木拱廊橋的抗震、減震及隔震加固探究

李利平，張亞飛，季光耀

（1.麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江麗水323000；2.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南昆明650000）

0 引言

木結(jié)構(gòu)橋梁是中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的重要組成部分，其中，木拱廊橋是木結(jié)構(gòu)橋梁中的藝術(shù)瑰寶，是浙閩兩省勞動人民在與自然斗爭中的杰出創(chuàng)造。木拱廊橋主要遺存于浙閩兩省的交界處，集中分布于溫州、麗水、南平及寧德等地區(qū)，具有結(jié)構(gòu)獨(dú)特、造型別致以及地域特征明顯等特點(diǎn)。

隨著現(xiàn)代化發(fā)展的步伐加快，人們對木拱廊橋的關(guān)注程度逐漸降低，木拱廊橋的建造工藝逐漸失傳。木拱廊橋作為木結(jié)構(gòu)橋梁的代表之作，具有超高的科研價值。目前，已有研究人員對木拱廊橋的保護(hù)提出意見。黃續(xù)[1]提出對木拱廊橋的技藝保護(hù)策略：加強(qiáng)木拱廊橋營造技藝生態(tài)環(huán)境的整體保護(hù)；加強(qiáng)木拱廊橋營造技藝研究，建立數(shù)字博物館；加強(qiáng)傳承人及其傳承的保護(hù)。李旭平[2]提出數(shù)字化保護(hù)技術(shù)、廊橋木結(jié)構(gòu)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化等?？娦↓圼3]對木拱廊橋的防火提出以加強(qiáng)防火為重點(diǎn)，研究開發(fā)阻燃材料、運(yùn)用GIS（地理信息系統(tǒng)）、應(yīng)用性能化消防設(shè)計等策略。對于洪澇災(zāi)害帶給木拱廊橋的破壞，吳明樺[4]提出木拱廊橋泄洪技術(shù)方案，對木拱廊橋在洪澇災(zāi)害下的保護(hù)給出了一定的技術(shù)方案。但是對于木拱廊橋的抗震、減震以及隔震方面的研究甚少，部分研究人員對廊橋的研究只在橋木拱架部分，而對于廊屋部分沒有進(jìn)行深入研究。對木拱廊橋的研究發(fā)現(xiàn)[5]，有些木拱廊橋的廊屋部分質(zhì)量對整個木拱廊橋具有重要影響，因此對于木拱廊橋整體的抗震、減震及隔震加固值得深入探究。

1 木拱廊橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

木拱廊橋多建于交通不發(fā)達(dá)的山區(qū)，其結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：上面部分為廊屋，可供行人遮風(fēng)擋雨或休憩；下面部分為橋木拱架部分，作用是支撐整個廊橋。下面以浙江麗水慶元縣全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位——如龍橋（圖1）為對象，簡單介紹木拱廊橋的基本結(jié)構(gòu)和建筑特征。如龍橋位于浙江省慶元縣，全長28.2 m，拱跨14.1 m，凈跨19.5 m，面闊6 m，有廊屋9 旬，兩端橋臺南設(shè)橋亭、北設(shè)鐘樓(鐘樓結(jié)構(gòu)與整體差異較大,疑為后期改建),橋臺外砌糙塊石,內(nèi)多堆砌卵石,依地勢分設(shè)臺階通往村落及去閩古道,是全國迄今有確切紀(jì)年、壽命最長的木拱橋[6]。如龍橋構(gòu)造科學(xué)、合理，橋木拱架部分依照力學(xué)原理，運(yùn)用數(shù)十根粗大圓木縱橫拼接對拱而成“八”字型結(jié)構(gòu)；廊橋兩端豎立4 根“將軍柱”（圖1①），從木拱架底墊木通到廊屋部分，使廊屋的重心下移，重心穩(wěn)定；箬葉、木炭、砂石料、鵝卵石或香糕磚依次層鋪于橋面板上，使橋面具有良好的通風(fēng)、散氣以及防腐功效。

如龍橋拱架部分由“三折邊”（圖1②）、“五折邊”（圖1③）、“交叉木”相互穿插形成，通過“三折邊”“五折邊”在轉(zhuǎn)折處搭接于“牛頭”（圖1④）上形成整體“，牛頭”部分的細(xì)部構(gòu)造如圖2 所示，說明其建造技術(shù)已十分成熟，能夠科學(xué)地解決受力問題。

圖1 如龍橋剖面圖

2 木結(jié)構(gòu)的抗震研究

2.1 木結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

木拱廊橋的上下兩部分都具有減震吸能節(jié)點(diǎn)。以往的研究表明，可從斗拱、榫卯、梁架、屋頂及柱子等方面對木結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造進(jìn)行評估，具體評估方法包括無損檢測法、三位激光掃描法、試驗(yàn)法、有限元法等[7]。劉榮桂[8]對古木結(jié)構(gòu)抗震經(jīng)驗(yàn)評價方法進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上提出新的評價公式。

圖2 圖1 中⑤三折邊節(jié)點(diǎn)詳圖

Andrew 等[9]研究發(fā)現(xiàn)材料的重量、延性、強(qiáng)度變異性、尺寸效應(yīng)及耐火性等對木結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計均具有影響，并指出膠合板剪力墻能夠吸收能量。熊海貝等[10]在高層木結(jié)構(gòu)抗震、抗火及節(jié)點(diǎn)連接等方面研究發(fā)現(xiàn)，CLT 剪力墻結(jié)構(gòu)在當(dāng)前木結(jié)構(gòu)高層結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)用廣泛。Pang 等[11]將DDD（直接位移計算）方法用于多層木框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，結(jié)果表明，在地震作用下DDD 設(shè)計的木框架結(jié)構(gòu)具有比較低的軟弱層破壞風(fēng)險。

薛建陽等[12]、盤錦章[13]、隋[14]及張錫成[15]以殿堂結(jié)構(gòu)為對象，對古建筑中木結(jié)構(gòu)地震動力反應(yīng)及抗震機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明，榫卯節(jié)點(diǎn)、柱腳滑移及鋪?zhàn)鲗泳哂形苣芰Γ夷窘Y(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)減震及消震能力。謝啟芳等[16]在汶川地震后對綿竹、寶雞等地區(qū)的古建筑進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在地震作用下榫卯節(jié)點(diǎn)可以通過變形來吸收地震能量，從而減少結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；潘毅等[17]對都江堰等地古木結(jié)構(gòu)震害進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，榫卯連接起到吸能減震作用，使得古建筑具有良好的抗震能力；羅勇[18]運(yùn)用有限元軟件模擬驗(yàn)證了榫卯節(jié)點(diǎn)具有吸能減震能力;文自剛等[19]對榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，根據(jù)能量耗散原理將榫卯節(jié)點(diǎn)耗散的能量等效為阻尼做功，以廣泛運(yùn)用的燕尾榫為例，得出結(jié)構(gòu)的等效阻尼系數(shù)Ceq=250 kN·s·m-1，說明榫卯結(jié)構(gòu)具有良好的吸能減震能力。

結(jié)構(gòu)循環(huán)一周摩擦力耗散的能量：

粘滯阻尼在循環(huán)一周內(nèi)耗散的功：

高大峰[20]研究表明柱腳滑移部分具有良好的隔震表現(xiàn),卯榫節(jié)點(diǎn)具有增大結(jié)構(gòu)延性能力及鋪?zhàn)鲗拥膹椝苄宰冃问沟媚窘Y(jié)構(gòu)具有抗震性能。李海娜[21]、吳磊[22]對鋪墊層進(jìn)行振動臺試驗(yàn)與理論計算對比分析，證實(shí)鋪?zhàn)鲗泳哂辛己玫奈軠p震能力。

2.2 木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)加固研究

參考以往的研究可以得出，木結(jié)構(gòu)中的鋪?zhàn)鲗?、拱架、臺基及榫卯節(jié)點(diǎn)等均具有良好的吸能減震作用。周乾、閆維明等[23-25]及薛建陽等[26]采用振動臺試驗(yàn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)中將CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）運(yùn)用在榫卯節(jié)點(diǎn)上，對榫卯節(jié)點(diǎn)的加固具有較好的吸能減震效果。張風(fēng)亮[27]通過試驗(yàn)與軟件模擬表明，碳纖維布在榫卯節(jié)點(diǎn)的加固中具有一定的可行性。王全鳳和法冠喆等[28-29]將BFRP（玄武巖纖維布）運(yùn)用在榫卯節(jié)點(diǎn)的加固上，同樣表現(xiàn)出良好的吸能減震效果，且在不同工法下表現(xiàn)不同。

在榫卯結(jié)構(gòu)加固的研究中，陸偉東[30]和鄧大利[31]利用扒釘、角鋼、軟鋼和弧形鋼板等進(jìn)行榫卯節(jié)點(diǎn)加固，表明了這兩種材料能夠提升吸能性能，加固效果明顯；姚侃等[32]運(yùn)用Q235 扁鋼加固榫卯節(jié)點(diǎn)，加固后節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度和整體性均有所提高，可以有效阻止榫卯脫落導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)坍塌;扁鋼的塑性變形吸能取代了榫卯破壞階段的吸能，有效阻止了結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的破壞；王超[33]對黃帝殿的研究發(fā)現(xiàn)鋼板在卯榫節(jié)點(diǎn)中的加固在未來地震中可能存在隱患，提出在相同位置運(yùn)用阻尼器加固能夠降低結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。

2.3 木結(jié)構(gòu)隔震支座吸能研究

木拱廊橋中充分運(yùn)用了各種榫卯、拱架及鋪?zhàn)鲗拥瘸Ｒ姷奈軠p震節(jié)點(diǎn)，單靠木拱廊橋結(jié)構(gòu)中具有的吸能減震節(jié)點(diǎn)是不能夠抵抗所有地震作用的，因此在木拱廊橋中運(yùn)用隔震系統(tǒng)值得研究。Symans 等[34]對木結(jié)構(gòu)抗震中運(yùn)用基礎(chǔ)隔震和附加阻尼系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)，表明了基礎(chǔ)隔震和附加阻尼系統(tǒng)是木結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下的希望。

目前,常用的隔震支座有橡膠支座及滑動支座。綠川光正[35]通過振動臺試驗(yàn)驗(yàn)證了橡膠支座及滑/滾動支座在木結(jié)構(gòu)中具有明顯的隔震效果;Delfosse[36]通過設(shè)計計算一層木結(jié)構(gòu)證實(shí)了橡膠支座在單層木結(jié)構(gòu)中的可行性；Pall 等[37]對加拿大某地一棟兩層輕型木結(jié)構(gòu)運(yùn)用滑動支座進(jìn)行數(shù)值建模分析，得出頂部加速度在隔震系統(tǒng)的作用下減少近1/2，且滑動支座的隔震效果伴隨地面加速度的增大效果更加顯著；Sakamoto 等[38]在兩層木結(jié)構(gòu)中運(yùn)用疊層橡膠隔震支座、高阻尼橡膠隔震支座及鉛芯橡膠隔震支座，結(jié)果表明運(yùn)用隔震支座后頂層加速度明顯減小。

研究發(fā)現(xiàn)隔震支座在木結(jié)構(gòu)中具有良好的隔震表現(xiàn)。Zayas 等[39]、Iiba 等[40]、Junya Sakai 等[41]及Jampole等[42]采用FPS 隔震系統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行分析，得出FPS 隔震系統(tǒng)具有良好的隔震效果。van de Lindt 等[43]通過對FPS 支座半徑與地震烈度的關(guān)系得到回歸方程及回歸系數(shù)，其斜率分別是0.97 和0.95：

C的取值見表1。

表1 C 的取值

潘忠煒等[44]研究發(fā)現(xiàn)在古木建筑加固中運(yùn)用普通疊層橡膠支座和彈性滑移支座的混合隔震技術(shù)，這種混合隔震能夠有效地提高建筑的抗震能力；肖發(fā)平[45]提出反壓式碟形彈簧隔振器的原理及設(shè)計思路，并驗(yàn)證了其合理性及有效性，可運(yùn)用在木結(jié)構(gòu)隔震中；楊建江[46]通過有限元軟件驗(yàn)證了臺基具有一定的隔震性能。

通過對木結(jié)構(gòu)中的各種隔震措施的研究表明，上述措施表現(xiàn)良好，那么對于木拱廊橋是否同樣具有良好的隔震性能，值得進(jìn)一步研究。

3 木拱廊橋減隔震加固

3.1 木拱廊橋節(jié)點(diǎn)吸能加固

目前，研究人員對木拱廊橋的保護(hù)部分研究眾多，但大部分研究只針對橋木拱架部分，并沒有把廊屋部分考慮進(jìn)去，這樣的研究具有不確定性，因此，在對木拱廊橋的隔震加固中把廊屋部分考慮進(jìn)去很有必要。呂偉榮等[5]通過數(shù)值模擬得出在不同荷載作用下“三節(jié)苗”和“五節(jié)苗”的內(nèi)力變化均勻，“牛頭”部分彎矩及剪力相對集中。張亮[47]和歐加加[48]對木拱廊橋受力機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，在荷載作用下榫卯連接部分對整個橋木拱架部分的穩(wěn)定起關(guān)鍵作用，以及牛頭部分和是否有“青蛙腿（馬腿）”對木拱廊橋的受力也具有很大影響。徐哲民[49]、劉明暉[50]在對木拱廊橋的力學(xué)特性進(jìn)行分析時，拱腳處出現(xiàn)最大軸力響應(yīng)，在地震作用下橋面1/4 位置的位移響應(yīng)最大。文自剛等[19]提出等效阻尼系數(shù)公式

由上述的等效阻尼系數(shù)公式可知干摩擦的阻尼貢獻(xiàn)與滑動速度幅值ωX成正比，通過增加榫卯節(jié)點(diǎn)的滑動速度幅值能夠提高榫卯節(jié)點(diǎn)的吸能減震能力。對木拱廊橋的受力和力學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn)，榫卯節(jié)點(diǎn)處受力明顯，且在地震作用下響應(yīng)明顯，同時榫卯節(jié)點(diǎn)具有良好的隔震吸能能力。

對于榫卯節(jié)點(diǎn)的加固，傳統(tǒng)的方法有加釘法、螺栓加固法和加箍法等，應(yīng)用最多的是在節(jié)點(diǎn)設(shè)置U 形鋼箍、鋼構(gòu)件。周乾等[51]研究發(fā)現(xiàn)，CFRP 加固榫卯節(jié)點(diǎn)，其承載力、吸能能力、剛度退化和節(jié)點(diǎn)延性比扒釘和鋼箍加固好；張富文等[52]研究表明，竹斜撐、鋼箍和鋼支撐加固榫卯節(jié)點(diǎn)的正向峰值荷載較未加固分別提高了105.2%、246.6%和68.1%，而反向峰值荷載僅分別提高了－8.7%、57.7%和12.4%，與未加固相比，竹斜撐、鋼支撐加固的初始剛度分別提高了82.4%和38.3%，鋼箍加固提高有限，僅為3.3%。CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）、碳纖維布、BFRP（玄武巖纖維布）、鋼箍、軟鋼、弧形鋼板，以及鋼板等，在卯榫節(jié)點(diǎn)加固中具有不同的加固效果和抗震表現(xiàn)。將這些材料運(yùn)用于木拱廊橋的榫卯節(jié)點(diǎn)加固，通過數(shù)值模擬及振動臺試驗(yàn)尋找適用于木拱廊橋榫卯節(jié)點(diǎn)加固的材料，同時開發(fā)新的加固材料應(yīng)用于木拱廊橋榫卯節(jié)點(diǎn)加固很有必要。

3.2 木拱廊橋支座吸能加固

對于木結(jié)構(gòu)中運(yùn)用的FPS 隔震系統(tǒng)、反壓式碟形彈簧隔振器、橡膠支座、滑/滾動支座以及基礎(chǔ)隔震和附加阻尼系統(tǒng)具有良好的隔震效果，那么對于木拱廊橋的基礎(chǔ)部分同樣可以運(yùn)用隔震支座進(jìn)行隔震加固。

關(guān)于臺基部分，從現(xiàn)有的研究中得知，臺基具有良好的隔震效果?，F(xiàn)將上部廊屋部分考慮進(jìn)去，廊屋兩邊插入基礎(chǔ)的“將軍柱”，通過加入隔震支座來實(shí)現(xiàn)其隔震效果；橋面立柱部分平放在橋木拱架上，將安放橋面立柱的橋面拱架部分修建成類似臺基，這將會使廊屋部分具有良好的隔震吸能能力。張風(fēng)亮[27]給出柱腳與臺基之間發(fā)生相對滑移的條件為臺面的慣性加速度大于柱腳與臺基間的最大靜摩擦力產(chǎn)生的加速度，即，式中表示地面加速度；μs表示柱根與臺基間的最大靜摩擦系數(shù)，取0.33[5]；g為重力加速度。

對木拱廊橋插入地基的“將軍柱”使用隔震支座，橋面立柱部分采用類似臺基的方式進(jìn)行吸能加固，其中“牛頭”部分使用卯榫結(jié)構(gòu)已經(jīng)具有一定的抗震性能，可根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況運(yùn)用榫卯節(jié)點(diǎn)的加固方式進(jìn)行加固。這樣“將軍柱”部分相當(dāng)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，橋面立柱部分運(yùn)用類似臺基方式進(jìn)行隔震吸能，廊屋部分與橋木拱架部分由臺基隔震形式形成層間隔震結(jié)構(gòu)。“將軍柱”隔震支座位置和橋面臺基安放位置如圖3 所示。

圖3 隔震支座及臺基安放位置

4 討論與結(jié)論

木拱廊橋節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能，對于木拱廊橋的抗震、減震及隔震加固方面的研究，提出以下幾個重要方向：

（1）對于榫卯節(jié)點(diǎn)的加固，研究發(fā)現(xiàn)不同材料在不同結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出不同的加固效果[51-52]，運(yùn)用CFRP/BFRP、竹斜撐或者鋼等材料進(jìn)行榫卯節(jié)點(diǎn)加固，需要進(jìn)行有限元模擬或振動臺試驗(yàn)，從而得出合適運(yùn)用在木拱廊橋榫卯節(jié)點(diǎn)加固的材料。

（2）使用隔震支座，將FPS 隔震系統(tǒng)、反壓式碟形彈簧隔振器、橡膠支座、滑/滾動支座以及基礎(chǔ)隔震和附加阻尼系統(tǒng)進(jìn)行有限元模擬，并與振動臺試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，得到適用于木拱廊橋的隔震支座。

（3）對兩邊直接插入基礎(chǔ)的“將軍柱”采用隔震支座，橋面立柱部分以模仿臺基的方式，形成類似的基礎(chǔ)隔震和層間隔震結(jié)構(gòu)與原廊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬及振動臺試驗(yàn)，得出這種加固方式運(yùn)用在木拱廊橋中的有效性。

（4）需要對木拱廊橋的整體進(jìn)行研究，不能僅考慮橋木拱架部分。目前缺少木拱廊橋的振動臺研究，建立木拱廊橋模型，并進(jìn)行振動臺試驗(yàn)是很有必要的。