古建筑木结构榫卯节点抗震与加固思考

周永恒

（福州历史文化名城街区保护开发有限公司　福建　福州　350000）

古建筑木结构榫卯节点抗震与加固思考

周永恒

（福州历史文化名城街区保护开发有限公司福建福州350000）

本文为探讨古建筑木结构抗震、加固的有效方法，采用马口铁与CFRP对榫卯节点予以加固，对节点加固前后构架的抗震性能予以研究。借助制作的木结构空间模型，通过低周反复加载试验，得到构架加固前后力-侧移曲线，并对相应骨架曲线等抗震指标加以对比、分析。最终得到马口铁与CFRP均有提高构架承载力及刚度的作用，虽然加固后耗能能力有所下降，但构架仍具有较好的变形性能，且CFRP加固榫卯节点的效果要比马口铁好。

古建筑；木结构；榫卯节点；抗震与加固

我国古建筑均以木结构为主，梁、柱之间以榫卯形式连接，具有较好的抗震性能。但，由于木材本身强度并不高，且长期直接暴露在空气中很容易发生腐蚀，由此会发生各种形式的损坏，其中最为典型的就是节点拔榫。拔榫不利于构架间的稳固连接，降低结构稳定性，直接威胁到木结构的安全，需及时予以加固。常用的马口铁可以很好的增强节点与构架的刚度及强度，但由于马口铁易腐蚀老化，若未能很好加固反而会对原结构本身造成损坏。而纤维增强复合塑料FRP也就此应运而生，其具有的良好热性能、抗腐蚀性能等优点已使其普遍应用于榫卯节点的加固中。

1　试验概况

1.1模型的制作

未加固构架、马口铁加固构架及CFRP加固构架各1组。构架形式为4梁、4柱，木材材料为红松，梁柱连接形式为燕尾榫卯节点形式。模型比例为1：8；额枋、柱子及榫卯节点具体尺寸如表1所示。

安装尺寸图如图1所示。

本次研究使用混凝土板模拟古建筑屋顶，将混凝土板重量确定为1.03t，取浮搁在住顶的安装方法。尽量保证屋面板板底的粗糙，以此增强其与主顶间的摩擦力。为避免试验的过程中屋面板倒塌，应在板顶中部设置钢筋吊钩，且柱子基础使用单向铰支座形式，保持铰转动方向与加载方向一致。

1.2关于数据采集

本次试验中采用的数据采集装置有力传感器，位移计（W1～W4，Wa～Wh）以及变片（Z1～Z4），力传感器测定构架外力，位移计测定节点转角及构架侧移，应变片测定节点弯矩。

表1　模型尺寸表（单位：mm）

图1　模型安装尺寸示意图

沿加载方向，将应变片布置在榫卯节点外侧的中部位置；位移计分两种：量程200mm（简称量2）共4个（W1～W4），量程100mm（简称量1）共8个（Wa～Wh）。将量2避开应变片粘贴位置，布置于榫卯节点外侧。该位移计测定构架侧移，将量1布置于加载方向两根梁的上、下两端，并依据上下位移计的读数差获取节点转交与拔榫量。采集装置布置尺寸与位置见图2。

图2　数据采集装置

1.3关于加固方案

1.3.1马口铁

马口铁长度为150mm，端部直钩长度50mm，直径为6mm，图2（a）所示与加载方向平行的两根梁与柱节点处为加固位置。

1.3.2CFRP

CFRP厚度在0.11mm，使用碳纤维胶按照先包裹梁柱节点，再竖向包裹梁的方法粘贴1层。CFRP布尺寸及加固节点尺寸如图3所示。

图3　CFRP加固榫卯节点尺寸

另外，进行粘贴CFRP时应重点注意以下几点：均匀涂刷碳纤维胶，不要留有气泡；包裹之后应晾干，实现CFRP与碳纤维胶的完全粘结，强度最大后才可开始试验。

1.4关于加载方案

木结构的抗侧力有限，对施力要求非常严格，不允许使用初始力较大的油泵加载。因此本次研究中使用手动加载装置，装置如图4所示。

图4　手动加载装置

手动加载方法的具体操作如下：使用扳手拧动连接板外侧及内侧螺母，分别产生拉力与推力。

2　关于试验现象的分析

2.1未加固模型

由平衡位置节点无拔榫状态开始，当推拉30mm时并未发现显著构架侧移；当推拉60mm时，有显著位移及拔榫发生；当推拉90mm时，有轻微吱吱声出现，拔榫增强；当推拉150mm时，发生大幅度的架构倾斜，榫头开裂且脱落，架构被破坏，见图5（a）。

2.2马口铁加固模型

当推拉30mm时，节点上端发生5mm拔榫、下端挤紧；继而反向推拉，使构架重回平衡位置，在此推拉30mm，节点下段有2mm拔榫出现，上端挤紧，未发生显著倾斜。经平衡位置在此推拉60mm，节点上端发生8mm拔榫，下端挤紧；反向外力，推拉60mm，节点下端发生5mm拔榫，上端挤紧；同时随着构架侧移的愈来愈大，节点拔榫同时也在继续增加。当构架推拉150mm时，在整个过程中构架的诸多位置都发出“吱”声，节点咬合愈加紧密，且构架刚度进一步增强。此时节点上端产生23mm拔榫，但在马口铁的作用下，榫头并未完全脱离卯口。外向外力构架再被推拉150mm后，节点下端便有20mm拔榫发生。当构架回到平衡位置，拔榫量为5mm。榫头与卯口搭接长度并未发生明显变化，确保了构架的稳定性，具体见图5（b）。

2.3CFRP加固模型

推拉30mm时就已经稍有“吱”声发生，表明CFRP一开始便出现强度。推拉60mm及90mm时并未有“吱”声出现，但是逐渐随着侧移量的增大，4个节点也逐渐发生且发生持续的劈裂声音（为CFRP撕裂或碳纤维脱离布的声音）；推拉150mm时发生巨大劈裂声音，内侧CFRP并无外鼓问题发生，表示CFRP外裹受拉时发挥了作用。借助力传感器读数发现，CFRP加固节点后所予以的推力要比马口铁加固大，说明CFRP可有效增强节点刚度，见图5（c）。

图5　节点与构架照片

3　结果

3.1滞回曲线

在依据试验数据的基础上将构架加固前后的力-侧移滞回曲线进行绘制，具体如图6所示。其中，未加固架构滞回曲线特征包括以下几点：①呈Z形的滞回曲线。表明在受力时榫卯节点出现了较大的滑移，同时伴随构架侧移的增强滑移量也逐渐增强。②当构架侧移较小时，曲线与X轴基本成重合状，表明节点耗能能力弱；当构架侧移增强，节点耗能能力随之增强；当构架侧移较大时，滞回曲线的斜率也就逐渐变缓。③构架滞回环相对饱满，表明构架具有很好的耗能性。

马口铁加固构架试验中，构架滞回曲线则呈Z与蝶形之间的形状，与未加固相比，其滞回环面有所减小，表示耗能能力弱。当发生位移较小时，滞回环与X轴更为接近，构架恢复能力较强。在构架侧移增强至150mm的过程中，随着梁柱转角的增加，马口铁受力愈来愈强，随之在恢复平衡位置时构架所需的反向加载力也会逐渐增强，更可显著看到马口铁的加固效果。

CFRP架构滞回曲线呈蝶形，滞回环面积虽然有所增强但不及未加固时的滞回环饱满，表示CFRP虽然能提升架构节点刚度，但会使耗能能力下降。当位移增强至150mm，构架回复至平衡位置，曲线斜率随之变小，保持与X轴的基本平衡，在此阶段CFRP并未有较好的加固效果。

3.2骨架曲线

采用马口铁及CFRP进行对榫卯节点的加固之后，构架滞回曲线的斜率与峰值便有了显著增强，且可见CFRP与马口铁比较更为显著。这也进一步表明，马口铁与CFRP都可以增强构架的承载力与刚度，且CFRP的效果比马口铁要好。同时，构架加固前后的骨架曲线整体呈平缓态势，具有良好的延性。具体如图7所示。

图6　滞回曲线图

图7　三种加固形式骨架曲线对比

4　结论

①马口铁与未加固构架比较，可提升0.3倍左右的承载力，CFRP则可提升1倍左右；②采用马口铁与CFRP进行对榫卯节点的加固之后，构架耗能能力得到大幅度降低；同时并未见显著的构架刚度退化；③在构架加固前后，都可见有较好的变形能力，综上所述，本次研究中还有不足之处待以提高，在今后试验中还需结合斗拱等结构对古建筑木结构抗震受力的影响加以分析。

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TU366.2

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1673-0038（2015）07-0054-03

2015-1-23