古建筑木结构榫卯节点分析

古建筑木结构榫卯节点分析一、前言中国是四大文明古国之一，在源远的历史长河中，流传下了无数珍贵的物质和文化遗产，而其中重要的一部分就是古建筑木结构。古建筑木结构在世界建筑之林中独树一帜，影响深远，是东方建筑的代表。古建筑木结构有其独特的构造方式，如高台基、榫卯连接、平摆浮搁、侧脚和升起、雀替、斗拱铺作层等，展现出良好的抗震性能。不用一钉一铆，整体体系以木构架为主要承重构件，全靠木构件之间相互搭接和穿插而建造。被称为三大“世界奇塔”之一的释迦塔，是中国现存最高最古老的木塔，历经九百多年依然屹立不倒。二、榫卯节点古建筑木结构总体可分为井干式、抬梁式和穿斗式等三种结构形式。梁柱是主要的受力构件，承载建筑的自身及外界荷载，而榫卯节点将梁柱构件连接到一起，形成木构架。因此，梁柱节点的榫卯连接是木结构研究中的重要部分。榫卯节点中，“榫”即为凸出木构件，“卯”为凹部木构件。榫卯节点具有不同于现代建筑结构节点的特性，其既具有很强的转动能力又能够传递一定的弯矩，具有明显的半刚性特性。常见的榫卯连接形式有直榫和燕尾榫两种。直榫中榫径与榫头同宽，多用于木构件的穿插。燕尾榫榫头大于榫径，一般用于水平木构件与竖直木构件间的连接。三、榫卯连接工作机理以燕尾榫为例，分析榫卯节点在地震中的受力机理。为了施工安装方便，一般卯口尺寸略大于榫头尺寸，因此榫卯节点中会存在一定的间隙。当外部震动较小时，榫卯之间发生微小转动，结构利用构件转动与接触面间的摩擦抵消震动破坏的能量。当震动较大时，榫卯节点会产生弯矩，轴力和剪力。此时，梁受到力的作用，榫头与卯口产生挤压应力，梁上的轴力与摩擦力、挤压应力平衡。随着梁震动位移增大，榫头以榫径为支点，与卯口内壁之间发生位移。由于燕尾榫榫头宽度大于榫径宽度，位移产生时，榫头侧面受到卯口侧壁挤压应力增大，摩擦力也相应增加。相对滑移产生剪力，此时榫头顶部与卯口上部挤压作用明显，弯矩作用产生。当转角增大到一定程度时，卯口侧壁与榫头侧面的挤压应力达到极限值，会导致卯口破坏或榫头折断。四、榫卯节点研究现状古建筑木结构具有重要的历史和文化价值，保护工作意义非凡。榫卯节点常见的破坏模式有榫卯拔脱、榫头折断、卯口破坏等。对于榫卯节点的力学性能及加固技术方面，国内外学者已进行了大量研究。方东平等在古建筑结构特性试验研究的基础上，提出了木结构特征的三维有限元计算模型和分析方法，第一次对古建筑木结构的斗栱和榫卯节点的力学性能作定量研究;胡明等跟据木材的正交各向异性，采用广义hill屈服准则准确建立木材的本构模型，运用AYSYS有限元软件模拟并与试验对比分析碳纤维加固区木梁损伤;赵鸿铁等通过燕尾榫节点木构架的低周反复荷载试验，得到弯矩-转角滞回曲线及骨架曲线，得到榫卯节点半刚性连接特性和节点刚度退化的规律。徐明刚等以1：2.65的缩尺比例制作宫殿式木构架模型，并分别采用胶入钢筋和外贴碳纤维布的方式加固榫卯节点，进行抗震性能试验研究，得出加载初期结构刚度与强度有明显提升，后期加固效果逐渐下降;周乾等对采用马口铁、钢构件和CFRP布加固的燕尾榫节点木构架进行了振动台试验，研究得出三种加固方式都可以提高结构的抗震性能，加固效果由高到低依次为：钢构件、碳纤维、马口铁;邓大力等提出了耗能软钢的榫卯节点加固方式，并采用ABAQUS有限元软件建立模型，对比分析直榫节点加固前后滞回曲线的变化，得出耗能软钢能能提高加固节点的节点刚度与耗能能力的结论;陈志勇等提出了借助有限元ABAQUS接口，编制程序，实现木结构本构模型的嵌入，得出能反映木材正交各向异性发生脆性破坏和发生塑性变形的本构模型;谢启芳等，基于拟静力试验结果、节点力学平衡和变形协调等条件，对燕尾榫节点弯矩-转角关系进行了理论推导，提出以屈服点和极限点作为特征点的弯矩-转角双折线模型，并给出特征点的计算公式;MariaA.Parisi等研究了屋顶处鸟喙状传统木结构榫卯节点足尺模型在单调循环荷载下的性能，并进行数值模拟分析尺寸等参数的影响作用，得出鸟喙状木结构节点转动能力与榫头宽度、摩擦角大小、搭接的倾斜角有关。PrekratSilvana等运用数值模拟的方法，探究在胶层加固木椅的榫卯节点中，剪切应力和正应力在胶层中的分布，以及超椭圆形和长方形胶层外贴加固对节点刚度和强度的影响，得出超椭圆形胶层能够更好地限制剪切应力的发展;JorgeManuelBranco等对采用绑扎铁条带、张力棒、箍筋以及螺栓穿插等铁件加固节点的木构架进行单调循环加载试验，发现这些加固技术都能显著提高等效粘滞阻尼比、节点强度和延性，螺栓和铁条带加固效果更好一些。JuddJ等试验分析12组在90°，67.5°，45°等不同连接角度下榫卯节点的抗拉力学性能，得出连接角度减小可能增加节点强度，但降低了结构延性以及当榫卯连接之间树纹相垂直时，连接是最牢靠的结论。A.O.Feio等采用新旧栗木对传统木结构榫卯节点足尺模型进行试验，并数值模拟对比分析失效模型与极限荷载，发现木材的抗压强度和接触面之间的法向刚度是影响极限荷载的主要因素。五、存在问题与展望1、在古建筑木结构试验研究中，对木材的含水率、斜纹、木节、裂缝、虫蛀等天然缺陷未加考虑或考虑不够充分;2、试验选用木材多为全新木材，不能准确反映木结构在环境影响下的物理性能退化，以及木结构的实际受力特征;3、在有限元分析中，对木材正交各项