鋼板-自攻螺釘加固殘損古建筑木結構直榫節(jié)點抗震性能試驗研究

孫兆洋 程小武 陸偉東

(南京工業(yè)大學土木工程學院,江蘇 南京 211800)

0 引 言

榫卯連接是我國古建筑木結構的特色之一[1],作為一種典型的節(jié)點連接方式,榫卯連接在古建筑木結構中得到廣泛使用。榫卯節(jié)點屬于半剛性節(jié)點,具有一定的抗彎能力和抗震性能[2]。直榫是眾多榫卯類型中最常見的一種,直榫又可分為單向直榫、透榫和半透榫。榫卯節(jié)點對于整體結構的安全非常重要,節(jié)點的破壞往往會導致整體結構發(fā)生傾斜甚至倒塌,古建筑的榫卯節(jié)點更是如此,因此掌握榫卯節(jié)點的力學性能為現(xiàn)存殘損木結構的修繕和保護提供重要保障。

近些年來研究主要基于完好狀態(tài)下的節(jié)點或結構,未考慮實際情況下絕大部分現(xiàn)存結構已經處于不同程度的殘損狀態(tài),而殘損狀態(tài)下節(jié)點或結構的性能更能符合實際情況。King等[3]針對我國傳統(tǒng)木結構存在各種殘損,采用人工模擬殘損的方法進行試驗,研究表明殘損榫卯節(jié)點與完好榫卯節(jié)點的抗震性能存在較大差距。謝啟芳等[4-5]采用人工模擬節(jié)點殘損的方法,考慮不同殘損類型、不同殘損程度的影響,依次對單向直榫、燕尾榫節(jié)點進行低周反復荷載試驗,研究殘損對單向直榫節(jié)點抗震性能的影響。

實際環(huán)境中,腐朽、蟲蛀等殘損類型總是綜合作用,榫頭的破壞呈現(xiàn)出由表及里、殘損程度逐漸加深的特征,并且針對殘損榫卯節(jié)點的加固研究較少。基于此,本文依照《中國古建筑木作營造技術》[1]及《工程做法則例》[6]做法,以古建筑中常見的單向直榫節(jié)點為對象,采用人工模擬殘損節(jié)點的方法,考慮不同殘損類型綜合作用下不同殘損程度的影響,對不同殘損程度的節(jié)點采用內嵌鋼板-自攻螺釘加固,通過低周反復荷載試驗對殘損直榫節(jié)點加固前后的抗震性能進行研究。

1 試驗方案

1.1 殘損試件

依照《中國古建筑木作營造技術》[1]及《工程做法則例》[5]的做法,按照1∶2縮尺比例制作直榫節(jié)點模型,節(jié)點模型參數見表1,節(jié)點形式及尺寸如圖1所示。選用古建筑中常用的杉木,其材料參數見表2,內嵌鋼板選擇Q235碳鋼板。自攻螺釘選用直徑6.5 mm的8.8級碳鋼雙螺旋自攻螺釘,其材料參數見表3。W-0、C-1、C-2、C-3分別表示殘損度為0、7%、15%、25%的4種殘損單向直榫節(jié)點,GC-1、GC-3分別表示殘損度為7%、25%的2種加固單向直榫節(jié)點。

表1節(jié)點原始與縮尺模型尺寸

Table 1 Prototype size and scale model size

注：D取268.8 mm,1寸=33.3 mm

表2杉木材料參數

Table 2 Details of Chinese fir

表3自攻螺釘材料參數

Table 3 Details of self-tapping screws

圖1 榫卯縮尺模型尺寸(單位:mm)Fig 1 Sketch of the mortise-tenon scale model (Unit:mm)

采用在榫頭表面鉆不同深度、不同直徑的孔洞來模擬實際環(huán)境中古建筑木結構存在不同程度的殘損。為便于分析不同殘損程度對節(jié)點抗震性能的影響,定義殘損度D為榫頭開洞體積與原體積的比值[4]。殘損度為7%的榫頭表面鉆直徑為5 mm,間隔為10 mm的孔洞,所有孔洞體積之和為原榫頭體積的7%;殘損度為15%的榫頭表面鉆直徑為6 mm,間隔為10 mm的孔洞,所有孔洞體積之和為原榫頭體積的15%;殘損度為25%的榫頭表面鉆直徑為6 mm,間隔為10 mm的孔洞,所有孔洞體積之和為原榫頭體積的25%。制作完成的榫頭模型如圖2所示。

圖2 不同殘損程度榫頭模型Fig.2 Mortise-tenonmodels with different degree of damage

1.2 加固殘損試件

采用鋼板-自攻螺釘對殘損直榫節(jié)點進行加固。沿榫頭兩側開出170 mm×140 mm (與榫頭側面尺寸相同),寬3 mm的通槽,嵌入厚3 mm,340 mm×140 mm的Q235鋼板。將嵌入鋼板的榫頭插入卯口,用φ6.5 mm 8.8級碳鋼雙螺旋自攻螺釘將內嵌鋼板與梁、內嵌鋼板榫頭柱緊固起來。加固殘損直榫節(jié)點示意圖如圖3所示。各個模型節(jié)點的殘損與加固方案見表4。

圖3 鋼板-自攻螺釘加固示意圖Fig.3 Reinforcement digram of steel plate and self-tapping screw

表4模型殘損方案

Table 4 Damage scheme for models

1.3 加載方案

為防止加載過程中由于豎向荷載引起P-Δ效應,本次試驗中將柱水平放置,兩端固定不動,梁豎向放置,由作動器在梁端施加水平方向的作用力。試驗中柱的邊界條件是左端、右端均固接,在柱頂由液壓千斤頂施加固定的軸向荷載,加載裝置設計圖如圖4所示。

圖4 試驗加載裝置Fig.4 Schematic diagram of the experiment set-up

本試驗的加載制度依照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》[7](JGJ 101—96)規(guī)定。根據木結構榫卯節(jié)點的特點,其所能承受的水平荷載較小但變形較大,為了減小試驗誤差,試驗采用位移控制加載。第一級加載位移為5 mm,第二級加載位移為10 mm,依次為20 mm、40 mm各循環(huán)1次,后續(xù)加載位移依次為60 mm、80 mm、100 mm、120 mm及140mm各循環(huán)2次。

1.4 量測方案

根據試驗目的,此試驗量測內容包括:

(1)P-Δ滯回曲線中的荷載、位移數據由液壓伺服系統(tǒng)測得;

(2) 榫卯節(jié)點部位的拔榫量和相對轉角。

在梁的左右兩端架設位移計,用來測量梁柱間實時相對位移,通過兩個位移計的結果計算出梁柱的相對轉角。上述位移計的數據采集均通過DH3816應變采集設備完成,測點布置如圖5所示。

2 試驗過程及現(xiàn)象

部分試驗直榫節(jié)點的破壞形態(tài)如圖6所示,其主要試驗現(xiàn)象如下:

(1) 完好節(jié)點W-0,主要試驗現(xiàn)象為榫頭與卯口擠壓變形、榫頭拔出以及加載過程中由于榫卯擠壓摩擦而發(fā)出的“咔咔”聲。伴隨著加載位移的增大,榫頭與卯口之間的接觸變得更加緊密,產生的力逐步增大,榫頭與卯口相互擠壓變形,產生“咔咔”聲;隨著循環(huán)位移逐漸增大,“咔咔”聲逐漸變得清晰而響亮,擠壓變形逐步大且不能恢復,節(jié)點越來越松動,榫頭拔出量增大;榫頭下面有微量木屑掉出。到試驗結束時,直榫節(jié)點能夠發(fā)生明顯轉動且榫頭能夠輕松拔出,如圖6(a)所示。

圖5 位移計布置圖Fig.5 Arrangement of displacement meter

(2) 殘損節(jié)點C-1、C-2及C-3,在試件加載過程中由于榫頭存在不同程度的殘損,除了由于榫頭與卯口摩擦和擠壓而產生的“咔咔”聲,還會發(fā)出類似木材斷裂時產生的“啪啪”巨大響聲,并且隨著殘損程度的增加,巨大響聲出現(xiàn)的時刻越早,掉出的木屑增多,榫頭的擠壓變形逐漸增大,部分榫頭橫向有裂縫,有木材脫落,如圖6(b)所示。

(3) 加固殘損節(jié)點GC-1、GC-3,由于采用內嵌鋼板-自攻螺釘加固,其在加載過程中發(fā)出的“咔咔”聲更加響亮。榫頭的破壞形態(tài)與C-1、C-3相類似,節(jié)點處有木屑掉出,但較少,主要是因為榫頭兩側的鋼板參與榫頭受力,另外自攻螺釘也很好地限制榫頭受到擠壓。隨著加載位移逐漸增大,鋼板會嵌入卯口,且嵌縫逐漸增大,自攻螺釘會因受到剪切作用而彎曲,最終榫頭橫向受壓開裂,如圖6(c)所示。

圖6 部分模型破壞形態(tài)Fig.6 Failure patterns of partial models

3 試驗結果及其分析

3.1 滯回曲線

圖7為本次試驗所選取直榫節(jié)點的P-Δ滯回曲線,依據滯回曲線可以看出:

圖7 各榫卯節(jié)點P-Δ滯回曲線Fig.7 Load-deformation hysteresis curves of mortise-tenon joints

(1) 所有直榫節(jié)點的滯回曲線均有明顯的“捏攏”現(xiàn)象,滯回環(huán)呈現(xiàn)反S形,表明榫卯節(jié)點由于受力而發(fā)生了較大的擠壓變形和摩擦滑移;隨著位移加載的進行,滯回環(huán)的面積逐步增大,表明該節(jié)點的耗能越來越大;在前4級的加載過程中,滯回環(huán)的斜率迅速增大,表明榫頭與卯口之間逐步擠緊,產生擠壓變形和咬合力;在后期位移加載過程中,C-1、C-2、C-3的滯回環(huán)斜率增長緩慢,C-3甚至出現(xiàn)了明顯的下降,說明該節(jié)點產生了較大的塑性變形。

(2) 比較無殘損節(jié)點W-0與殘損節(jié)點C-1、C-2、C-3可得,在同級荷載作用下,隨著殘損度逐漸提高,滯回環(huán)的面積逐漸變小,承載力逐漸變小,特別是對于C-3,每一級的承載力出現(xiàn)明顯減小,且呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

(3) 比較殘損節(jié)點C-1、C-3與加固殘損節(jié)點GC-1、GC-3可得,加固后節(jié)點的滯回曲線更加飽滿,每一級循環(huán)的承載力顯著增加,并且加固節(jié)點的承載力均達到甚至超過完好節(jié)點,主要是因為內嵌鋼板與自攻螺釘很大程度地參與了榫卯節(jié)點受力。

3.2 骨架曲線

骨架曲線能夠反映節(jié)點極限承載力和變形能力。圖8為各個直榫節(jié)點的P-Δ骨架曲線,可以看出:

(1) 比較無殘損節(jié)點W-0與殘損節(jié)點C-1、C-2及C-3可得,完好節(jié)點與殘損節(jié)點的骨架曲線走勢基本相同;在同級荷載作用下,隨著殘損度的增大,節(jié)點承載力逐漸降低,且降低幅度隨殘損程度的增大而增大。

(2) 比較殘損節(jié)點C-1、C-3與加固節(jié)點GC-1、GC-3可得,采用鋼板-自攻螺釘加固節(jié)點后,承載力顯著增加,其中加固節(jié)點GC-1的極限承載力提高1.15倍,加固節(jié)點GC-3的正向極限承載力提高2.35倍,并且加固殘損節(jié)點的承載力都要超過無殘損節(jié)點,表現(xiàn)出良好的加固效果。

3.3 剛度退化曲線

剛度退化反映了榫卯節(jié)點存在損傷積累。直榫節(jié)點在反復荷載作用下,節(jié)點剛度可以采用割線剛度K表示,按照式(1)計算。圖9給出了各殘損及加固節(jié)點剛度與位移的關系。

(1)

圖8 各榫卯節(jié)點荷載-位移骨架曲線Fig.8 Load-deformation skeleton curves of mortise-tenon joints

圖9 各榫卯節(jié)點剛度退化曲線Fig.9 Rigidity degradation curves of mortise-tenon joints

式中:Pi表示第i級荷載的峰值;Δi表示第i級加載時荷載峰值所對應的水平位移。

從圖中可以看出:

(1)所有直榫節(jié)點的轉動剛度在加載初期較大,隨著位移增大,轉動剛度逐漸減小,后期趨于平緩。在同級加載位移下,隨著殘損度的增大,節(jié)點轉動剛度逐漸減小。

(2)加固殘損節(jié)點的轉動剛度顯著增大,這是由于內嵌鋼板、自攻螺釘與榫頭一起受力,節(jié)點轉動剛度顯著增加。

3.4 耗能能力

直榫節(jié)點的耗能能力可以通過等效黏滯阻尼系數he來衡量。等效黏滯阻尼系數越大,表明節(jié)點的耗能能力越好,反之亦然。圖10為各榫卯節(jié)點在各級位移下的黏滯阻尼系數he,從圖中可以看出:

(1) 所有節(jié)點隨著加載位移的逐步增大,直榫節(jié)點的耗能能力逐步降低。主要是因為榫頭與卯口之間的擠壓變形隨著位移的增大而減小,而擠壓變形是榫卯節(jié)點耗能的主要途徑。相比較而言,殘損節(jié)點的耗能能力要好于完好節(jié)點,其中C-1節(jié)點明顯好于完好節(jié)點,這是由于榫頭上鉆孔的存在,在節(jié)點轉動過程中有效地促進了榫卯的變形,提高了耗能能力。

(2) 加固殘損節(jié)點的耗能能力有所降低,由于榫卯節(jié)點主要通過榫頭與卯口之間的擠壓變形與摩擦來耗能,而內嵌鋼板-自攻螺釘限制了節(jié)點的轉動,減小了摩擦,使加固節(jié)點的耗能能力降低,這一點與試驗中觀察到內嵌鋼板嵌入卯口、自攻螺釘彎曲甚至斷裂的現(xiàn)象吻合。

圖10 榫卯節(jié)點粘滯阻尼系數與位移的關系Fig.10 Viscous damping ratio-deformation relationships of mortise-tenon joints

4 結 論

在對不同殘損程度的單向直榫節(jié)點及加固殘損直榫節(jié)點進行低周反復加載試驗和分析后,可以得到以下結論:

(1) 所有直榫節(jié)點均在節(jié)點處發(fā)生破壞,柱和梁基本完好。位移加載過程中均會發(fā)出“咔咔”聲。未加固節(jié)點加載后期均會出現(xiàn)榫頭部分拔出和榫卯連接處有較大擠壓變形;殘損節(jié)點還會發(fā)出類似木材斷裂時產生的“啪啪”聲,榫卯連接處擠壓變形更加明顯;加固后節(jié)點在加載過程中發(fā)出的“咔咔”聲更加響亮,加固鋼板會嵌入到卯口之中,自攻螺釘發(fā)生彎曲甚至斷裂。

(2) 所有節(jié)點的P-Δ滯回曲線均呈現(xiàn)出明顯的“捏攏”效應,滯回環(huán)整體呈現(xiàn)反S形;未加固直榫節(jié)點隨著殘損程度的增大,滯回環(huán)所包圍的面積減小;加固殘損節(jié)點的滯回曲線飽滿度顯著提高,其承載力顯著提高,達到甚至超過完好節(jié)點。

(3) 單向直榫節(jié)點的轉動剛度在加載初期較大,隨后逐漸減小,加載后期下降緩慢;未加固節(jié)點隨著殘損度的增大,轉動剛度逐步降低;加固殘損直榫節(jié)點的轉動剛度顯著提升,并且超過完好節(jié)點。

(4) 所有直榫節(jié)點的等效黏滯阻尼系數he隨著位移的增大而減小;同時發(fā)現(xiàn)未加固直榫節(jié)點的耗能能力要好于加固殘損直榫節(jié)點。

(5) 鋼板-自攻螺釘加固殘損榫卯節(jié)點能夠顯著提高其強度,同時也增大了其剛度,使節(jié)點承受到更大的地震作用,因此需要對加固后剛度與強度的變化規(guī)律作進一步研究,以此來選擇內嵌鋼板合適的用量以及自攻螺釘合適的規(guī)格,使得加固直榫節(jié)點在提高強度與剛度的同時,也具有很好的耗能能力。因此內嵌鋼板-自攻螺釘適合加固殘損程度較高及強度或剛度存在較大不足的結構。