中国古建筑木结构榫卯节点抗震性能研究

摘要

中国的古建筑以木结构建筑为主而发展,是我国悠久文化遗产的重要组成部分。明、清两代建筑,作为中国古代最后一个历史阶段发展最成熟的建筑成果,在中国建筑史上占有重要地位。榫卯节点是木结构中的关键部位,节点的损坏也是古建筑木结构损害的主要形式。从榫卯节点入手对古建筑木结构进行研究具有重要的理论意义和社会价值。目前国内外关于榫卯节点的研究取得了一些成果,但是仍处于探索阶段。本文通过总结、分析现有研究成果的不足,结合清代做法的燕尾榫榫卯连接单节点试验及木框架试验,对木结构榫卯节点受力性能、木框架整体性能进行了较为深入的研究和分析。主要的研究内容和成果如下:
　　 在木材材料性能研究中,分析了老化、含水率、长期荷载对木材强度的影响。着重分析了木材老化的两种情况:旧木材未腐朽及旧木材腐朽。得到其性能的变化规律:未腐朽旧杉木的顺纹抗压强度、横纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量均较新杉木有所下降,其中横纹强度下降幅度最大,抗弯强度其次,顺纹抗压强度最小。进行了按木材耐腐朽分级标准划分的不同腐朽程度旧杉木的材性试验,一方面了解不同腐朽程度旧杉木强度的变化规律,另一方面为腐朽等级定量化提供新的思路。新、旧杉木顺纹抗压强度随含水率的变化规律一致,即随着含水率的增大,其强度逐渐降低。此外,还进行了木材干缩及大试块材性试验,为木结构试验和理论分析计算提供材料性能数据。
　　 对5个按清代《工程做法则例》制作的改进燕尾榫榫卯节点进行了低周反复荷载试验。详细分析了榫卯节点拔榫量在加载过程中的变化规律,确定了节点拔榫量定量关系表达式;榫卯节点的M-θ滞回曲线为“Z”字形,表明燕尾榫榫卯节点具有半刚性,节点枋、柱截面应变基本上为线性分布,符合平截面假定。试验结果发现:改进燕尾榫榫卯节点为脱榫破坏(榫头从卯口内拔出),节点脱榫时,柱、梁完好无损,榫头和卯口产生明显的挤压变形;节点榫卯间的紧密程度也是影响节点承载力的主要因素。
　　 按《工程做法则例》做法制作了5个单间一榀木框架,进行了低周水平反复荷载试验。详细分析了木框架榫头上、下表面与柱边相对位移及拔榫量在加载过程中的变化规律。由于加载方式不同,单节点拔榫量曲线与木框架节点拔榫量曲线有些差异,但总体变化趋势一致。得到了框架节点拔榫量定量关系表达式;给出了木框架节点转角计算公式,分析了拔榫量对左、右节点转角的影响。分析了木框架P-A曲线,木框架的水平承载力低、侧移大,由柱项竖向荷载引起的附加弯矩和变形均较大,存在严重的P-A二阶效应,柱顶竖向荷载对P-△曲线形状有很大的影响。木框架榫卯节点M-θ滞回曲线形状总体呈“Z”字形,有比较明显的“捏拢”效应,表明木框架榫卯之间在受力过程中发生了较大的滑移,节点为半刚性;分析了节点M-θ骨架曲线、刚度退化、节点延性等性能。本次试验框架的破坏形式为榫头拔出,没有发生材料破坏,且梁柱的弯曲变形较小。
　　 针对目前关于榫卯节点性能研究存在的不足,结合本文节点及框架试验,详细分析了一个完整加载循环(正向加载、正向卸载、反向加载、反向卸载)节点的受力机理,据此合理解释了试验现象。建立了单节点M-θ关系理论模型。理论分析表明榫头拔榫量对节点弯矩影响较大;理论滞同曲线、骨架曲线与相应的试验曲线发展趋势一致,曲线吻合较好,分析模型具备了一定的精度。借助理论模型分析了榫头截面尺寸、摩擦系数、榫卯间收缩缝隙对节点弯矩的影响趋势。结合理论模型,得到了节点骨架曲线各特征点:屈服转角、最大弯矩时的转角及节点脱榫时的转角;为了使理论模型简便、实用,得到了节点简化理论模型。
　　 用具有转动刚度的连接单元来模拟框架节点的榫卯连接,建立了半刚性榫卯连接框架力学模型,模型中考虑了拔榫量与二阶效应对木框架的影响;根据第五章建立的节点弯矩-转角模型,对木框架(P-Δ关系)进行全过程分析,通过与试验比较,验证了弯矩-转角模型和整体分析方法的合理性;分析了框架失稳破坏时极限水平承载力和极限位移值;提出了适用于古建筑木结构框架的双参数地震破坏模型,并结合本文试验,对木框架进行损伤评估,对木结构古建筑震害等级进行划分。
　　 针对单个节点及木框架的破坏形式(榫头拔出),采用碳纤维布和胶入钢筋加固框架节点进行低周水平反复荷载试验。试验结果表明:碳纤维布和胶入钢筋加固节点有效限制了榫头的拔出,提高了框架承载力、抗侧刚度及整体性能。