木结构榫卯节点抗震性能及加固研究

DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.23.083

2015 NO.23SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯木结构榫卯节点抗震性能及加固研究

夏宗发 张博 于毅 郭凯

(长江水利委员会机关服务中心建筑工程中心 武汉 430019)

摘 要:中国木结构古建筑具有独特的结构形式,是世界公认的三大建筑体系之一,是珍贵的文化资源和历史文化遗产。结构构架采用榫卯连接是木结构建筑的一个重要特征,这种连接方式使得各节点刚柔相济, 具有较好的抗震消能作用,能有效地减轻地震对结构的破坏作用。由于它们年代较长,在水平地震作用下,易出现拔榫、脱榫、节点松动等情况,不利于结构的稳定和承载。从历史性、文化性、艺术性价值考虑, 开展榫卯节点抗震性能研究,对其进行维修加固已是迫在眉睫。关键词:木结构 榫卯节点 抗震性能 加固方法中图分类号:TU36

文献标识码:A

文章编号:1672-3791(2015)08(b)-0083-02

木结构是建筑史上应用时间最长的建筑材料之一,结构构架采用榫卯连接是木结构建筑的一个重要特征。所谓榫卯连接是将梁端做成榫头形式,将柱身做成卯口形式,将榫头插入卯口中,从而形成的一种凹凸结合的特殊连接体系[1]。共有4 种典型榫卯节点:燕尾榫(含下落式燕尾榫)、半榫、十字箍头榫以及馒头榫[2]。榫卯连接方式,不但可以承受较大的荷载,而且允许产生一定的变

与卯反复的张开和闭合也使得结构刚度不断发生变化,从而一定程度上改变了结构的动力特性[5]。

2 榫卯节点抗震性能研究

在地震作用下,梁柱等构件处于弹性工作状态,因而节点的抗震性能决定了整个建筑的安全[9]。榫卯连接方式可以使各节点刚柔相济, 具有一定的抗震消能作用[10]。有研究表明,榫卯节点能消耗30%左右的地震能量[11]。淳庆等[2]研究了典型榫卯节点的抗震性能,获取了榫卯节点在水平荷载作用下的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线以及转角刚度,研究结果为传统木构建筑的抗震性能研究和修缮加固提供了理论基础。周乾等[12]采用数值模拟方法,以直榫和燕尾榫为例,研究了榫卯节点的破坏特征和破坏形式。在弯矩荷载作用下,直榫的榫头容易产生拉、压、剪破坏,卯口则相

形,发挥其“柔性”连接特征,在地震荷载下通过变形吸收地震能

.com.cn. All Rights Reserved.量,使整个结构的抗侧移刚度降低,从而有效地减轻地震对结构的破坏作用[3]。由于长期的风雨侵蚀、地震的破坏, 大量传统木构建筑已出现损坏,从历史性、艺术性价值考虑, 急需对这些传统木构建筑的抗震性能进行科学研究, 为维修和保护提供科学依据。

1 木结构古建筑

中国木结构古代建筑具有独特的结构形式,是世界公认的三大建筑体系之一[4],是历史发展的见证和民族文化兴衰潮汐之映射,也是珍贵的文化资源和历史文化遗产[5],具有杰出的历史、文化、艺术和科学价值。中国木结构古建筑中,结构构件的联结均采用榫卯进行连接,连接具有半刚性特征, 且具有一定的抗拉压、抗弯以及抗扭能力[6]。

在单向水平加荷之初, 榫卯节点约束弯矩很小, 与铰接相当。随着水平荷载加大, 榫卯才开始承受一定的约束弯矩, 并伴有相当的挤压变形与拔出滑移[7]。采用榫卯进行连接不仅改变了结构的特性, 而且在水平反复荷载作用下,榫卯节点由于榫与卯之间的滑移和限位转动使得节点能发生一定的挤压变形,形成良好的隔震消能结构体系, 相当于在节点处安装了阻尼器, 减小了结构的地震响应[8], 房屋将发生左右摇晃而不会倒塌。同时,榫

对不易产生破坏;而燕尾榫榫头与卯口都会产生破坏,且比直榫破坏严重;另一方面,因为燕尾榫节点的转动刚度比直榫大,所以不易产生转动,但是若发生转动,燕尾榫节点的破坏性也大于直榫节点。淳庆等[13]还研究了抬梁和穿斗木构体系中典型榫卯节点受力性能,结果表明,就节点耗能能力而言,半榫＞馒头榫＞透榫＞瓜柱柱脚直榫。研究结果为抬梁和穿斗木构建筑的计算分析及保护修缮提供了理论基础。姚侃等[14]研究了榫卯的半刚性连接特性和刚度退化的规律。结果表明,木结构的榫卯连接刚度随荷载变化而呈非线性变化,刚度在0.3062～23.60 之间变化。

3 榫卯节点的加固

当榫卯节点出现拔榫、脱榫、松动时会使其承载力及木框架抗侧刚度明显降低,最终造成木框架整体失稳,因此,有必要对其进行加固维修。周乾等[15]采用扒钉、CFRP(碳纤维增强塑料布)和钢

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科技资讯2015 NO.23SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION箍３种材料对古建筑木构架榫卯节点进行加固试验,并对加固后榫卯节点Ｍ-θ(弯矩－转角)滞回曲线、Ｍ-θ 均值骨架曲线、耗能能力、刚度退化和延性的变化进行分析。结果表明:就加固节点承载力而言,3种材料的顺序为:CFRP＞钢箍＞扒钉;就加固节点耗能能力而言,3种材料的顺序为:CFRP＞钢箍＞扒钉;就加固节点刚度退化而言,3种材料的顺序为:CFRP＞扒钉＞钢箍;就加固节点延性而言,3种材料的顺序为:CFRP＞扒钉＞钢箍。建议对于小型木构架加固可采用扒钉;对于中小型木构架加固可采用CFRP;对于中大型木构架加固可采用钢箍。周乾等[16]还采用振动台试验方法, 测试了碳纤维增强塑料(CFRP)加固后的榫卯节点的抗震性能,结果表明,CFRP加固古建筑榫卯节点具有较好的减震效果。此外,采用马口铁、扁钢、胶入钢筋等方法对榫卯节点也有很好的加固效果,能有效阻止结构榫卯节点的破坏,可做为古建筑木结构抗震加固方法[17-21]。

4 结语

结构构架采用榫卯连接是木结构古建筑的一个重要特征,这种半刚性的连接方式且具有一定的抗拉压、抗弯以及抗扭能力,形成良好的隔震消能结构体系, 相当于在节点处安装了阻尼器,减小了结构的地震响应。但是随着使用年限的增长,现存木结构

古建筑中木材材性不断退化,以及长期的风雨侵蚀、地震的破坏

和人为因素, 大量木构建筑已出现损坏,从历史性、艺术性价值考虑, 开展榫卯节点抗震性能研究,对于提出科学合理的保护措施具有十分重要的意义。

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