单向加载下明销直榫节点力学性能研究*

王展光， 刘人源， 石 昂， 王婷婷， 邵建华

(1 凯里学院建筑工程学院， 贵州 556011；2 江苏科技大学土木工程与建筑学院， 镇江 212003)

0 概述

榫卯连接是我国木结构的主要连接方式，同时也是结构中的薄弱位置。在外力作用下榫卯节点容易出现脱榫、节点松动导致结构整体的破坏。因此，研究榫卯节点的受弯性能对木结构的研究具有重要意义。

目前，国内学者已经对木结构榫卯节点的破坏形态、工作机理、抗震性能等几个方面进行了探讨。在工作机理方面，在试验基础上研究了直榫、透榫和燕尾榫透节点的破坏形态和力学性能[1-4]，并建立了三折线模型[1]和4参数幂函数模型[5]；在模型分析方面，基于不同假设建立直榫、透榫和燕尾榫透榫力学模型，推导出榫卯节点弯矩的简化理论公式[6-9]；在抗震性能方面，通过动态试验研究了不同形态榫卯节点的抗震性能和参数影响[10-15]；在数值模拟方面，对榫卯节点的受弯刚度进行了分析[16-17]。

从以往的研究成果中发现，目前研究节点多参照宫殿、塔楼式建筑设计，对于西南地区带穿销的榫卯节点形式研究较为空缺。因此，本文在对西南地区榫卯节点进行充分调研的基础上，设计和制作出8个足尺节点明销钉直榫节点和2个无销钉直榫节点，进行节点抗弯的单调加载试验，分析其节点受力，并将明销钉直榫节点与无销钉直榫节点进行比较，研究了明销直榫节点的工作机理、破坏形式，探讨了销钉形状和销钉位置对明销直榫性能的影响。

1 节点试验设计

1.1 节点模型设计

参照西南地区民族木结构设计方法共制作10个木结构节点，试件类型分为无销钉直榫节点、明圆销钉直榫节点、明方销钉直榫节点等5类节点，每类节点数量为2个，试件基本参数见图1和表1。试验中的木材选取当地建筑采用的杉木，木材的实测材料力学性能参数见表2。

图1 试件构造及尺寸图/mm

试件基本参数 表1

实测杉木材料力学性能 表2

1.2 加载方案

明销直榫节点力学试验在钢结构反力架上进行，柱底在四面用角钢进行固定，在柱顶通过千斤顶1施加20kN轴向压力[7]。为了防止节点试件在加载过程中向外弹出，在木柱中部和顶点两侧用钢管进行约束，如图2所示。通过预试验发现节点破坏的转角在0.20～0.25rad之间，为了保证节点破坏，将加载点设置在距离立柱外边缘400mm处，通过千斤顶2施加竖直向下的荷载。节点力学性能试验加载过程采用位移控制，第1，2级的每级位移增幅为5mm，以后每级位移增幅为10mm，每级持续一段时间等节点稳定下来，再进行下一级加载，直至枋端压力无明显增加或试件发生拔榫破坏为止。

在试验加载过程，采用位移计来记录相关位移数据，力的采集采用力传感器来记录，采用应变片来记录直榫节点相关部位应变，相关数据由动静态应变仪进行采集，位移计和应变片的具体布置见图2。

图2 加载装置示意图

2 节点试验结果分析

2.1 试验现象

直榫节点在整个受力过程中经历弹性受力阶段和塑性发展阶段。加载初期，节点的木枋榫头、木柱卯口和木销钉之间逐渐挤压密实，并伴随木材发出轻微的声响，这时榫卯节点和销钉都无明显破坏现象；随着加载不断加大，木枋的变形位移增大，对明销直榫节点来说，木枋由于受到销钉的限制，无法发生轴线移动，但木枋顶面和底面拔榫量逐渐增大，榫头与卯口之间的挤压作用逐渐加剧(图3(a))，节点由于挤压产生响声也越来越大；随着荷载进一步加大，直榫节点变形更加明显，榫头与卯口局部出现挤压劈裂现象，木枋和销钉上都出现裂缝(图3(b)和图3(c))，声音变为强烈的劈裂破坏声，这时直榫节点进入倾覆状态，木枋端加载力出现下降，加载试验结束(图3(d))。

图3 试件破坏形态图

通过观察，明销直榫节点以木销钉为中心发生变形，在加载末期，卯口和榫头的局部受力超过木材的顺纹和横纹弹性屈服强度，局部压缩变形较为明显，柱与枋之间的相对转角也不断加大，最大转角可达0.22rad。木枋和木销钉多处出现局部裂缝，但柱与枋整体较为完好，木销钉也没有发生挤压断裂现象，直榫节点破坏主要还是木材的局部压缩破坏，导致节点整体无法继续承受荷载，破坏形态见图3。

2.2 试验结果

2.2.1 直榫节点弯矩-转角曲线

直榫节点的弯矩-转角曲线如图4所示。定义柱边与枋边的相对转角为节点的转角θ，θ值通过枋上端位移计1与枋下端位移计2读数之差与两个位移计之间的竖向距离的比值来测定，弯矩为枋端加载荷载与力臂的乘积。

西南木结构民居一般只有两三层，在使用过程中外荷载较小，杉木直榫节点受力也较小。从图4可以看出，直榫节点的弯矩-转角曲线在早期近似为直线，这是节点的弹性受力阶段；随着荷载的增加，节点进入塑性发展阶段。试验采用分段加载，在加载过程中，当位移达到规定的位移时，停止继续加载，这时木枋的变形会继续增加，而出现卸载现象，在弯矩转角曲线上表现为曲线的下降锯齿段，但弯矩-转角曲线外围轮廓依然是连续的。在加载初期节点之间连接较为紧密，所以弯矩随转角增加而快速增大，为弹性阶段；此后随着榫头与卯口的挤压变形加剧，节点进入塑性变形阶段，曲线增长变缓；继续加载，此时由于节点区变形过大，最大转角达到0.22rad，节点弯矩值已经不再继续增加，开始出现下降，节点丧失继续承受增大荷载的能力，停止加载，试验结束。

图4 直榫节点弯矩-转角曲线

2.2.2 直榫节点总体拔榫量

直榫节点木枋顶面(位移计1)和底面(位移计2)总体拔榫量-转角关系见图5。从图中可以看出，木枋顶面拔榫量为正向拉伸位移，随着转角的增大而线性增大；木枋底面拔榫量为压缩位移，随着转角的增大而线性增大；且总体上木枋顶面的拔榫量要大于木枋底面拔榫量。

图5 直榫节点总体拔榫量-转角曲线

2.2.3 木枋侧面应变关系

木枋侧面不同高度处的应变和转角的关系见图6。从图6中可以看出，木枋截面中性线和截面上侧处于受拉状态，截面下侧处于压缩状态，木枋下侧应变达到1 500με，已达其抗弯强度设计值，这时已经进入塑形状态，且截面上应变随着转角的增大而增大。

图6 木枋侧面应变-转角曲线

2.2.4 木枋顶面、底面应变

木枋顶面和底面的应变与转角的关系见图7。从图中可以看出，木枋顶面应变一直受拉且随着转角的增大而增大；木枋底面应变在开始时为受压而后期表现为受拉，这由应变片的布置位置所决定。从图2(b)可以看出，木枋底面应变片布置在靠近榫卯节点的根部，开始加载时，由于榫卯处局部压缩不大，应变片处表现为压缩状态，但随着荷载的增大，局部压缩变形不断加大，在靠近局部压缩变形区域出现了受拉区域，这时应变表现为受拉，同木枋下侧应变-转角曲线表现相同。

图7 木枋顶面和底面应变-转角曲线

2.2.5 木枋下柱轴向应变

木枋下柱轴向应变-转角曲线见图8。从图8中可以看出，木枋下木柱应变开始为受压，随着荷载增大而变为受拉，且随着转角的增大拉应变不断增大，其原因和木枋下侧应变类似，也是由应变片的布置位置所决定。

图8 木枋下柱轴向应变-转角曲线

2.2.6 销钉处的应变

销钉处应变-转角曲线见图9。从图中可以看出，销钉处切向应变为压缩应变，且压缩应变随转角的增大而增大；而销钉处轴向应变总体表现为压缩应变，但由于直榫节点在压缩过程中，销钉对木枋轴向作用相对不规则，所以应变-转角曲线表现出局部突变的现象。

图9 销钉处应变-转角曲线

3 相关参数分析

3.1 销钉的影响

销钉可以有效地约束木枋的轴向变形，在受力过程中，销钉和木柱之间发生挤压，木柱和销钉都会发生局部压缩，见图10。明销钉直榫节点在外力作用下横向变形很小，以销钉为中心发生转动；而无销钉直榫节点在外力作用下发生横向变形和转动；为了将两种类型直榫节点的弯矩进行比较，力臂统一取力作用点到木柱边的距离。

图10 圆销钉变形图

两种类型直榫节点弯矩-转角曲线见图11。从图11中可以看出，两种类型弯矩-转角曲线类似，销钉对直榫节点的弯矩有一定的提高作用。

图11 圆销钉和无销钉直榫节点的弯矩-转角曲线

两种类型直榫节点拔榫量-转角曲线见图12。从图中可以看出，圆销钉直榫节点其榫头上下的拔榫量小于无销钉直榫节点，总体都是拔榫量随转角增大而不断增大。

图12 圆销钉和无销钉直榫节点的拔榫量-转角曲线

3.2 销钉形状的影响

本文采用了两种销钉，一种是直径为20mm的圆销钉和边长为20mm的方形销钉，通过试验发现方销钉在受力过程中棱角会出现磨损，但由于本次试验采用的是单向加载，所以磨损量并不大，见图13。

图13 方销钉变形图

两种形状销钉直榫节点的弯矩-转角曲线和拔榫量-转角曲线分别见图14和图15。从中可以看出，方销钉对节点的约束比圆销钉要高，首先是方销钉面积大于圆销钉，同时销钉在周围约束情况下，其力学性能得到较大的提高，不会在外力作用下出现横纹劈裂，所以方销钉的棱角能够对木枋的转动提供更多的约束。这从图13中也可以看出，表现在曲线上，就是方销钉直榫节点的弯矩曲线要高于圆销钉直榫节点，方销钉直榫节点的顶面和底面拔榫量要小于圆销钉直榫节点。

图14 圆销钉和方销钉直榫节点的弯矩-转角曲线

图15 圆销钉和方销钉直榫节点的拔榫量-转角曲线

3.3 偏心位置影响

为了考虑销钉偏心对明销直榫节点的影响，本文制作了圆销钉和方销钉分别位于1/4高度处的明销直榫节点，并把它与销钉位于中心处明销直榫节点进行了比较。

通过试验发现，单向加载情况下，线弹性阶段偏心销钉明销直榫节点承载能力较大；而塑性阶段，偏心销钉明销直榫节点和中心销钉明销直榫节点的变形形态和受力特性都没有明显变化;两种类型的弯曲-转角曲线和拔榫量-转角曲线几乎重合，这是由于塑性阶段，榫头与卯口塑性区域不断扩大，最终出现全截面塑性变形，见图16和图17。

图16 不同位置销钉直榫节点弯矩-转角曲线

图17 不同位置销钉直榫节点拔榫量-转角曲线

4 结论

本文通过对西南地区民族木结构常见的明销直榫节点进行了单调加载试验，并将其与无销钉直榫节点进行比较，研究了明销直榫节点的工作机理、破坏形式，探讨了销钉形状和销钉位置对明销直榫性能的影响，得到以下主要结论：

(1)明销直榫节点在单向加载的情况下，其弯矩-转角曲线大致分为弹性受力阶段和塑性发展阶段，节点的失效主要是木材强度的破坏导致变形过大而失去承载力，柱与枋本身较为完好。

(2)通过节点单调加载试验发现，销钉对直榫节点有一定约束作用，能提高直榫节点的力学性能，降低其拔榫量；方形销钉对直榫节点约束性更强，销钉的位置对直榫节点没有影响。