榫卯結構對預制裝配式橋梁設計的啟示

張 建 孫德樂

（1.南京市市政工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210061；2 中鐵橋隧技術有限公司，江蘇 南京 210061）

0 前言

隨著科技水平的發(fā)展，預制構件的加工精度與質(zhì)量顯著提高。由于勞動力成本增加，因此裝配式橋梁得到廣泛應用。預制裝配式橋梁是一種以預制構件為主，經(jīng)現(xiàn)場裝配、連接而成的橋梁結構[1]。橋梁中的大多數(shù)的構件基本單元，可以在工廠中進行標準化預制，構件質(zhì)量易于控制，現(xiàn)場僅需要起吊、定位安裝即可，因此預制裝配式橋梁具有交通干擾量小、建設工期短、施工安全風險小等優(yōu)點。但預制裝配式橋梁因發(fā)展起步較晚等因素，也存在預制構件連接方式單一，節(jié)點處質(zhì)量不宜控制等缺點。

鋼筋混凝土預制裝配式橋梁多采用后張法預應力連接、鋼筋焊接或搭接，并采用濕接縫連接、灌漿套筒連接以及UHPC 連接等方式。鋼結構預制裝配式橋梁一般采用焊接或高強螺栓連接[2]。節(jié)點連接處形狀較為單一，多采用剛性連接，不能有效分散集中應力的效果，且施工質(zhì)量不宜控制。

榫卯結構泛指我國古代建筑中木制構件之間的連接方式，其通過在一個構件上采用凸起構造，在另一個構件上設置凹進部分，而使兩個構件相互連接的一種方式[3]。榫卯結構具有良好的強度、韌性和變形能力，榫頭與卯眼之間的穿插在力學中相當于鉸接點，可承受特定方向上的拉力和壓力。在抗震方面，外來的破壞力通過榫頭與卯口之間產(chǎn)生的受力變形和摩擦滑移進行了消納，化解了地震動能，從而保障結構安全。因此，筆者對古建筑中榫卯結構進行分析，探究預制裝配式橋梁的節(jié)點形式。

1 榫卯結構的力學分類

榫卯建筑中的榫卯結構包括立柱、橫梁、順檁等主要構件，雖然每個構件都比較單薄，但通過榫卯結構使各構件之間相互結合、相互支撐，能承受較大荷載。建筑中的榫卯結構形式多樣，受力也較為復雜，根據(jù)其不同的受力，常見的榫卯結構可分為以下幾類[4]。

2.1 主要承受壓力的榫卯結構

在榫卯結構中，主要承受壓力的結構形式有夾頭榫、插肩榫以及抱肩榫等（圖1）。夾頭榫、插肩榫、抱肩榫外觀不同，但結構差別不大。它的腿足頂端出榫，和頂面接合，上端也開口，嵌夾牙條，腿足上端外皮削出斜肩，牙條與腿足相交處剔出槽口，當牙條與腿足拍合時，又將腿足的斜肩嵌夾起一，形成平齊的表面，此類結構牙條在受重下壓時，可與腿足的斜肩咬合得更緊。

圖1 主要承受壓力的榫卯結構圖

2.2 主要承受拉力的榫卯結構

榫卯結構中，主要承受拉力的結構形式主要有十字棖連接、燕尾榫等結構（圖2）。

圖2 主要承受拉力的榫卯結構圖

以燕尾榫為例，燕尾榫根部窄，端部寬，呈大頭狀，這種做法在古建筑中稱為“乍”，燕尾榫上面大，下面小，稱為“溜”。放乍，是為了使榫卯有拉結力；收溜是為了在下落式安裝時，愈落愈緊，以增加節(jié)點的穩(wěn)定性。

2.3 主要承受拉力的榫卯結構

在榫卯結構中，橫豎材丁字形榫卯結構具有承受剪力和彎矩的作用（圖3）。

圖3 丁字形結合結構圖

丁字形榫卯在豎材上鑿出榫窩，并在外側(cè)開出與榫頭上相等的豁口，正好與榫頭上的斜肩拍合，其不僅能夠輔助榫頭承擔部分壓力，同時還能打破開口處平直呆板的氣氛。

3 水平構件榫卯結構對梁板設計的啟示

裝配式橋梁上部結構形式主要包括板梁、T 梁、組合箱梁等。在橋梁的運營過程中，梁體之間的接縫易出現(xiàn)病害[5]。榫卯結構中，針對板與板之間的連接問題，常采用銀錠口、穿帶、抄手帶、裁口以及龍鳳榫等結構形式。

3.1 銀錠口結構

銀錠口又名銀錠榫，是兩頭大、中腰細的榫。兩板接縫處，每隔一段距離開出與銀錠榫相同的凹槽，待板與板拼裝到位后，將銀錠榫鑲?cè)雰砂蹇p之間，可以有效防止膠膘年久失效后拼板松散開裂（如圖4（a）所示）。

圖4 榫卯結構中典型板連接圖

3.2 穿帶結構

穿帶是將拼黏好的板的反面剔出燕尾槽。槽一端略寬，另一端略窄，槽深約為板厚的1/3，然后將事先做好的燕尾帶（一頭略寬、一頭略窄）打入槽內(nèi)。它可鎖合諸板不使開裂，并有防止板面凹凸變形的作用。

3.3 龍鳳榫結構

龍鳳榫又稱之為企口，將木板小面居中打槽，另一塊與之結合的板面居中裁做凸榫，將兩板互相咬合。

3.4 對梁板設計的啟示

在古建筑中，板間的連接方式多采用銀錠口、穿帶和龍鳳榫等結構，這些榫卯結構形式，在直縫搭接的基礎上，加入連接件，不僅增強了板與板之間整體性，也減少了梁體錯位的風險，同時也有利于減少鉸縫間病害的發(fā)生[7]。因此，在預制裝配式橋梁梁板施工時，可參照榫卯結構在水平構件中的應用，將其設計成銀錠口或穿帶結構，以增強梁體之間的橫向聯(lián)系。

4 垂直構件榫卯結構對墩臺設計的啟示

目前，在裝配式橋梁中，大多數(shù)都是在預制場內(nèi)預制橋墩，然后運至現(xiàn)場進行拼裝。橋墩與承臺之間的連接，多采用現(xiàn)場濕接縫連接或灌漿套筒連接等方式。在橋墩的搭接截面形式上，構造較為單一。

古建筑中，固定垂直構件也多采用榫卯結構，其種類分為無榫、管腳榫和套頂榫等（如圖5 所示）。

圖5 固定垂直構件的榫卯結構

4.1 管腳榫結構

管腳榫是一種施于腿足的下部，用于固定柱腳的榫，用于各種落地柱的根部，童柱與梁架或墩斗相交處也用管腳榫它的作用是防止柱腳位移。管腳榫又分為透直榫、不透直榫（半榫）、明榫和暗榫等類別。

管腳榫的長度通常為柱徑的3/10～2/10，管腳榫截面或方或圓，榫的端部適當收溜（即頭部略小），榫的外端要倒楞，以便安裝。

4.2 套頂榫結構

套頂榫式管腳榫的一種特殊形式，其長度與寸徑都遠超過管腳榫，并穿透柱頂石，直接落腳于基礎上的長榫，套頂榫的長度通常是柱子外漏部分的1/3～1/5。在古建筑中，套頂榫多用于室外長廊的柱子，也常用于地勢高、受風荷載較大的建筑物，其能夠有效地抵抗水平荷載的作用。

4.3 對墩臺設計的啟示

在古建筑中，垂直結構的連接形式主要是在基礎上面開出凹槽，在柱子上留有管腳榫或套頂榫，并根據(jù)水平荷載的大小，確定榫腳的長度。這兩個榫卯結構形式，結構預制較為簡單，現(xiàn)場安裝方便，并可在透眼或海眼中添加灌漿料等特種材料，以達到增加橋墩與承臺的連接力效果。

5 插肩榫結構對橋墩與蓋梁間設計的啟示

橋墩與蓋梁之間的連接是橋梁下部結構中連接的薄弱之處，在裝配式橋梁設計中，將其設計為一個整體，以減少連接位置的風險（如圖6 所示）。隨著裝配式橋梁的推廣，越來越多的大型橋梁也開始進行裝配式施工。受現(xiàn)場場地和起重設備的限制，橋墩與蓋梁分別預制并現(xiàn)場拼裝，已成為未來發(fā)展的趨勢[8]。

圖6 插肩榫材料方向

5.1 插肩榫受力分析

根據(jù)前文中榫卯結構的力學分析，在柱與蓋梁之間可采用夾頭榫或插肩榫式結構，可參照夾頭榫或插肩榫結構。楊建福[4]利用有限元分析軟件，對插肩榫受力條件下進行分析，通過對部件兩端施加滑動約束，頂端面施加合力后，分析插肩榫各部位受力情況。

根據(jù)有限元模擬結果可知（如圖7 所示），在荷載作用下，最大應力出現(xiàn)位置均在兩部件拐角和榫頭處，應力集中現(xiàn)象明顯，因此可以通過選擇抗壓材料較強的材料、合理布置榫頭截面尺寸，以提高榫頭位置的穩(wěn)定性[6]。

圖7 插肩榫結構受力圖

5.2 對橋墩與蓋梁之間連接設計的啟示

通過上文中插肩榫的受力分析，可知其在承受壓力時，有較好的穩(wěn)定性，且安裝較為方便。因此，在預制裝配式橋梁設計時，針對蓋梁與柱之間的設計，可參照參照插肩榫結構樣式進行分解，不僅可以提高現(xiàn)場拼裝的效率，還可以提高節(jié)點處的連接質(zhì)量[9]。

6 結論

榫卯工藝是一項兼?zhèn)湮幕瘜傩院涂茖W理性的工藝[10]。看似普通的外表，卻蘊含著不為現(xiàn)代人所知的深刻含義和復雜構造，榫卯結構是中國古代建筑中典型的結構形式，其施工工藝與當前裝配式橋梁結構有很多相似之處。文章通過對古建筑中榫卯結構的分析，結合當前預制裝配式橋梁的設計問題，提出了針對梁板、墩臺以及橋墩與蓋梁間的節(jié)點連接，以期達到對裝配式橋梁設計人員有所啟示。當代BIM 技術等信息化的橋梁設計軟件，在為工程設計提供變革的同時，也為榫卯技術的應用提供了良好的應用環(huán)境。