中国传统木结构榫卯连接节点力学性能研究进展

武国芳，孙竞成，黄成建，任海青，赵荣军*

(1. 中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091；2. 国家林业和草原局竹子研究开发中心，杭州 310012)

全球变暖、能耗巨大已成为21世纪急需解决的环境问题[1]。作为高能耗、高污染代表的建筑业，根据政府间气候变化专门委员会第四次评估统计，建筑业能耗占比达到了40%，碳排放达36%，而钢材、混凝土等建材生产制造过程更是碳排放的重要来源[2]。因此，推广绿色建筑、寻找节能建材显得尤为重要。木材是一种绿色、环保、低碳、节能的可再生资源，用木材建造的木结构建筑无论是能源消耗还是环境污染都远低于其他材料建造的建筑，大力发展木结构建筑对环境改善有着重要的意义。中国木结构有着悠久的发展历史，最终形成了以榫卯连接的独具特色的木构架体系[3]。榫卯连接是一种半刚性连接，不但可以承受荷载，而且允许产生一定程度的变形，当地震等外荷载作用到木结构建筑时，结构的周期较长，受到的地震力较小，且节点产生的变形能够消耗地震能量，从而有效减轻地震能量对结构的破坏[4]。然而，木材作为一种天然高分子生物材料，随着使用年限的增长，其基本材性在自然环境和人为因素干预下会不可避免地退化，进而造成榫卯连接节点力学性能的降低，最终影响到整体结构的安全性。因此，研究榫卯连接节点的力学性能对木结构建筑的安全性有着极其重要的意义。近年来，国内外学者就榫卯连接节点分类[5]、受力特性[6-7]与抗震性能[8-9]等开展了系列研究。针对木结构榫卯连接节点的力学性能，笔者从榫卯连接节点的抗震性能、破坏形式、加固方式、有限元分析等方面概述其研究现状、进展及存在问题，并提出合理建议，以期为古建筑修缮工作及榫卯连接节点在现代木结构建筑中的应用和发展提供借鉴。

1 榫卯连接节点的分类

传统木结构建筑中的榫卯按其构造大致可以分为以下6种(图1～8)[10-11]。

1)公母榫：公母榫(图1)是一种构造比较简单的榫卯，当两个构件相连时，只在其中一个构件上开出一个矩形卯口，另一构件直接穿入卯口即相连形成一个整体。这种榫卯的卯口尺寸相对较大，对材料的强度有不良影响，在古代生产技术不太发达的情况下被广泛使用。

图1 公母榫Fig. 1 Male and female tenon

2)直榫：直榫由公母榫演变而来，保留了构造简单的特点，可分为透榫(图2)和半榫(图3)。直榫常用在穿插构件上，榫头长于柱径且穿透柱子的称为透榫，为减小透榫对柱子承载力的影响，榫头常被做成大进小出型，因此透榫也被称为大进小出榫。当构造要求榫头不能穿透柱子时，榫长通常小于柱径，这种直榫称为半榫。半榫的抗弯、抗剪、抗拔性能都不如透榫，但相对于透榫胜在美观，因此也被广泛应用。

图2 透榫Fig. 2 Through tenon

图3 半榫Fig. 3 Half tenon

3)燕尾榫：燕尾榫(图4)又称大头榫，是古建中最常见的一种连接形式，用于水平构件和垂直构件相交处的连接。燕尾榫榫头外宽内窄的构造形式使得其具有良好的抗拉抗拔性能，能有效增强结构的整体性能。

图4 燕尾榫Fig. 4 Dovetail tenon

4)管脚榫：管脚榫(图5)多用于落地柱的柱脚，主要作用是防止柱脚发生水平位移，从而增强结构的稳定性。

图5 管脚榫Fig. 5 Pin tenon

5)馒头榫：馒头榫(图6)的构造和功能都与管脚榫类似，常被用在柱头，用于水平构件相交时防止构件的水平位移，增强结构的稳定性。

图6 馒头榫Fig. 6 Steamed bread tenon

6)搭扣榫：搭扣榫包括十字卡腰榫(图7)和十字刻半榫(图8)，都用于水平构件的交接。它们都是将构件在厚度方向挖去一部分，然后搭接成一个整体，有效防止构件的水平位移提高结构的整体性。

图7 十字卡腰榫Fig. 7 Cross clip tenon

图8 十字刻半榫Fig. 8 Cross cut tenon

2 榫卯连接节点力学性能

2.1 连接特性

在工程结构中，既能发生转动又能承受弯矩的连接称为半刚性连接，榫卯连接是一种典型的半刚性连接。榫卯连接节点的力学性能较为复杂，国内外学者多采用虚拟单元对半刚性连接进行模拟分析。研究表明，采用二节点虚拟弹簧单元通过非线性接触分析可以得到榫卯连接节点各个方向的刚度值[12-13]。董益平等[14]在前人的基础上将梁柱榫卯连接节点视为虚梁单元建立了直榫连接的接触计算模型，利用接触应力分析方法求得了虚梁单元的实际刚度值。方东平等[15-16]根据现场实测和模型验证获得的结构自振频率，利用Simplex方法反演推断得出了半刚性节点单元的力学参数范围。木结构榫卯形式多样、种类丰富，但都可看作半刚性连接节点，然而现有半刚性模拟单元基本上只针对某一种榫卯类型，由此推演出来的刚度范围有很大的局限性；另一方面，虽然榫卯连接节点的半刚性模拟方式多种多样，但没有一种方式能够提出刚度的定量计算方法，节点破坏后的刚度余量评估方法也未曾提出，因此针对榫卯连接节点的半刚性连接特性仍需大家高度关注并深入研究。

2.2 抗震性能

2.2.1 拟静力试验研究

拟静力试验又称低周反复荷载试验，是指对结构或构件施加往复循环作用的静力试验，能有效模拟地震时结构或构件在往复震动中的受力特点和变形特点。由于目前针对榫卯连接节点抗震性能的研究主要以古建筑为研究对象，研究人员对榫卯连接节点进行拟静力试验时通常包含完好状态下节点的抗震性能和损伤状态下节点的抗震性能。Chun等[17]通过测量4种完好状态下的典型榫卯在水平荷载作用下的水平极限位移表明，燕尾榫的抗侧刚度大于半榫、十字箍头榫和馒头榫；在节点耗能方面，燕尾榫、馒头榫、透榫、半榫等效黏滞阻尼系数依次减小，表明燕尾榫、半榫、馒头榫、透榫耗能能力依次减弱。由此可见，燕尾榫在典型榫卯连接节点中的抗震性能是最优的。在此基础上，姚侃等[18]对燕尾榫的传力机理进行了分析，发现榫头在地震作用下受到轴力、剪力和弯矩的作用，同时榫头受到卯口侧壁产生的摩擦力和挤压力使得地震能量在榫卯摩擦滑移过程中被消耗。

由于木材疏松多孔的特点，在特定环境下易受腐朽虫蛀，因此节点的健康状况对木结构建筑的抗震性能有重要影响[19]。谢启芳等[20]采用在榫头表面钻孔的方法模拟榫头的真菌腐朽和榫头虫蛀，通过拟静力试验结果表明，残损榫卯连接节点的耗能能力低于完好节点，且残损度越高耗能能力越低。Xue等[21]、刘芳莲等[22]研究了不同松动程度下透榫的抗震性能表明，松动的节点有着良好的变形能力，但耗能能力有所下降。节点的残损程度主要受木材材性变化的影响，木材作为天然高分子有机材料，腐朽、虫蛀在降低木材力学强度的同时，也降低了榫卯连接节点在结构中的承载力；另一方面，榫卯连接节点在使用过程中的长期接触摩擦可能降低接触面的摩擦系数从而使节点的耗能能力有所降低。高永林等[23]采用在节点接触面抹油的方式以改变节点间的摩擦系数，通过拟静力试验发现，摩擦系数小的节点更快达到控制位移，且拔榫量更大，耗能能力低，从而验证了摩擦在榫卯连接节点抗震性能中起着重要的作用。

拟静力试验通常包含正反两个方向的加载和卸载过程，并获得形似图9的榫卯连接节点的滞回曲线和形似图10的骨架曲线[24]，滞回曲线和骨架曲线能够直观地反映榫卯连接节点的受力和变形特点，同时还能获得节点的刚度、强度、承载力、延性、耗能等信息。但是，拟静力试验的荷载由研究人员按位移或力对称施加，因此与节点的实际地震反应相差较远，且未考虑应变速率的影响，结果存在一定程度的误差。

图9 榫卯节点的滞回曲线Fig. 9 Hysteresis curve of mortise and tenon joint

图10 榫卯节点的骨架曲线Fig. 10 Skeleton curve of mortise and tenon joint

2.2.2 振动台试验研究

加速度响应是结构抗震性能的另一个重要指标，常用加速度放大系数来表示。研究表明，当地震波加速度较小时，木结构模型各构件与振动台加速度时程曲线基本同步，不表现减震效果，当振动台加速度不断增大，柱脚加速度放大系数随之增大，发生明显滑移，而柱头加速度系数大幅减小，减震效果明显[30-31]。这是因为当地震能量较大时，榫卯间转动和摩擦挤压消耗了部分地震能量，从而导致加速度响应降低。许清风等[32]对多层胶合木结构缩尺模型开展了振动台试验，发现各楼层放大系数随着振动台加速度的增加逐渐降低。高永林等[33]对传统穿斗木结构榫卯连接节点进行振动台试验，发现当地震激励较小时，各构件的加速度放大系数随地震激励的增加逐渐增加，此时榫卯连接节点还未发挥抗震作用；当地震激励增大至节点损伤时，柱顶加速度响应小于柱脚，并且动力放大系数有不断减小的趋势。以上研究表明，在地震能量作用下，结构的损伤一方面使地震能量得以消耗，另一方面导致节点刚度退化，因而上层结构的加速度放大系数小于下层结构，抗震作用得以发挥。

振动台试验是木结构榫卯连接节点地震响应和破坏机理最直接的研究方法，然而，目前尚未见有高层足尺和大跨度木结构抗震性能振动台试验的报道，通常还是采用缩尺模型试验数据推算原型木结构建筑的抗震性能，同时试验精度有待进一步提高。

2.3 破坏形式

外力作用下榫卯连接节点会发生破坏，由于不同种类的榫卯受力机制和传力机制有一定差异，因此榫卯连接节点的破坏形式与节点的种类有很大的关系。陈春超等[34-35]对透榫、半榫、瓜柱柱脚直榫和十字固箍头榫进行单调加载试验，表明透榫、半榫、瓜柱柱脚直榫发生脱榫破坏，而十字箍头榫发生顺纹撕裂继而榫根折断。淳庆等[36]通过对馒头榫的受力性能研究表明，馒头榫发生榫头根部压皱变形及卯口破坏。吴洋等[37]对燕尾榫进行竖向加载试验，发现燕尾榫在受力作用下发生榫头根部压缩变形，节点连接处发生剪切劈裂。以上几种榫卯类型都是梁柱连接中较为常见的连接方式，但在受力作用下的破坏形态各不相同，这是由于它们的构造不同而导致传力机制不同造成[38]。透榫和半榫都属于直榫，在承受荷载时，榫头能够以卯口边缘为支点发生转动，直至榫头拔出。十字箍头榫由3个互相垂直的构件搭在一起，转动空间较小，一旦发生破坏即为榫头折断。馒头榫用于梁柱连接时，由于其榫头在柱上而卯口在梁上，因此破坏部位主要集中于卯口处。燕尾榫外宽内窄的构造特点能够限制榫头的转动和拔出，这赋予了其较好的抗拔性能，然而当节点承受较大外载时，榫头对卯口的拉力会导致卯口的破裂和榫头的滑出，燕尾榫破坏时的损伤程度相较于其他形式的榫卯要高得多。

综合以上研究，发现现有针对榫卯连接节点破坏形式的研究都主要集中于宏观力学层面，而缺乏材性变化对节点性能影响的研究。木材作为一种各向异性且具有孔隙的生物质材料，微观层面的力学性能及其材性变化直接影响榫卯连接节点的宏观力学行为，可以将木材的微观结构、力学性能与榫卯连接节点受力特性相结合开展多尺度研究。

2.4 加固方式

2.4.1 金属连接件与构件加固

榫卯连接节点加固在传统上的做法是使用金属连接件马口铁进行加固。马口铁加固一般是将钢筋两端做成直钩后钉入以榫卯相连的构件上，利用钢筋的抗弯折力来提高节点的承载力和刚度[39]。研究表明，马口铁加固后，榫卯连接节点的刚度和承载力有一定程度的提高，但是由于马口铁的嵌固作用，限制了节点的转动，使得榫卯间的摩擦作用减弱，因此耗能能力比加固前有所减弱[40-41]。谢启芳[42]用扁钢对榫卯连接节点进行加固试验,发现结构加固后的自振周期有所减小，说明扁钢增大了节点的刚度，但刚度增大后引起了相邻构件内力的重新分布，易造成相邻节点的脱榫破坏。邓大利等[43]提出了一种新型耗能软钢的加固方式，利用弧形软钢屈服点低、塑性变形大等特点，不仅能够提高榫卯连接节点的刚度，有效避免拔榫破坏，还能利用软钢屈服耗能能力提高节点抗震性能。陆伟东等[44]对比了扒钉、钢销、角钢、弧形钢板、U型铁箍等对榫卯连接节点的加固效果，发现角钢和弧形钢板加固的试件承载力和延性都有一定程度的提高，扒钉和U型扁钢加固的试件相较于加固前承载力略有增加，钢销加固的试件相较于破坏前初始刚度略有减小，承载力有所下降，加固效果一般。

阻尼器加固榫卯连接节点能够为节点提供附加阻尼，改变动力特性、降低地震响应，是一种良好的加固方式。研究表明，阻尼器加固后能增大榫卯连接节点的自振周期，降低其动力放大系数和相邻杆件端部剪力及弯矩[33]。潘毅等[45]对比分析了扁钢和阻尼器加固对直榫节点抗震性能的影响，结果表明，扁钢和阻尼器都能提高榫卯连接节点的抗震性能，但阻尼器可以在不增大直榫刚度的情况下降低地震响应，同时起到消耗地震能量和防止脱榫破坏的作用，是一种更有效的加固方法。

虽然金属连接件与构件拥有简便易得、强度高、刚度大等优点，但是采用其加固不仅会对木构件造成损伤，而且会极大地影响建筑的美观，特别是在传统木结构建筑中的应用。因此，金属连接件等用于加固榫卯连接节点并不是最理想的加固方式。

2.4.2 纤维增强材料加固

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer或fiber reinforced plastic，简称FRP)是由增强纤维材料如碳纤维等，与基体材料经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。FRP具有比强度高、比模量大、抗腐蚀性和耐久性能好等优点，使得其不仅能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要，同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求，因此被越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中[46]。孙文等[47]用3种不同碳纤维布对木构架进行加固，发现加固后节点耗能能力有所提高，破坏时刚度减小幅度降低，延性系数略有增加，通过比较不同层数碳纤维布对透榫木构架受力性能的影响表明，双层碳纤维布加固相较于单层加固榫卯连接节点的承载力显著提高，刚度明显增大，但是否层数越多增强效果越好，仍需进一步研究。薛建阳等[48-49]用碳纤维布加固残损木结构模型后通过振动台试验研究，发现碳纤维布加固的木结构模型动力放大系数小于1，且动力放大系数随地震强度的增加而减小，说明加固后的残损节点仍有良好的减震耗能作用。

虽然碳纤维增强材料有良好的受力性能，但因高昂的价格限制了其在工程应用中的推广，而玻璃纤维和玄武岩纤维因其价格低廉、资源充足在结构加固领域是碳纤维增强材料较好的替代品。研究表明，玄武岩纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料加固榫卯连接节点都能有效提高节点的刚度和承载力[50-51]。法冠喆等[52]探究了不同层数玄武岩增强纤维加固后榫卯连接节点的抗震性能，发现玄武岩增强纤维能有效提高榫卯连接节点的刚度，且随着加固层数越多刚度提高越大。在极限承载力方面亦有相同的变化规律。由此可见，玄武岩增强纤维加固效果良好。

无论是金属材料加固还是纤维增强材料加固，加固对象都是已损坏的榫卯连接节点。随着材料科学的进步和制造技术的革新，越来越多的新型连接件不断涌现，如何将这些新型连接件与榫卯连接节点结合使用，比破坏后再加固更加科学合理。

2.5 有限元分析

有限元分析法是通过离散化将研究对象变换成有限个相互连接的组合单元体，再经过求解应力、应变和位移等参数，将连续的无限自由度问题转化为离散的有限自由度问题的数值计算方法[53]。有限元分析技术最先应用于航空器的结构强度计算，随着计算机技术的发展和普及，有限元方法扩展到材料加工、土木建筑等各个领域[54]。在木结构建筑领域，有限元分析法常应用于模拟木结构模型节点破坏的宏观特征以及受力部位的应力应变研究。Zhou等[55]、淳庆等[56]在透榫模型进行低周反复荷载试验的基础上，用有限元分析软件ANSYS对透榫模型受力性能进行理论分析，通过对比试验结果和理论结果，发现两种方法所得透榫的滞回曲线和骨架曲线较为吻合，说明对透榫模型进行有限元分析的方法是可行的。周乾等[57]采用有限元分析软件ANASYS对梁柱间燕尾榫拔拉过程进行有限元模拟，得到了燕尾榫拔榫、卯口破坏时的节点位移图、内力分布等值线图和摩擦力等值线图。

榫卯间接触面的摩擦是耗能的主要方式之一，在有限元分析软件中，常用理想化库仑摩擦模型模拟接触问题，在此模型中只有摩擦剪应力大于极限值时才会出现表面滑动。然而，燕尾榫节点有多个接触面，各接触面挤压、滑动并不完全一致，因此需要对接触面的接触属性进行额外设置。康昆等[58]采用Rahaman等[59]提出的摩擦问题有限元应力准则以分析接触问题，在此模型中，当接触面紧贴和滑移时允许使用特定的摩擦因数，得到的滞回曲线更加接近实验结果。

目前对木结构榫卯连接节点力学性能的研究在理论分析、试验测试、数值模拟方面都取得了阶段性成果，但仍有不少问题需进一步深入解析。例如，木材材性对榫卯连接节点力学性能的影响未见报道；加固研究都集中于损坏节点的修缮补救，即“先破坏后治理”的思路，从材料、施工等角度考虑提高节点承载力和刚度的研究不够充分；研究思路依旧沿用古人经验，创新不足；缺乏定量计算的方法，且未见统一的国家或行业标准颁布，研究结果不具普遍意义。

3 展 望

中国传统木结构建筑是中华民族遗留下来的瑰宝，榫卯连接节点更是古代劳动人民智慧的结晶。现存的传统木结构经过长时间使用屹立不倒体现了其优良的结构性，但急需基于现代工程理论进行分析评估；榫卯连接节点的定量计算方法与标准化研究也有待进一步开展；同时榫卯连接节点如何在现代木结构建筑中进行传承、改进需要广大科研工作者及相关人员共同努力并聚焦探索。通过归纳木结构建筑榫卯连接力学特性优缺点，梳理了梁柱间榫卯连接节点受力性能的变化规律，提出如下几点研究建议，以促进榫卯连接节点在现代木结构中传承应用及创新发展。

1)现有榫卯连接节点的加固抗震研究多采用新材料，未考虑木材在长时间使用后出现的蠕变、强度退化、腐朽等因素。建议在今后的试验研究和数值模拟时充分考虑木材基本材性变化对榫卯连接节点力学性能的影响。

2)木结构作为一种绿色环保的建筑类型，未来会日益受到人们的关注，然而现有针对木结构榫卯连接节点的力学性能的研究大多集中于古建修缮及民居灾后修复。建议将来从房屋建造角度考虑榫卯连接节点新型增强技术，以加强未来木结构榫卯连接节点在民居中的应用。

3)在大径级原木资源匮乏的背景下，国内外出现了胶合木、单板层积材、重组木、重组竹等新型结构材，这些新型结构材料在榫卯连接节点中的力学行为值得深入探究。

4)目前对榫卯连接节点的研究多停留在定性层面，缺乏统一的定量计算方法。建议深入探讨榫卯连接节点理论计算与标准化研究方法，为现代木结构建筑节点的抗震性标准化研究奠定基础。