直榫節(jié)點、帶暗銷釘榫卯節(jié)點，見圖2—圖4。

圖2 不帶銷釘的直榫節(jié)點

這三種方式在民居、鼓樓和風雨橋中都大量采用，沒有等級高低和優(yōu)劣之分，更多的是由工匠自己的習慣、所學，并結合工程實際進行處理。其實在一般節(jié)點，很多工匠采用的是不帶銷釘的直榫節(jié)點，但在一些關鍵節(jié)點上，為了保證連接強度，會根據情況增加銷釘。

圖3 帶明銷釘的直榫節(jié)點

圖4 帶暗銷釘的直榫節(jié)點

1.2 按截面形式分類

按截面形式進行分類可以分為：全截面直榫節(jié)點、半截面直榫節(jié)點、三分之一截面直榫節(jié)點。在所有直榫節(jié)點中，全截面直榫節(jié)點采用最為廣泛；半截面直榫節(jié)點一般用于縱橫向木枋需要保持在同一標高，如屋檐處，見圖5；三分之一截面直榫節(jié)點原理同半截面直榫節(jié)點一樣，一般用于縱向、橫向和斜向木枋需要保持在同一標高，如在侗族鼓樓中較常使用，見圖6。

圖5 半截面直榫節(jié)點

圖6 三分之一截面直榫節(jié)點

2 節(jié)點受力分析

為了比較不同類型直榫節(jié)點的受力情況，本文對按銷釘進行分類的三種直榫節(jié)點進行分析，闡述三種類型直榫節(jié)點受力分析思路。

2.1 基本假定

由于榫卯節(jié)點受力十分復雜，為了在力學分析中進行簡化，采用以下基本假定：

（1）假設榫頭和銷釘為剛性，忽略榫頭和銷釘本身變形；榫頭發(fā)生剛體運動，忽略榫頭和銷釘的彎曲變形；

（2）榫頭側面摩擦力對彎矩貢獻很小，為了簡化問題難度，忽略榫頭側面摩擦力的影響[3]；

（3）平截面假定，假設木柱和木枋無論是在彈性階段還是彈塑性階段，其應變保持為直線。

2.2 變形和受力分析

對直榫節(jié)點進行力學分析，利用幾何條件分析直榫節(jié)點的變形情況，利用平衡條件分析直榫節(jié)點彎矩和壓力、摩擦力關系，最后引入木材的應力-應變模型，通過聯立方程，最后得出彎矩和位移的計算公式。

（1） 幾何條件

不同類型直榫節(jié)點變形狀態(tài)示意圖，見圖7。從圖7可以看出，不帶銷釘的直榫節(jié)點在外荷載作用下，直榫節(jié)點中點從A點移動到A’點，木枋既有橫向移動δ又有圍繞軸線的轉動θ；帶明銷釘的直榫節(jié)點在外荷載作用下，不考慮早期錯動和銷釘變形情況，木枋圍繞銷釘B點進行轉動，只有一個變量轉角θ；帶暗銷釘榫卯節(jié)點，在不考慮銷釘變形的情況下，木枋也是圍繞銷釘C點進行轉動。

圖7 直榫節(jié)點變形狀態(tài)示意圖

（2） 平衡條件

不同類型直榫節(jié)點的受力示意圖，見圖8。從圖8中可以看出，在忽略側面摩擦力的情況下，木枋所受彎矩M主要由木枋和柱的接觸面的軸向力N和摩擦力f來平衡，通過建立力的平衡關系，可以得到彎矩與軸向力和摩擦力的方程式。

圖8 直榫節(jié)點受力示意

在上面的兩個條件的基礎上，通過與木材的應力應變進行聯合，求出木枋所受彎矩與木枋橫向移動和轉角的關系。

將推導出來的理論公式與相關直榫節(jié)點試驗以及有限元模擬結果進行比較，驗證理論推導結果的正確性與否。

由于直榫節(jié)點是半剛性連接，對節(jié)點半剛性性質的把握是直榫節(jié)點性能和木結構性能分析的關鍵。在理論分析、試驗分析和有限元模擬的基礎上，可以提出不同直榫節(jié)點情況下半剛度系數，從而可以將木結構簡化為剛性連接進行分析計算，再用節(jié)點半剛性系數對木結構內力進行重分配，從而用結構力學的知識來解決木結構設計問題，使黔東南地區(qū)木結構設計和施工做到有據可依。

3 結論

通過上面的方法，可以對上述直榫節(jié)點受力情況進行分析，通過理論推導、力學試驗以及有限元模擬計算，對每種直榫節(jié)點給出定量結論，從而較為完整地掌握直榫節(jié)點的力學性質，為后續(xù)對木構架的分析奠定基礎。在此基礎上，提出木結構的設計計算方法，為黔東南木結構的科學廣泛使用提供理論支持。

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