古木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點抗震性能研究

崔 航 施畢新 叢 宇 藍 迪

（1.四川省文物考古研究院，四川 成都 610041；2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010）

0 引言

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)是我國古建筑中最主要的結(jié)構(gòu)形式，是世界建筑史學上獨具風格的一門建筑體系。榫卯連接是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)極具特色的營造技藝，單一的木構(gòu)件通過榫卯連接形成了一個符合多種要求，能夠承受各種荷載的整體木結(jié)構(gòu)。榫卯具有非常悠久的歷史，新石器時代的河姆渡遺址木構(gòu)件中就有了榫卯的使用。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展演變，榫卯的功能與形狀隨著榫卯所處部位以及結(jié)合方式的不同而不斷改變。

但是與現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中強節(jié)點弱構(gòu)件的設計理念不同，榫卯節(jié)點由于獨特的制作方式，存在截面削弱，榫卯節(jié)點相對于構(gòu)件來說屬于薄弱部位，加上木結(jié)構(gòu)由于自身性能老化，在地震等外力作用下，榫卯節(jié)點容易發(fā)生拔榫現(xiàn)象，進而可能導致整體結(jié)構(gòu)變成機構(gòu)而破壞。

在地震作用下，榫頭反復拉拔，榫卯節(jié)點通過摩擦耗散能量，由于卯口順紋抗壓強度遠大于榫頭橫紋抗壓強度，因而當榫卯節(jié)點發(fā)生轉(zhuǎn)動，榫頭與卯口邊緣的擠壓造成榫頭橫紋發(fā)生塑形擠壓變形，榫頭與卯口間縫隙逐漸變大，最后發(fā)生拔榫破壞。

近年來學者們對古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點進行了大量研究，得出了一系列研究成果。本文以古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點為對象，依據(jù)榫卯節(jié)點的震害特征，歸納了榫卯節(jié)點的抗震性能，以期能更好地對古建筑木結(jié)構(gòu)進行合理保護。

1 榫卯節(jié)點抗震性能

根據(jù)對古建筑木結(jié)構(gòu)以往的震害調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，由于古木結(jié)構(gòu)采用的榫卯連接具有較好的減震耗能作用，因而古木結(jié)構(gòu)在地震力等外力作用下抗震性能良好，大部分木結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)較為完好。但由于修繕加固不當和年久失修等原因，仍有部分木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)生了局部破壞甚至整體倒塌，且木構(gòu)架的破壞主要表現(xiàn)為榫卯節(jié)點拔榫及構(gòu)架傾斜。為了研究古木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點獨特的抗震性能，學者們通過實驗研究、有限元模擬及理論分析等方法對梁柱等主要榫卯節(jié)點的抗震性能進行了大量研究。

1.1 燕尾榫節(jié)點

在理論分析方面，高大峰通過制作縮尺比為1:3.52的二等材榫卯節(jié)點木構(gòu)架模型進行擬靜力試驗研究，建立了榫卯節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角位移的恢復力模型。潘毅等人通過對燕尾榫節(jié)點構(gòu)造特點和受力機理進行分析，建立了以屈服點、極限點為特征點的燕尾榫節(jié)點M-θ雙折線多參數(shù)模型（如圖1所示）。

圖1 燕尾榫節(jié)點M-θ關系曲線

在實驗研究方面，杜彬考慮普拍枋、雀替的影響，對帶有普拍枋、雀替的燕尾榫節(jié)點進行擬靜力試驗，試驗結(jié)果表明：帶雀替燕尾榫節(jié)點的滯回曲線的對稱性遠不如帶普拍枋燕尾榫節(jié)點的滯回曲線；普拍枋和雀替的存在均提高了燕尾榫節(jié)點的抗彎剛度，其剛度退化規(guī)律差異顯著。謝啟芳等人采用人工模擬蟲蛀和腐朽研究了殘損對燕尾榫節(jié)點抗震性能的影響（如圖2所示），進行了低周反復加載試驗，分析殘損節(jié)點的抗震性能，研究表明：殘損節(jié)點的轉(zhuǎn)動彎矩等下降幅度較大，殘損燕尾榫節(jié)點的抗震性能較完好燕尾榫節(jié)點顯著降低。

圖2 人工模擬蟲蛀燕尾榫節(jié)點

在有限元模擬方面，張俊通過對不同縮尺比例、不同材級的燕尾榫節(jié)點模型進行擬靜力試驗模擬，結(jié)果表明：隨縮尺比例的增大，節(jié)點的整體剛度與強度退化系數(shù)減小，但耗能能力和拔榫量增加，同縮尺比例下，三等材節(jié)點耗能能力、榫頭拔榫量小于二等材節(jié)點。康昆等人通過有限元模擬研究了節(jié)點間縫隙與豎向荷載對燕尾榫木構(gòu)架的抗震性能的影響，結(jié)果表明：縫隙的存在使得木構(gòu)架的抗震性能大大降低，豎向荷載越大，整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度越大。

燕尾榫因其獨特的構(gòu)造具有很好的抗拉拔能力。此外，燕尾榫具有良好的抗震性能，在低周往復荷載作用下燕尾榫節(jié)點破壞主要表現(xiàn)為榫頭與卯口的擠壓塑性變形、榫頭拔出破壞，枋、柱基本沒有發(fā)生破壞，殘損對燕尾榫節(jié)點的抗震性能影響較大。

1.2 直榫節(jié)點

在理論分析方面，賀俊筱對往復荷載作用下下松動透榫節(jié)點的受力機理進行了分析，得到透榫節(jié)點的工作狀態(tài)，并給出了相應的工作狀態(tài)判定條件，在考慮縫隙及不對稱性的基礎上，提出了松動透榫節(jié)點彎矩—轉(zhuǎn)角力學模型。潘毅等人對低周往復荷載作用下的直榫節(jié)點的受力機理進行了詳細分析，建立了考慮節(jié)點拔榫量影響的彎矩—轉(zhuǎn)角理論模型，并給出了相應的簡化計算公式。

在實驗研究方面，謝啟芳等人考慮榫頭形式等對直榫節(jié)點抗震性能的影響，通過低周反復加載試驗得到了不同形式直榫節(jié)點的破壞特征以及滯回規(guī)律等。李衛(wèi)等人通過對帶雀替的（如圖3所示）與不帶雀替的半榫節(jié)點木構(gòu)架進行低周往復荷載試驗，實驗表明：與不帶雀替的半榫節(jié)點木構(gòu)架相比，帶雀替節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度得到了提高，并且加強了木構(gòu)架的整體性。

圖3 帶雀替的半榫節(jié)點木構(gòu)件模型

在有限元模擬方面，吳瑋對無縫的與帶縫隙的半榫節(jié)點在低周往復荷載作用下的抗震性能進行了有限元模擬，研究表明縫隙使得半榫節(jié)點在低周往復荷載作用下發(fā)生滑移，半榫節(jié)點的抗彎承載力和剛度降低。薛建陽等人研究了榫頭高度、摩擦系數(shù)等參數(shù)對透榫節(jié)點受力性能的影響，結(jié)果表明：透榫節(jié)點的剛度隨著榫頭的高度和摩擦系數(shù)的增大不斷增大，榫頭高度、摩擦系數(shù)與順紋抗拉強度對透榫節(jié)點的受力性能影響最為顯著。

同等情況下，相對于燕尾榫節(jié)點，透榫節(jié)點的初始剛度和耗能能力均要高出。在直榫節(jié)點中，透榫節(jié)點的耗能能力好于半榫節(jié)點，且半榫的抜榫量較大，普柏枋和雀替等構(gòu)件可以提高節(jié)點的抗彎剛度。

1.3 其他榫卯節(jié)點

在理論分析方面，陳春超通過試驗結(jié)果和有限元模擬，對不同的榫卯節(jié)點的受力機理進行了分析，建立了燕尾榫、直榫、半榫等共六種典型榫卯節(jié)點M-θ簡化力學模型。Chang W.S建立了一種新的理論模型來研究Nuki榫卯節(jié)點的轉(zhuǎn)動性能，該模型與實驗結(jié)果吻合，該理論模型不僅可以表示出帶有間隙的Nuki榫卯節(jié)點的初始剛度，也證明了初始滑移階段被視為銷釘連接。

在實驗研究方面，時玉筏通過對無縫、帶縫的箍頭榫木構(gòu)架進行擬靜力試驗來研究榫卯間縫隙對箍頭榫節(jié)點抗震性能的影響，結(jié)果表明：縫隙的存在會削減箍頭榫節(jié)點的整體耗能能力，降低箍頭榫木構(gòu)架的抗側(cè)剛度。吳志強通過對傳統(tǒng)燕尾榫卯木構(gòu)架模型、傳統(tǒng)透榫木構(gòu)架模型及新型豎向半燕尾榫木構(gòu)架模型進行低周往復荷載試驗，結(jié)果表明：木構(gòu)架模型的耗能能力，傳統(tǒng)燕尾榫節(jié)點<傳統(tǒng)透榫節(jié)點<新型豎向半燕尾榫節(jié)點，新型豎向半燕尾榫節(jié)點的整體抗震性能較傳統(tǒng)榫卯節(jié)點表現(xiàn)更好。

在有限元模擬方面，Keita Ogawa等人提出了一種以榫卯節(jié)點縫隙為參數(shù)對日本傳統(tǒng)的榫卯節(jié)點的力學性能的理論估計方法。此外，它還通過實驗驗證了該估計方法，并通過數(shù)值分析研究間隙的大小對力學性能的影響，結(jié)果表明隨著間隙尺寸的增大，節(jié)點的力學性能逐漸降低。Z.W.Guan等人通過對日本傳統(tǒng)木構(gòu)架中帶木楔的Nuki榫卯節(jié)點（如圖4所示）進行水平反復荷載試驗研究及有限元分析，研究了不同尺寸、形狀的木楔對Nuki節(jié)點力學性能的影響。

圖4 日本傳統(tǒng)寺廟中典型的“Nuki”節(jié)點

受中國文化影響，如日本、韓國等國家，也對具有本國特色的榫卯節(jié)點進行了一些研究。國內(nèi)外研究表明，榫頭和卯口間的縫隙對節(jié)點的力學性能及抗震性能影響較大，縫隙會減少節(jié)點的摩擦耗能和榫卯節(jié)點木構(gòu)架的抗側(cè)移剛度等。

2 結(jié)語

本文歸納了燕尾榫、直榫及其他梁柱榫卯節(jié)點的抗震性能，分析了不同因素對榫卯節(jié)點抗震性能的影響。

（1）不同榫卯節(jié)點抗震性能差異較大，在地震作用下燕尾榫節(jié)點不易出現(xiàn)拔榫現(xiàn)象，直榫節(jié)點抗拉拔性能很差，但透榫節(jié)點的初始剛度和耗能能力均高于燕尾榫節(jié)點。在直榫節(jié)點中透榫節(jié)點的耗能能力好于半榫節(jié)點，半榫節(jié)點的抜榫量較大，多與替木等構(gòu)件一起使用。

（2）雀替、普拍枋等構(gòu)件能不同程度的提高榫卯節(jié)點的抗震性能，蟲蛀、縫隙等殘損對榫卯節(jié)點的抗震性能有顯著的削弱。在地震作用下，榫卯節(jié)點易發(fā)生拔榫破壞，進而導致結(jié)構(gòu)傾斜甚至倒塌。因此，研究榫卯節(jié)點的抗震性能對古建筑木結(jié)構(gòu)的保護具有重要意義。