中国木结构古建筑榫卯连接节点抗震性能研究进展

中国木结构古建筑榫卯连接节点抗震性能研究进展

【摘要】:榫卯连接是中国木结构古代建筑的重要特征。由于在地震作用下，梁柱等构件一般会处于弹性工作状态，节点的抗震性能就决定了整个建筑的安全，因此该领域已成为古建筑保护工作的研究热点方向。对中国古代建筑榫卯节点抗震性能研究进展情况进行了梳理，并提出了相应的见解。

【关键词】:木结构古建筑；榫卯连接节点；抗震性能；研究

引言

中国木结构古建筑具有良好的抗震性能，迄今尚存有许多已逾千年的建筑遗存，虽经历了许多地震灾害作用而仍能挺然直立的事实就是明证。一个结构减震耗能能力的大小，是其抗震性能好坏的重要标志。榫卯连接方式与斗棋结构是中国木结构古建筑的主要结构特征，也是中国古建筑区别于世界它系建筑结构的主要标志。在地震作用下，作为重要结构特征的榫卯节点与斗棋的抗震机制是一个值得深入研究的问题。

一、榫卯结构及其分类

榫卯结构是建筑或家具中相连接的两构件上采用的一种凹凸处理接合方式。凸出部分叫榫(或榫头);凹进部分叫卯(或榫眼、榫槽)。这种形式在我国传统建筑与家具中达到很高的技艺水平，同时也常见于其他木、竹、石制的器物中。我国古建筑家具把各个部件连接起来的“榫卯”做法，是建筑家具造型的主要结构方式。各种榫卯做法不同，应用范围不同，但它们在每处建筑或每件家具上都具有形体构造的“关节”作用

几十种不同的“榫卯”，按构合作用来归类，大致可分为三大类型:

一类主要是作面与面的接合，也可以是两条边的拼合，还可以是面与边的交接构合。如“槽口榫”、“企口榫”、“燕尾榫”、“穿带榫”、“扎榫”等。如图（1）所示：

图（1）

另一类是作为“点”的结构方法。主要用于作横竖材丁字结合，成角结合，交叉结合，以及直材和弧形材的伸延接合。如“格肩榫”、“双榫”、“双夹榫”、“勾挂榫”、“锲钉榫”、“半榫”、“通榫”等等。如图（2）：

图（2）

还有一类是将三个构件组合一起并相互连结的构造方法，这种方法除运用以上的一些榫卯联合结构外，都是一些更为复杂和特殊的做法。如常见的有“托角榫”、“长短榫”、“抱肩榫”、“粽角榫”等。如图（3）所示：

图（3）

二、中国木结构古建筑榫卯连接节点抗震性能

中国木结构古代建筑因其独特的建筑形式与结构性能而著称于世，并影响了日本、韩国和越南等临近国家，是中华乃至世界文明的重要组成部分。我国木结构古代建筑的一个重要特征在于结构构架采用榫卯连接。所谓榫卯连接是将梁端做成榫头形式，将柱身做成卯口形式，将榫头插入卯口中，从而形成的一种凹凸结合的特殊连接体系。一般认为，这种构件的连接方式，使得中国传统的木结构建筑成为超越了当代建筑排架、框架或者刚架的特殊柔性结构体，不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形，在地震荷载下通过变形吸收地震能量，减小结构的地震响应。

随着使用年限的增长，现存木结构古代建筑中木材材性不断退化，各种自然和人为因素也降低了节点的力学性能，威胁结构的安全。因此，开展榫卯节点抗震性能研究，对于准确分析中国木结构古代建筑结构的抗震性能，提出科学合理的保护措施具有十分重要的意义。

三、木结构古建筑榫卯连接节点抗震性能存在问题研究

1、现有的研究成果，主要为定性变化规律，还缺乏采用定量计算方法。榫卯节点构造复杂，在受外荷载作用过程中，节点经历了复杂的积压、摩擦、滑移等过程，榫头与卯口之间存在有不断变化的压、弯、剪、扭合摩擦力的作用。各种作用又受到材料的性能，榫头与卯口之间的缝隙，节点构造类型等多方面的影响。因此，基于现有研究数据还很难给出能准确计算节点抗震性能的定量计算方法。

2、综合比较不同学者的研究数据可以发现，不同学者的试验结果相差较大。即使是同一课题组度不同试件，其结果也有显著差异。其原因在于一方面，木材本身为生物质材料，不同树种之间材料性能差异很大，即使是同一树种，不同年代，不同成长地域等均会显著影响其材料性能，进而造成实验结果的差异；另一方面，节点的加工误差，木材蠕变、开裂、疤痕等也会对结果造成显著影响。

3、木材具有较高的变形能力，并且节点能够承受很大的转动和滑移变形。因而木构架发生很大水平为以后仍具有一定的刚度与承载能力，这一点与现代结构有显著差异。基于以上原因，试验过程中由于作动器臂长的限制，最大加载位移难以使得结构发生真正的破坏，试验结果的准确性有待验证。

4、大型有限元程序的发展，为我们分析木结构古建筑的抗震性能提供了重要手段。对于榫卯节点，尽管已经提出多种计算模型模拟节点工作状态，但目前仍缺乏一种通用性较强，且应用简便的方法。

5、由于使用年代久远，现存古建筑大部分属于带病工作，榫卯节点存在有拔榫、腐蚀、虫蛀等各种残损状态。对于不同残损状态榫卯节点的抗震性能研究，目前仍属于空白。

三、木结构古建筑榫卯节点的低周往复加载试验研究

古建筑榫卯连接有多种形式，形态各异，其种类划分不仅与榫卯的功能有关，还与木构件所处的位置，构件之间的组合角度，结合方式等有直接关系。如柱根、童柱、瓜柱与梁架相交部位采用的管脚榫；额枋、顺梁、金枋等与柱相交部位采用的燕尾榫；梁、柱相交部位采用的馒头榫；以及透榫、半榫、十字卡腰榫、十字刻半榫等等。这其中，最常用于梁柱构件“构木成架”的典型节点连接形式有直榫和燕尾榫两种，根据直榫是否穿透卯构件又细分为透榫和半榫。直榫，榫头无明显宽度变化，一般用于水平向安装，见图（1）所示；

图（1）直榫

燕尾榫榫头端部宽，根部窄，呈燕尾状，一般用于竖向安装，如图(2)所示：

图（2）燕尾榫

一般认为，榫卯节点这种完全区别于现代结构的特殊构造，是使木结构古建筑获得较高抗震性能的原因之一。国内许多学者分别进行了大量燕尾榫节点和直榫(透榫和半榫)节点的低周往复加载试验，对榫节点的工作机制、滞回性能和破坏模式等进行了详细的分析。

1、榫卯节点的滞回曲线特征

通过对直榫和燕尾榫节点进行拟拟静力试验，获取了典型榫卯节点的滞回曲线并对其滞回性能进行了分析。在外荷载的反复作用下，榫卯节点的一般过程可分为初始滑移、弹性变形和破坏等3个过程。在加载初期，榫卯接合处在力的作用下由松弛状态开始挤紧，有明显的滑移产生，节点耗能能力较弱。随着构架侧