古建木结构榫卯连接特性的试验研究
中国古代木结构建筑榫卯节点抗震试验研究
中国古代木结构建筑榫卯节点抗震试验研究中国古代木结构建筑作为中国文化的重要组成部分，在传统建筑学中占有着重要的地位。
作为一种特殊的建筑形式，木结构建筑由于其独特的建筑技术和色彩文化特点，一直备受人们的青睐。
然而，随着中国现代化建筑的进步和发展，传统的木构建筑已经逐渐淡出文化舞台，甚至连古老的建筑技术也面临着越来越多的挑战。
但是，随着近年来地震频发，对于传统建筑的抗震能力也越来越受到关注。
事实上，经过多年的实践，木结构建筑的耐震性得到了良好的验证。
本文通过榫卯节点有关的抗震试验研究，探讨了中国古代木结构建筑的抗震能力。
一、中国古代木结构建筑的历史和发展中国古代的建筑与文化，其历史与悠久的发展经历，对于建筑和文化有着很深远的影响。
古代中国最早的建筑形式，是在青铜器时代出现的建筑单元，这些建筑单元部分使用木材，但没有加工榫卯结构。
而随着时间的推移和中国文化的蓬勃发展，木结构建筑逐渐成为人们所推崇的建筑形式。
中国木结构建筑主要采用拼合的、榫卯连接的方式，切割、加工和安装的逐步完善和发展，使木结构建筑逐渐成为一种工艺技术的结晶。
榫卯连接技术也体现了中国工匠精湛的木材加工技术。
二、木结构建筑榫卯连接技术榫卯连接技术是中国古代木结构建筑的核心技术，它是构造系统的精髓之一。
榫卯连接的技术是指通过将构件上的凸出部分和凹进部分进行精密地加工，并将其恰当地组合在一起，形成一种结构连接方式。
由于这种结构连接方式的设计和加工技能，中国木结构建筑在古代的建筑历史上享有很高的声誉，如“飞檐重檐”、“暗间明窗”等气势恢宏的木构建筑都是采用榫卯连接技术。
三、木结构建筑的抗震能力研究中国古代木结构建筑作为一种特殊的建筑形式，其耐震性一直是人们关注的焦点。
毕竟，地震对于建筑物的威胁是不可忽视的。
经过多年的研究和探索，笔者发现榫卯连接技术是中国木结构建筑具有很好抗震性的因素之一。
在千百年来的实践中，中国木结构建筑的榫卯连接技术被广泛应用于建筑物中，并得到了良好的实证结果。
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。
榫卯研究报告
榫卯研究报告榫卯研究报告一、研究背景榫卯是一种传统的木工连接方式，通过将零件之间的榫头和卯口互相咬合，形成稳固的连接。
榫卯连接具有结构简单、使用方便、抗震性能好等优点，广泛应用于建筑、家具、船舶等领域。
随着现代科技的发展，榫卯连接方式的研究也不断深入，不仅在连接性能上有所改进，还涌现出一些新的榫卯连接设计。
二、研究目的本报告旨在对榫卯连接方式进行深入研究，探讨榫卯连接的原理、性能以及在不同领域的应用情况，为相关领域的从业者提供参考。
三、研究内容及方法1. 榫卯连接的原理和分类：通过文献研究和资料搜集，总结榫卯连接的基本原理和常见分类方法，并分析各种分类方式的优缺点。
2. 榫卯连接的性能研究：对榫卯连接的抗剪强度、抗压强度、抗拉强度等性能进行实验测试和数值模拟，验证其力学性能，分析榫卯连接的受力机制。
3. 榫卯连接的应用案例：通过对建筑、家具、船舶等领域的实际应用案例进行调研，了解不同领域对榫卯连接的需求和应用情况。
4. 榫卯连接的改进与创新：根据现有榫卯连接的局限性和不足，提出改进和创新的方案，并进行验证和评估。
四、研究结果及分析1. 榫卯连接的原理和分类：榫卯连接原理为榫头和卯口对应配合，通过摩擦力和压力实现连接。
根据连接方式和结构形式，榫卯连接可分为干式榫卯连接和湿式榫卯连接。
2. 榫卯连接的性能研究：榫卯连接的抗剪、抗压、抗拉性能较好，其受力特点为榫头受到剪切力和梁弯矩作用，卯口受到压应力和梁弯矩作用。
通过实验测试和数值模拟，可以进一步优化榫卯连接的设计参数，提高其力学性能。
3. 榫卯连接的应用案例：榫卯连接在建筑、家具、船舶等领域有广泛应用。
例如，在传统建筑中，榫卯连接被用于连接屋檐悬挑、横梁、楼梯等部件，以提高建筑结构的稳定性和抗震性能。
4. 榫卯连接的改进与创新：目前有一些新型的榫卯连接设计，如可拆卸式榫卯连接、榫卯多级连接等，可以进一步提高榫卯连接的可靠性和便利性。
五、结论与展望榫卯连接作为一种传统的木工连接方式，具有许多优点，被广泛应用于各个领域。
古建筑木结构榫卯节点加固研究
古建筑木结构榫卯节点加固研究
葛福冲;巩豪杰;张金涛;马元松;陈清华
【期刊名称】《四川水泥》
【年(卷),期】2024()5
【摘要】古建筑木结构在漫长的使用周期里,受自然环境和人为因素的影响,容易出现裂缝、腐朽、虫蛀、孔洞等不同形式的损伤,尤其是作为连接构件的榫卯拔榫现象比较常见,因此研究古建筑木结构榫卯节点的加固尤为重要。
根据加固材料的不同,对传统加固技术和新型加固技术的研究现状进行总结,并对未加固的榫卯节点进行有限元模拟,分析榫卯节点存在的主要问题,建议对古建筑进行预防性加固和加强学科交叉研究,以期能够更好地保护古建筑。
【总页数】3页(P25-27)
【作者】葛福冲;巩豪杰;张金涛;马元松;陈清华
【作者单位】聊城大学季羡林学院;聊城大学建筑工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU366
【相关文献】
1.古建筑木结构榫卯节点抗震与加固研究进展
2.碳纤维加固古建筑木结构榫卯节点承载力计算
3.古建筑木结构榫卯节点性能研究综述
4.古建筑木结构榫卯节点分析与研究进展
5.古建筑木结构榫卯节点采用碳纤维布加固模型振动台试验研究
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中国古建筑木结构榫卯节点加固的试验研究
中国古建筑木结构的主要特点之一就是柱和额柄组成的构架以及其他构件之间采用样卯连接。
这种连接方式使得各节点刚柔并济，具有一定的抗弯能力及良好的耗能能力。
但是这种连接方式在水平地震作用下会使木结构出现局部拔桦、节点松脱现象，使得整体或局部构架歪闪倾斜。
因此对古建筑木结构梯卯节点及加固的研究具有极其重要的意义。
这两篇（《中国古建筑木结构样卯节点加固的试验研究》、《碳纤维布及扁钢加固古建筑桦卯节点抗震性能试验研究》）主要探究了燕尾禅在未加固、用碳纤维布加固、用扁钢加固三种情况下构架的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律、变形及耗能等性能，现总结如下：（1）滞回曲线：滞回曲线形状是构架抗震性能的一个综合表现，滞回环面积越大，表明构架消耗地震能量的能力越强，抗震性能越好。
所有构架的荷载-位移滞回曲线都具有明显的“捏缩”这说明样卯之间在受力的过程中发生了较大的滑移，且滑移量随位移幅值的增加而增大。
这是由于桦卯在受力过程中产生了塑性变形，循环加载过程中桦卯之间留有空隙，要经过一段滑移后才能重新挤压受力）。
扁钢加固的钢架其滞回曲线比未加固构架更为饱满（一方面扁钢自身具有刚度，另一方面扁钢在梯卯未挤压时受到拉力后也能限制样卯的转动）。
CFRP布加固的构架其滞回曲线的饱满度介于未加固构架和扁钢加固构架之间（CF即布在梯卯未挤压时也能限制样卯的转动，但是CFRP布本身不具有）（这个可能是刚度比较小吧，我也不太确定，文献中是这样说的）。
（2）骨架曲线：骨架曲线能够反映构架的极限承载力和变形能力。
从本次试验的结果可以看出：扁钢加固构架的强度和刚度得到了明显的提富，碳纤维布加固构架的强度和刚度也比未加固构架的要大，特别是在水平位移较大时提高幅度更大。
（3）刚度退化：各构架的刚度随着位移的增加而逐步减小，但减小的幅度不是很大，扁钢加固构架刚度较大（扁钢自身具有一定的刚度），未加固构架较小，CFRP布加固的构架居中。
中国传统木结构榫卯连接节点力学性能研究进展
林业工程学报，２０２０，５（４）：２９－３７ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０１９０８０３０收稿日期：２０１９－０８－３１㊀㊀㊀㊀修回日期：２０１９－１２－０２基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（ＣＡＦＹＢＢ２０１７ＳＹ０３６）；国家重点研发计划（２０１７ＹＦＣ０７０３５０１）㊂作者简介：武国芳，男，助理研究员，研究方向为木材力学与木结构建筑㊂通信作者：赵荣军，女，研究员㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｒｏｎｇｊｕｎ＠ｃａｆ．ａｃ．ｃｎ中国传统木结构榫卯连接节点力学性能研究进展武国芳１，孙竞成１，黄成建２，任海青１，赵荣军１∗（１．中国林业科学研究院木材工业研究所，北京１０００９１；２．国家林业和草原局竹子研究开发中心，杭州３１００１２）摘㊀要：榫卯是指木结构建筑中柱㊁梁等构件连接在一起的一种凹凸结合的连接方式㊂然而，木材作为一种生物材料，随着使用年限的延长，出现的干缩湿胀㊁开裂变形等损伤会对榫卯连接节点的连接特性造成不良影响，因此，探究木结构榫卯连接节点的力学性能对建筑结构的安全性能具有重要意义㊂在木结构建筑中，榫卯连接节点的构造多种多样，力学特点和传力机制也各不相同㊂根据榫卯连接节点在木结构建筑中使用功能将其分为公母榫㊁直榫㊁燕尾榫㊁管脚榫㊁馒头榫和搭扣榫等六大类，简要介绍了各类榫卯连接节点的结构特点和应用情况㊂综述了常见榫卯连接节点半刚性的连接特性和节点刚度的求解方法，总结了不同种类榫卯连接节点和模拟残损榫卯连接节点的抗震性能及木结构建筑模型中的榫卯连接节点在人工模拟地震中位移响应和加速度响应的相关研究，概述了常见榫卯连接节点在外力作用下的破坏形式及破坏特征㊂根据榫卯连接节点的破坏形式，重点从金属构件和纤维增强复合材料两个方面对榫卯连接节点的加固效果进行归纳㊂总结了有限元分析法在榫卯连接节点力学性能方面的相关研究，指出了榫卯连接节点力学性能研究存在的问题，提出了榫卯连接节点研究的相关建议及其发展方向，以期为榫卯连接节点在现代木结构建筑中的应用提供新思路㊂关键词：榫卯连接节点；力学性能；抗震性能；加固；有限元分析中图分类号：ＴＵ３６６．２㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀㊀开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：文章编号：２０９６－１３５９（２０２０）０４－００２９－０９Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓｉｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＣｈｉｎｅｓｅｗｏｏｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓＷＵＧｕｏｆａｎｇ１，ＳＵＮＪｉｎｇｃｈｅｎｇ１，ＨＵＡＮＧＣｈｅｎｇｊｉａｎ２，ＲＥＮＨａｉｑｉｎｇ１，ＺＨＡＯＲｏｎｇｊｕｎ１∗（１．ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＷｏｏｄＩｎｄｕｓｔｒｙ，ＣＡＦ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＮａｔｉｏｎａｌＢａｍｂｏｏＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｎｏｎａｎｄｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｉｓａｃｏｎｃａｖｅ⁃ｃｏｎｖｅｘｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｕｓｅｄｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｏｄｅｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｔｈｅｐｒｏｔｒｕｄｉｎｇｐａｒｔｉｓｃａｌｌｅｄｔｅｎｏｎ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｃａｖｅｐａｒｔｉｓｃａｌｌｅｄｍｏｒｔｉｓｅ．Ｔｈｅｔｅｎｏｎａｎｄｍｏｒｔｉｓｅｂｉｔｅｅａｃｈｏｔｈｅｒａｎｄｐｌａｙａｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｌｅ．Ｔｈｅｃｏｌｕｍｎｓ，ｂｅａｍｓ，ｔｒｕｓｓｐｕｒｌｉｎｓ，ｒａｆｔｅｒｓａｎｄｏｔｈｅｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｖａｒｉｏｕｓｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｒｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏｇｅｔｈｅｒｔｏｆｏｒｍａｎｅｌａｓｔｉｃｆｒａｍｅ，ｗｈｉｃｈｈａｓｃｅｒｔａｉｎｔｅｎｓｉｌｅ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ，ｆｌｅｘｕｒａｌａｎｄｔｏｒ⁃ｓｉｏｎａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｓｈｏｗｓｇｏｏｄｔｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓｎｏｔｏｎｌｙｃａｎｔｒａｎｓｍｉｔｖｅｒｔｉｃａｌｌｏａｄｓａｎｄｍａｉｎｔａｉｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ｂｕｔａｌｓｏｈａｖｅｇｏｏｄｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｓａｎａｔｕｒａｌｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌ，ｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｌｏｎｇａｔｉｏｎｏｆｉｔｓｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅ，ｔｈｅｎａｔｕｒａｌａｔｔｒｉｂｕｔｅｏｆｗｏｏｄｓｕｃｈａｓｓｈｒｉｎｋａｇｅ，ｓｗｅｌｌｉｎｇ，ｗａｒｐｉｎｇａｎｄｃｒａｃｋ⁃ｉｎｇｏｆｉｎｓｔａｎｔｎｏｏｄｌｅｓｗｉｌｌａｄｖｅｒｓｅｌｙａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅ⁃ｄｕｃｔｉｏｎｏｆｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｊｏｉｎｔｓｃａｕｓｅｄｂｙｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｍｏｔｈｄｅｃａｙ，ｗｉｎｄ⁃ｒａｉｎｅｒｏｓｉｏｎａｎｄｅａｒｔｈｑｕａｋｅｄａｍａｇｅｗｉｌｌｓｅｒｉｏｕｓｌｙｔｈｒｅａｔｅｎｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓａｆｅｔｙｏｆｗｏｏｄｅｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓｉｎｗｏｏｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒｔｈｅｓａｆｅｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｉｎｔｈｅｗｏｏｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓｈａｖｅｖａｒｉｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓ⁃ｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｗｏｏｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｔｈｅｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓａｒｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｉｘｃａｔｅｇｏｒｉｅｓｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉ．ｅ．，ｍａｌｅａｎｄｆｅｍａｌｅｔｅｎｏｎｓ，ｓｔｒａｉｇｈｔｔｅｎｏｎｓ，ｄｏｖｅｔａｉｌｔｅｎｏｎｓ，ｐｉｐｅ⁃ｆｏｏｔｔｅｎｏｎｓ，ｄｏｖｅｔａｉｌｔｅｎｏｎｓａｎｄｂｕｃｋｌｅｔｅｎｏｎｓ．Ｔｈｅｕｓａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｖａｒｉｏｕｓｔｙｐｅｓｏｆｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓａｒｅｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｓｅｍｉ⁃ｒｉｇｉｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏｍｍｏｎｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓａｎｄｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｊｏｉｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓ，ｔｈｅｓｉｍ⁃ｕｌａｔｅｄｄａｍａｇｅｄｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓ，ｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅ，ａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆ林业工程学报第５卷ｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓｉｎｗｏｏｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇｍｏｄｅｌｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓｕｎｄｅｒｅｘｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｏｆｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓ，ｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｆｒｏｍｔｗｏａｓｐｅｃｔｓｏｆｍｅｔａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｉｎａｄｄｉ⁃ｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓｉｎｗｏｏｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｉｓｒｅｐｏｒｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔｓｉｎｗｏｏｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．ＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｏｆｍｏｒｔｉｓｅａｎｄｔｅｎｏｎｊｏｉｎｔｓｉｎｍｏｄｅｒｎｗｏｏｄｅｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃａｒｒｙｆｏｒｗａｒｄｔｈｅＭｉｌｌｅｎｎｉｕｍｃａｒｐｅｎｔｅｒｃｕｌｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｎｏｎ⁃ｍｏｒｔｉｓｅｊｏｉｎｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ㊀㊀全球变暖㊁能耗巨大已成为２１世纪急需解决的环境问题［１］㊂作为高能耗㊁高污染代表的建筑业，根据政府间气候变化专门委员会第四次评估统计，建筑业能耗占比达到了４０％，碳排放达３６％，而钢材㊁混凝土等建材生产制造过程更是碳排放的重要来源［２］㊂因此，推广绿色建筑㊁寻找节能建材显得尤为重要㊂木材是一种绿色㊁环保㊁低碳㊁节能的可再生资源，用木材建造的木结构建筑无论是能源消耗还是环境污染都远低于其他材料建造的建筑，大力发展木结构建筑对环境改善有着重要的意义㊂中国木结构有着悠久的发展历史，最终形成了以榫卯连接的独具特色的木构架体系［３］㊂榫卯连接是一种半刚性连接，不但可以承受荷载，而且允许产生一定程度的变形，当地震等外荷载作用到木结构建筑时，结构的周期较长，受到的地震力较小，且节点产生的变形能够消耗地震能量，从而有效减轻地震能量对结构的破坏［４］㊂然而，木材作为一种天然高分子生物材料，随着使用年限的增长，其基本材性在自然环境和人为因素干预下会不可避免地退化，进而造成榫卯连接节点力学性能的降低，最终影响到整体结构的安全性㊂因此，研究榫卯连接节点的力学性能对木结构建筑的安全性有着极其重要的意义㊂近年来，国内外学者就榫卯连接节点分类［５］㊁受力特性［６－７］与抗震性能［８－９］等开展了系列研究㊂针对木结构榫卯连接节点的力学性能，笔者从榫卯连接节点的抗震性能㊁破坏形式㊁加固方式㊁有限元分析等方面概述其研究现状㊁进展及存在问题，并提出合理建议，以期为古建筑修缮工作及榫卯连接节点在现代木结构建筑中的应用和发展提供借鉴㊂１㊀榫卯连接节点的分类传统木结构建筑中的榫卯按其构造大致可以分为以下６种（图１ ８）［１０－１１］㊂１）公母榫：公母榫（图１）是一种构造比较简单的榫卯，当两个构件相连时，只在其中一个构件上开出一个矩形卯口，另一构件直接穿入卯口即相连形成一个整体㊂这种榫卯的卯口尺寸相对较大，对材料的强度有不良影响，在古代生产技术不太发达的情况下被广泛使用㊂２）直榫：直榫由公母榫演变而来，保留了构造简单的特点，可分为透榫（图２）和半榫（图３）㊂直榫常用在穿插构件上，榫头长于柱径且穿透柱子的称为透榫，为减小透榫对柱子承载力的影响，榫头常被做成大进小出型，因此透榫也被称为大进小出榫㊂当构造要求榫头不能穿透柱子时，榫长通常小于柱径，这种直榫称为半榫㊂半榫的抗弯㊁抗剪㊁抗图１㊀公母榫Ｆｉｇ．１㊀Ｍａｌｅａｎｄｆｅｍａｌｅｔｅｎｏｎ图２㊀透榫Ｆｉｇ．２㊀Ｔｈｒｏｕｇｈｔｅｎｏｎ图３㊀半榫Ｆｉｇ．３㊀Ｈａｌｆｔｅｎｏｎ㊀图４㊀燕尾榫Ｆｉｇ．４㊀Ｄｏｖｅｔａｉｌｔｅｎｏｎ图５㊀管脚榫Ｆｉｇ．５㊀Ｐｉｎｔｅｎｏｎ㊀图６㊀馒头榫Ｆｉｇ．６㊀Ｓｔｅａｍｅｄｂｒｅａｄｔｅｎｏｎ图７㊀十字卡腰榫Ｆｉｇ．７㊀Ｃｒｏｓｓｃｌｉｐｔｅｎｏｎ图８㊀十字刻半榫Ｆｉｇ．８㊀Ｃｒｏｓｓｃｕｔｔｅｎｏｎ０３㊀第４期武国芳，等：中国传统木结构榫卯连接节点力学性能研究进展拔性能都不如透榫，但相对于透榫胜在美观，因此也被广泛应用㊂３）燕尾榫：燕尾榫（图４）又称大头榫，是古建中最常见的一种连接形式，用于水平构件和垂直构件相交处的连接㊂燕尾榫榫头外宽内窄的构造形式使得其具有良好的抗拉抗拔性能，能有效增强结构的整体性能㊂４）管脚榫：管脚榫（图５）多用于落地柱的柱脚，主要作用是防止柱脚发生水平位移，从而增强结构的稳定性㊂５）馒头榫：馒头榫（图６）的构造和功能都与管脚榫类似，常被用在柱头，用于水平构件相交时防止构件的水平位移，增强结构的稳定性㊂６）搭扣榫：搭扣榫包括十字卡腰榫（图７）和十字刻半榫（图８），都用于水平构件的交接㊂它们都是将构件在厚度方向挖去一部分，然后搭接成一个整体，有效防止构件的水平位移提高结构的整体性㊂２㊀榫卯连接节点力学性能２．１㊀连接特性在工程结构中，既能发生转动又能承受弯矩的连接称为半刚性连接，榫卯连接是一种典型的半刚性连接㊂榫卯连接节点的力学性能较为复杂，国内外学者多采用虚拟单元对半刚性连接进行模拟分析㊂研究表明，采用二节点虚拟弹簧单元通过非线性接触分析可以得到榫卯连接节点各个方向的刚度值［１２－１３］㊂董益平等［１４］在前人的基础上将梁柱榫卯连接节点视为虚梁单元建立了直榫连接的接触计算模型，利用接触应力分析方法求得了虚梁单元的实际刚度值㊂方东平等［１５－１６］根据现场实测和模型验证获得的结构自振频率，利用Ｓｉｍｐｌｅｘ方法反演推断得出了半刚性节点单元的力学参数范围㊂木结构榫卯形式多样㊁种类丰富，但都可看作半刚性连接节点，然而现有半刚性模拟单元基本上只针对某一种榫卯类型，由此推演出来的刚度范围有很大的局限性；另一方面，虽然榫卯连接节点的半刚性模拟方式多种多样，但没有一种方式能够提出刚度的定量计算方法，节点破坏后的刚度余量评估方法也未曾提出，因此针对榫卯连接节点的半刚性连接特性仍需大家高度关注并深入研究㊂２．２㊀抗震性能２．２．１㊀拟静力试验研究拟静力试验又称低周反复荷载试验，是指对结构或构件施加往复循环作用的静力试验，能有效模拟地震时结构或构件在往复震动中的受力特点和变形特点㊂由于目前针对榫卯连接节点抗震性能的研究主要以古建筑为研究对象，研究人员对榫卯连接节点进行拟静力试验时通常包含完好状态下节点的抗震性能和损伤状态下节点的抗震性能㊂Ｃｈｕｎ等［１７］通过测量４种完好状态下的典型榫卯在水平荷载作用下的水平极限位移表明，燕尾榫的抗侧刚度大于半榫㊁十字箍头榫和馒头榫；在节点耗能方面，燕尾榫㊁馒头榫㊁透榫㊁半榫等效黏滞阻尼系数依次减小，表明燕尾榫㊁半榫㊁馒头榫㊁透榫耗能能力依次减弱㊂由此可见，燕尾榫在典型榫卯连接节点中的抗震性能是最优的㊂在此基础上，姚侃等［１８］对燕尾榫的传力机理进行了分析，发现榫头在地震作用下受到轴力㊁剪力和弯矩的作用，同时榫头受到卯口侧壁产生的摩擦力和挤压力使得地震能量在榫卯摩擦滑移过程中被消耗㊂由于木材疏松多孔的特点，在特定环境下易受腐朽虫蛀，因此节点的健康状况对木结构建筑的抗震性能有重要影响［１９］㊂谢启芳等［２０］采用在榫头表面钻孔的方法模拟榫头的真菌腐朽和榫头虫蛀，通过拟静力试验结果表明，残损榫卯连接节点的耗能能力低于完好节点，且残损度越高耗能能力越低㊂Ｘｕｅ等［２１］㊁刘芳莲等［２２］研究了不同松动程度下透榫的抗震性能表明，松动的节点有着良好的变形能力，但耗能能力有所下降㊂节点的残损程度主要受木材材性变化的影响，木材作为天然高分子有机材料，腐朽㊁虫蛀在降低木材力学强度的同时，也降低了榫卯连接节点在结构中的承载力；另一方面，榫卯连接节点在使用过程中的长期接触摩擦可能降低接触面的摩擦系数从而使节点的耗能能力有所降低㊂高永林等［２３］采用在节点接触面抹油的方式以改变节点间的摩擦系数，通过拟静力试验发现，摩擦系数小的节点更快达到控制位移，且拔榫量更大，耗能能力低，从而验证了摩擦在榫卯连接节点抗震性能中起着重要的作用㊂拟静力试验通常包含正反两个方向的加载和卸载过程，并获得形似图９的榫卯连接节点的滞回曲线和形似图１０的骨架曲线［２４］，滞回曲线和骨架曲线能够直观地反映榫卯连接节点的受力和变形特点，同时还能获得节点的刚度㊁强度㊁承载力㊁延性㊁耗能等信息㊂但是，拟静力试验的荷载由研究人员按位移或力对称施加，因此与节点的实际地震反应相差较远，且未考虑应变速率的影响，结果存在一定程度的误差㊂１３林业工程学报第５卷图９㊀榫卯节点的滞回曲线Ｆｉｇ．９㊀Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｃｕｒｖｅｏｆｍｏｒｔｉｓｅａｎｄｔｅｎｏｎｊｏｉｎｔ图１０㊀榫卯节点的骨架曲线Ｆｉｇ．１０㊀Ｓｋｅｌｅｔｏｎｃｕｒｖｅｏｆｍｏｒｔｉｓｅａｎｄｔｅｎｏｎｊｏｉｎｔ２．２．２㊀振动台试验研究振动台试验是研究地震反应和破坏机理最直接的方式，可以很好地再现地震过程［２５］㊂振动台试验中的地震响应常用两个指标来反映，分别为位移响应和加速度响应㊂位移响应是振动台试验中木结构建筑模型抗震性能最直观的反映㊂有研究表明，在振动台试验中木结构模型的位移响应随地震波加速度峰值增大而增大，且发生明显的层间错动，在地震波结束后错动基本恢复，但存在位移复位滞后现象［２６］㊂这是因为不同构件有不同的自振周期和自振频率，因此在建筑上下层结构中位移响应也不相同㊂隋龙天等［２７－２８］选用兰州波为输入地震波进行振动台试验，发现随着地震波加速度的增强，柱脚㊁柱头和木梁的位移增加，且柱头和木梁的位移明显高于柱脚㊂阙泽利等［２９］通过对足尺斗拱模型进行了振动台试验发现，斗拱底㊁中㊁上部位移曲线基本同步但振动幅度从下往上依次增大㊂从以上研究中可以看出，建筑上层结构的位移响应大于建筑下层结构㊂加速度响应是结构抗震性能的另一个重要指标，常用加速度放大系数来表示㊂研究表明，当地震波加速度较小时，木结构模型各构件与振动台加速度时程曲线基本同步，不表现减震效果，当振动台加速度不断增大，柱脚加速度放大系数随之增大，发生明显滑移，而柱头加速度系数大幅减小，减震效果明显［３０－３１］㊂这是因为当地震能量较大时，榫卯间转动和摩擦挤压消耗了部分地震能量，从而导致加速度响应降低㊂许清风等［３２］对多层胶合木结构缩尺模型开展了振动台试验，发现各楼层放大系数随着振动台加速度的增加逐渐降低㊂高永林等［３３］对传统穿斗木结构榫卯连接节点进行振动台试验，发现当地震激励较小时，各构件的加速度放大系数随地震激励的增加逐渐增加，此时榫卯连接节点还未发挥抗震作用；当地震激励增大至节点损伤时，柱顶加速度响应小于柱脚，并且动力放大系数有不断减小的趋势㊂以上研究表明，在地震能量作用下，结构的损伤一方面使地震能量得以消耗，另一方面导致节点刚度退化，因而上层结构的加速度放大系数小于下层结构，抗震作用得以发挥㊂振动台试验是木结构榫卯连接节点地震响应和破坏机理最直接的研究方法，然而，目前尚未见有高层足尺和大跨度木结构抗震性能振动台试验的报道，通常还是采用缩尺模型试验数据推算原型木结构建筑的抗震性能，同时试验精度有待进一步提高㊂２．３㊀破坏形式外力作用下榫卯连接节点会发生破坏，由于不同种类的榫卯受力机制和传力机制有一定差异，因此榫卯连接节点的破坏形式与节点的种类有很大的关系㊂陈春超等［３４－３５］对透榫㊁半榫㊁瓜柱柱脚直榫和十字固箍头榫进行单调加载试验，表明透榫㊁半榫㊁瓜柱柱脚直榫发生脱榫破坏，而十字箍头榫发生顺纹撕裂继而榫根折断㊂淳庆等［３６］通过对馒头榫的受力性能研究表明，馒头榫发生榫头根部压皱变形及卯口破坏㊂吴洋等［３７］对燕尾榫进行竖向加载试验，发现燕尾榫在受力作用下发生榫头根部压缩变形，节点连接处发生剪切劈裂㊂以上几种榫卯类型都是梁柱连接中较为常见的连接方式，但在受力作用下的破坏形态各不相同，这是由于它们的构造不同而导致传力机制不同造成［３８］㊂透榫和半榫都属于直榫，在承受荷载时，榫头能够以卯口边缘为支点发生转动，直至榫头拔出㊂十字箍头榫由３个互相垂直的构件搭在一起，转动空间较小，一旦发生破坏即为榫头折断㊂馒头榫用于梁柱连接时，由于其榫头在柱上而卯口在梁上，因此破坏部位主要集中于卯口处㊂燕尾榫外宽内窄的构造特点能够限制榫头的转动和拔出，这赋予了其较好的抗拔性能，然而当节点承受较大外载时，榫头对卯口的拉力会导致卯口的破裂和榫头的滑出，燕尾榫破坏时的损伤程度相较于其他形式的榫卯要高得多㊂综合以上研究，发现现有针对榫卯连接节点破坏形式的研究都主要集中于宏观力学层面，而缺乏２３㊀第４期武国芳，等：中国传统木结构榫卯连接节点力学性能研究进展材性变化对节点性能影响的研究㊂木材作为一种各向异性且具有孔隙的生物质材料，微观层面的力学性能及其材性变化直接影响榫卯连接节点的宏观力学行为，可以将木材的微观结构㊁力学性能与榫卯连接节点受力特性相结合开展多尺度研究㊂２．４㊀加固方式２．４．１㊀金属连接件与构件加固榫卯连接节点加固在传统上的做法是使用金属连接件马口铁进行加固㊂马口铁加固一般是将钢筋两端做成直钩后钉入以榫卯相连的构件上，利用钢筋的抗弯折力来提高节点的承载力和刚度［３９］㊂研究表明，马口铁加固后，榫卯连接节点的刚度和承载力有一定程度的提高，但是由于马口铁的嵌固作用，限制了节点的转动，使得榫卯间的摩擦作用减弱，因此耗能能力比加固前有所减弱［４０－４１］㊂谢启芳［４２］用扁钢对榫卯连接节点进行加固试验，发现结构加固后的自振周期有所减小，说明扁钢增大了节点的刚度，但刚度增大后引起了相邻构件内力的重新分布，易造成相邻节点的脱榫破坏㊂邓大利等［４３］提出了一种新型耗能软钢的加固方式，利用弧形软钢屈服点低㊁塑性变形大等特点，不仅能够提高榫卯连接节点的刚度，有效避免拔榫破坏，还能利用软钢屈服耗能能力提高节点抗震性能㊂陆伟东等［４４］对比了扒钉㊁钢销㊁角钢㊁弧形钢板㊁Ｕ型铁箍等对榫卯连接节点的加固效果，发现角钢和弧形钢板加固的试件承载力和延性都有一定程度的提高，扒钉和Ｕ型扁钢加固的试件相较于加固前承载力略有增加，钢销加固的试件相较于破坏前初始刚度略有减小，承载力有所下降，加固效果一般㊂阻尼器加固榫卯连接节点能够为节点提供附加阻尼，改变动力特性㊁降低地震响应，是一种良好的加固方式㊂研究表明，阻尼器加固后能增大榫卯连接节点的自振周期，降低其动力放大系数和相邻杆件端部剪力及弯矩［３３］㊂潘毅等［４５］对比分析了扁钢和阻尼器加固对直榫节点抗震性能的影响，结果表明，扁钢和阻尼器都能提高榫卯连接节点的抗震性能，但阻尼器可以在不增大直榫刚度的情况下降低地震响应，同时起到消耗地震能量和防止脱榫破坏的作用，是一种更有效的加固方法㊂虽然金属连接件与构件拥有简便易得㊁强度高㊁刚度大等优点，但是采用其加固不仅会对木构件造成损伤，而且会极大地影响建筑的美观，特别是在传统木结构建筑中的应用㊂因此，金属连接件等用于加固榫卯连接节点并不是最理想的加固方式㊂２．４．２㊀纤维增强材料加固纤维增强复合材料（ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒ或ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃ，简称ＦＲＰ）是由增强纤维材料如碳纤维等，与基体材料经过缠绕㊁模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料㊂ＦＲＰ具有比强度高㊁比模量大㊁抗腐蚀性和耐久性能好等优点，使得其不仅能满足现代结构向大跨㊁高耸㊁重载㊁轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要，同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求，因此被越来越广泛地应用于各种民用建筑㊁桥梁㊁公路㊁海洋㊁水工结构以及地下结构等领域中［４６］㊂孙文等［４７］用３种不同碳纤维布对木构架进行加固，发现加固后节点耗能能力有所提高，破坏时刚度减小幅度降低，延性系数略有增加，通过比较不同层数碳纤维布对透榫木构架受力性能的影响表明，双层碳纤维布加固相较于单层加固榫卯连接节点的承载力显著提高，刚度明显增大，但是否层数越多增强效果越好，仍需进一步研究㊂薛建阳等［４８－４９］用碳纤维布加固残损木结构模型后通过振动台试验研究，发现碳纤维布加固的木结构模型动力放大系数小于１，且动力放大系数随地震强度的增加而减小，说明加固后的残损节点仍有良好的减震耗能作用㊂虽然碳纤维增强材料有良好的受力性能，但因高昂的价格限制了其在工程应用中的推广，而玻璃纤维和玄武岩纤维因其价格低廉㊁资源充足在结构加固领域是碳纤维增强材料较好的替代品㊂研究表明，玄武岩纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料加固榫卯连接节点都能有效提高节点的刚度和承载力［５０－５１］㊂法冠喆等［５２］探究了不同层数玄武岩增强纤维加固后榫卯连接节点的抗震性能，发现玄武岩增强纤维能有效提高榫卯连接节点的刚度，且随着加固层数越多刚度提高越大㊂在极限承载力方面亦有相同的变化规律㊂由此可见，玄武岩增强纤维加固效果良好㊂无论是金属材料加固还是纤维增强材料加固，加固对象都是已损坏的榫卯连接节点㊂随着材料科学的进步和制造技术的革新，越来越多的新型连接件不断涌现，如何将这些新型连接件与榫卯连接节点结合使用，比破坏后再加固更加科学合理㊂２．５㊀有限元分析有限元分析法是通过离散化将研究对象变换成有限个相互连接的组合单元体，再经过求解应力㊁应变和位移等参数，将连续的无限自由度问题转化为离散的有限自由度问题的数值计算方３３林业工程学报第５卷法［５３］㊂有限元分析技术最先应用于航空器的结构强度计算，随着计算机技术的发展和普及，有限元方法扩展到材料加工㊁土木建筑等各个领域［５４］㊂在木结构建筑领域，有限元分析法常应用于模拟木结构模型节点破坏的宏观特征以及受力部位的应力应变研究㊂Ｚｈｏｕ等［５５］㊁淳庆等［５６］在透榫模型进行低周反复荷载试验的基础上，用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对透榫模型受力性能进行理论分析，通过对比试验结果和理论结果，发现两种方法所得透榫的滞回曲线和骨架曲线较为吻合，说明对透榫模型进行有限元分析的方法是可行的㊂周乾等［５７］采用有限元分析软件ＡＮＡＳＹＳ对梁柱间燕尾榫拔拉过程进行有限元模拟，得到了燕尾榫拔榫㊁卯口破坏时的节点位移图㊁内力分布等值线图和摩擦力等值线图㊂榫卯间接触面的摩擦是耗能的主要方式之一，在有限元分析软件中，常用理想化库仑摩擦模型模拟接触问题，在此模型中只有摩擦剪应力大于极限值时才会出现表面滑动㊂然而，燕尾榫节点有多个接触面，各接触面挤压㊁滑动并不完全一致，因此需要对接触面的接触属性进行额外设置㊂康昆等［５８］采用Ｒａｈａｍａｎ等［５９］提出的摩擦问题有限元应力准则以分析接触问题，在此模型中，当接触面紧贴和滑移时允许使用特定的摩擦因数，得到的滞回曲线更加接近实验结果㊂目前对木结构榫卯连接节点力学性能的研究在理论分析㊁试验测试㊁数值模拟方面都取得了阶段性成果，但仍有不少问题需进一步深入解析㊂例如，木材材性对榫卯连接节点力学性能的影响未见报道；加固研究都集中于损坏节点的修缮补救，即 先破坏后治理 的思路，从材料㊁施工等角度考虑提高节点承载力和刚度的研究不够充分；研究思路依旧沿用古人经验，创新不足；缺乏定量计算的方法，且未见统一的国家或行业标准颁布，研究结果不具普遍意义㊂３㊀展㊀望中国传统木结构建筑是中华民族遗留下来的瑰宝，榫卯连接节点更是古代劳动人民智慧的结晶㊂现存的传统木结构经过长时间使用屹立不倒体现了其优良的结构性，但急需基于现代工程理论进行分析评估；榫卯连接节点的定量计算方法与标准化研究也有待进一步开展；同时榫卯连接节点如何在现代木结构建筑中进行传承㊁改进需要广大科研工作者及相关人员共同努力并聚焦探索㊂通过归纳木结构建筑榫卯连接力学特性优缺点，梳理了梁柱间榫卯连接节点受力性能的变化规律，提出如下几点研究建议，以促进榫卯连接节点在现代木结构中传承应用及创新发展㊂１）现有榫卯连接节点的加固抗震研究多采用新材料，未考虑木材在长时间使用后出现的蠕变㊁强度退化㊁腐朽等因素㊂建议在今后的试验研究和数值模拟时充分考虑木材基本材性变化对榫卯连接节点力学性能的影响㊂２）木结构作为一种绿色环保的建筑类型，未来会日益受到人们的关注，然而现有针对木结构榫卯连接节点的力学性能的研究大多集中于古建修缮及民居灾后修复㊂建议将来从房屋建造角度考虑榫卯连接节点新型增强技术，以加强未来木结构榫卯连接节点在民居中的应用㊂３）在大径级原木资源匮乏的背景下，国内外出现了胶合木㊁单板层积材㊁重组木㊁重组竹等新型结构材，这些新型结构材料在榫卯连接节点中的力学行为值得深入探究㊂４）目前对榫卯连接节点的研究多停留在定性层面，缺乏统一的定量计算方法㊂建议深入探讨榫卯连接节点理论计算与标准化研究方法，为现代木结构建筑节点的抗震性标准化研究奠定基础㊂参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］李森，冀明，蔡厚才，等．全球变暖归因与停滞问题研究综述［Ｊ］．气候变化研究快报，２０１９，８（４）：４２１－４３１．ＤＯＩ：１０．１２６７７／ＣＣＲＬ．２０１９．８４０４７．ＬＩＳ，ＪＩＭ，ＣＡＩＨＣ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｎｇｌｏｂａｌｗａｒｍｉｎｇａｔｔｒｉｂｕ⁃ｔｉｏｎａｎｄｈｉａｔｕｓａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＣｌｉｍａｔｅＣｈａｎｇｅＲｅｓｅａｒｃｈＬｅｔｔｅｒｓ，２０１９，８（４）：４２１－４３１．［２］祁神军，张云波．中国建筑业碳排放的影响因素分解及减排策略研究［Ｊ］．软科学，２０１３，２７（６）：３９－４３．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８４０９．２０１３．０６．００９．ＱＩＳＪ，ＺＨＡＮＧＹＢ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓａｎｄｒｅ⁃ｄｕｃｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｄｕｓｔｒｙｉｎＣｈｉｎａ［Ｊ］．ＳｏｆｔＳｃｉｅｎｃｅ，２０１３，２７（６）：３９－４３．［３］任海青，江泽慧，费本华，等．中国现代木结构住宅未来发展之路［Ｊ］．木材工业，２００６，２０（２）：４５－４７．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８６５４．２００６．０２．０１５．ＲＥＮＨＱ，ＪＩＡＮＧＺＨ，ＦＥＩＢＨ，ｅｔａｌ．ＦｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐａｔｈｏｆｍｏｄｅｒｎｗｏｏｄｆｒａｍｅｈｏｕｓｉｎｇｉｎＣｈｉｎａ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＷｏｏｄＩｎｄｕｓｔｒｙ，２００６，２０（２）：４５－４７．［４］高大峰，赵鸿铁，薛建阳．木结构古建筑中斗栱与榫卯节点的抗震性能 试验研究［Ｊ］．自然灾害学报，２００８，１７（２）：５８－６４．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－４５７４．２００８．０２．０１１．ＧＡＯＤＦ，ＺＨＡＯＨＴ，ＸＵＥＪＹ．Ａｓｅｉｓｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｕｃｋｅｔａｒｃｈａｎｄｍｏｒｔｉｓｅ⁃ｔｅｎｏｎｊｏｉｎｔｏｆａｎｃｉｅｎｔＣｈｉｎｅｓｅｔｉｍｂｅｒｂｕｉｌｄｉｎｇｓ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｔｕｒａｌＤｉｓａｓｔｅｒｓ，２００８，１７（２）：５８－６４．［５］董运宏．江南地区宋元厅堂式木构建筑的典型榫卯节点结构４３。
榫卯结构分析报告
榫卯结构分析报告1. 引言榫卯结构是一种传统的连接方式，常见于木制家具和建筑结构中。
本报告旨在对榫卯结构进行分析，探讨其优缺点以及适用范围。
我们将从材料选择、结构设计和连接性能等方面对榫卯结构进行详细讨论。
2. 材料选择榫卯结构通常使用木材作为连接材料，具有以下特点： - 强度高：木材具有较高的强度和刚度，能够承受一定的载荷。
- 耐久性好：经过适当的处理和保养，木材可以长时间使用而不容易腐烂和变形。
- 易加工：木材易于切削、铣削和雕刻，可以实现复杂的榫卯连接。
3. 结构设计榫卯结构的设计需要考虑以下几个方面：3.1 榫头设计榫头是榫卯结构中的凸出部分，主要承担荷载的传递和固定的作用。
榫头的设计需要满足以下要求： - 合适的尺寸：榫头的尺寸应与榫孔相适应，既要保证连接紧密，又要容易安装和拆卸。
- 良好的刚度：榫头应具有足够的刚度，能够承受荷载并保持连接稳定。
3.2 榫孔设计榫孔是榫卯结构中的凹陷部分，用于容纳榫头。
榫孔的设计需要注意以下几点：- 合适的尺寸：榫孔的尺寸应与榫头相匹配，确保连接稳定。
- 适当的倾斜角度：榫孔通常需要在连接面上倾斜以增加摩擦力和稳定性。
- 充分的深度：榫孔的深度应足够，使榫头能够充分插入并提供良好的联接。
3.3 结构稳定性榫卯结构的稳定性取决于连接部件的形状和尺寸。
一般来说，榫头和榫孔的形状应选择合适的斜率和倾斜角度，以提供稳定的连接。
4. 连接性能榫卯结构的连接性能直接影响结构的强度和稳定性。
以下是榫卯结构的一些优点和缺点：4.1 优点•强度高：榫卯连接可以提供较高的强度和刚度，适用于承受大荷载的结构。
•稳定性好：榫卯连接可以提供较稳定的结构，不容易松动或移位。
•维护方便：榫卯连接便于拆卸和更换连接部件，方便修理和维护。
4.2 缺点•加工要求高：榫卯结构需要较高的加工精度，特别是榫孔的加工需要控制好尺寸和角度。
•限制较大：榫卯连接对材料和结构形状有一定的限制，不适用于某些特殊情况。
榫卯结构设计实验报告
榫卯结构设计实验报告一、实验目的本实验旨在通过榫卯结构的设计和制作，掌握榫卯结构的基本原理和设计要点，以及实际操作中的注意事项。
二、实验原理榫卯结构是一种传统的木工连接方式，其优点是结构稳定，连接牢固且不需要使用螺丝或胶水。
在设计榫卯结构时，需考虑到材料的力学性能和结构的稳定性。
三、实验步骤1. 确定设计要求：根据实际需要，确定所需连接的部件和其尺寸要求。
考虑到结构的稳定性和美观性，选择合适的榫卯形式。
2. 设计细节：根据所选榫卯形式，绘制出实际的连接图纸。
在图纸上标明各部件的尺寸和榫卯的位置。
3. 准备材料：根据设计图纸所需的材料，提前准备好木材并做好相应的修整工作。
4. 制作榫卯：根据设计图纸上的要求，开始制作榫卯。
先进行榫的制作，使用锯子或刨子将木料切削成所需的形状。
然后使用凿子和锉刀进行修整，确保榫的尺寸和形状符合设计要求。
接着进行卯的制作，同样使用锯子或刨子进行切削，并使用凿子进行修整。
5. 调试和装配：将制作好的榫卯进行调试和装配。
根据图纸上的要求，将榫和卯进行插入和拼合，检查其连接的紧密度和稳定性。
如有需要，可进行微调。
6. 完善和修整：完成装配后，检查连接部位是否需要进一步修整，以确保连接的牢固性和美观性。
如有需要，可进行砂纸打磨和涂漆等处理。
四、实验注意事项1. 安全第一：在操作过程中，务必注意安全。
使用锯子、刨子、凿子等工具时，要小心操作，避免意外发生。
2. 精确测量：准备材料和制作榫卯时，需要进行精确的测量。
使用合适的测量工具，并进行多次测量确认，以避免尺寸误差。
3. 精细加工：制作榫卯需要进行精细加工。
使用锯子、刨子、凿子等工具时，要小心操作，力度要适中，避免过度加工造成损坏。
4. 拆卸重装：在调试和装配榫卯时，需要注意力度的掌握。
过大的力度可能会导致榫卯损坏，过小的力度则会导致连接不牢固。
五、实验总结通过本次实验，我们掌握了榫卯结构的基本原理和设计要点。
在制作榫卯过程中，我们需要进行精确的测量和精细的加工，确保结构的稳定性和连接的牢固性。
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古建木结构榫卯连接特性的试验研究中国建筑西北设计研究院,陕西西安710003)摘要:通过对典型榫卯连接的力学分析和模型低周反复荷载试验,研究了榫卯的半刚性连接特性和刚度退化的规律.试验得到榫卯连接的弯矩.转角滞回曲线和骨架曲线,并拟合出了榫卯节点恢复力模型.将榫卯连接比拟为变刚度杆单元,理论推导了变刚度和相对柔度之间的关系.结果表明,木结构的榫卯连接刚度随荷载变化而呈非线性变化,刚度在0.3062~23.6054之间变化.研究结果可为木结构古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供理论基础.关键词:中国古建筑;木结构;低周反复荷载试验;榫卯连接:半刚性;刚度退化ChinaNorthwestBuildingDesignResearchInstit ute,Xi’an,Shaanxi710003, China)Abstract:Thetypicalmortise—tenonjointsinhistorictimberbuildings wereanalyzedinmechanics.Thelowcyclicreversedloadingtestswerecarriedo ut.Thesemi-rigidcharacteristicofthejogglejointandthechangerulesofstiffnes sdegradationwereobtained.Themoment-deflectionanglehystereticcurvesw eretested.Bysimulatin thestateofmortise-tenonjointwiththevariedstiffness element,therelationbetweenthevariedstiffnessandtherelativeflexibilitywasf ound.Itisshownthatthestiffnesschangeofthemortise-tenonjointisnonlinearfi ’om0.3062to23.6054withthechangeofload.Itmayprovideinformation.sugg estionsandtheoreticalbaseforseismicresearch,protectionandmaintenanceof historictimberbuildings.Keywords:Chinesehistoricbuildings;timberstructure;lowcyclicreversedloa dingtest;mortise-mnonjoint;semi-rigid;stiffnessdegradation中国古代木结构建筑的各个构件之间一般采用榫卯连接[1’2】.木构榫卯由榫头和卯孔组成,可以承受一定的荷载,具有很好的弹性和较好的抵消水平推力的作用,表现出较强的半刚性连接特性,且允许产生一定的变形,可以吸收部分地震能量,减少结构的地震响应.基金项目:国家自然科学基金资助项目(59878043);陕西省重点实验室项目(05JS17)作者简介:姚侃(1978),男,河南人,工程师,博士生,从事结构工程抗震及古建筑抗震性能研究?赵鸿铁(1939),男,江苏人,教授,博导,中国钢协.混凝土组合结构协会常务理事,陕西省土木建筑学会结构委员会常务理事,主任委员,从事钢与混凝土组合结构,钢筋混凝土结构,古建筑及其抗震性能研究葛鸿鹏(1977),男,陕西人,工程师,硕士,从事结构工程设计研究.工程力学l69为铰支座进行了力学计算;俞茂宏,赵均海,方东平等人]通过定义和引入反映木结构古建筑榫卯节点特性的半刚性节点单元,建立了有限元模型并进行了动力分析;赵鸿铁,薛建阳L8J贝U通过殿堂型木构模型振动台试验研究了其动力特性和地震反应,指出木构榫卯连接的柔性和挤压变形是结构耗能减震的主要原因.但以上研究均是在考虑整体木构架的基础上,过于简化模拟榫卯连接,未能较好地反映出榫卯节点的工作机制和连接特性.本文对榫卯的传力机理和工作机制进行了力学分析,并通过模型试验获得了丰富的测试数据.这不仅有助于揭示榫卯的半刚性连接特性和减震机理,而且可为木结构古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供一定的理论依据.1静力分析1.1传力机理榫卯形式多种,但总体上从力学性能考虑主要分为直榫和燕尾榫,如图l所示.(a)直榫commontenon(b)燕尾榫dovetailtenon图1典型榫卯结构图Fig.1Typicalmortise-tenonjoints(1)直榫传力分析柱子在水平荷载作用下,通过榫卯连接柱与额枋,榫头受到水平力作用时,如图2(a),图2Co),图2(e)所示,在榫头和柱子,卯口之间将产生静摩擦力来阻止外加水平力.而摩擦力与其接触面和正压力相关,正压力越大接触面越粗糙,获得的摩擦力越大.当拉力超过最大静摩擦力时,直榫榫头将被拔出.额枋上作用竖向荷载时,如图2(c),图2(d)所示,通过额枋传力给榫头,使榫头通过与卯口承压,传给柱子,再传至基础.当荷载较小时,直榫的榫头与卯口底部接触,卯口作为梁的支座,对榫头有支持力Ⅳ作用,并与竖向荷载平衡,在使用荷载下,额枋通常有轻微竖向挠曲变形,结构的榫卯连接处于弹性阶段.当荷载增大后,直榫的榫头在外力竖向荷载作用下发生横向变形,使榫颊与卯口壁挤紧,由于卯口壁对榫头有约束,榫头受力时将产生与外力方向相反的摩擦力厂.在弯矩作用下榫头发生转动,它的上表面与卯口内上表面在两者间的缝隙挤紧后而产生挤压应力,榫头下表面对卯口边缘施加压应力,卯口产生局部承压.当弯矩增加时,因为直榫嵌固在卯中,榫有一定长度,限制着榫头的转动,产生塑性变形.在榫颈截面达到极限弯矩,纤维拉断,榫颈发生弯曲破坏.r.一IIrIIu.柱f___图2直榫传力分析Fig.2Mechanicsanalysisofcommontenon(2)燕尾榫传力分析木构架的各个构件间采用燕尾榫连接,如图l(b)所示,通过这种连接将柱架所受的弯矩,剪力,轴力分别作用于柱子与额枋,最后传递给础石.燕尾榫构造特殊,外力作用于燕尾榫,榫头将受到剪力,轴力和弯矩作用,处于复合受力状态,如图3(a),图3(b)所示.燕尾榫内宽外窄,榫头所受轴力将由卯口侧壁产生的水平摩擦力和内壁的挤压力共同作用平衡,图3(g),图3(h)所示,但是当轴力过大时,卯口对其产生很大的挤压应力,榫头对卯壁也产生同样的挤压力,使榫头宽度变小,卯口宽度变大,只有当榫卯同宽时榫头有可能拔出.因为弯曲作用,外力将对榫头有剪切作用,见图3(c),剪力将会在卯口内侧壁沿柱轴向与榫颊间产生的竖向摩擦力及卯下表面与榫头下表面间挤压应力,当挤压力过大也会造成卯口局部挤压破坏.图3(f)反映了榫头在外力作用下转动拔出时,受到卯口约束产生弯矩等于图3(d),图3(e)中M1和M2的合力,其中是卯口底面对榫头下表面和铺作层对榫头170工程力学上表面约束转动产生的弯矩,M2是卯口内壁正面下部与卯口内侧壁上部的挤压应力约束榫头转动.1AAdo图3燕尾榫在水平荷载作用下的受力分析Fig.3Mechanicsanalysisofdovetailtenonunderhorizontalload1.2榫卯的工作机制由上述分析可以看出,在受荷载的最初阶段,榫卯缝隙挤紧,结构构件间产生明显的滑移,说明开始时刚度很小.荷载继续增大,榫头会与卯口侧壁挤紧,在两个侧面上产生摩擦力和法向应力共同抵抗外力作用.随着弯矩和轴力增加,榫卯已逐渐挤紧,限制了梁柱间的自由转动,结构刚度提高,并能承担一定的弯距,明显区别于铰结点.随着荷载的进一步增加直到达到屈服荷载前,榫卯的连接刚度达到最大,见图4【l0]所示.其后榫头受到卯口挤压,两侧面受压变形,榫头宽度变窄,根据力的相互作用,卯口内壁凹槽被凸榫榫颊挤胀,滑移量增大.虽然所承受的弯矩仍略有增大,但是节点刚度急剧降低,继续加载由于滑移过大,榫头将会脱卯而出,以至结构破坏.榫卯在拔出的运动中使结构构件产生了很大的变形和相对位移,不仅改变了结构的整体l生,也调整了结构的内力分配.半刚性榫卯连接刚度是随荷载变化而变化的,刚度与连接变形有密切关系.另外,由于榫头与卯口间形成了摩擦滑移,在地震作用下,由于结构松动和构件之间的摩擦可以吸收相当的能量,因而具有减震耗能能力,可以减小上部结构的地震反应.滑移阶段图4结构F一曲线Fig.4TheF一curve2试验概况阶段按《营造法式》规定做法,采用1:3.52的缩尺比例制作试验模型【l¨,试验装置及测点布置如图5所示.柱与额枋由榫卯连接,且柱头截面高出额枋顶面150mm,其上作用集中荷载50kN(相当于屋盖重量).试验过程中通过工字钢分载梁由可水平向同步运动的竖向液压千斤顶施加.莳薯图5试验装置及测点布置Fig.5Set-upofthetestingapp~ams试验开始前,通过工字钢分载梁先在两个柱头上分别施50kN竖向荷载,固定试件位置,并保持恒定不变.在加载初期,以力作为控制,在水平荷载尸作用下,榫卯间隙逐渐挤紧并产生”吱吱”声,经过一定变形后榫卯挤紧,榫卯连接刚度明显增大.随着尸的增加,木构架的侧移增大且表现为沿柱身具有良好的线性关系.当荷载加大到一定程度,改为以位移控制加载时,榫头与卯口壁会产生互相挤压.燕尾榫本身构造的特殊性,使它可以承受拉力和压力的两个方向的力.随低周往复加载的继续,逐级控制变形量加大和循环次数的增加,使工程力学171榫卯相互挤压变形加剧,两者间的咬合变得越发松动,到后期试验观察到的现象是榫卯明显拔出又闭合,但试验中没发生脱卯.经过大约十几个循环,榫头已从卯口中拔出40mm,而榫头原长为50mm,尽管没脱卯,但横枋即将失去继续承担荷载能力,可认定连接失效,结构破坏.3试验结果及分析3.1滞回曲线(一0曲线)通过三个试件的低周反复荷载试验,得到主要特征参数如表1,榫卯节点滞回曲线如图6.z¨搏tit;一转.黔I川曲线g一n,●Z静E虹蹊10l0203料f一0榫卯转角Irad图6榫卯弯矩转角滞回曲线Fig.6Themoment—deflectionanglehystereticc1M’ves表1试件主要特征参数Table1Thecharacteristicparameteroftestspecimens可以看出,三个榫卯节点滞回曲线均属于反z型,榫卯之间受力时有较大的滑移产生.刚开始加载时,榫卯接合处在力的作用下开始挤紧,有明显的滑移产生,随着荷载增加,榫卯连接被挤紧而密合.木构架在屈服前的弹性阶段,滞回曲线基本为直线.在外荷载不断反复作用下,在榫与卯之间的摩擦和转动急剧增大,榫卯脱出闭合的长度加大,表征刚度变化的滞回曲线的斜率逐渐下降表明榫卯刚度有所降低,榫卯连接的滞回曲线为反z型,滑移不断增加,捏拢效应明显.屈服后,滞回曲线的斜率降低较快,而且刚度退化很快,表现出很大的剪切变形及滑移影响,滞回环的面积扩大很快,表明试件能量耗散加大.卯口张大,滑移增加到极限时榫头从卯口拔出,结构榫卯承载能力丧失,宣告结构破坏.进行的三个相同的构件试验,滞回曲线的形式均属于反z型,但由于木材材性的离散性较大,表现出一定的差异.因为试验装置在正反向加载时对木构架约束与榫卯间的干摩擦效应不一致,因此图形有些不对称.3.2骨架曲线由滞回曲线得榫卯节点骨架曲线,如图7所示.图7榫卯节点骨架曲线 Fig.7Mortise—tenonjointskeletoncurve3_3恢复力模型为了反映榫卯节点的刚度退化,按下式计算割线刚度:ki:!±丝二丝!f11l+I+I—l式中为第i次峰点荷载值;0为第i次峰点转角值.按上式分别计算试件在榫卯挤紧初始滑移,屈服,及极限承载力时的割线刚度.反映出试件在不同阶段的刚度变化.试件各阶段的特征值刚度均采用割线刚度,榫卯挤紧初始滑移刚度,屈服前刚度,,及极限刚度的计算分别采用式(2),式(3)和式(4):=黼=000ll+l一l—l+日yl—l—yl试件各个阶段的特征值刚度列入表2.表2木构架试件特征刚度Table2Characteristicstifinessofmetimberstructure刚度杆单元表示.(3)MA(4)榫卯节点恢复力曲线拟合如图8.MKa—jr?’厂图8榫卯节点恢复力模型Fig.8Resiliencemodelofmortise—tenon(1)骨架曲线:考虑节点榫卯刚度的变化,拟合的骨架曲线取为三折线,第一直线段的斜率为榫卯挤紧初始滑移刚度;从挤紧后用第二直线段,刚度为,;及进入屈服荷载至极限荷载,刚度为其中,,分别为按公式(5)计算,系数4.137和系数0.407为表1中2/,3/2值的平均值:K2=4.137rl,K3=0.407K2(5)(2)卸载曲线:取为斜直线,其斜率与,值相同,每回历经一个加载过程,下一次再加载时滑移量增加,但再次挤紧榫卯,刚度得到增强后会沿斜率平行的方向发展.(3)再加载曲线:由一个方向卸载至M=0,以此时的残余变形为起点往另一个方向加载,与上一个循环曾达到的最高点直线相连.如果该点超过屈服点,则与此特征点相连,再沿骨架曲线前进.4半刚性连接模型的刚度计算一..一,,,ILl图9变刚度杆单兀Fig.9Elementofvariedstiffness节点连接特性可描述为:M=R0(6)式中:表示作用于节点的弯矩;0表示构件端部相互之间的角位移;为连接刚度.引入连接的相对柔度:U:E1/LR;记构件线刚度i=/三.由矩阵位移法可导出具有半刚性节点的典型构件的转角位移方程: M=[(1+3u)×4itp+2itp一(1+2us)×6flf,+(1+4u)o一2uMos]/(1+4u+4us+12uaus)r7,M=[2itp+(1+3u)×4itps一(1+2ua)×6flf,+(1+4u)Mo一2o]/(1+4u+4u+12uaus)其中,表示柱端转角;lf,=△/三,△是梁端相对位移:o和o称为固端弯距. 显然,当oo,oo,U=U=0时,式(7)就退化为两端刚接的通常转角位移方程.当U=U时,表示两端半刚接构造相同内力分析并求出结构荷载作用下弯矩,可解得::±:旦1+8+12’1+6’式中U并不是常量,因而和之间一般呈非线性关系,连接刚度随弯矩增大而逐渐减小.因为榫卯节点连接具有的半刚性连接特性,故试引入榫卯节点弹簧变刚度,则M=.所以与连接的相对柔度U有如下关系: ‘=(8)由试验结果测得及值求出U,然后由(8)式可统计出变刚度弹簧与连接相对柔度U的关系曲线,来描述半刚性榫卯节点的转动刚度特性化.榫卯连接模型可所示的变间,二机动体系不能承受荷载;当=0时,=6i,即结构变为刚接机构,结构能承受荷载作用.UUqU80l00120140l6C连接相对柔度”/rad图10榫卯节点半刚性连接刚度退化比较Fig.10Stiffnessdegradationcomparisonofthesemirigidmortis-tenonjoint实际上从试验结果可以看出榫卯节点连接的相对柔度U变化范围为(1.3033～114.762),与U相对应的∈(0.3062-23.6054).连接相对柔度的数值变化规律是由大变小再变大,经历了四个变化阶段:构造连接,滑移阶段,工作阶段和破坏阶段,见图10所示.可以看出,计算值与实测值比较符合,这也充分说明了半刚性榫卯连接受力机理的变化情况.5结论本文通过力学分析和模型试验,研究了木构榫卯的连接特性和刚度退化规律,得到以下主要结论:(1)木构榫卯的传力机理和工作机制与构造连接的变形有关.榫卯连接呈典型的半刚性连接特性,实际工作中随受荷载不同而分铰接,半刚接和刚接三种情况.榫头与卯孔间因摩擦滑移而具耗能作用,这是木结构古建筑具有较好抗震性能的一个重要原因.(2)榫卯节点的滞回曲线呈反z型,试验过程与力学分析相一致,滞回环面积良好,说明具有较好的耗能能力.拟合出的恢复力模型真实地反映了榫卯连接刚度变化的过程,适用于同类木结构古建筑的分析计算研究.(3)榫卯节点的刚度退化属非线性变化,由小到大再变小,经历构造连接,滑移阶段,工作阶段和破坏阶段四个变化阶段,刚度在0.3062-23.6054fkN?m/rad)之间变化.基本结论可为木结构古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供一定的理论依据.参考文献:[1】李诫(宋).营造法式[M】.上海:商务印书馆,1950.LiJie(DynastySong).Yingzaofashi[M】.Shanghai:ShangwuYin-ShuKuan. 1950.(inChinese)[2】Liang,Ssu—Ch’eng(editedbyWilmaFairbank).Apicto.rialhistoryofChines 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