古建木结构榫卯连接特性的试验研究

ｒｅｌａｔｉｖｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｒｔｉｓｅ—ｔｅｎｏｎ
ｊｏｉｎｔ
ｉｓ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｒｏｍ
Ｏ．３０６２ ｔｏ ２３．６０５４ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｌｏａｄ．Ｉｔ ｍａｙ ｐｒｏｖｉｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｅ ｆｏｒ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ ｈｉｓｔｏｒｉｃ ｔｉｍｂｅｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｍｏｒｔｉｓｅ—ｔｅｎｏｎ
ｊｏｉｎｔｓ
ｉｎ ｈｉｓｔｏｒｉｃ ｔｉｍｂｅｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｔｈｅ ｌｏｗ
ｃｙｃｌｉｃ ｒｅｖｅｒｓｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｏｆ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｍｅｎｔ—ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ
０
兮
滑移阶段
图４结构Ｆ一６曲线
Ｆｉｇ．４
Ｔｈｅ
Ｆ一６
ｃｕｒｖｅ
２
ｄ
试验概况
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［１¨，试验装置及测点布置如图５
Ａ Ａ ３Ｉ
所示。柱与额枋由榫卯连接，且柱头截面高出额枋
ｈ
ｌ
顶面１５０ｍｍ，其上作用集中荷载５０ｋＮ（相当于屋盖 重量１。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项施加。．
ｔｅｎｏｎ
（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 １（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
（ａ）直榫ｃｏｍｍｏｎ
ｔｅｎｏｎ
（ｂ）燕尾榫ｄｏｖｅｔａｉｌ
ｔｅｎｏｎ
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）、
口＾罄
图３燕尾榫在水平荷载作用下的受力分析
Ｆｉｇ．３
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｄｏｖｅｔａｉｌ
ｌｏａｄ
ｔｅｎｏｎ
ｕｎｄｅｒ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ
１．２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
ＥＸＰＥＲＪＭＥＮＴＡＬ ＭｏＲＴＩＳＥ．ＴＥＮｏＮ
ＳＴＵＤＩＥＳ ｏＮ ＴＨＥ ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣ ｏＦ ＪｏＩＮＴ ＩＮ ＨＩＳＴｏＲＪＣ
ＴＩＭＢＥＲ ＢＵＩＬＤＩＮＧＳ
ＹＡＯ Ｋａｎｌ’＿，＋ＺＨＡＯ Ｈｏｎｇ—ｔｉｅｌ，ＧＥ Ｈｏｎｇ．ｐｅｎ９３
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
ｏｆｃｉｖｉｌ ｅｎｇｌ‘ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｌｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｌｌ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００５５，Ｃｈｉｎａ；
图１典型榫卯结构图
Ｆｉｇ．１ Ｔｙｐｉｃａｌ
ｍｏｒｔｉｓｅ—ｔｅｎｏｎ ｊｏｉｎｔｓ
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
（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
图５试验装置及测点布置
Ｆｉｇ．５
Ｓｅｔ－ｕｐ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ
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
的变形和相对位移，不仅改变了结构的整体性，也
调整了结构的内力分配。半刚性榫卯连接刚度是随
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４１１０］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
ｊｏｇｇｌｅ ｊｏｉｎｔ
ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅｓ
ｃｕｒｖｅｓ
ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ．Ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ
ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｍｏｒｔｉｓｅ—ｔHale Waihona Puke Baiduｎｏｎ ｊｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖａｒｉｅｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｅｌｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｖａｒｉｅｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ
第２３卷第１０期 ２００６年１０月
Ｖ０１．２３Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２００６
工
程
力
学
１６８
ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ＭＥＣＨＡＮＩＣＳ
文章编号：１０００－４７５０（２００６）１０—０１６８—０６
古建木结构榫卯连接特性的试验研究
姚侃１，一，＋赵鸿铁
（１．西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安７１００５５；２ ３．中国建筑西北设计研究院，
枋，榫头受到水平力作用时，如图２（ａ）、图２（ｂ）、 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
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
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
载Ｐ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
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。
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。王天【３１曾把榫卯连接节点简化
承受一定的荷载，具有很好的弹性和较好的抵消水
收稿日期：２００５—０ｌ一２１：修改日期：２００５—０９—０１
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（０５Ｊｓｌ７） 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（Ｅ．ｍａｉｌ：ｘｋｃｏａｔ＠ｔｏｍ．ｃｏｍ）； ・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（Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｏｈｏｎｇｔｉｅ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ）； 葛鸿鹏（１９７７），男。陕西人，工程师，硕士．从事结构工程设计研究．
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
生弯矩Ｍ等于图３（ｄ）、图３（ｅ）中Ｍｌ和Ｍ，的合力，
其中Ｍ是卯１３底面对榫头下表面和铺作层对榫头
万方数据
１７０
工
程
力
学
上表面约束转动产生的弯矩，坞是卯口内壁正面
下部与卯口内侧壁上部的挤压应力约束榫头转动。
，
葛鸿鹏
中国人民解放军９５０２２部队，广东汕头５１５８００ 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 中图分类号：ＴＵ３６６；ＴＵ３１１．１ 文献标识码：Ａ
进行了动力分析；赵鸿铁、薛建阳【８’９Ｊ贝０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
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
２．Ｕｎｉｔ ９５０２２ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｐｅｏｐｌｅ。Ｓ Ｌｉｂｅｒａｔｉｏｎ Ａｒｍｙ，Ｓｈａｎｔｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５ １ ５８００，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｔｈｗｅｇ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＩｎｓｔｉｔＩｌｔｅ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ
７１０００３，Ｃｈｉｎａ）
万方数据
工
程
力
学
１６９
为铰支座进行了力学计算；俞茂宏、赵均海、方东 平等人卜７】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
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
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，
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
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｈｉｎｅｓｅ ｈｉｓｔｏｒｉｃ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ；ｔｉｍｂｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｌｏｗ ｃｙｃｌｉｃ ｒｅｖｅｒｓｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ ｔｅｓｔ；ｍｏｒｔｉｓｅ—ｔｅｎｏｎ ｊｏｉｎｔ；
ｓｅｍｉ－ｒｉｇｉｄ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ 中国古代木结构建筑的各个构件之间一般采 用榫卯连接‘１，２１。木构榫卯由榫头和卯孑Ｌ组成，可以
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。
缮加固提供一定的理论依据。 １
．ｒ
ＩＩ
ｕ一
静力分析
柱
—ｔ
产生了相对侈动Ｉ ａ
¨
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 分为直榫和燕尾榫州，如图１所示。
图２直榫传力分析．
Ｆｉｇ．２
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ
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
万方数据
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。