木结构榫卯节点抗震性能及震后加固修复研究进展∗

郭 宇 刘睿静 宋 怡 李源河 姚利宏

（内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，呼和浩特 010018)

我国传统木结构建筑历史悠久，用榫卯连接的梁柱木结构框架体系，是我国木结构古建筑经历地震、台风等自然灾害后仍能保存至今的关键之一。梁思成[1-3]等建筑学家通过实地勘测与研究我国传统木结构建筑的具体构造和工艺，也证实木结构建筑中的榫卯节点是其稳定性与框架承载性能的重要因素。我国传统木结构建筑榫卯节点结合方式是介于刚接和铰接之间的半刚性连接。它不同于钢结构、钢筋混凝土结构、铁件加固连接等，在抗压的同时具有一定的抗弯与抗扭能力，能在地震作用下消减能量，达到抗震效果[4]，但是在强大的地震作用下，部分榫卯节点仍会遭到严重破坏。如何对传统木结构建筑震后节点进行加固与修复，成为木结构建筑领域的研究热点。

1 木结构榫卯节点抗震性能

我国传统木结构建筑中梁柱节点的榫卯连接，即为柱顶预留卯口由梁端的榫头插入，二者紧密连接，形成特殊的连接系统。榫卯节点将梁柱构件连接到一起，形成木构架，其中柱与枋之间利用榫卯连接紧密结合，形成了富有柔性的连接结构，从而对地震起到了消减作用。榫卯节点震后常见的破坏形式有拔榫、榫头下沉、扭曲，节点松动等[5-6]，这主要和榫卯节点的承载能力、榫头长度、形状和卯口深度有关[7-8]。榫卯节点结构主要有直榫、燕尾榫、搭扣榫、馒头榫和管脚榫等，其中直榫与燕尾榫应用最广，本文重点对这两种节点性能的相关研究进行介绍。

1.1 直榫

直榫的榫头与卯口的形状为长方形。直榫有长短之分，长榫头将构件打穿，称为透榫。而短榫头不穿透柱身，称为半榫。

图1 透榫Fig.1 Through-tenon joint

图2 半榫Fig.2 Half-tenon joint

谢启芳[9]等通过制作长度和形状不同的榫头以及不同模型比例的直榫测试，研究不同直榫节点的抗震性能，结果表明：直榫节点的破坏形式主要是榫头拔榫、挤压变形及卯口受损，梁和柱无明显破坏；不论是单向直榫节点或者半榫透榫节点，其弯矩-转角滞回曲线均呈现“S”状，而且不同木材种类对直榫的转动刚度与承载力具有明显影响[10]。直榫有半榫与透榫之分，有学者分别对半榫、透榫的榫卯节点模型进行低周往复试验，发现半榫榫卯节点耗能大于透榫[11-12]。直榫节点的转角可达1/8 rad，证明直榫榫卯节点有良好的变形能力[5]。榫头和卯口之间产生的摩擦滑移使其具有良好的抗震性能[13]。若对透榫与半榫进行刚度对比发现透榫的刚度大于半榫[14]。一般情况下榫接无法避免间隙的产生，从理论和试验两个方面对带间隙直榫的力学性能分析研究表明：当榫卯节点存在间隙时，随着间隙尺寸的增大，榫头力学性能逐渐下降，因此在评价榫头力学性能时考虑间隙非常必要[15-16]。

1.2 燕尾榫

燕尾榫也可称为“大头榫”、银锭榫”或“银锭扣”。其形状为上部宽而下部窄，内小而外大，很像燕子的尾巴，故而通常称为燕尾榫。在木构架中常用于水平构件与垂直构件的连接。

图3 燕尾榫Fig.3 Swallow-tailed tenon joint

徐明刚等[17]对燕尾榫进行单个节点和低周往复荷载试验，燕尾榫节点破坏形式为脱榫破坏，榫头和卯口产生明显的挤压变形。其滞回曲线具有明显的“捏缩效应”，证明燕尾榫出现滑移现象，具有半刚性的特点[18-21]。燕尾榫的极限转角为0.12 rad，在达到极限转角时，榫头在顺纹方向未达到屈服强度，在横纹方向处于二次应变硬化的阶段[22]。相关研究发现，燕尾榫节点的刚度和峰值载荷会随着榫卯面积的增加而增大[23]。对于燕尾榫不同拔榫程度，有学者采用拟静力试验和有限元分析相结合进行研究，结果表明：燕尾榫节点的受力过程分为弹性段与强化段，且在拔榫程度增大时，弹性刚度与强化段刚度会减小[24]。

1.3 不同榫卯节点抗震性能比较研究

木结构建筑中不同部位会采用不同的榫卯节点连接，研究其抗震特性，可以为木结构建筑的设计与建造提供理论基础。

谢启芳[9]等对抬梁和穿斗形式的木构架建筑的典型榫卯节点进行研究，对节点耗能比较得出：半榫＞馒头榫＞透榫＞瓜柱柱脚直榫。通过数值模拟针对直榫与燕尾榫节点的破坏特征与形式进行比较发现，直榫的榫头比燕尾榫的更易被破坏，然而其卯口则比燕尾榫的破坏程度小[25]。周乾[26]对透榫、半榫与燕尾榫的最大转动刚度与弯矩值进行分析，得出以下结论：若是同一种榫卯节点，榫头越长其承载能力越强；节点抗弯强度与残余强度均为透榫＞燕尾榫＞半榫。透榫与燕尾榫在抗震性能上具有相似之处，两种榫卯节点的松动程度越大，其试件破坏程度越严重。耗能能力均随着松动程度的增大而减小，榫头的强度退化系数均在0.8～1.0之间[27]。李轩[28]在榫卯节点等效刚度对木结构抗震性能的影响研究中，对不同榫卯节点的等效刚度进行分析，发现根据木结构榫卯节点性能，填充墙等附属构件可以选取合理的节点等效刚度与等效分析模型，对于一般性的工程建议选取半刚接型及其相应的等效刚度。孟涛[29]等通过对带有关键榫卯节点在低周反复荷载下的有限元分析，发现带有关键榫卯节点易发生破坏的位置主要是卯口边缘和关键。其中所使用的关键是为使榫卯交接牢固而采用，用硬木做成，长度略大于柱子直径。因此，今后在对榫卯节点进行加固保护时，要确保对榫卯节点水平拔榫和榫头的约束以及卯口间的充分转动和摩擦，以提高节点的承载力，充分发挥其抗震性能。

2 榫卯节点加固与震后修复

木结构建筑榫卯结构体系在强烈的地震作用下容易导致变形、拔榫、折榫、节点破坏松动、承载力降低以及刚度变小等一系列问题，节点破损严重会导致建筑物较大变形甚至倒塌，因此对破损的榫卯节点进行加固及修复显得尤为重要。我国古代传统木结构建筑中常在梁柱榫卯节点处设置雀替，以有效提高节点的转动刚度，使其具有较好的抗震耗能效果。现代，学者们侧重于利用外部构件的形式对榫卯节点进行加固与修复，常用的方法包括[30-33]：采用扁钢对拔榫的位置进行固定支撑；采用马口铁直接对榫卯节点进行固定；利用碳纤维布对已破坏的榫卯节点进行加固与修复。

2.1 扁钢加固

姚侃等在古建木结构榫卯连接的扁钢加固试验中，对Q235扁钢加固榫卯节点加固前后的各个性能进行对比分析，发现扁钢加固后的榫卯结构刚度提高，榫卯连接结构耗能转变为依靠扁钢屈服后的塑性变形耗能，可以阻止榫卯节点结构的破坏，加固后的节点耗能能力降低[34]。U型扁钢加固破坏后的残损节点，在保证扁钢有足够的抗拉强度和螺钉具有足够的抗剪强度的前提下，既能提高残损节点的承载力，又能提高节点的延性[35]，扁钢加固的方法更适合刚度明显不足或一些强度较低的隐蔽的榫卯节点。扁钢体积小、延性好、强度高，近些年被频繁用于木结构的震后加固。目前国内的扁钢加固技术手段仍然处于初级阶段，有待深入研究。

2.2 马口铁加固

我国部分地区采用马口铁对古建筑的榫卯节点进行加固，以提高木构架的抗震性能。2008年，汶川地震中，广元市某古建筑由于采用了马口铁加固榫卯节点，其震后榫卯节点未受到破坏，因此震害很小[36]。在利用马口铁加固故宫太和殿榫卯节点的研究中发现，马口铁对榫卯节点的约束作用减小了拔榫量，可以提高构架的侧移刚度与承载力[11,37]，而且马口铁对榫卯节点的滑移有一定的抑制作用，加固后的构架耗能能力较弱[38]。总体而言，利用马口铁加固榫卯节点效果较好，相关研究结果表明，马口铁加固榫卯节点后，节点拔榫量减小，抗弯承载力提高，刚度退化不明显，加固后的节点仍有较好的耗能能力和延性[39]。

2.3 碳纤维布加固

碳纤维布具有重量轻、易裁剪、可塑性大、抗拉强度高和耐久性好的特点，且在榫卯节点的加固过程中施工方便、简单。

榫卯节点采用碳纤维布加固后，节点转动会受到限制，榫头拔出量有一定程度的减少，且节点破坏形式主要是碳纤维布因受拉而发生脆性与剥离破坏[40]。由于木结构榫卯节点构造特殊，使用碳纤维布加固后的榫卯节点具有较好的延性，滞回曲线形状为“蝶形”[41]。通过对已破坏的燕尾榫进行碳纤维布加固，发现加固后的燕尾榫节点仍然是半刚性的连接特性，但耗能减震的效果弱于原燕尾榫。分析其骨架曲线，已加固的节点初始刚度较大，而后衰减，且速度较慢，但强度低于原燕尾榫[5]。利用碳纤维布加固木构架模型同样也可以得到很好的减震效果，试验结果表明：加固模型相较于未加固的模型其动力放大系数低，其木构架榫卯节点的阻尼耗能能力显著增强[42-43]。

2.4 不同加固修复方式比较研究

目前现存许多古建木结构使用年限已久，榫卯节点残损严重，建筑整体结构受残损节点的影响出现倾斜现象，通过对比不同木结构加固方式，寻求合理有效的加固方法，为古建筑修缮加固工作提供理论依据，具有现实意义。

余雯雯[44]对两个木结构建筑的榫卯节点缩尺模型分别进行碳纤维布与扁钢加固发现，榫卯节点的承载力均得到很大提升，扁钢加固的效果优于碳纤维布，扁钢加固后的榫卯节点承载力提高了3倍，而碳纤维布仅提高了1倍；对于节点刚度而言，利用扁钢加固的节点刚度增加了2倍，碳纤维布则增加了1倍[23]。对马口铁与碳纤维布进行分析对比，碳纤维布加固榫卯节点的效果要优于马口铁的加固效果[45]。周乾[46]采用振动台的试验方法分析了不同加固方法的基频大小与抗震性能，结论为：扁钢加固＞碳纤维加固＞马口铁加固。

3 结语

国内外学者对木结构建筑的抗震与节点加固修复做了诸多开创性研究，并取得了重要成果，但在木结构抗震领域仍有很多问题有待深入研究，如木材自身性能退化与建筑抗震的关系、木结构建筑榫卯节点的抗震机理、普柏枋和雀替等构件对抗震的贡献、不同加固材料及其用量对结构抗震效应的影响等。同时应不断探索新的加固材料和加固方法，并将加固材料的耐久性问题纳入研究范围。目前对木结构残损节点加固设计理论方法还滞后于实际应用，因此应强化残损节点加固修复设计理论的研究。