古建筑木结构榫卯节点抗震与加固思考.pdf

与 建 材装 饰2015 年 2 月 3.2 排桩支护施工技术 就是在挖基坑时的边坡支护的一种形式。确保挖基坑的稳 点， 保证工作人员的生命安全。向基坑周围打排桩。排桩可根据 工程情况为悬臂式支护结构、 拉锚式支护结构、 内撑式支护结构 和锚杆式支护结构。排桩支护的结构形式的选择是不确定的， 必 须根据现场的实际情况施工， 采用因地施工。它的优点很多， 淤 刚度比较大， 能够抵抗较大的土侧压力， 稳定性好， 变形小； 于施 工工艺成熟， 人工挖孔或者机械钻孔都能实现； 盂采用混凝土挖 孔桩施工时的噪音比钢板桩的小很多，对周围环境产生的噪声 比较小。 而缺点就是成本比较高。 使用排桩支护技术时需要注意 桩间缝隙易造成水土流失， 特别时在高水位软粘土质地区， 需根 据工程条件采取注浆、 水泥搅拌桩、 旋喷桩等施工措施以解决挡 水问题， 适用于软粘土质和砂土地区， 但是在砂砾层和卵石中施 工困难应该慎用，桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整 体， 因而相对整体性较差， 当在重要地区、 特殊工程及开挖深度 很大的基坑中应用时需要特别慎重。 3.3 地下连续墙施工技术 地下连续墙施工技术是在地面上采用一种挖槽机械， 沿着深 开挖工程的周边轴线， 在泥浆护壁条件下， 开挖出一条狭长的深 槽， 清槽后， 在槽内吊放钢筋笼， 然后用导管法灌筑水下混凝土 筑成一个单元槽段， 如此逐段进行， 在地下筑成一道连续的钢筋 混凝土墙壁， 作为截水、 防渗、 承重、 挡水结构。本法优点是： 施工 振动小， 墙体刚度大， 整体性好， 施工速度快， 承受较大荷载， 可 省土石方， 可用于密集建筑群中建造深基坑支护， 可用于各种地 质条件下， 包括砂性土层、 粒径 50mm 以下的砂砾层中施工等条 件复杂的施工环境。缺点是： 在挖槽时需要借助特殊机械， 成本 很高， 而施工中泥浆较多不易处理， 对施工环境污染较大。 4 结束语 随着经济技术的发展， 城市化进程不断加快， 深基坑支护技 术的应用越来越普及， 而深基坑支护的形式有很多种， 在具体选 择的时候应该根据工程的实际情况选择合理的支护技术，以达 到因地制宜的效果。而深基坑支护的质量还关系到上层建筑的 质量， 所以在施工过程中应严格按照规范执行， 做好安全监管和 质量监督工作， 以保证建筑物的质量。 参考文献 1钟世鸣.深基坑支护技术在建筑工程中的应用分析J.江西建材， 2015. 2田 庚.基坑支护技术与支撑系统在土建施工中的应用研究J.城市建 筑， 2014. 3赵崇山.分析建筑工程基坑支护的施工技术要点J.门窗， 2014. 收稿日期： 2015-2-2 古建筑木结构榫卯节点抗震与加固思考 周永恒 （福州历史文化名城街区保护开发有限公司福建 福州350000） 摘要： 本文为探讨古建筑木结构抗震、 加固的有效方法， 采用马口铁与 CFRP 对榫卯节点予以加固， 对节点加固前后 构架的抗震性能予以研究。借助制作的木结构空间模型， 通过低周反复加载试验， 得到构架加固前后力 - 侧移曲线， 并对 相应骨架曲线等抗震指标加以对比、 分析。 最终得到马口铁与 CFRP 均有提高构架承载力及刚度的作用， 虽然加固后耗能 能力有所下降， 但构架仍具有较好的变形性能， 且 CFRP 加固榫卯节点的效果要比马口铁好。 关键词： 古建筑； 木结构； 榫卯节点； 抗震与加固 中图分类号： TU366.2文献标识码： A 文章编号： 1673-0038 （2015） 07-0054-03 我国古建筑均以木结构为主， 梁、 柱之间以榫卯形式连接， 具 有较好的抗震性能。但， 由于木材本身强度并不高， 且长期直接 暴露在空气中很容易发生腐蚀， 由此会发生各种形式的损坏， 其 中最为典型的就是节点拔榫。拔榫不利于构架间的稳固连接， 降 低结构稳定性， 直接威胁到木结构的安全， 需及时予以加固。常 用的马口铁可以很好的增强节点与构架的刚度及强度，但由于 马口铁易腐蚀老化，若未能很好加固反而会对原结构本身造成 损坏。 而纤维增强复合塑料 FRP 也就此应运而生， 其具有的良好 热性能、抗腐蚀性能等优点已使其普遍应用于榫卯节点的加固 中。 1 试验概况 1.1 模型的制作 未加固构架、 马口铁加固构架及 CFRP 加固构架各 1 组。 构 架形式为 4 梁、 4 柱， 木材材料为红松， 梁柱连接形式为燕尾榫 卯节点形式。 模型比例为 1： 8； 额枋、 柱子及榫卯节点具体尺寸如 表 1 所示。 安装尺寸图如图 1 所示。 本次研究使用混凝土板模拟古建筑屋顶， 将混凝土板重量确 定为 1.03t， 取浮搁在住顶的安装方法。 尽量保证屋面板板底的粗 糙， 以此增强其与主顶间的摩擦力。为避免试验的过程中屋面板 倒塌， 应在板顶中部设置钢筋吊钩， 且柱子基础使用单向铰支座 形式， 保持铰转动方向与加载方向一致。 1.2 关于数据采集 本次试验中采用的数据采集装置有力传感器， 位移计 （W1 施工技术 54 与 建 材装 饰2015 年 2 月 构架 檐柱径 （D） 檐柱高 （H） 额枋长 （L） 额枋厚 （b） 额枋 高 （h） 燕尾 长 （l） 燕尾榫头 宽 （b1） 燕尾榫尾 宽 （b2） 斗口数670774.861/4D1/4D 原尺寸 （mm）105612320135528451056264264211 模型尺寸 （mm） 1321540169410513233 3326 表 1 模型尺寸表 （单位： mm） 图 1 模型安装尺寸示意图 图 2 数据采集装置 W4， WaWh） 以及变片 （Z1Z4） ， 力传感器测定构架外力， 位移计 测定节点转角及构架侧移， 应变片测定节点弯矩。 沿加载方向，将应变片布置在榫卯节点外侧的中部位置； 位 移计分两种： 量程 200mm （简称量 2） 共 4 个 （W1W4） ， 量程 100mm （简称量 1） 共 8 个 （WaWh） 。将量 2 避开应变片粘贴位 置， 布置于榫卯节点外侧。该位移计测定构架侧移， 将量 1 布置 于加载方向两根梁的上、 下两端， 并依据上下位移计的读数差获 取节点转交与拔榫量。采集装置布置尺寸与位置见图 2。 1.3 关于加固方案 1.3.1 马口铁 马口铁长度为 150mm， 端部直钩长度 50mm， 直径为 6mm， 图 2 （a） 所示与加载方向平行的两根梁与柱节点处为加固位置。 1.3.2 CFRP CFRP 厚度在 0.11mm， 使用碳纤维胶按照先包裹梁柱节点， 再竖向包裹梁的方法粘贴 1 层。CFRP 布尺寸及加固节点尺寸如 图 3 所示。 另外， 进行粘贴 CFRP 时应重点注意以下几点： 均匀涂刷碳 纤维胶， 不要留有气泡； 包裹之后应晾干， 实现 CFRP 与碳纤维胶 的完全粘结， 强度最大后才可开始试验。 1.4 关于加载方案 木结构的抗侧力有限， 对施力要求非常严格， 不允许使用初 始力较大的油泵加载。因此本次研究中使用手动加载装置， 装置 如图 4 所示。 手动加载方法的具体操作如下： 使用扳手拧动连接板外侧及 内侧螺母， 分别产生拉力与推力。 2 关于试验现象的分析 2.1 未加固模型 由平衡位置节点无拔榫状态开始， 当推拉 30mm 时并未发现 显著构架侧移； 当推拉 60mm 时， 有显著位移及拔榫发生； 当推拉 90mm 时， 有轻微吱吱声出现， 拔榫增强； 当推拉 150mm 时， 发生 大幅度的架构倾斜， 榫头开裂且脱落， 架构被破坏， 见图 5 （a） 。 2.2 马口铁加固模型 当推拉 30mm 时， 节点上端发生 5mm 拔榫、 下端挤紧； 继而 反向推拉， 使构架重回平衡位置， 在此推拉 30mm， 节点下段有 2mm 拔榫出现， 上端挤紧， 未发生显著倾斜。经平衡位置在此推 拉 60mm， 节点上端发生 8mm 拔榫， 下端挤紧； 反向外力， 推拉 60mm， 节点下端发生 5mm 拔榫， 上端挤紧； 同时随着构架侧移的 愈来愈大， 节点拔榫同时也在继续增加。当构架推拉 150mm 时， 在整个过程中构架的诸多位置都发出 “吱” 声， 节点咬合愈加紧 密， 且构架刚度进一步增强。 此时节点上端产生 23mm 拔榫， 但在 马口铁的作用下， 榫头并未完全脱离卯口。外向外力构架再被推 拉 150mm 后， 节点下端便有 20mm 拔榫发生。 当构架回到平衡位 置， 拔榫量为 5mm。榫头与卯口搭接长度并未发生明显变化， 确 保了构架的稳定性， 具体见图 5 （b） 。 2.3 CFRP 加固模型 推拉 30mm 时就已经稍有 “吱” 声发生， 表明 CFRP 一开始便 图 3 CFRP 加固榫卯节点尺寸 图 4 手动加载装置 施工技术 55 与 建 材装 饰2015 年 2 月 图 5 节点与构架照片 图 6 滞回曲线图 出现强度。推拉 60mm 及 90mm 时并未有 “吱” 声出现， 但是逐渐 随着侧移量的增大， 4 个节点也逐渐发生且发生持续的劈裂声音 （为 CFRP 撕裂或碳纤维脱离布的声音） ；推拉 150mm 时发生巨 大劈裂声音， 内侧 CFRP 并无外鼓问题发生， 表示 CFRP 外裹受 拉时发挥了作用。借助力传感器读数发现， CFRP 加固节点后所 予以的推力要比马口铁加固大，说明 CFRP 可有效增强节点刚 度， 见图 5 （c） 。 3 结 果 3.1 滞回曲线 在依据试验数据的基础上将构架加固前后的力-侧移滞回 曲线进行绘制， 具体如图 6 所示。其中， 未加固架构滞回曲线特 征包括以下几点： 淤呈 Z 形的滞回曲线。表明在受力时榫卯节点 出现了较大的滑移，同时伴随构架侧移的增强滑移量也逐渐增 强。于当构架侧移较小时， 曲线与 X 轴基本成重合状， 表明节点 耗能能力弱； 当构架侧移增强， 节点耗能能力随之增强； 当构架 侧移较大时， 滞回曲线的斜率也就逐渐变缓。盂构架滞回环相对 饱满， 表明构架具有很好的耗能性。 马口铁加固构架试验中，构架滞回曲线则呈 Z 与蝶形之间 的形状， 与未加固相比， 其滞回环面有所减小， 表示耗能能力弱。 当发生位移较小时，滞回环与 X 轴更为接近，构架恢复能力较 强。在构架侧移增强至 150mm 的过程中， 随着梁柱转角的增加， 马口铁受力愈来愈强，随之在恢复平衡位置时构架所需的反向 加载力也会逐渐增强， 更可显著看到马口铁的加固效果。 CFRP 架构滞回曲线呈蝶形， 滞回环面积虽然有所增强但不 及未加固时的滞回环饱满，表示 CFRP 虽然能提升架构节点刚 度， 但会使耗能能力下降。当位移增强至 150mm， 构架回复至平 衡位置， 曲线斜率随之变小， 保持与 X 轴的基本平衡， 在此阶段 CFRP 并未有较好的加固效果。 3.2 骨架曲线 采用马口铁及 CFRP 进行对榫卯节点的加固之后， 构架滞回 曲线的斜率与峰值便有了显著增强，且可见 CFRP 与马口铁比较 更为显著。 这也进一步表明， 马口铁与 CFRP 都可以增强构架的承 载力与刚度， 且 CFRP 的效果比马口铁要好。同时， 构架加固前后 的骨架曲线整体呈平缓态势， 具有良好的延性。具体如图 7 所示。 4 结 论 淤马口铁与未加固构架比较，可提升 0.3 倍左右的承载力， CFRP 则可提升 1 倍左右； 于采用马口铁与 CFRP 进行对榫卯节点 的加固之后， 构架耗能能力得到大幅度降低； 同时并未见显著的构 架刚度退化； 盂在构架加固前后， 都可见有较好的变形能力， 综上 所述， 本次研究中还有不足之处待以提高， 在今后试验中还需结合 斗拱等结构对古建筑木结构抗震受力的影响加以分析。 参考文献 1周 乾， 闫维明， 周锡元， 等.古建筑榫卯节点抗震性能试验J.振动、 测试 与诊断， 2011， 31 （