木结构残损榫卯节点抗震性能及加固修复研究进展

任现才·， 高飞飞， 赵剑桥， 孙伟明， 杨乐华

（1.聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000；2.聊城市孟达建筑安装工程有限公司，山东 聊城 252000）

0 引言

我国古建筑木结构在世界上享有极高声誉，其中榫卯连接是其一大特色。榫卯连接是一种半刚性连接，在地震作用下能够通过自身转动和摩擦吸收一部分能量，从而达到减震效果。然而随着年限的增长、自然环境的侵蚀及人为的破坏，榫卯节点是最容易发生破坏的，严重时甚至导致木结构倒塌。因此研究榫卯节点的抗震性能对古建筑的保护和修缮具有重大意义。

目前，国内外学者已经对榫卯节点的抗震性能展开了很多研究，并取得了一些成果，集中为常见的燕尾榫和直榫节点的抗震性能研究和加固修复方式等，主要采用试验研究和数值模拟两种方法。姚侃等［1］通过对直榫和燕尾榫连接的静力分析和试验模型的低周反复荷载试验，揭示了榫卯连接是半刚性连接和其具有滑移耗能的特性；徐明刚等［2］通过对五个相同的燕尾榫榫卯节点模型进行低周反复荷载试验，证明了榫卯节点具有一定的变形能力，验证了其具半刚性的特性；赵鸿铁等［3］通过对透榫榫卯连接的试验模型进行低周反复荷载试验，探究透榫节点的半刚性连接特性和刚度退化的规律；薛建阳等［4］对通榫榫卯节点试验模型进行低周反复荷载试验，同时采用ABAQUS有限元软件进行数值分析，所得试验结果与有限元分析结果吻合较好，得出通榫榫卯节点具有较强的承载力和较好的延性；薛建阳等［5］对已经进行振动台试验后产生破坏的殿堂式单间构架采用碳纤维布（CFRP）进行加固，后再次进行振动台试验对加固后结构的抗震性能进行探究。综上所述，国内对完好榫卯节点的研究较多，而对残损榫卯节点抗震性能及加固修复的研究较少。因此，有必要对残损榫卯节点抗震性能及加固修复的研究进展进行一个总结。

文中针对常见的残损燕尾榫和直榫节点的抗震性能和加固修复方式进行介绍，首先对残损榫卯节点抗震性能的试验研究、数值模拟及残损榫卯节点加固方法，从二个方面进行归纳总结；其次指出了该研究领域目前存在的问题并提出进一步的研究建议，最后对榫卯节点的抗震性能研究发展趋势进行了展望，以期为古建筑木结构的保护和修缮提供参考。

1 残损榫卯节点抗震性能研究

由于古建筑木结构已存在数百甚至数千年，在服役期间遭受过自然和人为破坏，再加上木材是一种生物质材料，它容易受地理环境、气候条件等影响，导致出现腐朽、虫蛀等不同病害特征，严重会导致整个结构发生倒塌。另外古建筑木结构在几百年间承受数次地震的反复作用，导致整个结构在不断地发生损伤，因此研究残损榫卯节点的抗震性能至关重要。目前主要有试验研究和数值模拟两种方法。

1.1 试验研究

对榫卯节点进行模型试验是常用的研究手段，一般是按照缩尺比例制作模型，通过拟静力试验来获得榫卯节点典型的滞回曲线和骨架曲线，它能够直观的反映榫卯节点的耗能能力、刚度退化、延性性能等抗震性能指标。

谢启芳等［6-7］对构件采取钻不同深度孔洞的方法来模拟不同残损程度榫头真菌腐朽和榫头虫蛀的现象，并进行低周反复试验得到残损榫卯节点的破坏主要发生在榫卯接触区域；试验中榫卯节点的滞回曲线饱满度较差，但是残损的榫卯节点仍有良好的延性。

Chen 等［8］采用人工模拟不同榫卯腐朽深度和表面腐朽程度的方法来研究残损榫卯节点对单向直榫连接木构架抗震性能的影响，并对其进行低周反复荷载试验得到榫卯腐朽深度比表面腐朽更能影响木构架的抗震性能，在古建筑木结构的维护加固中应引起足够的重视。

以上学者通过对榫头表面钻孔来模拟残损，但是钻取不同直径、深度孔洞大小来模拟真实残损情况有待进一步研究。

Xue等［9］通过改变燕尾榫榫头大小来模拟榫卯节点不同松动程度，对其进行低周反复荷载试验得到榫卯接触区域的挤压破坏和榫头拔出量与松动程度大小呈线性关系；耗能能力与完好榫卯节点相比有所下降，但变形能力较好。Li等［10］通过人工调整榫卯之间的间隙和宽度来模拟实际中单向直榫榫卯接头的残损，并进行低周反复荷载试验，得到随着榫卯间距的增大，榫卯之间滑移越明显，滞回曲线丰满度和峰值逐渐减小的结果。

对于残损榫卯节点试验中的样本较少，其结果有一定的离散性，建议加大样本数量的同时提高样本制作的精度，同时人工模拟自然环境条件下榫卯节点的残损试验有待进一步研究；大部分学者一般都是模拟榫卯节点受到不同程度的腐朽和松动，而对于拔榫和榫头变形等问题研究不多。

1.2 数值模拟

康昆等［11］建立了有无间隙的柱模型，并对其进行了水平往复加载模拟，来研究榫卯间有无缝隙对其抗震性能的影响，结果表明带有缝隙的榫卯节点耗能能力低，抗震性能较差；在外力作用较大时，带缝隙的榫卯节点榫头更容易拔出。谢启芳等［12］通过建立未拔榫和拔榫状态下的有限元模型，对其进行低周反复加载模拟，得到不同状态的滞回耗能曲线，结果表明随着榫头的拔出，节点承载力减小，变形能力减弱，抗震性能也有不同程度地下降。

目前对残损榫卯节点的松动和拔榫研究取得了一定的成果，但对于榫卯节点腐朽的数值模拟较少。对于模型的建立问题，木材本构模型的定义也有所不同，这取决于木材的材性的不同。

2 榫卯节点的加固方式研究

由于木材的老化和受到不同程度地震的影响，亟需对榫卯节点进行加固。目前对榫卯节点加固方式主要有金属连接构件加固和FRP材料加固。

2.1 金属连接构件加固

葛鸿鹏等［13］，姚侃等［14］采用扁钢对残损的燕尾榫节点进行加固，并对加固后的燕尾榫连接木构件进行振动台试验，结果表明扁钢加固后燕尾榫节点的刚度得到明显提高，且其承载力、耗能能力也都大幅增强；加固前后的固有频率相差不大，符合刚度等效原则，表明加固后有良好的抗震性能。郇君虹等［15］为解决木结构榫卯节点的老化抗震能力下降的问题，对榫卯节点设计了不同的扁钢加固装置如图1 所示，结果表明螺钉加固效果最为明显，可以提高榫卯节点的抗震性能。

图1 扁钢加固示意图

以上学者利用扁钢本身有一定的刚度，可以在榫卯节点处承受一定的弯矩的优点。用扁钢在榫卯接触区域包裹一周，用木螺丝固定在额枋上。对于扁钢加固榫卯节点的用量多少还需要进一步研究。

黏弹性阻尼器加固榫卯节点能够为节点提供附加阻尼力，吸收地震能量，是一种良好的加固方式。聂雅雯等［16，17］分别制作了12 个半榫和12 个燕尾榫试件，选择6个半榫和6个燕尾榫用黏弹性阻尼器加固，并进行拟静力试验，试验结果表明，用阻尼器加固的燕尾榫节点和半榫节点相比较于未加固的燕尾榫节点和半榫节点的耗能能力大幅度增强，且其承载力和刚度也都明显提升。

以上使用金属连接构件对其木结构进行加固，使其抗震性能得到提升，但是在一定程度上对木结构造成了不可恢复的二次损伤，对于后期的维修和更换造成了不便。同时对于榫卯节点易于拔榫的现象没有针对性的改善和加固措施。

2.2 FRP加固

FRP是一种新材料，它将一种高强度的纤维与某些化学树脂阵列紧密地结合到了一起，具有高强度、便捷的处理、良好防腐蚀性、舒适度以及速率快的特殊优势。由于加固榫卯节点的位置和种类不同，所使用到的增强材料也就不同，在此只介绍碳纤维布材料（CFRP）和玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）两种加固材料。

碳纤维布材料（CFRP）由于其重量较轻、强度高、耐腐蚀性能好以及易于切割的特点，在结构的修复加固过程中得到了广泛的应用［18］。

孙文等［19］用3种不同碳纤维布对木构架进行加固如图2 所示，通过拟静定试验来研究不同层数碳纤维布对木构架承载力的影响。结果表明，加固后的木构架承载力、耗能能力都得到了提高；双层碳纤维布加固具有最优的效果，但是否层数越多加固效果越好，仍需进一步研究。

图2 不同方式CFRP布加固

王建省等［20］制作4 个直榫木梁，通过有无碳纤维布加固的直榫木梁研究抗震性能，对其进行拟静定试验，结果表明，碳纤维布能够显著降低节点位移，有良好的抗震性能。

碳纤维布加固适用于残损程度较小且要求美观的榫卯节点。在模拟地震作用下，碳纤维布主要在梁柱交界处发生破坏，在竖向碳纤维布环箍和横向碳纤维布相交处易发生剪断。以上可以看出加固后的碳纤维布破坏主要是因为其承载力不足导致，如何提高其承载力是残损节点加固的核心问题。

法冠喆等［21］初次探讨以BFRP材料层数为变量对加固后直榫节点的抗震性能的影响，并进行拟静力试验，得到直榫节点的刚度和承载力随着BFRP 材料层数的增加而增加，表现出良好的加固效果。

2.3 不同加固材料对比

许清风等［22］为研究采用竹斜撑、角钢和碳纤维布3 种加固方式如图3 所示，对榫卯节点抗震性能的影响，制作了4个足尺透榫节点试件，并对加固后的试件进行拟静力试验，试验结果表明，采用竹斜撑加固榫卯节点的方式的效果是最好的，也是最简便的；而采用角钢和碳纤维布加固的方式对榫卯节点的刚度和耗能能力也都均有不同程度的提升，但这两种加固方式的适用范围有一定的局限性。金昱成等［23］通过制作15组典型榫卯节点试件进行拟静力试验，其中4组分别采用扒钉、钢板和木条（两组）加固。试验结果表明，木条加固对承载力的提高效果最好，扒钉和钢板加固的效果类似；从节点负向刚度来看：木条＞扒钉＞钢板＞未加固；在耗能能力来看，采用木条加固的效果最佳，扒钉和钢板加固的效果一般。

图3 不同加固方式示意图

3 问题分析及建议

3.1 问题分析

（1） 在残损榫卯节点的抗震性能试验研究中，大多数试件由新木材制成，而且木材的种类也不尽相同，得到的实验结果也有一定的差异性，即使是同一种木材制作不同试件，得到的结果也有一定差异性。

（2） 在对古建筑木结构榫卯节点抗震性能数值模拟中，由于木材是各向异性材料，又经历过数百年的自然环境和人为的破坏，木材受到了不同程度的残损，对木材的本构关系难以考虑全面，使得数值模拟结果与实际有一定的误差。

3.2 研究建议

（1） 古建筑木结构榫卯节点普遍存在残损现象，但目前关于残损榫卯节点抗震性能的试验研究较少，由于木材有较大的离散性，对于残损构件的试验结果有一定误差，建议今后可以增加试件的数量来减少结果误差。

（2） 对于榫卯节点加固大都采用较为常规的方法，没有起到古建筑修旧如旧的原则，建议今后能引入新的材料对其进行加固，真正做到修旧如旧。

（3） 对于榫卯节点的加固方法，一般都是对残损的榫卯节点进行加固，这对古建筑木结构的加固修复有一定的延迟性，建议今后开展对古建筑木结构榫卯节点的抗震性能评估，以期能够达到防患于未然，及时对榫卯连接节点进行加固修复。

4 结语

通过以上研究可以看出，国内外学者对残损榫卯节点的抗震性能及加固方式进行了大量研究，并取得了一定的成果。对于残损榫卯节点的研究表明，榫卯节点在不同的残损方式下其抗震性能均存在不同程度的降低，耗能减震能力与完好榫卯节点相比也有所下降。对于不同加固方式加固榫卯节点的研究，由试验可得出，不同加固方式对榫卯节点的耗能能力均有不同程度的提升，但都存在一定的局限性，无法保证古建筑“修旧如旧”的原则。

随着研究的不断深入，木结构残损榫卯节点加固方式将更加合理化、规范化，新型加固材料和技术将会不断研发和推广，从而对中国古建筑木结构实现科学、有效的保护。