海南传统民居木结构直榫节点力学性能研究

海南传统民居木结构直榫节点力学性能研究
发布时间：2022-03-24T16:57:41.921Z 来源：《城市建设》2021年11月上31期作者：董金爽[导读] 海南农村民居以木结构及砌体结构为主，木结构因其建造简便，在传统民居中得到了较为广泛的应用。

海南大学土木建筑工程学院董金爽海南海口 570228
摘要：海南农村民居以木结构及砌体结构为主，木结构因其建造简便，在传统民居中得到了较为广泛的应用。

为掌握海南传统民居木结构直榫节点地震作用下的耗能能力，以便震后根据其破坏程度进行合理的加固，制作了3个传统民居直榫节点，对其施加低周反复荷载，获得了其荷载-位移滞回曲线，并观察了试验过程中各直榫节点的破坏过程及破坏现象，分析了不同松动程度下直榫节点的滞回特性。

关键词：直榫节点；滞回特性；力学特性
木构架承重房屋是由木屋架或者木柱、木梁组成主体结构骨架,并起承担和传递上部荷载的作用,墙体只起到维护空间的作用[1-3]。

此类结构房屋中,结构构件之间的联接均采用榫卯构造[4-6]。

榫卯联接实际上是一种半刚性联接,在地震作用下节点处的构件会产生相对滑动从而形成滑移摩擦耗能,对减小结构地震反应有一定的好处,在小震下震害较轻地震反应有一定的好处,在小震下震害较轻[7-9]。

基于此，为研究海南传统民居中木结构连接节点的力学性能，以便在发生损伤后能对其进行合理的加固，根据实地调研归纳整理的数据，设计了3个典型海南传统民居木结构直榫节点试件，对其施加低周往复荷载，对其滞回性能进行研究，以期为该类型结构抗震设计提供有益参考。

1 试件设计与制作
按照实地调研数据，制作3个缩尺比为1:3.2的直榫节点，其中1个试件连接完好，紧密无松动，其余2个试件连接不紧密，有不同程度的节点松动，以模拟在实际工程中榫卯连接因长期使用木材出现的腐朽等残损现象。

所有构件均由专业木工师傅制作，模型构造见图1。

试件编号依次为J-1、J-3、J-3。

2 加载方案
2.1 加载设备
(1)试验时将柱水平放置，采用枋端加载的方式；
(2)将柱就位并用钢梁压住，通过水平千斤顶在柱端施加恒定竖向荷载，由MTS电液伺服系统施加水平低周反复荷载，作动器前端通过球铰连接件与枋相连。

2.2 加载制度
(1)将直榫节点就位并固定后，对柱端施加竖向荷载至预定值，需施加的竖向荷载根据单个柱所承受的质量确定，大小为20.0 kN；
(2)保持竖向荷载不变，对枋端逐级施加水平荷载。

水平荷载采用变幅值位移控制的方式加载，加载曲线的控制位移为单向加载试验所确定的极限位移，直榫节点极限位移取Δu=50mm。

试验开始阶段，先采用位移为控制位移的10%、20%、30%、40%、50%依次进行1次循环加载，再按照控制位移的60%、80%、100%……依次进行3次循环加载，直至榫头折断，发生破坏，终止试验。

3 滞回曲线
滞回曲线是结构或构件在反复荷载作用下力与变形间的关系曲线，是抗震性能的综合体现。

滞回环面积越大，抗震性能越好。

试验获得的各直榫节点的弯矩M-转角θ滞回曲线如图2示，弯矩M由水平荷载与加载点到榫头直线距离相乘得到，转角θ由枋水平位移与加载点到榫头直线距离相除得到。

由图2可知，各直榫节点滞回曲线具有以下特点：
(1)滞回曲线均有明显的“捏缩”效应，总体呈反“Z”型，表明榫卯节点在受力过程中发生一定的滑移，且滑移量随转角的增加而增大。

(2)连接松动的直榫节点相对于连接完好节点，其滑移量随着松动程度逐渐增加，这是由于榫卯之间紧密程度下降，两者相互作用不明显，抵抗外荷载的能力较低。

(3)加载初期，滞回曲线基本重合，滞回环较小，荷载位移基本成线性关系，说明节点基本处在弹性阶段，卸载至零无残余变形。

随着转角的增大及荷载循环次数的增多，滞回环面积不断增大，说明其耗能越来越多；曲线在开始阶段就有一定的斜率，反映了榫卯节点具有一定的初始刚度，一开始就可以承担荷载。

但初始刚度及承担荷载的能力随着松动程度的增大而降低。

3 结论
(1)不同松动程度下直榫节点M-θ滞回曲线形状为典型的反Z形，具有明显的捏拢效应；随着松动程度的增加，直榫节点滑移量增大，滞回环面积逐渐减小；
(2)获得了不同松动程度下直榫节点M-θ骨架曲线，松动节点的极限弯矩小于完好节点，极限转角要大于完好节点，并且随节点松动程度的增大，极限弯矩降低，极限转角增大。

参考文献
[1]薛建阳,张风亮,赵鸿铁,等.单层殿堂式古建筑木结构动力分析模型[J]. 建筑结构学报,2012,08:135-142.
[2]隋 ,赵鸿铁,薛建阳,等.古代殿堂式木结构建筑模型振动台试验研究[J]. 建筑结构学报,2010,02:35-40.
[3]姚侃,赵鸿铁,葛鸿鹏.古建木结构榫卯连接特性的试验研究[J].工程力学,2006,23(10):168-173.
[4]W.S.King, J.Y.Richard Yen,Y.N. Joint characteristics of traditional Chinese wooden frames [J]. Engineering Structure,1996,18(8):635-644．
[5]谢启芳,杜彬,李双,等.残损古建筑木结构燕尾榫节点抗震性能试验研究[J].振动与冲击,2015,04: 165-170 +210.
[6]阎嘉义,金文森.中国传统木构造榫卯系统之结构行为[J].中国土木水利学刊(台湾), 1995,7(2):151-161.
[7]隋 .中国古代木构耗能减震机理与动力特性分析[D].西安:西安建筑科技大学，2009.
[8]姚侃.木结构古建筑的结构特性及抗震性能研究[D].西安: 西安建筑科技大学,2006: 127-139.
[9]张鹏程.中国古代木构建筑结构及其抗震发展研究[D].西安:西安建筑科技大学,2003: 98-119.
基金项目：海南省自然科学基金项目(519QN190)，海南省重大科技计划项目(ZDKJ201803)。

作者简介：董金爽（1989-），男，博士，讲师，主要从事钢-混凝土组合结构及仿古建筑抗震性能研究。