古建筑榫卯結(jié)構(gòu)抗震性能與加固方法

諸葛澤衍，朱炯，呂芳禮

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

榫卯結(jié)構(gòu)作為我國木建筑的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)合理且實(shí)用性強(qiáng)。其采用的木材性能與連接方式能夠在復(fù)雜變化中達(dá)到平衡。同樣榫卯結(jié)構(gòu)采用的“以柔克剛的設(shè)計(jì)方式”，在地震中能夠憑借木材的柔韌性和延展性，緩解產(chǎn)生的震動。

通過借鑒古今中外對榫卯結(jié)構(gòu)的研究案例，選擇不同榫卯結(jié)構(gòu)作為研究對象，總結(jié)出同一榫卯結(jié)構(gòu)經(jīng)過不同材料輔助后的抗震抗壓能力。

1 常規(guī)榫卯結(jié)構(gòu)抗震性能分析

我國榫卯結(jié)構(gòu)歷史悠久。木結(jié)構(gòu)擁有一定的抗彎能力，能夠在地震作用下消耗能量，從而達(dá)到抗震作用。榫卯結(jié)構(gòu)樣式多樣，其中較為常見的有燕尾榫、半榫、夾頭榫等。

1.1 燕尾榫抗震性能研究

燕尾榫作為最具有標(biāo)志性的榫卯結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究。薛建陽等人進(jìn)行抗震壓力實(shí)驗(yàn)時，燕尾榫的破壞均發(fā)生在榫頭和卯口處，其他試件部位受到的影響可忽略不計(jì)。在國外，Tannert等學(xué)者通過靜力試驗(yàn)研究燕尾榫足尺模型，得出了燕尾榫榫頭的高度與收乍角度的聯(lián)系。

1.2 半榫抗震性能研究

半榫用于建筑物中部的柱，這種柱將梁架分為前后兩段，由于兩邊的梁架均須與柱相交，因而其榫頭做成了半榫形式。

國內(nèi)關(guān)于半榫的抗震性能研究論文較為充足。淳慶等人進(jìn)行抗震性能實(shí)驗(yàn)時，研究出半榫的滯回曲線、骨架曲線、轉(zhuǎn)角剛度等。匡妍藝研究得出，實(shí)驗(yàn)中荷載彎矩不斷加大時，半榫初始剛度由較平均逐漸緩慢衰減。在半榫受彎性能研究方面，荊鑫等人建立了彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，得出變化規(guī)律，彎矩增長隨著轉(zhuǎn)動初期上升緩慢而緩慢，半榫的破壞形態(tài)為榫頭連接處出現(xiàn)斷裂。

1.3 夾頭榫抗震性能研究

目前國內(nèi)研究有關(guān)夾頭榫的論文并不充足，其中楊天智曾使用測距傳感器等儀器根據(jù)尺寸比例模擬建筑抗震，得出盡管震動強(qiáng)度增加，但夾頭榫建筑晃動幅度小、十分穩(wěn)定的結(jié)論，進(jìn)而證明夾頭榫結(jié)構(gòu)也具有良好的抗震性能。

1.4 不同榫卯抗震性能對比

半榫與燕尾榫破壞形態(tài)相似，兩種榫卯抗震性能類似。上述三者的節(jié)點(diǎn)抗彎強(qiáng)度與破壞后強(qiáng)度為：燕尾榫＞半榫＞夾頭榫。

2 榫卯結(jié)構(gòu)加固方法

2.1 扁鋼加固

扁鋼擁有體積小、延展性優(yōu)秀、強(qiáng)度高的優(yōu)異性能，因此在建筑加固領(lǐng)域成為了首選。同時相對于木建筑，扁鋼本身耐用，并且能夠很好抵御環(huán)境腐蝕，避免自身物理性能的劣化。

郇君虹等人在進(jìn)行扁鋼加固的榫卯結(jié)構(gòu)抗震性能測試時總結(jié)出：不同形態(tài)、不同厚度的扁鋼提升的性能效果也有所差異。薛建陽曾在對破損的榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗彎承載力實(shí)驗(yàn)分析時，更加完善地總結(jié)出：經(jīng)過扁鋼加固的榫卯結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)主要是固定扁鋼的部分螺釘被拔出，同時提出以U型扁鋼進(jìn)行加固的想法與極限抗彎矩計(jì)算公式，其抗震效果比原始扁鋼加固更為突出。U型扁鋼抗彎承載力公式如式（1）所示。

其中h為榫卯枋截面高度，hs為扁鋼的凈截面寬度，t為扁鋼的厚度，σsy為加固扁鋼的抗拉屈服強(qiáng)度。

2.2 CFRP布加固

CFRP的比強(qiáng)度和比剛度高，具有良好的抗疲勞性能、耐腐蝕性能和耐火性能，同時，對于任意封閉結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜的被加固結(jié)構(gòu)表面，CFRP布能夠降低復(fù)雜表面處受到磨損的風(fēng)險(xiǎn)，使用CFRP布進(jìn)行加固簡便易行效率高。

有學(xué)者通過靜力受彎實(shí)驗(yàn)研究，確定經(jīng)過CFRP布加固燕尾榫之后，其抗彎性能有所提升。在低周反復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)中，閆維明、陸偉東等人研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)架節(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)動剛度雖然提高但是耗能能力下降。同時，薛建陽等通過模擬地震作用，分析CFRP布加固榫卯結(jié)構(gòu)后的抗震性能與動力特性，此加固方法能夠提高節(jié)點(diǎn)的延展性、轉(zhuǎn)動剛度和承載力，可用于損壞較輕的榫卯節(jié)點(diǎn)處，但具有一定的局限性。

2.3 馬口鐵加固

目前我國部分地區(qū)榫卯結(jié)構(gòu)加固采用的是馬口鐵進(jìn)行輔助穩(wěn)固，其加固方式采用10～15 mm的鋼筋，兩端做成直鉤形狀，嵌入榫卯節(jié)點(diǎn)處。閆維明進(jìn)行振動臺實(shí)驗(yàn)研究時得出結(jié)論，馬口鐵通過限制節(jié)點(diǎn)處位移，能使得榫卯結(jié)構(gòu)在剛度上獲得一定的提高，但是在強(qiáng)烈地震搖晃下效果明顯減弱。在另一個實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出，馬口鐵加固榫卯雖然提高了結(jié)構(gòu)承載力，保留了較好的變形能力，但是其節(jié)點(diǎn)耗能能力有所下降。

2.4 加固方法效果對比

扁鋼加固性能最優(yōu)，之后依次為CFRP布加固與馬口鐵加固。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)作為我國古代建筑文化傳承下來的瑰寶，在我國仍然具有較大的影響力。推廣榫卯結(jié)構(gòu)能夠獲得較多群眾的支持與采納。但在榫卯結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域仍存在許多問題需要去深入研究解決，比如榫卯結(jié)構(gòu)自身性能退化與抗震的聯(lián)系、新型抗震榫卯結(jié)構(gòu)的運(yùn)用以及材料加固位置、木建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的選取等。如何將新型加固材料與榫卯結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，成為未來研究與實(shí)踐的課題。