中国古代木结构建筑的各个构件之间主要采用榫卯连接.木结构榫卯节点的半刚性是古建筑耗能减震的主要原因, 它在传力机制中起着重要作用.本文通过透榫木构架的低周反复荷载试验分析透榫节点的力学机理及其耗能特性, 为古建筑木结构的动力分析提供了理论依据.
1、试验开始, 通过工字钢分载梁先在两个柱头上分别施加10 kN 竖向荷载, 并保持恒定不变, 然后逐级施加水平荷载, 加载方式如图2 所示.在试验过程中, 透榫榫头主要承受卯口内上下两个方向的压力.加载初期, 透榫节点之间的间隙逐渐挤密并伴随有一定的变形;随着荷载增加, 透榫相互挤压变形加剧,榫头、卯口挤压面处, 木材屈服, 产生大量塑性变形(见图3).经过大约十几个循环, 透榫榫头从卯口中拔出15 mm 左右(见图4), 失去继续承担荷载能力, 榫卯连接失效, 结构破坏.
2 .1 滞回曲线(M-υ)
通过低周反复荷载试验, 得到三组透榫构架节点的滞回曲线如图5 所示.本文根据试验数据, 结合透榫柱架六个节点滞回曲线, 得试验结果如表1 所示.从试验数据和滞回曲线可以看出透榫具有很好的转动变形能力, 透榫柱架有较好的延性并且变形耗能的能力较强.六个透榫节点滞回曲线均属于反Z 型, 捏拢效应明显, 表现出很大的剪切变形及滑移影响.初始加载时, 透榫节点处于弹性阶段, 滞回曲线基本为直线, 此时透榫刚度较大;透榫节点屈服后,滞回曲线的斜率下降很快, 说明透榫的刚度下降很大.滞回环面积扩大地很快, 表明透榫柱架能量耗散加大.但由于木材材性的离散性较大, 各柱架表现出了一定的差异性.
2 .2 骨架曲线
为了更直观地分析滞回曲线所表现出来的透榫节点特性, 在低周反复加载的拟静力试验中, 把M-υ曲线每次循环的峰值点连接起来, 得到其骨架曲线, 如图6 所示.由图6 所示的骨架曲线可以看出柱架经历弹性阶段, 屈服阶段及强化阶段.当转角大约为0 .06时, 透榫弯矩在2 .8 kN ·m 左右, 此时透榫节点基本处于弹性阶段, 当转角大于0 .06 时, 骨架曲线趋于平缓, 整体构架处于屈服阶段.转角达到0 .1 左右时, 透榫弯矩达到最大值3 .4 kN ·m , 此后构架进入强化阶段.但构架进入强化阶段后, 很快就由于透榫变形过大失去承载能力而破坏.
结论:
(1)透榫节点呈典型的半刚性连接特性, 它介于铰接与刚接之间, 具有他们的典型特性, 既可以转动也可以承受弯矩, 但又区别于铰接点和刚节点, 即在抵抗弯矩的同时又产生相对转角.榫头和卯孔之间因摩擦变形而具有耗能减震作用, 这是古建筑木结构具有良好抗震性能的一个重要原因.
(2)透榫节点的滞回曲线呈反Z 型, 试验过程与理论分析相一致, 滞回面积饱满且扩展较快并伴有明显的捏拢效应, 说明构件具有良好的耗能作用.
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