古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)研究

劉姝均

一、榫卯節(jié)點(diǎn)耗能減震原理

耗能減震結(jié)構(gòu)是在小震作用下，耗能構(gòu)件主要提供的剛度或者摩擦阻尼，基本位于彈性階段，可使結(jié)構(gòu)始終滿足正常使用狀態(tài)要求；在中震與大震作用下，構(gòu)件耗能裝置會產(chǎn)生諸多阻尼，輸入到結(jié)構(gòu)中的能量會消耗一部分，使結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)減小，但不會使主體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變形，由此確保結(jié)構(gòu)安全可靠。減震原理可從能量角度分析，在地震作用下任意時(shí)段能量可表示為：

式中，Ein代表的是地震期間減震結(jié)構(gòu)體系總能量；Ee代表的是減震結(jié)構(gòu)彈性應(yīng)變能；Ek代表的是減震結(jié)構(gòu)體系動能；Ec代表的是粘滯阻尼耗能；Eh代表的是結(jié)構(gòu)體系滯回耗能；Ed代表的是吸收耗散能量。在上述方程中，Ee與Ek僅為能量轉(zhuǎn)換，不會出現(xiàn)能量消耗。在摩擦減震結(jié)構(gòu)中，耗能減震器先進(jìn)入耗能狀態(tài)，此時(shí)主體結(jié)構(gòu)尚未處于非彈性狀態(tài)，耗能構(gòu)件的耗能作用得到充分發(fā)揮，大多數(shù)能量得以耗散，對結(jié)構(gòu)自身所需耗散能量會有所降低，結(jié)構(gòu)響應(yīng)減少，使主體結(jié)構(gòu)避免受到損壞。在該結(jié)構(gòu)中，以耗能構(gòu)建產(chǎn)生阻尼耗散地震輸入的部分能量的方式，達(dá)到減震目標(biāo)。

在節(jié)點(diǎn)減震方面，古建筑結(jié)構(gòu)中柱、額枋均利用榫卯連接，而榫卯連接是在剛接與鉸接間，具有半剛性特點(diǎn)，不但可抵抗一定彎矩，還可發(fā)生較大轉(zhuǎn)動變形，該結(jié)構(gòu)不但可承受特定水平作用，還可增加水平位移。因受到半剛性影響，使節(jié)點(diǎn)在水平荷載作用下受到剪力、軸力、彎矩等綜合作用，榫頭側(cè)面因與卯口之間相互擠壓出現(xiàn)一定變形，并產(chǎn)生與節(jié)點(diǎn)方向背離的摩擦力，榫頭上下表面與側(cè)面則會產(chǎn)生局部壓應(yīng)力。在節(jié)點(diǎn)發(fā)生變形后，榫頭與卯口均呈現(xiàn)局部受壓態(tài)勢，木材順紋方向只有局部受壓，壓力少于完全受壓，使節(jié)點(diǎn)擁有一定的耗能減震能力，可通過榫頭與卯口間的摩擦，使節(jié)點(diǎn)具備耗能減震性能。

二、古建筑榫卯節(jié)點(diǎn)減震性能分析

1.測點(diǎn)布置

古建筑中結(jié)構(gòu)多為豎向分層，且允許構(gòu)件之間存在相對滑移。在正式開展試驗(yàn)前，針對各構(gòu)件初始處進(jìn)行準(zhǔn)確測量，安裝12枚磁電拾震器。在闌額兩側(cè)、加固節(jié)點(diǎn)鋼片與柱體根部位置安裝應(yīng)變片，對模型相應(yīng)位置的內(nèi)力與變形情況進(jìn)行測試。量測方案為利用位移計(jì)測量榫卯拔出量與柱側(cè)移情況；利用傾角儀測量柱額相對轉(zhuǎn)角；利用7V08數(shù)據(jù)采集儀器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；利用電阻應(yīng)變片對柱、額、CFRP布與扁鋼應(yīng)變情況進(jìn)行測量。

2.加載方式

分級交替輸入模擬地震E1 Centro波與Taft波，對模型動力響應(yīng)情況進(jìn)行測試，并在臺面中陸續(xù)輸入地震波加速度峰值。加固前地震激勵(lì)峰值加速度分別為0.058g、0.106g、0.206g、0.302g、0.417g、0.594g、0.876g；加固后分別為0.062g、0.104g、0.204g、0.320g、0.397g、0.537g、0.795g。在本次研究中，針對模型加固前后各項(xiàng)動力參數(shù)、內(nèi)力變化情況進(jìn)行測試。在加載方案中，利用水平自由滑動千斤頂施加恒定豎向荷載；為避免構(gòu)架朝著平面外側(cè)位移，在梁兩側(cè)布設(shè)側(cè)向支撐；采用變幅值位移控制加載，每級位移幅值循環(huán)三次。

3.試驗(yàn)結(jié)果

（1）節(jié)點(diǎn)未加固結(jié)果

將模擬地震E1 Centro波與Taft波依次輸入，當(dāng)輸入加速度級別不斷增加時(shí)，模型振動幅度也隨之增加，且產(chǎn)生“吱吱”聲，榫卯縫隙擠緊；在輸入地震波0.4g后，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微的扭動，尤其是柱根位置扭動最為顯著，但節(jié)點(diǎn)尚未受到損壞；當(dāng)輸入地震波超過0.5g后，榫卯閉合幅度不斷增加，斗拱與普拍枋之間出現(xiàn)相對滑移，后者滑移為130mm。臺面輸入地震激勵(lì)超過0.9g后，模型開始分層側(cè)移擺動，混凝土配種板擺動減小，柱架在額坊水平位置來回?cái)[動，可見與梁架接觸位置拱與斗之間存在轉(zhuǎn)動與起落，將榫拔出后卯閉合，整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性良好。在輸入1.20g后，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)十分明顯的“嘎吱”聲響，此時(shí)榫卯已經(jīng)完全拔出，反復(fù)試驗(yàn)后，模型順著激勵(lì)方向榫卯脫離，整體模型倒塌。

（2）節(jié)點(diǎn)加固結(jié)果

根據(jù)靜力試驗(yàn)結(jié)果可知，扁鋼適用于破損程度較大的節(jié)點(diǎn)加固，將受損模型按照原本位置組裝起來，將設(shè)計(jì)好的加固方案對榫卯周圍扁鋼進(jìn)行加固，再重新逐級輸入地震激勵(lì)，用于對比古建筑中結(jié)構(gòu)加固前后的抗震性。在輸入激勵(lì)為0.05g時(shí)，結(jié)構(gòu)朝著同一方向微顫；在輸入激勵(lì)值在0.1～0.2g之間時(shí)，柱根已經(jīng)逐漸滑移，且方向不盡相同；在輸入激勵(lì)為0.40g時(shí)，普拍枋與斗拱間滑移陸續(xù)顯現(xiàn)出來，模型擺動更加顯著。在普拍枋與櫨斗底部出現(xiàn)個(gè)別結(jié)構(gòu)脫離情況，但節(jié)點(diǎn)榫卯未脫離出來，這意味著節(jié)點(diǎn)包箍扁鋼具有約束作用；在激勵(lì)值為0.50g時(shí)，與柱頭扁鋼相鄰位置的扁鋼出現(xiàn)部分屈服，在臨近節(jié)點(diǎn)固定處的扁鋼已被拔出，節(jié)點(diǎn)與鋼箍位移方向并不一致；當(dāng)激勵(lì)為0.80g時(shí)，節(jié)點(diǎn)鋼片出現(xiàn)明顯的細(xì)碎裂紋，且扁鋼屈曲、起鼓，這意味著隨著變形的增加，扁鋼已經(jīng)超出屈服強(qiáng)度，處于塑性階段。根據(jù)試驗(yàn)全過程可知，梁端與柱頭應(yīng)力應(yīng)變值均較低，與材料強(qiáng)度極限相比較低，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在整體試驗(yàn)中均為彈性階段。

（3）動力放大系數(shù)特性

①激勵(lì)值與斗拱層關(guān)系。頂面動力系數(shù)為頂面峰值與柱頭加速度比值，可將激勵(lì)值與斗拱層間的關(guān)系體現(xiàn)出來。在地震影響下，斗拱如同彈球一般循環(huán)擺動，加上斗拱與普拍枋間有一定的摩擦滑移，可消耗諸多地震能。與放大系數(shù)變化趨勢相比，未加固模型放大系數(shù)降低變化規(guī)律與加固后規(guī)律相同，這意味著扁鋼加固處理后也具備良好的減震效果。但因結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)，其動力放大系數(shù)逐漸提升，未固定模型放大值與加固系數(shù)基本相同，說明加固方式科學(xué)可行。一般情況下，節(jié)點(diǎn)加固動力值普遍超過加固之前，意味著加固后剛度有所提升，且在未加固模型倒塌后，柱頂與表面動力系數(shù)與以往相比有所提高，意味著在結(jié)構(gòu)承載力消失時(shí)，其自身減震性能也隨之降低。

②激勵(lì)值與放大系數(shù)關(guān)系。從整體來看，動力放大系數(shù)為頂面與激勵(lì)值的比值，可將激勵(lì)值與整體減震間的關(guān)系體現(xiàn)出來。當(dāng)激勵(lì)降低時(shí)，不同層面放大系數(shù)相對較大，且減震作用無法充分發(fā)揮出來。在激勵(lì)值增加時(shí)，不同層面放大系數(shù)逐漸降低，且降低速度不斷加快，減震效果更加顯著。但未加固模型結(jié)構(gòu)在激勵(lì)值處于1.2g時(shí)，其不同層面動力系數(shù)與以往相比均有所提升?？梢?，在實(shí)際活動中榫卯拔出長度較大，結(jié)構(gòu)隨時(shí)可能坍塌。根據(jù)計(jì)算結(jié)果將加固與未加固模型中不同層面放大系數(shù)變化趨勢進(jìn)行分析。在激勵(lì)較小情況下，柱根與臺面加速度時(shí)程曲線基本重合，這意味著此時(shí)二者處于同步運(yùn)動狀態(tài)，振動臺面、摩擦力與柱根一同運(yùn)動。與摩擦試驗(yàn)結(jié)果相同，即沖破最大靜摩擦力之前，摩擦力值均由上方結(jié)構(gòu)運(yùn)動趨勢所決定；當(dāng)激勵(lì)不斷增加后，不同階段的放大特性也不盡相同。

③激勵(lì)值與減震性能關(guān)系。在模擬地震E1 Centro波與Taft波影響下，沒有加固的模型柱頭放大系數(shù)與加固后放大系數(shù)均小于1，并且隨著級別的增加而減小，這說明榫卯節(jié)點(diǎn)具有減震性，該模型的地震響應(yīng)衰減也較為顯著。木柱自身的彎曲變形能力較弱，側(cè)移柔度主要借助榫卯張角變形柔度來實(shí)現(xiàn)，張角變形使諸多振動能量被消耗，主要從柱頭加速度逐漸降低而體現(xiàn)，這意味著榫卯耗能性更加顯著，擁有較強(qiáng)的減震能力。

三、結(jié)語

綜上所述，通過對榫卯連接木構(gòu)架抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)可知，隨著位移增加各構(gòu)架剛度逐漸減小，但減小幅度較??；扁鋼加固可提高節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與剛度，但會受地震影響更大。對此，應(yīng)在節(jié)點(diǎn)加固后探尋剛度與強(qiáng)度間的變化規(guī)律，合理選擇扁鋼合適用量；針對剛度或者強(qiáng)度顯著不足，且位置較為隱蔽的榫卯節(jié)點(diǎn)可利用扁鋼加固。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)榫卯加固方案科學(xué)可行，可使古建筑結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定可靠。