扁钢加固古建筑木结构残损节点的性能分析与设计方法.pdf

第 47 卷第 5 期 西安建筑科技大学学报 （自然科学版） Vol. 47 No.5 2015 年 10 月 J.Xian Univ. of Arch. 2. Shaanxi Institute of Architecture Science, Xi′an 710082, China AbstractBased on the strengthening , failure mode and test results of damaged mortise-tenon joints of ancient timber structure strengthened with flat steel, analysis on the mechanical property of the damaged mortise-tenon joints strengthened with flat steel is carried out, and the calculation ulas for flexural capacity are put forward. Also, the reasonable reinforcement design recommendations are given, which would provide theoretical basis for the repairs of the ancient timber structures. Key words ancient timber structure; damaged mortise-tenon joints; failure mode; flexural bearing capacity; design recommenda- tions 对于建筑结构来讲，节点的重要性是毋庸置疑 的，一方面节点是连接柱、梁等承重构件的枢纽、 起着传递和分配外部荷载的重要作用，另一方面节 点是协调各构件间变形并保证结构整体性能得到 充分发挥的建筑结构的重要组成部分[1]．节点破坏 常导致建筑物产生较大变形甚至发生结构整体倒 塌．因此，确保节点功能的正常发挥对于建筑结构 具有重要的意义．中国木结构古建筑作为已经存在 了千百余载的文物建筑，在历史长河中经历了震灾、 风灾等自然灾害以及战争、人为破坏等因素，结构 产生了不同程度的破损，而节点尤为严重．这是由 于节点在强烈地震作用下，卯口在榫头反复拔出和 挤压作用下逐渐变宽甚至劈裂，由此导致节点松动， 承载力下降；同时，随着使用年限的增加，木材本 身的天然缺陷如裂纹、斜纹等逐渐发展及老化、 腐朽、虫蛀等自然病变导致木材物理性能不断劣化， 使得结构榫卯节点处于松动状态，由此导致节点刚 度减小、承载力下降、容易拔榫等严重残损行为， 当节点破损到一定程度时，其力学性能难以满足规 范的各项性能指标．鉴于此，对残损节点进行加固 十分必要[2]． 目前，建筑领域加固材料层出不穷，如碳纤维 布、钢绞线网片、芳纶纤维、扁钢等．其中扁钢以 其体积小、延性好、强度高的优点正逐渐推广到古 建筑木结构加固领域．当前将扁钢应用到古建筑木 结构残损节点的研究在国内尚属于起步阶段，多是 以试验研究为主[3-5]，缺乏相应的加固设计理论， 1993 年颁布的 古建筑木结构维护与加固技术规范 GB 50165-1992[6]亦未对残损节点加固修复设计提 出相应的理论计算方法，古建筑木结构残损节点面 临着加固设计理论方法严重滞后于实际工程应用 的窘境[7]，因此对古建筑木结构残损节点的相应加 固设计理论的研究成为文物建筑亟待解决的问 题．鉴于此，本文基于扁钢加固木结构残损节点试 验所获得的节点受力破坏机理及相应力学行为，推 导出扁钢加固木结构残损节点的抗弯承载力计算 622 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报（自然科学版） 第 47 卷 公式，同时对古建筑木结构残损节点的加固提出设 计建议，以便为后期木结构残损节点的维修加固提 供理论依据． 1 铁件加固残损节点的破坏形态 1.1 铁件加固残损榫卯节点的方法 为满足木结构残损节点抗弯承载力要求并保 证其具有良好的延性，选用具有较高抗拉强度、较 强变形能力的钢材对残损节点进行加固，可采用扁 钢 （如图1所示， 一般厚度3mm4d a4d 15d 取插入值 25d 15d 4d 3d 4d （3）扁钢长度 L 的计算 木结构设计规范GB50005-2003给出了几 种螺钉的排列方式，主要有错列、齐列、斜列，如 图 9 所示．最小间距应符合表 1 的要求． 若选用单排螺钉，则  10 1Lnss （3） 若选用双排齐列螺钉，则  10 1 2 n Lss   （4） 图图 9 螺钉连接的布置图螺钉连接的布置图 Fig.9 Layout of the nail connection （4）螺钉个数的计算 依据钢结构设计规范GB50017-2003 ，对 于普通螺钉在受剪连接中，其受剪承载力设计值为 其主要验算内容，其受剪承载力按下式计算 2 4 bb vv d Nf   （5） 式中 b v N、 b v f、d分别表示螺栓连接每一受剪面 的抗剪承载力设计值、螺栓抗剪强度设计值、螺栓 的直径．则，螺栓的个数 n 为 b v ssy N th N N n b v   （ 6 ） 式中，N 为极限状态时加固扁钢所受的轴向力．按 照 木结构设计规范 GB50005-2003规定2n≥， 且取整数． 在轴向力作用下，U 型扁钢加固木结构残损榫 卯节点起固定作用的螺钉沿着额枋的有效连接长 度l1大于一定数值时， 各螺钉将会出现两端受力大、 中间受力小的受力不均匀状况，从而导致两端螺钉 最先可能发生破坏，后逐次向中间受力较小的螺钉 发展．因此钢结构设计规范GB50017-2003规 第 5 期 薛建阳,等 扁钢加固古建筑木结构残损节点的性能分析与设计方法 625 定 当 l1≥60d 时， 螺钉承载力设计值应进行折减， 折减系数为 0.7． （5）螺钉的直径d和长度l 螺钉的长度和直径是影响其抗拔承载力的重 要因素，因此，为防止螺钉在受力过程中被拔出， 建议螺钉的长度不应小于 12d． （6）其它构造措施及注意事项 为了避免扁钢加固榫卯节点靠近卯口处的扁 钢掀起破坏，在加固额枋的两端各加一道环箍扁钢； 为提高加固用 U 型扁钢的耐久性， 可涂抹一层防锈 油漆；加固节点之前，需要在待加固节点的额枋及 柱上进行预钻孔，否则很容易造成额枋或柱的开裂． 3.3 扁钢加固设计尚应继续考虑的几个方面 扁钢加固榫卯节点的设计计算理论应在以下 几个方面继续深入考虑 1 二次受力性能的影响； 2 不同残损程度以及不同残损状态对加固节 点受力 性能和力的分配的影响； 3 扁钢加固带有正交额枋榫卯节点抗弯承载 力的影响． 4 结论结论 基于扁钢加固残损榫卯节点的破坏形态及加 固方式，对扁钢加固残损节点的受力性能进行分析， 提出了扁钢加固残损榫卯节点的加固设计方法，得 出以下结论 （1）铁件加固残损榫卯节点一般不会发生铁 件断裂破坏，马口铁加固残损节点的破坏形态一般 为木材局部挤压和马口铁的拔出；弧形钢板加固残 损节点的破坏形态主要为弧形钢板螺钉的拔出；扁 钢加固残损节点的主要破坏形态为嵌固扁钢的螺 钉个别被拔出； （2）结合理论分析，并考虑结构的可靠度以 及安全储备， 提出了 U 型扁钢加固古建筑木结构残 损榫卯节点的抗弯承载力计算公式，并对实际工程 的修缮加固提出了设计建议． 参考文献 References [1] 胡克旭，张鹏，刘春浩. 新型材料加固钢筋混凝土框架 节点的抗震试验研究[J]. 土木工程学报, 2010,43S1 447-451. HU Kexu, ZHANG Peng, LIU Chunhao. Seismic testing study on RC joints strengthened by new concrete material [J].China Civil Engineering Journal, 2010, 43s1447-451. [2] 吴波，王维俊. 碳纤维布加固钢筋混凝土框架节点的抗 震性能试验研究[J]. 土木工程学报，2005,38460-65. WU Bo, WANG Weijun. An Experimental Study on The Seismic Behavior of Beam-column Joints Strengthened with Carbon Fiber sheets [J]. China Civil Engineering journal, 2005, 38460-65. [3] 谢启芳. 中国木结构古建筑加固的试验研究及理论分析 [D]. 西安西安建筑科技大学，2007. XIE Qifang. Experimental Study and Theoretical Analysis on Strengthening for Chinese Ancient Timber Buildings [D]. Xi‘an Xi‘an University of Architecture and Technol- ogy, 2007. [4] 姚侃，赵鸿铁，薛建阳，等. 古建木结构榫卯连接的扁 钢加固试验[J]. 哈尔滨工业大学学报，2009，41（10） 220-224. YAO Kan, ZHAO Hongtie, XUE Jianyang et al. Experi- mental studies on seismic characteristic of strengthened[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2009, 4110220-224. [5] 陆伟东，邓大利. 木结构榫卯节点抗震性能及其加固试 验研究[J]. 地震工程与工程振动， 2012， 32 （3） 109-116. LU Weidong, DENG Dali. Experimental Research on Seismic Perance of Wooden Mortise-ten on Joints Before and After Reinforcement [J]. Earthquake Engineer- ing and Engineering Vibration,2012，323109-116. [6] GB50165-92 古建筑木结构维护与加固技术规范[S]. 北 京中国建筑工业出版社，1992. GB50165-92 Technical code for maintenance and streng- thening for Ancient timber buildings [S]. Beijing China Architecture Building Press, 1992. [7] 胡大柱，李国强，孙飞飞，等. 半刚性连接组合框架地 震反应分析[J]. 工程抗震与加固改造，2007，29（1） 19-25. HU Dazhu, Li Guoqiang, SUN Feifei , et al. Seismic re- sponse analysis of semi- rigidly connected composite frames [J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofit- ting, 2007, 29119-25 （编辑 沈波）