古建筑榫卯結構抗震性能分析

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摘要：我國古建筑榫卯結構各節點的連接方式剛柔相濟，能有效減輕地震對榫卯結構建筑的危害，但仍存在長時間導致構架松散的情況。基于傳承中華傳統建筑文化，選擇常見榫卯結構燕尾榫，從建筑結構、抗震能力等方面，簡述榫卯結構在房屋建筑中的抗震作用，同時測試以新型材料為輔助的榫卯結構的抗震效果。

關鍵詞：榫卯；古建筑；抗震；加固；傳統與創新

榫卯結構作為我國木建筑的傳統結構形式，設計合理且實用性強。其采用的木材性能與連接方式能夠在復雜變化中達到平衡。同樣榫卯結構采用的“以柔克剛的設計方式”，在地震中能夠憑借木材的柔韌性和延展性，緩解產生的震動。通過借鑒古今中外對榫卯結構的研究案例，選擇不同榫卯結構作為研究對象，總結出同一榫卯結構經過不同材料輔助后的抗震抗壓能力。

1常規榫卯結構抗震性能分析

我國榫卯結構歷史悠久。木結構擁有一定的抗彎能力，能夠在地震作用下消耗能量，從而達到抗震作用。榫卯結構樣式多樣，其中較為常見的有燕尾榫、半榫、夾頭榫等。

1.1燕尾榫抗震性能研究

燕尾榫作為最具有標志性的榫卯結構，國內外學者對其進行了大量研究。薛建陽等人進行抗震壓力實驗時，燕尾榫的破壞均發生在榫頭和卯口處，其他試件部位受到的影響可忽略不計。在國外，Tannert等學者通過靜力試驗研究燕尾榫足尺模型，得出了燕尾榫榫頭的高度與收乍角度的聯系。

1.2半榫抗震性能研究

半榫用于建筑物中部的柱，這種柱將梁架分為前后兩段，由于兩邊的梁架均須與柱相交，因而其榫頭做成了半榫形式。國內關于半榫的抗震性能研究論文較為充足。淳慶等人進行抗震性能實驗時，研究出半榫的滯回曲線、骨架曲線、轉角剛度等。匡妍藝研究得出，實驗中荷載彎矩不斷加大時，半榫初始剛度由較平均逐漸緩慢衰減。在半榫受彎性能研究方面，荊鑫等人建立了彎矩-轉角關系曲線，得出變化規律，彎矩增長隨著轉動初期上升緩慢而緩慢，半榫的破壞形態為榫頭連接處出現斷裂。

1.3夾頭榫抗震性能研究

目前國內研究有關夾頭榫的論文并不充足，其中楊天智曾使用測距傳感器等儀器根據尺寸比例模擬建筑抗震，得出盡管震動強度增加，但夾頭榫建筑晃動幅度小、十分穩定的結論，進而證明夾頭榫結構也具有良好的抗震性能。

1.4不同榫卯抗震性能對比

半榫與燕尾榫破壞形態相似，兩種榫卯抗震性能類似。上述三者的節點抗彎強度與破壞后強度為：燕尾榫＞半榫＞夾頭榫。

2榫卯結構加固方法

2.1扁鋼加固

扁鋼擁有體積小、延展性優秀、強度高的優異性能，因此在建筑加固領域成為了首選。同時相對于木建筑，扁鋼本身耐用，并且能夠很好抵御環境腐蝕，避免自身物理性能的劣化。郇君虹等人在進行扁鋼加固的榫卯結構抗震性能測試時總結出：不同形態、不同厚度的扁鋼提升的性能效果也有所差異。薛建陽曾在對破損的榫卯節點進行抗彎承載力實驗分析時，更加完善地總結出：經過扁鋼加固的榫卯結構的破壞形態主要是固定扁鋼的部分螺釘被拔出，同時提出以U型扁鋼進行加固的想法與極限抗彎矩計算公式，其抗震效果比原始扁鋼加固更為突出。U型扁鋼抗彎承載力公式如式（1）所示。M≤Mu=2×σsyhst（h-hs-8d）（1）其中h為榫卯枋截面高度，hs為扁鋼的凈截面寬度，t為扁鋼的厚度，σsy為加固扁鋼的抗拉屈服強度。

2.2CFRP布加固

CFRP的比強度和比剛度高，具有良好的抗疲勞性能、耐腐蝕性能和耐火性能，同時，對于任意封閉結構和形狀復雜的被加固結構表面，CFRP布能夠降低復雜表面處受到磨損的風險，使用CFRP布進行加固簡便易行效率高。有學者通過靜力受彎實驗研究，確定經過CFRP布加固燕尾榫之后，其抗彎性能有所提升。在低周反復荷載實驗中，閆維明、陸偉東等人研究發現，構架節點處轉動剛度雖然提高但是耗能能力下降。同時，薛建陽等通過模擬地震作用，分析CFRP布加固榫卯結構后的抗震性能與動力特性，此加固方法能夠提高節點的延展性、轉動剛度和承載力，可用于損壞較輕的榫卯節點處，但具有一定的局限性。

2.3馬口鐵加固

目前我國部分地區榫卯結構加固采用的是馬口鐵進行輔助穩固，其加固方式采用10~15mm的鋼筋，兩端做成直鉤形狀，嵌入榫卯節點處。閆維明進行振動臺實驗研究時得出結論，馬口鐵通過限制節點處位移，能使得榫卯結構在剛度上獲得一定的提高，但是在強烈地震搖晃下效果明顯減弱。在另一個實驗中總結出，馬口鐵加固榫卯雖然提高了結構承載力，保留了較好的變形能力，但是其節點耗能能力有所下降。

2.4加固方法效果對比

扁鋼加固性能最優，之后依次為CFRP布加固與馬口鐵加固。

3結語

傳統木結構作為我國古代建筑文化傳承下來的瑰寶，在我國仍然具有較大的影響力。推廣榫卯結構能夠獲得較多群眾的支持與采納。但在榫卯結構抗震領域仍存在許多問題需要去深入研究解決，比如榫卯結構自身性能退化與抗震的聯系、新型抗震榫卯結構的運用以及材料加固位置、木建筑結構關鍵位置的選取等。如何將新型加固材料與榫卯結構結合使用，成為未來研究與實踐的課題。

作者：諸葛澤衍 朱炯 呂芳禮 單位：徐州工程學院