黏彈性阻尼器增強傳統(tǒng)木結構半榫節(jié)點試驗研究*

聶雅雯，陶 忠

(昆明理工大學建筑工程學院， 昆明 650500)

0 引言

云南省地處中國西南地區(qū)，由于少數(shù)民族集聚和風俗文化影響，依然存在大量的以榫卯連接作為主要連接形式的木結構建筑，其中以穿斗式最為常見。地震、泥石流等自然災害以及人為破壞等原因，傳統(tǒng)木結構榫卯節(jié)點在反復拉拔和擠壓作用下，榫頭和卯口變形嚴重，容易出現(xiàn)拔榫破壞，其中半榫節(jié)點破壞尤為突出；加之木材的干縮變形、蟲蛀、腐蝕等缺點，使得木材長時間使用后物理力學性能下降，其節(jié)點的承載力也隨之降低，所以在不改變榫卯節(jié)點工作機理的基礎上，通過在榫卯節(jié)點安裝黏彈性阻尼器增強傳統(tǒng)木結構榫卯節(jié)點性能具有現(xiàn)實意義。

近年來，對如何增強木結構梁-柱節(jié)點抗震性能的研究逐漸增多，潘毅等[1]使用扁鋼和阻尼器加固直榫節(jié)點，得出阻尼器對節(jié)點耗能能力的提升更為顯著。鄒爽等[2]設計出一種可運用在木結構民居中的阻尼器，并且通過低周疲勞試驗證明了該阻尼器變形能力好，耗能高，抗疲勞的特征。薛建陽等[3]對已經(jīng)受損的木結構燕尾榫節(jié)點使用CFRP進行加固，得出受損節(jié)點經(jīng)過CFRP加固后消能減震性能良好。但在木結構加固中，使用阻尼器加固的占比較小。因此如何采用阻尼器增強木結構建筑抗震性能成為研究重點。

為研究傳統(tǒng)木結構半榫節(jié)點在改變木材種類、改變榫卯間摩擦力大小以及是否安裝黏彈性阻尼器情況下的耗能能力，用松木和杉木制作了12個不同榫頭寬度的半榫節(jié)點試件，其中6個節(jié)點試件加裝黏彈性阻尼器，進行低周反復加載對比試驗，以此評價不同因素對節(jié)點抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 木材材性測定

木材是一種各向異性的生物質(zhì)材料，根據(jù)木紋方向分為橫紋和順紋方向，其中橫紋方向又有弦向和徑向的區(qū)別。按照規(guī)范[4-9]，分別對本文中所用松木、杉木各制作24個20mm×20mm×20mm標準試樣，按規(guī)范[4-9]要求測出其物理性能指標和力學性能指標，結果取其平均值，如表1、表2所示[10]。

松木和杉木物理性能指標 表1

松木和杉木力學性能指標 表2

1.2 黏彈性阻尼器

試驗中使用的黏彈性阻尼器形狀為扇形。A和B是兩塊半徑為150mm且一邊連有“L”形鋼材的厚5mm的Q235鋼板，兩塊鋼板間夾一塊半徑為150mm的丁基橡膠，用長螺桿螺栓通過“L”形鋼材上螺栓孔，將阻尼器固定到梁、柱相應位置，如圖1所示。地震作用時，固定在梁-柱節(jié)點上的鋼板發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，使其間的橡膠產(chǎn)生剪切變形，吸收地震能量[11]。

圖1 阻尼器構造示意圖

1.3 試驗設計及加載方案

為研究半榫節(jié)點在不同工況下的抗震性能，選取云南本地松木和杉木兩種常用木材，按照云南“一顆印”傳統(tǒng)穿斗式木構架做法，共制作了12個半榫節(jié)點足尺試件，其中6個節(jié)點為增強節(jié)點，即在梁-柱節(jié)點處安裝扇形黏彈性阻尼器。先前的研究發(fā)現(xiàn)，木結構榫卯節(jié)點主要通過滑動摩擦和嵌壓變形耗能，破壞時榫頭發(fā)生明顯的塑性變形，而卯口幾乎不會發(fā)生變形[12]，故本次試驗采用控制節(jié)點試件榫頭寬度的方法來改變榫卯間的摩擦力大小。節(jié)點試件制作過程中，除改變榫頭寬度尺寸(表3)外，其余尺寸均一致，圓柱尺寸為170×1 200(直徑×高)，梁尺寸為1 200×175×140(長×高×寬)，柱上卯口高175mm、寬48mm，榫頭截面高175mm、長85mm。各節(jié)點試件構造分別見圖2。

圖2 半榫節(jié)點試件構造圖

節(jié)點試件模型尺寸 表3

試驗裝置的柱腳及柱頂用兩個鋼制圓形套筒固定，設計成不可滑移的鉸接，并在柱腳鋼套筒外側固定兩個鋼制弧形連接件，防止試件在加載過程中發(fā)生平面外移動。通過千斤頂在木柱頂端施加10kN的豎向荷載?？紤]到半榫節(jié)點在很小的荷載下就會產(chǎn)生較大的位移，試驗采用梁端加載，由電液伺服作動器施加豎向反復荷載。采用位移控制加載，位移初始值Δ0=±10mm，每級位移增量為10mm，每級循環(huán)3次，位移最大幅值為±120mm。加載裝置和加載制度分別如圖3和圖4所示。

圖3 加載裝置

圖4 加載制度

位移計布置見圖3，在梁下側距柱邊315mm處布置位移計D1以測量梁的豎向位移，從而算出梁轉(zhuǎn)角；對于未安裝阻尼器的節(jié)點，在柱上距梁邊上、下側100mm處各布置位移計D2，D3，用來測量榫頭的拔榫量。為保證測量數(shù)據(jù)的準確性，節(jié)點安裝阻尼器后，將位移計D3向下移動180mm，阻尼器的安裝位置如圖5所示。

圖5 阻尼器安裝示意圖

2 試驗現(xiàn)象

2.1 未增強半榫節(jié)點試驗現(xiàn)象

寬松節(jié)點試件BS1-1和試件BS2-1的初始摩擦力相對較小，加載后期才聽到輕微的木材擠壓的“吱吱”聲，且加載位移增加時榫頭拔榫量隨之增大。在反復荷載作用下，節(jié)點的恢復能力較強，第八級加載結束時，杉木節(jié)點達到最大拔榫量，為13mm；加載結束后杉木節(jié)點的殘余拔榫量為5mm，松木節(jié)點殘余拔榫量為13mm，且杉木榫頭和卯口均完好，梁、柱基本無變形，見圖6(a)。由于松木半榫節(jié)點木材存在初始缺陷(梁和柱上均有輕微順紋裂縫)，加載結束后觀察到松木榫頭和榫頸上下側均有木材橫紋壓屈變形，且榫頭側面順紋撕裂，見圖6(b)。

圖6 半榫寬松節(jié)點試件破壞狀態(tài)

試件BS1-2，加載過程中沒有聽到木材擠壓發(fā)出的“吱吱”聲和纖維斷裂的聲音，加載初期拔榫量微小。加載結束后，殘余拔榫量為20mm，觀察到榫頸和端部有明顯的橫紋壓屈變形，榫頭端部還出現(xiàn)輕微的木材順紋撕裂，見圖7(a)中圈起的部分。試件BS2-2，加載初期開始出現(xiàn)木纖維斷裂聲，隨加載繼續(xù)，節(jié)點拔榫量接近每級2mm的線性增長，當加載位移達到80mm時，最大拔榫量為16mm，卯口上側的木材在加載位移達到100mm時出現(xiàn)順紋劈裂。加載結束后，該節(jié)點殘余拔榫量約為23mm，榫頸橫紋壓屈，見圖7(b)中圈起的部分。

圖7 半榫適中節(jié)點試件破壞狀態(tài)

試件BS1-3和試件BS2-3，由于榫頭和卯口接觸緊密，初始摩擦力大，加載初期榫頭轉(zhuǎn)動角度相對較大，發(fā)出明顯的“吱吱”聲；繼續(xù)加載，榫頭拔榫量越來越大，且難以恢復。松木節(jié)點加載位移達到30mm時，開始出現(xiàn)纖維斷裂聲。加載結束，杉木和松木節(jié)點卯口完好，榫頭殘余拔榫量分別為22mm和23mm，杉木榫頸上下側有輕微橫紋壓屈，且榫頸上側因擠壓摩擦變得光滑，見圖8(a)。松木榫頭上部木材橫紋壓屈、局部橫紋開裂，卯口外部上邊緣順紋劈裂，見圖8(b)中圈起的部分。兩節(jié)點梁、柱基本無變形。

圖8 半榫緊密節(jié)點試件破壞狀態(tài)

由于木材的順紋抗壓彈性模量遠大于橫紋抗壓彈性模量，榫頭和卯口在相互擠緊的過程中產(chǎn)生不均勻應力，榫頭塑性變形更加明顯。隨著殘余變形的累積，榫卯間有效接觸面積逐漸減小，榫頭開始從卯口內(nèi)拔出，直至結構變?yōu)闄C構而破壞。加載結束后殘余拔榫量從大到小排序依次為：寬松節(jié)點>適中節(jié)點>緊密節(jié)點。由于杉木與松木屬性的差別，加載過程中松木發(fā)出相對于杉木更大的“吱吱”聲；且松木硬度較大，故柱上卯口外側因梁撞擊留下的塑性壓痕較杉木淺。從試驗現(xiàn)象可以看出，半榫節(jié)點榫頭的破壞形式主要表現(xiàn)為榫頸處橫紋壓屈，節(jié)點破壞前有明顯的征兆，屬于延性破壞。

2.2 增強半榫節(jié)點試驗現(xiàn)象

各節(jié)點試件在加載位移達到20mm左右，均出現(xiàn)木材相互擠壓的聲音，加載位移達到40mm時出現(xiàn)木纖維斷裂的聲音，且緊密節(jié)點在加載位移達到60mm時，木纖維斷裂聲突然增大；加載過程中，榫頭拔榫量較小，但梁上固定阻尼器的螺栓隨著加載位移的增大開始拔出，其中緊密節(jié)點螺栓拔出最為明顯，當加載位移達到100mm時，試件ZBS2-3最外側第一根至第三根螺栓因螺帽脫落而破壞，見圖9(b)中圈起部分；加載結束后，杉木和松木節(jié)點試件梁上螺栓最大拔出量分別為30mm和40mm，但各節(jié)點榫頭殘余拔榫量均小于未增強節(jié)點；拆開節(jié)點試件后發(fā)現(xiàn)卯口外側柱表面上有塑性壓痕，寬松節(jié)點試件ZBS2-1壓痕相對最淺，見圖9(a)中圈起部分；各節(jié)點試件卯口內(nèi)部完好，節(jié)點梁、柱基本無變形。

圖9 加阻尼器后典型半榫節(jié)點試件破壞狀態(tài)

綜上，未增強半榫節(jié)點破壞形式為榫頭拔榫、榫頸橫紋壓屈、榫頭或卯口順紋開裂破壞，安裝阻尼器后的節(jié)點破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜诠潭ㄗ枘崞鞯穆菟ǖ拿撀淦茐摹Ｎ丛鰪姽?jié)點在加載初期就會出現(xiàn)拔榫現(xiàn)象，并伴隨著木纖維擠壓和斷裂的聲音，增強后節(jié)點榫頭塑性變形和殘余拔榫量明顯減小，卯口外側梁沖擊留下的塑性壓痕較淺甚至沒有，且在加載位移達到100mm左右時，用于固定的阻尼器螺栓才大量拔出。

3 結果分析

3.1 滯回特性對比

圖10為半榫節(jié)點試件的滯回曲線對比圖。從圖10中可看出，未安裝阻尼器的滯回曲線形狀均呈反“Z”形，且捏攏效應明顯，表明節(jié)點在加載過程中存在大量滑移。其中寬松節(jié)點由于加載初期需要克服榫卯間初始間隙，導致滯回曲線滑移比較明顯。從滯回環(huán)面積來看，在加載前期，隨著加載位移不斷增大，各節(jié)點滯回環(huán)的面積逐漸擴大，說明節(jié)點耗能能力逐漸增強。進入塑性階段后，滑移現(xiàn)象更加明顯，特別緊密節(jié)點加載后期滯回曲線斜率迅速下降，可見節(jié)點發(fā)生了不可恢復的拔榫破壞；從節(jié)點滯回環(huán)面積上來看，杉木節(jié)點滯回環(huán)面積明顯小于松木節(jié)點滯回環(huán)面積，說明松木半榫節(jié)點有更好的耗能能力；且緊密節(jié)點滯回環(huán)面積最大，說明改變半榫節(jié)點榫卯間間隙會影響節(jié)點的耗能能力。

圖10 半榫節(jié)點試件M-θ滯回曲線對比圖

從圖10中可看出，安裝阻尼器后的6個試件滯回曲線依然呈反“Z”形，也存在捏縮效應，但試件的滑移現(xiàn)象明顯減弱。安裝阻尼器后的6個試件在加載初期滯回曲線斜率和加載后期節(jié)點彎矩較未安裝阻尼器時更大，對于松木緊密節(jié)點試件BS2-3，安裝阻尼器后，其負向加載時極限彎矩從1.25kN·m增加到4.0kN·m，滯回曲線也更加飽滿，說明安裝黏彈性阻尼器后，半榫節(jié)點的剛度、節(jié)點承載力和耗能能力都顯著增強。

安裝阻尼器后試件滯回曲線不再關于原點對稱，同級加載位移下，節(jié)點正向滯回環(huán)面積明顯小于負向滯回環(huán)面積，說明在梁-柱節(jié)點下方安裝阻尼器能提高節(jié)點耗能能力，且對負向加載時的提高更加顯著。

3.2 骨架曲線對比

圖11為半榫節(jié)點試件骨架曲線對比圖。從圖11(a)可看出,未安裝阻尼器時，摩擦力相同的松木節(jié)點骨架曲線的斜率大于杉木節(jié)點，且極限彎矩是杉木的2倍以上，說明松木有更大的橫紋抗壓彈性模量；三類緊密程度不同的榫卯節(jié)點骨架曲線斜率從高到低依次是：緊密節(jié)點>適中節(jié)點>寬松節(jié)點，可見緊密節(jié)點在試驗中表現(xiàn)出更優(yōu)的剛度和極限承載力，但緊密節(jié)點屈服較早(松木半榫緊密節(jié)點在轉(zhuǎn)角0.02rad就開始屈服)，且骨架曲線出現(xiàn)明顯下降段，這是因為加載后期榫頭拔榫量過大且難以恢復，導致緊密節(jié)點后期承載力下降；寬松節(jié)點由于榫卯間存在間隙，其骨架曲線斜率最小。半榫節(jié)點骨架曲線有較大差異，再次說明半榫節(jié)點榫卯間摩擦力大小對節(jié)點耗能能力有較大影響。

圖11 半榫節(jié)點試件骨架曲線對比圖

從圖11(b)可看出,安裝阻尼器后各節(jié)點骨架曲線斜率增加，且同類型節(jié)點骨架曲線斜率幾乎相等，說明增強后各節(jié)點的剛度有所增加。負向加載時，轉(zhuǎn)角增加到0.1rad以后各節(jié)點骨架曲線斜率開始減小，達到極限彎矩后進入破壞階段；松木半榫緊密節(jié)點沒有出現(xiàn)明確的屈服過程，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。正向加載時，由于加載裝置限制，各節(jié)點骨架曲線均未出現(xiàn)明顯下降段，但試件極限彎矩相比于未增強節(jié)點均有所增加，且比未增強節(jié)點推遲進入屈服階段，其中試件ZBS1-1負向極限承載力提高了5倍。

3.3 剛度退化曲線對比

圖12為半榫節(jié)點試件剛度退化曲線對比圖。從圖12(a)可看出，各半榫節(jié)點的初始剛度很大，正、負向加載時剛度曲線非對稱，并隨著轉(zhuǎn)角的增大而減小，且在加載初期剛度退化幅度較大，而加載后期最小剛度趨近于零。各節(jié)點剛度從大到小依次為：緊密節(jié)點>適中節(jié)點>寬松節(jié)點，說明節(jié)點榫卯間摩擦力不同，對半榫節(jié)點剛度變化有較大影響。

圖12 半榫節(jié)點試件剛度退化曲線對比圖

從圖12(b)可以看出，安裝阻尼器后，各節(jié)點初始剛度明顯增大，且加載結束后各節(jié)點的最小剛度值也顯著提高。由于阻尼器安裝在梁下方，節(jié)點負向剛度提高明顯，且提高效果最好的是寬松節(jié)點，其次是適中節(jié)點。負向加載時，寬松節(jié)點剛度先增加后減小，經(jīng)分析認為是榫卯間存在初始間隙，較小轉(zhuǎn)角下榫頭便產(chǎn)生拔榫，阻尼器在加載初期就發(fā)揮作用所致；適中節(jié)點和緊密節(jié)點剛度先減小后增大，經(jīng)分析認為是在榫卯間接觸緊密，榫頭在梁轉(zhuǎn)角較大時才開始拔榫，阻尼器在加載后期才發(fā)揮作用所致；說明此新型阻尼器能彌補節(jié)點缺陷，減小節(jié)點破壞率，增強節(jié)點承載能力。

3.4 耗能能力對比

試驗采用等效黏滯阻尼系數(shù)he[13]來評價各榫卯節(jié)點在低周反復荷載下的耗能能力，即選取節(jié)點滯回曲線的特征滯回環(huán)與理想狀態(tài)下彈性體滯回環(huán)面積比的1/2π，以求得等效黏滯阻尼系數(shù)he。圖13為等效黏滯阻尼系數(shù)計算示意圖。等效黏滯阻尼系數(shù)he按式(1)計算：

(1)

式中：SAFBE為圖13中AFBE滯回環(huán)面積；SΔOCE+SΔODF為圖13中三角形OCE和ODF面積之和。

圖13 等效黏滯阻尼系數(shù)計算示意圖

圖14為半榫節(jié)點試件等效黏滯阻尼系數(shù)對比圖。從圖14(a)中可看出，未安裝阻尼器的松木半榫節(jié)點表現(xiàn)出如下特點：緊密節(jié)點耗能能力最強，適中節(jié)點次之，寬松節(jié)點耗能能力最弱。寬松節(jié)點在加載初期需要克服榫卯間初始間隙，由此產(chǎn)生較大摩擦力，等效黏滯阻尼系數(shù)he在加載初期迅速上升，隨加載繼續(xù)，節(jié)點進入塑性變形階段，等效黏滯阻尼系數(shù)he下降并趨于平緩。適中節(jié)點和緊密節(jié)點開始加載時，榫卯間接觸緊密，榫頭產(chǎn)生較大擠壓變形，此時等效黏滯阻尼系數(shù)he最大；隨加載繼續(xù)，木材被壓密實，榫卯間相互擠密產(chǎn)生嵌壓行為，塑性變形開始發(fā)揮主要耗能作用，等效黏滯阻尼系數(shù)he迅速下降并趨于平緩；加載后期，節(jié)點榫卯間縫隙變大，以摩擦力耗能為主，因而等效黏滯阻尼系數(shù)he又呈上升趨勢。由此說明寬松節(jié)點加載前期主要靠榫卯間的滑動摩擦力耗能，適中節(jié)點和緊密節(jié)點加載前期主要靠木材擠壓變形耗能，而加載后期主要靠榫卯間摩擦力耗能。

圖14 半榫節(jié)點試件等效黏滯阻尼系數(shù)對比圖

從圖14(b)中可看出，安裝阻尼器后各節(jié)點的等效黏滯阻尼系數(shù)he均有所降低，這是由于所安裝的阻尼器是速度相關型，在擬靜力低速加載時，節(jié)點耗能能力的提升速率小于節(jié)點剛度的提升速率，因此在節(jié)點安裝黏彈性阻尼器后節(jié)點的等效黏滯阻尼系數(shù)he略有降低。但通過在木結構框架的梁-柱節(jié)點處安裝阻尼器，使結構幾何可變體系變?yōu)閹缀尾蛔凅w系，從而增加結構的整體穩(wěn)定性；同時增加了節(jié)點剛度，減小了節(jié)點變形，從而避免榫卯節(jié)點在強震下出現(xiàn)拔榫破壞，節(jié)點的承載能力得到增強。

為了更加直觀地分析半榫節(jié)點的耗能能力，本文采用累積耗能作為評價指標。節(jié)點試件在正、負加載循環(huán)中，加載時吸收能量和卸載時釋放能量的差值即為一個滯回環(huán)的面積，每個工況的滯回面積之和即為節(jié)點的累積耗能，各節(jié)點的累積耗能如表4所示。從表4可知，松木節(jié)點比杉木節(jié)點有更好的耗能能力，且緊密節(jié)點耗能最大，適中節(jié)點次之，寬松節(jié)點耗能最??；安裝阻尼器后各節(jié)點滯回環(huán)面積更大，耗能能力提高顯著，其中松木寬松節(jié)點提高最為明顯，提高達266.02%。再次說明榫卯間摩擦力大小對半榫節(jié)點耗能能力有較大影響，且安裝阻尼器能顯著提高節(jié)點的耗能性能。

杉木和松木半榫節(jié)點累積耗能對比 表4

4 結論

通過對半榫節(jié)點在不同木材、不同榫頭寬度以及是否加阻尼器的試驗及分析，得出以下結論：

(1)未安裝阻尼器的半榫節(jié)點破壞類型主要有榫頭拔榫破環(huán)、榫頸和榫頭橫紋壓屈變形，適中節(jié)點和寬松節(jié)點榫頭自復位能力較強，加載結束后殘余拔榫量較小。安裝阻尼器后的節(jié)點殘余拔榫量減小，且破壞主要是因為梁端固定阻尼器的螺栓脫落破壞。

(2)未安裝阻尼器的各節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線均呈反“Z”形，捏縮效應明顯，其中寬松節(jié)點有比較明顯的滑移現(xiàn)象；滯回環(huán)面積從大到小排序依次為：松木>杉木、緊密節(jié)點>適中節(jié)點>寬松節(jié)點，說明半榫節(jié)點耗能主要依賴于摩擦。安裝阻尼器后各節(jié)點的滯回環(huán)更加飽滿，滑移現(xiàn)象減弱，極限彎矩值增大。

(3)未安裝阻尼器的半榫節(jié)點骨架曲線斜率差異較大，其中松木節(jié)點的極限彎矩是杉木的2倍以上，表現(xiàn)出更好的承載力。安裝阻尼器后的各節(jié)點骨架曲線斜率趨向一致，節(jié)點的極限彎矩提升明顯，且正向加載時各節(jié)點骨架曲線均無下降段，且推遲進入屈服階段。

(4)未安裝阻尼器的節(jié)點榫頭寬度變化對節(jié)點初始剛度影響較大，加載后期各節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度普遍趨于一致；轉(zhuǎn)動剛度從大到小排序依次為：松木>杉木，緊密節(jié)點>適中節(jié)點>寬松節(jié)點。安裝阻尼器后各節(jié)點初始剛度和負向轉(zhuǎn)動剛度顯著提高，寬松節(jié)點負向剛度提高最明顯。

(5)半榫節(jié)點主要依靠榫卯間摩擦力和榫頭嵌壓變形耗能，安裝阻尼器前后的節(jié)點表現(xiàn)出緊密節(jié)點耗能能力最強，適中節(jié)點次之，寬松節(jié)點耗能能力最弱，且松木耗能能力比杉木強的特點。安裝阻尼器后各節(jié)點的耗能能力顯著提高。