古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點分析

古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點分析一、前言中國是四大文明古國之一，在源遠(yuǎn)的歷史長河中，流傳下了無數(shù)珍貴的物質(zhì)和文化遺產(chǎn)，而其中重要的一部分就是古建筑木結(jié)構(gòu)。古建筑木結(jié)構(gòu)在世界建筑之林中獨樹一幟，影響深遠(yuǎn)，是東方建筑的代表。古建筑木結(jié)構(gòu)有其獨特的構(gòu)造方式，如高臺基、榫卯連接、平擺浮擱、側(cè)腳和升起、雀替、斗拱鋪作層等，展現(xiàn)出良好的抗震性能。不用一釘一鉚，整體體系以木構(gòu)架為主要承重構(gòu)件，全靠木構(gòu)件之間相互搭接和穿插而建造。被稱為三大“世界奇塔”之一的釋迦塔，是中國現(xiàn)存最高最古老的木塔，歷經(jīng)九百多年依然屹立不倒。二、榫卯節(jié)點古建筑木結(jié)構(gòu)總體可分為井干式、抬梁式和穿斗式等三種結(jié)構(gòu)形式。梁柱是主要的受力構(gòu)件，承載建筑的自身及外界荷載，而榫卯節(jié)點將梁柱構(gòu)件連接到一起，形成木構(gòu)架。因此，梁柱節(jié)點的榫卯連接是木結(jié)構(gòu)研究中的重要部分。榫卯節(jié)點中，“榫”即為凸出木構(gòu)件，“卯”為凹部木構(gòu)件。榫卯節(jié)點具有不同于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點的特性，其既具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)動能力又能夠傳遞一定的彎矩，具有明顯的半剛性特性。常見的榫卯連接形式有直榫和燕尾榫兩種。直榫中榫徑與榫頭同寬，多用于木構(gòu)件的穿插。燕尾榫榫頭大于榫徑，一般用于水平木構(gòu)件與豎直木構(gòu)件間的連接。三、榫卯連接工作機(jī)理以燕尾榫為例，分析榫卯節(jié)點在地震中的受力機(jī)理。為了施工安裝方便，一般卯口尺寸略大于榫頭尺寸，因此榫卯節(jié)點中會存在一定的間隙。當(dāng)外部震動較小時，榫卯之間發(fā)生微小轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)利用構(gòu)件轉(zhuǎn)動與接觸面間的摩擦抵消震動破壞的能量。當(dāng)震動較大時，榫卯節(jié)點會產(chǎn)生彎矩，軸力和剪力。此時，梁受到力的作用，榫頭與卯口產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，梁上的軸力與摩擦力、擠壓應(yīng)力平衡。隨著梁震動位移增大，榫頭以榫徑為支點，與卯口內(nèi)壁之間發(fā)生位移。由于燕尾榫榫頭寬度大于榫徑寬度，位移產(chǎn)生時，榫頭側(cè)面受到卯口側(cè)壁擠壓應(yīng)力增大，摩擦力也相應(yīng)增加。相對滑移產(chǎn)生剪力，此時榫頭頂部與卯口上部擠壓作用明顯，彎矩作用產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)角增大到一定程度時，卯口側(cè)壁與榫頭側(cè)面的擠壓應(yīng)力達(dá)到極限值，會導(dǎo)致卯口破壞或榫頭折斷。四、榫卯節(jié)點研究現(xiàn)狀古建筑木結(jié)構(gòu)具有重要的歷史和文化價值，保護(hù)工作意義非凡。榫卯節(jié)點常見的破壞模式有榫卯拔脫、榫頭折斷、卯口破壞等。對于榫卯節(jié)點的力學(xué)性能及加固技術(shù)方面，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究。方東平等在古建筑結(jié)構(gòu)特性試驗研究的基礎(chǔ)上，提出了木結(jié)構(gòu)特征的三維有限元計算模型和分析方法，第一次對古建筑木結(jié)構(gòu)的斗栱和榫卯節(jié)點的力學(xué)性能作定量研究;胡明等跟據(jù)木材的正交各向異性，采用廣義hill屈服準(zhǔn)則準(zhǔn)確建立木材的本構(gòu)模型，運(yùn)用AYSYS有限元軟件模擬并與試驗對比分析碳纖維加固區(qū)木梁損傷;趙鴻鐵等通過燕尾榫節(jié)點木構(gòu)架的低周反復(fù)荷載試驗，得到彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線及骨架曲線，得到榫卯節(jié)點半剛性連接特性和節(jié)點剛度退化的規(guī)律。徐明剛等以1：2.65的縮尺比例制作宮殿式木構(gòu)架模型，并分別采用膠入鋼筋和外貼碳纖維布的方式加固榫卯節(jié)點，進(jìn)行抗震性能試驗研究，得出加載初期結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度有明顯提升，后期加固效果逐漸下降;周乾等對采用馬口鐵、鋼構(gòu)件和CFRP布加固的燕尾榫節(jié)點木構(gòu)架進(jìn)行了振動臺試驗，研究得出三種加固方式都可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，加固效果由高到低依次為：鋼構(gòu)件、碳纖維、馬口鐵;鄧大力等提出了耗能軟鋼的榫卯節(jié)點加固方式，并采用ABAQUS有限元軟件建立模型，對比分析直榫節(jié)點加固前后滯回曲線的變化，得出耗能軟鋼能能提高加固節(jié)點的節(jié)點剛度與耗能能力的結(jié)論;陳志勇等提出了借助有限元ABAQUS接口，編制程序，實現(xiàn)木結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型的嵌入，得出能反映木材正交各向異性發(fā)生脆性破壞和發(fā)生塑性變形的本構(gòu)模型;謝啟芳等，基于擬靜力試驗結(jié)果、節(jié)點力學(xué)平衡和變形協(xié)調(diào)等條件，對燕尾榫節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo)，提出以屈服點和極限點作為特征點的彎矩-轉(zhuǎn)角雙折線模型，并給出特征點的計算公式;MariaA.Parisi等研究了屋頂處鳥喙?fàn)顐鹘y(tǒng)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點足尺模型在單調(diào)循環(huán)荷載下的性能，并進(jìn)行數(shù)值模擬分析尺寸等參數(shù)的影響作用，得出鳥喙?fàn)钅窘Y(jié)構(gòu)節(jié)點轉(zhuǎn)動能力與榫頭寬度、摩擦角大小、搭接的傾斜角有關(guān)。PrekratSilvana等運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，探究在膠層加固木椅的榫卯節(jié)點中，剪切應(yīng)力和正應(yīng)力在膠層中的分布，以及超橢圓形和長方形膠層外貼加固對節(jié)點剛度和強(qiáng)度的影響，得出超橢圓形膠層能夠更好地限制剪切應(yīng)力的發(fā)展;JorgeManuelBranco等對采用綁扎鐵條帶、張力棒、箍筋以及螺栓穿插等鐵件加固節(jié)點的木構(gòu)架進(jìn)行單調(diào)循環(huán)加載試驗，發(fā)現(xiàn)這些加固技術(shù)都能顯著提高等效粘滯阻尼比、節(jié)點強(qiáng)度和延性，螺栓和鐵條帶加固效果更好一些。JuddJ等試驗分析12組在90°，67.5°，45°等不同連接角度下榫卯節(jié)點的抗拉力學(xué)性能，得出連接角度減小可能增加節(jié)點強(qiáng)度，但降低了結(jié)構(gòu)延性以及當(dāng)榫卯連接之間樹紋相垂直時，連接是最牢靠的結(jié)論。A.O.Feio等采用新舊栗木對傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點足尺模型進(jìn)行試驗，并數(shù)值模擬對比分析失效模型與極限荷載，發(fā)現(xiàn)木材的抗壓強(qiáng)度和接觸面之間的法向剛度是影響極限荷載的主要因素。五、存在問題與展望1、在古建筑木結(jié)構(gòu)試驗研究中，對木材的含水率、斜紋、木節(jié)、裂縫、蟲蛀等天然缺陷未加考慮或考慮不夠充分;2、試驗選用木材多為全新木材，不能準(zhǔn)確反映木結(jié)構(gòu)在環(huán)境影響下的物理性能退化，以及木結(jié)構(gòu)的實際受力特征;3、在有限元分析中，對木材正交各項