木结构榫卯连接节点性能增强研究进展

郭晨悦， 殷天啸， 夏 天， 王志强*， 赵天长

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.江苏森之虎建筑工程有限公司，江苏 南京 210012)

在中国古代传统建筑中，木结构建筑有相当重要的地位，而榫卯连接又是我国传统木结构建筑的精髓之一。早在新石器时代，河姆渡遗址中的木结构房屋就有榫卯的使用。随着社会发展，营造技术不断进步，各式各样的榫卯节点被创造出来。榫卯连接节点通过相互咬合的方式将构件连接在一起，可承受一定的荷载，有良好的抗震性能，这也是我国部分古代木结构建筑能保存至今的原因之一。然而，木材作为一种天然材料，在使用过程中物理力学性能会不可避免地降低，影响榫卯节点的强度及其他力学性能，从而影响整体建筑的安全性。所以，对于榫卯节点性能的增强加固研究有着极其重要的意义。同时，研究榫卯连接节点的增强也可以促进榫卯连接在现代木结构中的使用[1-2]。

本文对榫卯连接节点的分类、连接特性、抗震性能、破坏形式进行了介绍和分析，概述了目前国内外对榫卯节点增强的主要方式。在此基础上，引入新型自攻螺钉(self-tapping screws，STS)的相关介绍，简要概括了STS在木结构及榫卯节点加固中的研究现状。同时，提出了结合现代技术来增强榫卯节点性能的方法，以期为古建筑榫卯节点的修复以及榫卯节点在现代木结构中的应用及发展提供参考。

1 榫卯连接节点分类及特性

1.1 榫卯连接节点分类

榫卯结合是指通过构件间相互的阴阳咬合来连接构件的方法，凸出部分称为“榫”，凹进部分称为“卯”，榫卯相互咬合作为连接的结构。根据不同的构造形式，大致可分为以下几种[3]，如图1所示。

公母榫(图1(a))构造较为简单，使用历史悠久，以其为原型衍生出了多种复杂榫卯形式。其构造原理为，在一构件上开卯眼，然后将另一构件插入卯眼中达到嵌固效果，这种构造形式在古代生产技术低下时期使用较为广泛。

直榫拥有直的榫头，分为透榫(图1(b))和半榫(图1(c))两种。当榫长大于柱径，且榫头伸出柱外时，称为透榫，常出现在连接廊柱和檐柱联系枋的端头。透榫可以做成大进小出的形式，既美观又可以减少榫的尺寸对柱承载力的影响。当榫长小于柱径时称为半榫，其连接作用不如透榫，在荷载作用下榫头处易出现拔榫，从而导致结构不稳定。

管脚榫(图1(d))是用于柱脚的榫卯，一般起到防止柱脚发生水平位移和安装定位的作用，进而增强建筑物的整体稳定性。

馒头榫(图1(e))是一种常见于柱梁结合处的榫结构，其作用和构造与管脚榫相似，但位置位于柱头处。

搭扣榫一般用于水平构件的搭接，如十字刻半榫(图1(f))和十字卡腰榫(图1(g))等，其都是在构件厚度上刻去一部分以完成水平构件的结合，可以有效防止构件的水平位移，增强结构的整体性。

燕尾榫(图1(h))主要用于竖向构件和水平构件交接节点处，是古建筑中使用广泛的一种榫卯连接方式。由于榫头的形状是外宽内窄，稳固安装后，榫头不易拔出，可以保证不同方向构件与柱的紧密接合。采取“带袖肩”的做法后，燕尾榫的抗剪性能也可以得到提高。

图1 主要的榫卯连接形式

1.2 榫卯连接节点特性

1.2.1 连接特性

榫卯节点是一种半刚性节点，既能承受一定弯矩又能发生一定转动，性能介于刚性节点与铰接节点之间。方东平等[4-5]利用现场实测及模型试验的数据，证实了中国传统木结构建筑中的榫卯节点是一种半刚性的连接，其刚度对结构整体刚度有很大影响；采用Simplex 方法反演推断获得了榫卯半刚性节点的平均刚度范围。但由于木结构榫卯种类丰富多样且构造多变，力学性能各有不同，故目前还未有研究得出榫卯连接节点刚度的定量计算方法。

1.2.2 抗震性能

拟静力试验是指对结构构件施加循环反复的静力，来模拟构件在地震中的变形能力和受力特点。姚侃等[6]对直榫和燕尾榫模型进行拟静力试验，研究了榫卯的半刚性连接特性和刚度退化规律，得到节点的滞回特性曲线，拟合了榫卯节点的恢复力模型。结果表明榫头与卯孔间摩擦滑移使节点具有较好的耗能能力，榫卯连接刚度随荷载变化呈非线性变化。周乾等[7]对1∶8比例的燕尾榫连接的梁柱模型进行了低周反复荷载试验研究，结果表明榫卯节点有很好的耗能能力和变形能力，但承载力和刚度较小。

振动台试验研究可以很好地再现地震过程，是最直接研究结构抗震性能的试验方式。薛建阳等[8]通过比例为1∶3.52的木构房屋模型的振动台试验，研究了中国古建筑木结构的动力特性及其地震反应；通过将榫卯连接视为半刚性连接，进行了古建筑木结构的动力时程分析。隋等[9]通过按照《营造法式》制作的古代殿堂式木结构建筑心间缩尺模型，进行了模拟振动台试验研究，分析了不同地震加速度下模型的累积滞回耗能时程曲线，结果表明模型的滞回耗能主要靠柱架层榫卯节点的挤压变形耗能。

1.2.3 破坏形式

由于不同种类榫卯的传力机制不同，故受力作用下的破坏形式也有一定的差异。戴璐等[10]通过对直榫连接的梁柱进行数值模拟，分析了其受力状态并提取了荷载-位移曲线。研究发现当榫长较小时主要发生拔榫破坏；当榫长增大到150 mm、模型承受竖向荷载作用时，颈端的剪力明显增大，产生折榫破坏。吴洋等[11]通过对燕尾榫模型的竖向加载，发现燕尾榫主要在榫头底部产生压缩变形，节点处出现明显的拔榫现象。在实际情况下，榫卯节点的破坏形式较为复杂，可能出现多种破坏形式同时存在[12]。因此，需要考虑榫卯节点所处的具体荷载状态来判断其可能发生的破坏。

2 榫卯连接节点增强方法研究现状

2.1 金属连接件增强连接

传统木结构建筑中常使用马口铁、扁钢等对节点进行加固。马口铁加固是指使用两端做成直钩形式的钢筋，钉入节点中起到嵌固效果。周乾等[13]发现，使用马口铁加固的节点，承载力和抗弯刚度有所提升，但由于马口铁构件对榫卯的滑移起到一定的限制作用，榫卯节点的耗能能力会相对降低。郇君虹等[14]设计了四种不同扁钢加固榫卯节点装置应用在半榫、透榫和燕尾榫节点中，通过静力推复试验，对比榫卯节点加固前后的破坏性能参数，试验结果表明：四种加固装置均能提高榫卯节点的峰值荷载和刚度，但由于连接件和构件之间的加工误差，加固效果受到一定限制。

这种传统金属连接件简便容易制作，可以有效提高榫卯节点的承载力和刚度，但同时存在一定问题，如影响构件外观、金属连接件的安装打孔可能造成木材严重开裂或强度降低，从而降低榫卯节点自身性能等。此外，暴露在外的金属连接件也不利于后续的使用及检修[15]。

2.2 纤维复合材料增强连接

纤维增强复合材料具有比强度高、耐腐蚀等优点，节点加固中常用的纤维复合材料为碳纤维布[16]。薛建阳等[17]使用碳纤维布包裹燕尾榫节点进行振动台试验，试验结果表明，经碳纤维布加固后，残损的节点仍然具有良好的耗能减震能力。赵鸿铁等[18]使用碳纤维布对3组使用燕尾榫连接的木梁柱构架施加竖向荷载，发现碳纤维布对节点的强度和刚度影响不大，但构件的塑性变形性能有一定的提升。王全凤等[19]使用玄武岩纤维布加固榫卯节点并对其施加水平低周反复荷载，探讨节点加固后的性能，结果表明玄武岩纤维布对节点的承载力有一定的提升作用，但不同工法对于加固效果影响较大，因此还需要做进一步的研究。使用纤维复合材料加固榫卯节点可以提高节点的承载力，但该加固方法仅适用于受破坏较少的木构件中，在实际工程中具有一定的局限性。

3 自攻螺钉的特性及其在木结构中的应用

3.1 自攻螺钉的连接特性

新型自攻螺钉(self-tapping screws，STS)由于具有无需预钻孔、安装方便快捷和抗拉强度高等优点，近年来在木结构连接中的应用十分广泛[20]。STS具有自攻头，可以不经过预先钻孔而轻易地钻入木材，使木构件的连接安装方便快捷。其钉尖部分的特殊螺纹形状可以避免木材的劈裂。当螺纹部分全部进入木材之后，螺杆上的扩孔螺纹可以进一步将孔洞扩张并磨至光滑，方便将钉帽埋入木材，从而达到外表美观的目的。

不同类型的STS具有不同的各项参数，如长度、头部直径、螺纹直径、螺杆直径、螺纹长度、头型等，可以根据不同的需要灵活选取适合的STS类型。目前国产 STS 常见的公称直径有6 mm、8 mm和10 mm，钉长可达80～400 mm，国外厂家生产的 STS 长度可达 2 000 mm[20]。新型STS的螺钉间距、螺钉直径、钉入角度等诸多因素都会对木构件的连接性能产生一定的影响[21-24]，目前STS连接木结构的研究尚处于起步阶段，一系列的行业标准与规范正在制定中[25-27]。

3.2 自攻螺钉在木结构连接节点中的应用

国内外一些研究者展开了关于STS在木结构节点中的应用研究。何敏娟等[28]使用自攻螺钉对梁柱节点进行增强，发现STS可以降低木材开裂，提高节点延性，这是因为自攻螺钉可以有效传递木构件的横纹拉应力和承受顺纹剪应力，同时，节点延性可提高15%以上，保证节点在大变形或地震时有足够的强度。陆伟东等[29]对胶合木梁柱螺栓节点试件采用自攻螺钉进行增强，并施加低周反复荷载，结果表明STS可以有效抑制木材裂纹产生，使用STS增强的节点破坏形式由Johansen Ⅰ模式转变为Johansen Ⅱ模式，增强后的节点螺栓在与钢填板连接处产生一个塑性铰，节点处的延性、承载力等均得到提升。

国外学者同样对STS在木结构连接中的应用做了相关的研究，Bejtka等[30]认为，具有连续螺纹的自攻螺钉可以在木材易于劈裂的地方用于加强连接，是一种经济、方便的方式，使用自攻螺钉增强构件的承载能力可达未增强构件的120%。

通过上述研究可发现，将新型STS应用于木结构连接中，可以有效增强节点的承载力，同时减少木材的劈裂，增强木材横纹方向的强度。因此，使用STS连接木构件是一种较优的连接方式。

3.3 自攻螺钉在榫卯连接节点中的应用及发展

基于榫卯连接不足和STS性能优点，目前国内外研究者展开了使用STS对榫卯连接节点进行增强的相关研究。Tannert等[31]使用三种不同的加固方式对燕尾榫连接的梁-梁节点进行加固，即垂直于木材纹理钉入、倾斜55°钉入、交叉55°钉入，比较了三种加固方式加固后节点的性能变化。结果表明，使用STS加固榫卯节点可以显著提升节点承载力和刚度，当 STS 成 55°和交叉钉入节点时，节点在变形量为 3 mm 时的承载能力和刚度显著高于未增强构件以及STS垂直钉入时的构件。Li等[32]使用STS对半搭接梁-梁节点及燕尾榫梁-梁节点进行加固，分析了节点的各项性能。结果表明，两种榫卯节点在经过增强后刚度均有提升，且燕尾榫节点的刚度提升更大，但其延性低于增强后的半搭接节点。

4 小结

榫卯连接是中国传统建造技术的智慧结晶，由于使用年限较长，目前现存的古代木结构建筑的榫卯节点性能有所下降，需要结合现代技术开展对于榫卯节点性能增强的相关研究。目前工程中所使用的加固方法仍存在一定的问题，新型STS连接已在木构件连接中展现出优势。后续应对其在榫卯节点的性能增强中开展进一步研究。改进榫卯连接节点的性能增强方式，对于传统木结构建筑的修复和现代木结构的发展均有重要意义。