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引言
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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。经过不断的发展和演变，不同时期对木结构古建筑各组成部分的构造、尺度等都有相对成熟的规定，如宋代的《营造法式》，清代的《工程做法则例》和成书于民国时期的《营造法原》等等。以上不同时期工程做法之间既有继承，又有发展，体现了安全与美观的结合。但由于科技水平的限制，对于各种结构做法，并没有一个从现代力学角度出发的科学阐释。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［1］。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、框架或者钢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［2 －5］。
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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［6 －9］，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。 近20年来，工程结构和力学专家结合对具体古建筑的抢修工程，将现代试验检测方法，力学理论和数值分析方法引入到木结构古建筑研究中，开展榫卯节点力学行为和结构抗震性能分析，使古建筑结构研究进入了一个新的阶段。本文将对中国古代建筑榫卯节点抗震性能研究进展情况进行梳理，并对其未来的发展方向进行讨论。 1
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
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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 (a) 所示；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1 (b) 所示。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［10 －12］。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。
图1两种典型的榫卯节点示意图
榫卯节点的滞回曲线特征
高大峰和赵鸿铁等［13 －14］较早通过对宋式木构架1：3. 52缩尺模型的水平反复加载试验，研究了燕尾榫节点的受力特征和工作机制，认为榫卯节点的破坏特征表现为榫卯间的相互挤压变形使榫头和卯口间的咬合作用削弱，最终导致榫头从卯口中拔出而使结构丧失承载能力。在整个加载过程中，节点对梁柱构件的约束较弱，因而整个构架变形主要表现
为节点的转动，外观上看不出明显的梁柱轴线弯曲变形。
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姚侃等［15］和赵鸿铁等［16 －17］对直榫和燕尾榫节点进行拟静力试验，获取了典型榫卯节点的滞回曲线 (见图2) ，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。随着构架侧移增大，榫头与卯口相对转角增大，榫卯连接被挤紧而密合，节点耗能能力增强，木构架在屈服前的弹性阶段，滞回环形状外鼓，曲线基本为直线，此时构架承载力由榫卯节点提供。随着控制侧移继续增大，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，表明榫卯刚度有所降低。
图 2 典型的榫卯节点滞回曲线
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榫卯连接的弯矩- 转角滞回曲线大致为反“Z”型，具有明显的“捏拢”效应。整个阶段的变形过程表现出明显的变刚度特征，其刚度变化过程为：初始弹性阶段，表现为较大刚度；变形增加阶段，滞回曲线的斜率降低较快，刚度退化明显，而且发展速度很快；破坏阶段，节点失去抵抗弯矩能力而破坏。在变形过程中，榫卯之间在受力过程中发生了较大的剪切变
形和滑移变形，且滑移量随位移幅值的增加而增大［18 －20］。
徐明刚等［21］、李佳伟等［22］以半榫、透榫和燕尾榫为对象，通过对比不同榫卯节点的最大转动刚度及弯矩值，得出如下结论：对于同一种榫卯节点，榫头越长其抗弯承载力越强；节点抗弯强度：透榫> 燕尾榫> 半榫；节点残余强度：透榫> 燕尾榫> 半榫。
周乾等［23 －24］发现当构架达到控制位移时卸载，变形并不能恢复，必须反向加载才能实现，这说明榫卯节点的恢复力较小，构架的塑性变形需要外力恢复。
各课题组获取的滞回曲线环的均表现出了比较饱满的特征，尤其是屈服以后面积扩大很快，表明试件能量耗散较大，其原因在于由于构架侧移增大时，榫卯之间产生较大的滑移摩擦，同时又是一个榫卯挤紧而产生塑性变形的过程，表现出较好的耗能能力。
文献[23]采用计算相对变形的办法表征节点延性，得出榫卯节点的相对变形值介于0. 462 ~0. 567之间，均值为0. 505，远大于反映混凝土结构延性的节点的相对变形值，反映了榫卯节点有较好的变形能力和延性。但是由于木材个性异性，以及加工误差等原因，计算结果有较大的离散性。
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榫卯节点的恢复力模型
恢复力模型是根据大量从试验中获得的恢复力与变形的关系曲线经适当抽象和简化而得到的实用数学模型，是结构抗震性能在结构弹塑性地震反应分析中的具体体现［25 －26］。
文献[15]根据骨架曲线的变刚度特性和卸载阶段的滑移特性构造出恢复力模型。该模型从总体上划分为加载、卸载和再加载3个阶段。加载阶段节点的恢复力特性可用三折线表征，分别代表榫卯挤紧的初始滑移段，挤紧后至屈服的强化段，和屈服后的极限荷载的第3阶段 (见图3) 。各段刚度间的关系为K2= 4H137K2，K2= 0. 407K2。卸载阶段为斜率等于K2的斜直线，每历经一个加载过程之后再加载时滑移量增加，但榫卯再次挤紧，刚度在加强后会沿与K2斜率平行的方向发展。再加载阶段以某方向卸载至弯矩为零时的残余变形为起点向反方向加载，与上一个循环的最高点直线相连。如果该点超过屈服点，则与此特征点相连，再沿骨架曲线前进。
图3榫卯节点恢复力模型1
文献[2]分析认为，在地震持续反复作用之下，榫卯节点主要表现为滑移变形、弹塑性变形，
榫、卯连接松动、柔性化，卯口劈裂，以至于脱卯等基本破坏特征，并据此将榫卯节点的加载过程细分为滑移阶段，弹性阶段，塑性发展阶段和破坏阶段四个阶段，构造了恢复力模型 (见图4) 。
图4榫卯节点恢复力模型2
文献[21 -22]将加载过程划分为榫卯有松弛开始挤紧阶段，榫卯之间相互滑移耗能阶段和榫卯节点由屈服阶段进入极限阶段，并认为在卸载后变形恢复到0的过程中，节点弯矩亦可恢复到零，构建了恢复力模型 (见图5) 。基于对试验数据分析，模型中各刚度取值为K1= 3. 602 ( kN·m) / rad，K2= 5. 755 ( kN·m) / rad，K3= 1. 781 ( kN·m) / rad。
图5榫卯节点恢复力模型3
赵鸿铁等［16 －17］和隋龑等［20］认为初始加载时节点不会产生滑移现象，只有在经过初始加载以后，节点发生松动，才会产生滑移- 挤紧的过程，同时考虑到节点卸载后有抵抗负弯矩的能力，构造出了恢复力模型 (见图6) ，该恢复力模型可表示为：
图6榫卯节点恢复力模型4
根据该模型特征，划分不同阶段的刚度分别为初始连接刚度K1，滑移退化后刚度K2，卸载刚度K3和K4卸载滑移刚度根据试验结果，K4可近似取为0，考虑到燕尾榫和透榫的差异，不同形式榫卯节点其它各阶段刚度分别按照表1取值。
对于加载阶段的M - θ 关系，文献[16 - 17]还分别针对燕尾榫节点和透榫节点试验结果，拟合出S形M - θ 关系曲线。
表 1 节点特征刚度取值
kN·m·rad－ 1
式中，M为节点弯矩，θ 为节点转角，R为相关系数，其中M =1. 4kNm和M = -1. 09kNm是曲线的上下渐近线。以上拟合公式符合榫卯节点的刚度增加和退化规律，并能较好的反映榫卯节点的转动刚度特性。
此外，淳庆以南方典型榫卯节点 (燕尾榫、十字箍头榫、半榫、馒头榫) 为目标，提出了考虑节点刚度退化阶段的简化三折线模型 (见图7) ，并计算了各阶段特征刚度［27］。
图 7 榫卯节点骨架曲线
以上恢复力模型，只能笼统的描述古木结构榫卯半刚性连接特性，不能描述榫卯尺寸等因素的影响，具有一定的局限性。杨艳华等利用最小二乘法对试验数据进行处理，得出榫头尺寸及卯孔对刚度影响的规律，建立了4参数幂函数弯矩- 转角的相关曲线模型［28］：
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