古木结构榫卯节点抗震性能研究

崔 航 施毕新 丛 宇 蓝 迪

（1.四川省文物考古研究院，四川 成都 610041；2.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010）

0 引言

传统木结构是我国古建筑中最主要的结构形式，是世界建筑史学上独具风格的一门建筑体系。榫卯连接是传统木结构极具特色的营造技艺，单一的木构件通过榫卯连接形成了一个符合多种要求，能够承受各种荷载的整体木结构。榫卯具有非常悠久的历史，新石器时代的河姆渡遗址木构件中就有了榫卯的使用。传统木结构不断发展演变，榫卯的功能与形状随着榫卯所处部位以及结合方式的不同而不断改变。

但是与现代钢筋混凝土结构中强节点弱构件的设计理念不同，榫卯节点由于独特的制作方式，存在截面削弱，榫卯节点相对于构件来说属于薄弱部位，加上木结构由于自身性能老化，在地震等外力作用下，榫卯节点容易发生拔榫现象，进而可能导致整体结构变成机构而破坏。

在地震作用下，榫头反复拉拔，榫卯节点通过摩擦耗散能量，由于卯口顺纹抗压强度远大于榫头横纹抗压强度，因而当榫卯节点发生转动，榫头与卯口边缘的挤压造成榫头横纹发生塑形挤压变形，榫头与卯口间缝隙逐渐变大，最后发生拔榫破坏。

近年来学者们对古建筑木结构榫卯节点进行了大量研究，得出了一系列研究成果。本文以古建筑木结构榫卯节点为对象，依据榫卯节点的震害特征，归纳了榫卯节点的抗震性能，以期能更好地对古建筑木结构进行合理保护。

1 榫卯节点抗震性能

根据对古建筑木结构以往的震害调研中发现，由于古木结构采用的榫卯连接具有较好的减震耗能作用，因而古木结构在地震力等外力作用下抗震性能良好，大部分木结构主体结构较为完好。但由于修缮加固不当和年久失修等原因，仍有部分木结构建筑发生了局部破坏甚至整体倒塌，且木构架的破坏主要表现为榫卯节点拔榫及构架倾斜。为了研究古木结构榫卯节点独特的抗震性能，学者们通过实验研究、有限元模拟及理论分析等方法对梁柱等主要榫卯节点的抗震性能进行了大量研究。

1.1 燕尾榫节点

在理论分析方面，高大峰通过制作缩尺比为1:3.52的二等材榫卯节点木构架模型进行拟静力试验研究，建立了榫卯节点弯矩-转角位移的恢复力模型。潘毅等人通过对燕尾榫节点构造特点和受力机理进行分析，建立了以屈服点、极限点为特征点的燕尾榫节点M-θ双折线多参数模型（如图1所示）。

图1 燕尾榫节点M-θ关系曲线

在实验研究方面，杜彬考虑普拍枋、雀替的影响，对带有普拍枋、雀替的燕尾榫节点进行拟静力试验，试验结果表明：带雀替燕尾榫节点的滞回曲线的对称性远不如带普拍枋燕尾榫节点的滞回曲线；普拍枋和雀替的存在均提高了燕尾榫节点的抗弯刚度，其刚度退化规律差异显著。谢启芳等人采用人工模拟虫蛀和腐朽研究了残损对燕尾榫节点抗震性能的影响（如图2所示），进行了低周反复加载试验，分析残损节点的抗震性能，研究表明：残损节点的转动弯矩等下降幅度较大，残损燕尾榫节点的抗震性能较完好燕尾榫节点显著降低。

图2 人工模拟虫蛀燕尾榫节点

在有限元模拟方面，张俊通过对不同缩尺比例、不同材级的燕尾榫节点模型进行拟静力试验模拟，结果表明：随缩尺比例的增大，节点的整体刚度与强度退化系数减小，但耗能能力和拔榫量增加，同缩尺比例下，三等材节点耗能能力、榫头拔榫量小于二等材节点。康昆等人通过有限元模拟研究了节点间缝隙与竖向荷载对燕尾榫木构架的抗震性能的影响，结果表明：缝隙的存在使得木构架的抗震性能大大降低，竖向荷载越大，整体结构的抗侧移刚度越大。

燕尾榫因其独特的构造具有很好的抗拉拔能力。此外，燕尾榫具有良好的抗震性能，在低周往复荷载作用下燕尾榫节点破坏主要表现为榫头与卯口的挤压塑性变形、榫头拔出破坏，枋、柱基本没有发生破坏，残损对燕尾榫节点的抗震性能影响较大。

1.2 直榫节点

在理论分析方面，贺俊筱对往复荷载作用下下松动透榫节点的受力机理进行了分析，得到透榫节点的工作状态，并给出了相应的工作状态判定条件，在考虑缝隙及不对称性的基础上，提出了松动透榫节点弯矩—转角力学模型。潘毅等人对低周往复荷载作用下的直榫节点的受力机理进行了详细分析，建立了考虑节点拔榫量影响的弯矩—转角理论模型，并给出了相应的简化计算公式。

在实验研究方面，谢启芳等人考虑榫头形式等对直榫节点抗震性能的影响，通过低周反复加载试验得到了不同形式直榫节点的破坏特征以及滞回规律等。李卫等人通过对带雀替的（如图3所示）与不带雀替的半榫节点木构架进行低周往复荷载试验，实验表明：与不带雀替的半榫节点木构架相比，带雀替节点的转动刚度得到了提高，并且加强了木构架的整体性。

图3 带雀替的半榫节点木构件模型

在有限元模拟方面，吴玮对无缝的与带缝隙的半榫节点在低周往复荷载作用下的抗震性能进行了有限元模拟，研究表明缝隙使得半榫节点在低周往复荷载作用下发生滑移，半榫节点的抗弯承载力和刚度降低。薛建阳等人研究了榫头高度、摩擦系数等参数对透榫节点受力性能的影响，结果表明：透榫节点的刚度随着榫头的高度和摩擦系数的增大不断增大，榫头高度、摩擦系数与顺纹抗拉强度对透榫节点的受力性能影响最为显著。

同等情况下，相对于燕尾榫节点，透榫节点的初始刚度和耗能能力均要高出。在直榫节点中，透榫节点的耗能能力好于半榫节点，且半榫的抜榫量较大，普柏枋和雀替等构件可以提高节点的抗弯刚度。

1.3 其他榫卯节点

在理论分析方面，陈春超通过试验结果和有限元模拟，对不同的榫卯节点的受力机理进行了分析，建立了燕尾榫、直榫、半榫等共六种典型榫卯节点M-θ简化力学模型。Chang W.S建立了一种新的理论模型来研究Nuki榫卯节点的转动性能，该模型与实验结果吻合，该理论模型不仅可以表示出带有间隙的Nuki榫卯节点的初始刚度，也证明了初始滑移阶段被视为销钉连接。

在实验研究方面，时玉筏通过对无缝、带缝的箍头榫木构架进行拟静力试验来研究榫卯间缝隙对箍头榫节点抗震性能的影响，结果表明：缝隙的存在会削减箍头榫节点的整体耗能能力，降低箍头榫木构架的抗侧刚度。吴志强通过对传统燕尾榫卯木构架模型、传统透榫木构架模型及新型竖向半燕尾榫木构架模型进行低周往复荷载试验，结果表明：木构架模型的耗能能力，传统燕尾榫节点<传统透榫节点<新型竖向半燕尾榫节点，新型竖向半燕尾榫节点的整体抗震性能较传统榫卯节点表现更好。

在有限元模拟方面，Keita Ogawa等人提出了一种以榫卯节点缝隙为参数对日本传统的榫卯节点的力学性能的理论估计方法。此外，它还通过实验验证了该估计方法，并通过数值分析研究间隙的大小对力学性能的影响，结果表明随着间隙尺寸的增大，节点的力学性能逐渐降低。Z.W.Guan等人通过对日本传统木构架中带木楔的Nuki榫卯节点（如图4所示）进行水平反复荷载试验研究及有限元分析，研究了不同尺寸、形状的木楔对Nuki节点力学性能的影响。

图4 日本传统寺庙中典型的“Nuki”节点

受中国文化影响，如日本、韩国等国家，也对具有本国特色的榫卯节点进行了一些研究。国内外研究表明，榫头和卯口间的缝隙对节点的力学性能及抗震性能影响较大，缝隙会减少节点的摩擦耗能和榫卯节点木构架的抗侧移刚度等。

2 结语

本文归纳了燕尾榫、直榫及其他梁柱榫卯节点的抗震性能，分析了不同因素对榫卯节点抗震性能的影响。

（1）不同榫卯节点抗震性能差异较大，在地震作用下燕尾榫节点不易出现拔榫现象，直榫节点抗拉拔性能很差，但透榫节点的初始刚度和耗能能力均高于燕尾榫节点。在直榫节点中透榫节点的耗能能力好于半榫节点，半榫节点的抜榫量较大，多与替木等构件一起使用。

（2）雀替、普拍枋等构件能不同程度的提高榫卯节点的抗震性能，虫蛀、缝隙等残损对榫卯节点的抗震性能有显著的削弱。在地震作用下，榫卯节点易发生拔榫破坏，进而导致结构倾斜甚至倒塌。因此，研究榫卯节点的抗震性能对古建筑木结构的保护具有重要意义。