張錫成，韓乙楠，邱智豪，吳晨偉，胡成明，齊振東

(1. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實驗室，西安 710055)

古建木構(gòu)是我國古代建筑的主體，約占全部古建筑的70%以上[1]。榫卯連接是古建木構(gòu)中基本連接形式之一，地震作用下通過榫頭與卯口相互摩擦擠壓抵抗轉(zhuǎn)動彎矩，同時耗散部分地震能量。由于側(cè)向力作用下榫卯節(jié)點(diǎn)常常早于梁柱等構(gòu)件產(chǎn)生損壞[2]，因此節(jié)點(diǎn)性能是影響結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素。隨著結(jié)構(gòu)服役時間的增加，木材力學(xué)性能發(fā)生退化，榫頭累積塑性變形致使節(jié)點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生間隙，進(jìn)而降低節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動性能[3]。因此，提出合適的榫卯節(jié)點(diǎn)加固措施具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者對木質(zhì)榫卯連接的受力機(jī)理及其加固措施開展了系統(tǒng)研究。西安建筑科技大學(xué)謝啟芳等[4]通過試驗研究揭示了榫卯節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動大、變形大和耗能小的半剛性特性以及碳纖維布和扁鋼對榫卯節(jié)點(diǎn)的剛度、強(qiáng)度和延性的提升作用。張富文等[5]通過對采用三種不同支撐榫卯連接木框架的試驗研究，得到了各支撐方法下木框架的抗震性能指標(biāo)。ZHOU 等[6]采用扒釘、鋼構(gòu)件和CFRP 分別加固古建筑木構(gòu)架榫卯節(jié)點(diǎn)，研究結(jié)果表明：三種材料雖能提高節(jié)點(diǎn)承載力和剛度，改善剛度退化，但節(jié)點(diǎn)耗能能力卻未有明顯改善。陸偉東等[7]提出弧形耗能器及角鋼加固榫卯節(jié)點(diǎn)木構(gòu)架的方法，試驗表明：角鋼可有效提高榫卯節(jié)點(diǎn)的剛度，但耗能效果不明顯；弧形耗能器具有較好的耗能性能，但僅單向耗能。SONG 等[8]通過自攻螺絲加固震損榫卯節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)自攻螺絲可以大幅度提高其變形能力，并有效防止拔榫破壞，但不能顯著提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度和耗能能力。歐美國家的木結(jié)構(gòu)梁柱連接形式則以螺栓和銷釘為主，通過對不同連接形式下節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能的研究[9]也可表明這些加固措施均對木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能起到增強(qiáng)的作用。

綜上所述，常規(guī)加固方法雖能提高榫卯節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度，但不能顯著改善榫卯節(jié)點(diǎn)的耗能性能。現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中，常采用附加阻尼器來提高整體結(jié)構(gòu)或單個構(gòu)件的耗能能力[10]。近年來，阻尼器在世界范圍內(nèi)都有了廣泛的研究[11-13]并建立了相應(yīng)的恢復(fù)力模型和設(shè)計方法，同時已經(jīng)開始在新建工程和即有建筑的抗震加固改造中應(yīng)用了摩擦阻尼器[14-15]。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，基于古建木構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動大、變形大的變形特征，設(shè)計并制作了一種以摩擦片為核心的位移放大型摩擦阻尼器，以提高其耗能效果。設(shè)計制作了4 組單向直榫節(jié)點(diǎn)足尺模型，對1 組未設(shè)置阻尼器和3 組設(shè)置阻尼器的試件進(jìn)行了擬靜力試驗，得到并對比分析了節(jié)點(diǎn)加固前后的抗震性能，為古建木構(gòu)的修繕保護(hù)提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件的設(shè)計與制作

根據(jù)宋代《營造法式》[16]中的做法及尺寸規(guī)定，制作了4 組八等材足尺單向直榫節(jié)點(diǎn)模型，每組模型各1 個試件，構(gòu)件尺寸見圖1。4 組模型中其中1 組模型為未安裝摩擦阻尼器的參照組，其余3 組模型均安裝了摩擦阻尼器，并分別設(shè)置了不同的螺桿預(yù)拉應(yīng)變作為其控制參數(shù)。

圖1 榫卯節(jié)點(diǎn)模型尺寸 /mmFig. 1 Sketch of mortise-tenon joints model

1.2 轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器的設(shè)計與制作

阻尼器主體由鋼部件拼裝而成，包括柱端連接件、摩擦片、枋端連接件和預(yù)應(yīng)力螺桿。連接件的鋼材采用Q235B 級鋼；螺桿采用4.4 級M20螺栓，為摩擦片提供正壓力；摩擦片采用鐵基復(fù)合材料預(yù)制成型。所有部件通過螺栓相互連接成整體，其組件和安裝如圖2 所示。

圖2 摩擦阻尼器的組件及安裝示意圖Fig. 2 Schematic diagram of components and installation of friction damper

阻尼器安裝到榫卯節(jié)點(diǎn)后，與L 形榫卯節(jié)點(diǎn)形成一個封閉的矩形。為保護(hù)古建筑本體，應(yīng)盡量避免在木構(gòu)件開孔，因此采用柱端抱箍及枋端抱箍的方式將阻尼器固定于柱和枋之間。在柱端抱箍的C 形槽中并排放置了三片柱端連接件，并用螺栓固定；取兩片中間連接件與柱端連接件交錯放置；在中間連接件及柱端連接件處開葫蘆型孔洞并放入摩擦片，葫蘆形的摩擦片交錯放置，其不規(guī)則的形狀使得摩擦阻尼器在工作過程中連接件與摩擦片之間不會發(fā)生相對轉(zhuǎn)動；最后，通過摩擦片上的螺孔用預(yù)應(yīng)力螺桿將所有摩擦片串聯(lián)起來，同時在摩擦片端部分別安置與其直徑一致的墊片。摩擦阻尼器詳圖見圖3，圖3 中未標(biāo)注的圓形孔洞直徑均為20 mm。

圖3 摩擦阻尼器詳圖 /mmFig. 3 The geometric details of friction damper

1.3 位移放大摩擦阻尼器的工作機(jī)理分析

木柱和木梁的夾角采用θ1來表示，柱端連接件和中間連接件之間的夾角采用θ2來表示，當(dāng)木結(jié)構(gòu)受到一個橫向力順時針激發(fā)時，木梁傾向于繞木柱順時針旋轉(zhuǎn)，摩擦阻尼器處產(chǎn)生的阻力彎矩M可以抵抗水平激勵，此時夾角θ1＜θ2；同理，當(dāng)木結(jié)構(gòu)受到一個橫向力逆時針激發(fā)時，木梁傾向于繞木柱逆時針旋轉(zhuǎn)，此時夾角θ1＜θ2。摩擦阻尼器的工作原理如圖4 所示，這種激勵會不斷重復(fù)，并且在正向和負(fù)向加載過程中，地震能量會被大量耗散。

圖4 摩擦阻尼器的工作機(jī)理Fig. 4 Principle of action of the friction damper

1.4 木材力學(xué)性能及摩擦阻尼器的參數(shù)設(shè)置

1.4.1 木材力學(xué)性能

榫卯節(jié)點(diǎn)原材料選用樟子松，木材密度為0.497 g/cm3，含水率為14.6%，木材力學(xué)性能試驗按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)《木結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329-2012)[17]進(jìn)行測定，結(jié)果如表1 所示。

表1 木材力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of wood

1.4.2 摩擦阻尼器的參數(shù)設(shè)置

摩擦阻尼器中摩擦片的摩擦系數(shù)及其預(yù)應(yīng)力是影響摩擦阻尼器工作效果的首要因素。摩擦系數(shù)由摩擦片用料比例來控制，預(yù)應(yīng)力通過螺桿預(yù)拉應(yīng)變控制。3 組加固節(jié)點(diǎn)采用相同的摩擦系數(shù)，不同的螺桿預(yù)拉應(yīng)變以控制摩擦片之間預(yù)壓力的大小。摩擦阻尼器具體參數(shù)見表2。

表2 摩擦阻尼器參數(shù)設(shè)置Table 2 The parameter settings of friction damper

通過在螺桿上黏貼應(yīng)變片的方式來測量螺桿的預(yù)拉應(yīng)變。摩擦阻尼器在工作過程中，摩擦片厚度的改變會影響螺桿預(yù)應(yīng)力的施加，因此在摩擦片單側(cè)裝有碟形彈簧，從而保證螺桿全程處于受拉狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 預(yù)緊力螺桿應(yīng)變測量裝置Fig. 5 Strain measuring device of pre-tightening bolt

2 加載方案及測量方案

2.1 加載方案

試驗時將榫卯節(jié)點(diǎn)中的柱水平放置，為防止在加載過程中柱發(fā)生位移，采用壓梁和地腳螺栓將柱固定在地面。枋豎直放置，榫頭朝下插入柱的卯口，另一端與作動器相連。水平荷載通過MTS水平電液伺服器控制加載，作動器加載點(diǎn)距離柱上表面1100 mm。試驗加載裝置如圖6 所示。

圖6 試驗加載裝置Fig. 6 Loading setup

試驗根據(jù)《建筑抗震試驗規(guī)程》(JGJ/T 101-2015)[18]的規(guī)定，加載制度采取位移控制，同時以節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角作為控制參數(shù)。首先根據(jù)單根木柱實際所受的軸壓力，結(jié)合縮尺比例，確定柱端千斤頂施加軸向荷載為30 kN，然后在枋端施加水平低周往復(fù)荷載，加載速率為5 mm/min。預(yù)計榫卯節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角限值為0.1 rad，則加載位移限值為110 mm。先施加位移值為±11 mm、±22 mm、±33 mm、±44 mm、±55 mm 循環(huán)加載1 圈，再施加位移值為±66 mm、±88 mm、±110 mm、±132 mm 循環(huán)加載3 圈，加載完成后終止試驗，如圖7 所示。

圖7 試驗加載制度Fig. 7 Loading procedure

2.2 量測方案

在木枋榫頭南北兩側(cè)共設(shè)置4 個位移計W1～W4，用于測量榫頭相對拔榫量，如圖8(a)所示。

在枋的南側(cè)距柱上表面250 mm 處布置傾角儀1，用于實時測量枋在水平反復(fù)荷載作用下的轉(zhuǎn)角位移；在摩擦阻尼器的柱端連接件處布置傾角儀2，中間連接件處布置傾角儀3，用于測量摩擦片間的相對轉(zhuǎn)動量，如圖8(b)所示。

圖8 位移計和傾角儀布置示意圖Fig. 8 Sketch of displacement meter layout and inclinometer layout

3 試驗過程及現(xiàn)象

3.1 未加固節(jié)點(diǎn)試驗現(xiàn)象

在加載的開始階段，由于節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角非常小，榫頭和卯口間的相互作用力較弱，此時，節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力小于木材抗壓屈服強(qiáng)度，因此節(jié)點(diǎn)處木材保持在彈性狀態(tài)。加載位移逐漸增加以后，由于榫頭與卯口的摩擦和擠壓，節(jié)點(diǎn)處發(fā)出很輕的“吱吱”聲；加載位移增至66 mm 時，枋上連接處出現(xiàn)了豎向裂縫(圖9(a))；加載位移繼續(xù)增加，節(jié)點(diǎn)處的“吱吱”聲明顯加重，變?yōu)椤芭九尽甭暎?dāng)加載至峰值位移時榫頭抱肩處出現(xiàn)壓痕，且隨加載位移的增加而加重(圖9(b))；加載位移增至110 mm 時，節(jié)點(diǎn)處發(fā)出連續(xù)的“咔咔”聲，聲音很大并有非常明顯的木纖維劈裂聲，此時榫頭已經(jīng)被嚴(yán)重的擠壓變形(圖9(c))；MTJ-2 節(jié)點(diǎn)在正向加載下轉(zhuǎn)角達(dá)到0.1 rad 時榫頭發(fā)生斷裂，同時伴隨巨大的木纖維斷裂聲；隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，榫頭的斷裂并沒有對摩擦阻尼器的工作造成影響，如圖9(d)所示。加載結(jié)束后，為觀察破壞現(xiàn)象，將榫頭從卯口拔出，可以看到榫頭四角存在一定程度的殘余變形，表面卷起大量木屑，卯口南北兩側(cè)存在明顯壓痕，并有少量木屑卷起。

圖9 試件破壞形態(tài)Fig. 9 Failure modes of specimens

3.2 加固節(jié)點(diǎn)試驗現(xiàn)象

加固節(jié)點(diǎn)的榫頭及卯口的變形、破壞情況與未加固節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)相同。

在加載過程中，摩擦阻尼器中的摩擦片隨著枋的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，枋通過枋端連接桿帶動中間連接件產(chǎn)生同相位轉(zhuǎn)動。柱端連接件因其與柱固結(jié)，所以在整個加載過程中保持靜止，如圖10 所示。從圖10 中可以看出，摩擦阻尼器中間連接件與柱端連接件的相對轉(zhuǎn)角大于枋與柱的相對轉(zhuǎn)角(圖10 中方形虛框部位)，這說明摩擦阻尼器能夠放大節(jié)點(diǎn)的相對轉(zhuǎn)角。

圖10 阻尼器雙向變形情況Fig. 10 Biaxial deformation of friction damper

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 M-θ 滯回曲線

在水平低周往復(fù)荷載作用下的M-θ 滯回曲線可以描述榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能，滯回環(huán)圍成的面積越大，說明節(jié)點(diǎn)耗能能力越強(qiáng)，抗震性能越好。

圖11 為本次試驗中四個節(jié)點(diǎn)實測的M-θ 滯回曲線，其中M和θ 由式(1)和式(2)計算所得。

圖11 節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線Fig. 11 The moment-rotation hysteretic curves

式中：F/kN 為加載作用點(diǎn)處的水平荷載；h/m 為加載作用點(diǎn)到柱上表面的距離；Δ/m 為加載作用點(diǎn)處的水平位移。

從M-θ 滯回曲線中可發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)：

1)未加固節(jié)點(diǎn)的M-θ 滯回曲線有明顯的“捏縮”滑移效應(yīng)，總體上表現(xiàn)為反“Z”形，表明在加載過程中，榫頭與卯口之間發(fā)生了相對滑移，并且此滑移量隨加載位移幅值的增長而變大。這是因為榫頭與卯口間的摩擦力是榫卯節(jié)點(diǎn)處彎矩的主要來源，但榫頭與卯口之間的縫隙導(dǎo)致摩擦力明顯下降，所以產(chǎn)生了相對滑移，這也符合榫卯節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造特點(diǎn)。

2)相比未加固節(jié)點(diǎn)，加固節(jié)點(diǎn)的滯回曲線有了很大的改善。首先，各階段的承載力有了顯著提高；尤其在摩擦滑移階段，摩擦阻尼器所提供的承載力效果顯著；其次，滯回曲線形狀發(fā)生改變，曲線包圍面積增大，這表明摩擦阻尼器可有效增強(qiáng)榫卯節(jié)點(diǎn)的耗能能力。

3) MTJ-2 節(jié)點(diǎn)在榫頭斷裂后，榫卯節(jié)點(diǎn)的滯回曲線有所突變，見圖11(b)。雖然榫頭斷裂，但榫卯節(jié)點(diǎn)處的承載力基本與摩擦滑移階段的承載能力保持一致，這表明摩擦阻尼器在榫頭斷裂及摩擦滑移過程中為榫卯節(jié)點(diǎn)提供了主要的承載力。

4.2 骨架曲線

試驗所得到的各節(jié)點(diǎn)骨架曲線見圖12，從圖12 中可以得到以下結(jié)論：

圖12 骨架曲線對比圖Fig. 12 Comparison of skeleton curves

1)各個節(jié)點(diǎn)的骨架曲線基本都表現(xiàn)為反“Z”形，骨架曲線的斜率隨著加載位移的增大而減小。

2)相比未加固節(jié)點(diǎn)，加固節(jié)點(diǎn)的承載力與剛度都有明顯的提高，加固節(jié)點(diǎn)的骨架曲線形狀在±0.02 rad 范圍內(nèi)基本為直線，且斜率均大于未加固節(jié)點(diǎn)，這說明榫卯節(jié)點(diǎn)在初始轉(zhuǎn)動的過程中，安裝了摩擦阻尼器節(jié)點(diǎn)的初始承載力均顯著增大；當(dāng)轉(zhuǎn)角為0.06 rad 時，隨著轉(zhuǎn)角的增加，彎矩增速放緩，骨架曲線逐漸趨于平緩，此時節(jié)點(diǎn)變形以塑性變形為主。這說明加固節(jié)點(diǎn)在大變形時，其承載力伴隨加載位移的增大而穩(wěn)定提高并且不會下降。

3)在正向加載范圍內(nèi)，MTJ-2 的最大承載力是MTJ-1 的1.42 倍，MTJ-3 的最大承載力是MTJ-1的1.71 倍，MTJ-4 的最大承載力是MTJ-1 的2.3 倍，這表明伴隨螺桿預(yù)拉應(yīng)變的逐漸增大，節(jié)點(diǎn)的承載力也逐漸提高。

4) MTJ-2 節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)角達(dá)到0.12 rad 時榫頭斷裂，這時其骨架曲線有明顯的下降，但隨著加載的繼續(xù)，曲線不降反升，這說明摩擦阻尼器能夠為殘損節(jié)點(diǎn)提供一定的承載力。

4.3 剛度退化曲線

結(jié)構(gòu)的剛度退化指在循環(huán)荷載作用下，隨加載位移幅值及循環(huán)次數(shù)的增加而剛度逐漸減小的現(xiàn)象。在循環(huán)荷載作用下，采用滯回曲線的割線剛度來反應(yīng)剛度退化，即取正、反兩個方向峰值點(diǎn)彎矩的絕對值之和與位移絕對值之和的比值，其表達(dá)式見式(3)。

式中：Ki/(kN·m/rad)為第i級循環(huán)荷載作用下的割線剛度；Mi/(kN·m)為第i級循環(huán)荷載作下的峰值點(diǎn)彎矩；θi/rad 為Mi對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角。

榫卯節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動剛度退化曲線見圖13，從圖13 中可發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)：

圖13 剛度退化曲線對比圖Fig. 13 Comparison of stiffness degradation curves

1)在加載初始階段，未加固節(jié)點(diǎn)的初始剛度與加固節(jié)點(diǎn)的初始剛度相差較大，且加固節(jié)點(diǎn)的剛度始終大于未加固節(jié)點(diǎn)；榫卯節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動剛度會伴隨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的變大而減?。幌啾任醇庸坦?jié)點(diǎn)，加固節(jié)點(diǎn)的剛度隨著加載位移的增加而衰減的更快。

2)當(dāng)轉(zhuǎn)角為0.05 rad 時，未加固節(jié)點(diǎn)與加固節(jié)點(diǎn)的剛度差值基本相同，在后續(xù)加載中，加固節(jié)點(diǎn)的剛度一直高于未加固節(jié)點(diǎn)，但兩者的剛度退化曲線變化趨勢保持一致。

3)在初始剛度范圍內(nèi)，MTJ-2 的剛度是MTJ-1的1.21 倍，MTJ-3 的剛度是MTJ-1 的1.41 倍，MTJ-4 的剛度是MTJ-1 的2.01 倍；當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到0.16 rad 時，MTJ-2 的剛度是MTJ-1 的1.29 倍，MTJ-3 的剛度是MTJ-1 的1.91 倍，MTJ-4 的剛度是MTJ-1 的2.55 倍。這說明隨著加載位移的增大，節(jié)點(diǎn)加固后剛度與加固前剛度的比值就越大，加固效果越明顯，且與螺桿的預(yù)拉應(yīng)變成正比。

4) MTJ-2 節(jié)點(diǎn)的榫頭斷裂后，其節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線依然高于未加固節(jié)點(diǎn)，這表明摩擦阻尼器對殘損狀態(tài)下的榫卯節(jié)點(diǎn)依然可以提升其節(jié)點(diǎn)剛度。

為了對比采用不同加固方法對節(jié)點(diǎn)初始剛度的影響，得到各加固方法對節(jié)點(diǎn)初始剛度的提升倍數(shù)，如表3 所示。相較其他加固方式，摩擦阻尼器不會對榫卯節(jié)點(diǎn)的初始剛度產(chǎn)生過大影響，同時也沒有明顯改變木結(jié)構(gòu)的整體性能，顯著降低了剛度增加對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。

表3 不同加固方法對節(jié)點(diǎn)初始剛度的影響Table 3 Initial stiffness improvement by different joint enhancing methods

4.4 強(qiáng)度退化曲線

在循環(huán)荷載作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，作用在節(jié)點(diǎn)上的水平荷載逐漸減小的現(xiàn)象稱為強(qiáng)度退化。一般用各級加載位移的第3 次循環(huán)荷載與第1 次循環(huán)荷載之比來表示其強(qiáng)度退化規(guī)律，用強(qiáng)度退化系數(shù)λi表示，見式(4)。

式中：λi為第i級加載位移的強(qiáng)度退化系數(shù)；Pi,1為第i級加載位移中第1 次循環(huán)的峰值荷載；Pi,3為第i級加載位移中第3 次循環(huán)的峰值荷載。

如圖14 所示，加固節(jié)點(diǎn)與未加固節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度退化曲線沒有顯著的不同，這表明加固節(jié)點(diǎn)雖經(jīng)過各級循環(huán)加載，但摩擦阻尼器提供給節(jié)點(diǎn)的承載力始終沒有降低，而榫頭與卯口間的塑性變形才是其強(qiáng)度退化的主要因素。MTJ-2 節(jié)點(diǎn)在榫頭斷裂后，其強(qiáng)度沒有下降反而得到了提高，這表明摩擦阻尼器能顯著提高殘損節(jié)點(diǎn)的承載力。

圖14 強(qiáng)度退化曲線對比圖Fig. 14 Comparison of strength degradation curves

4.5 變形能力

為限制木結(jié)構(gòu)在正常使用條件下的水平位移，確保結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的剛度，避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用要求。本文參照《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50165-2020)[23]中對層間位移角的相關(guān)規(guī)定，層間位移角限值取1/30。因為木結(jié)構(gòu)的變形主要由榫卯節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動引起，所以可取1/30 作為直榫節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的限值。

根據(jù)試驗結(jié)果可知，各加固試件均發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)動變形，所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角均達(dá)到0.17 rad(約1/7)，大于GB 50165-2020 規(guī)范[23]中的限值要求，但節(jié)點(diǎn)彎矩沒有出現(xiàn)下降，這表明加固節(jié)點(diǎn)具有良好的轉(zhuǎn)動變形能力。

4.6 耗能性能

節(jié)點(diǎn)的耗能能力一般采用等效黏滯阻尼系數(shù)he來反應(yīng)，圖15 為he的計算方法示意圖，he的計算公式為式(5)。

圖15 等效黏滯阻尼系數(shù)計算圖Fig. 15 Schematic diagram of equivalent viscous damping coefficient

式中：he為等效黏滯阻尼系數(shù)；S(ABC+CDA)為圖中陰影部分滯回曲線所包圍的面積；S(△OBF+△ODE)為△OBF 和△ODE 的面積之和。

節(jié)點(diǎn)模型按式(5)計算所得的等效黏滯阻尼系數(shù)he隨轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律見圖16，從圖16 中可以看出：

圖16 等效黏滯阻尼系數(shù)Fig. 16 Coefficient of equivalent viscous damping

1)未加固節(jié)點(diǎn)的耗能能力在加載初期較高，隨著榫卯節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的增大而減小，當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到0.05 rad 時，耗能趨勢逐漸趨于平穩(wěn)。這表明在轉(zhuǎn)角增加過程中，由于榫頭與卯口之間的相互擠壓而產(chǎn)生了塑性變形，當(dāng)榫頭與卯口間的縫隙增大至一定程度后，曲線開始出現(xiàn)滑移特征。

2)節(jié)點(diǎn)加固前后的總體耗能基本一致。在加載初始階段，加固節(jié)點(diǎn)的耗能能力低于未加固節(jié)點(diǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)角在0.03 rad～0.10 rad 區(qū)間時，加固節(jié)點(diǎn)的耗能能力不斷升高；當(dāng)轉(zhuǎn)角超過0.10 rad 時，加固節(jié)點(diǎn)的耗能能力逐步下降并最終趨于水平。這表明在加載初期階段，節(jié)點(diǎn)的承載力主要由摩擦阻尼器來提供，因而其滯回環(huán)包圍面積偏小，節(jié)點(diǎn)的耗能性能也偏弱；摩擦片間的相對轉(zhuǎn)動隨著加載位移的增加而逐漸增大，這樣就使榫卯節(jié)點(diǎn)耗能能力得到大幅提升。

3) MTJ-2 節(jié)點(diǎn)在榫頭斷裂之后，耗能能力有顯著的提升。這一現(xiàn)象表明摩擦阻尼器可明顯提高殘損節(jié)點(diǎn)的耗能能力。為了更直觀的分析阻尼器的耗能效果，進(jìn)一步采用M-θ 滯回曲線所圍成的面積來表示節(jié)點(diǎn)的累計耗能，各個模型的累計耗能隨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動角度變化的規(guī)律如圖17 所示。

圖17 累計耗能對比圖Fig. 17 Comparison of cumulative energy consumption

圖17 表明，隨著節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動角度的不斷增加，各節(jié)點(diǎn)累計耗能均逐漸增大；相較于未加固的節(jié)點(diǎn)，設(shè)置了位移放大型轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器節(jié)點(diǎn)的耗能能力都有了明顯的提升，并且隨著螺栓的預(yù)拉應(yīng)變的增大而逐漸增大，其累計耗能分別提高至未加固節(jié)點(diǎn)的2.18 倍、2.96 倍及3.91 倍，表明位移放大型轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器具有良好的耗能能力。

4.7 位移放大作用

傾角儀1 測得的枋轉(zhuǎn)角(其值等于節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角)與傾角儀3 測得的摩擦阻尼器中間連接件轉(zhuǎn)角(相當(dāng)于摩擦塊相對轉(zhuǎn)角)對比見圖18 所示。

摩擦阻尼器中間連接件相對其柱端連接件的轉(zhuǎn)動角度為摩擦阻尼器的轉(zhuǎn)角。由圖18 可知，在水平低周反復(fù)荷載的作用下，摩擦型阻尼器的轉(zhuǎn)角明顯大于榫卯節(jié)點(diǎn)自身的轉(zhuǎn)角，具有顯著的位移放大作用。加載初期，在沒有達(dá)到阻尼器啟動摩擦力之前，阻尼器轉(zhuǎn)角接近于零；隨著節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動位移變大，阻尼器轉(zhuǎn)角也逐漸增大，且遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)本身的轉(zhuǎn)角，放大倍數(shù)由初期的1.3 倍(最大值)逐漸增大到4.5 倍(最大值)。

圖18 轉(zhuǎn)角位移對比圖Fig. 18 Comparison of rotation angle

位移放大型轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器所做的功等于摩擦片處的彎矩與摩擦片間相對轉(zhuǎn)角的乘積，見式(6)。

式中：Wm為位移放大型轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器所做的功；Mm為摩擦片處的彎矩；θm為摩擦片間的相對轉(zhuǎn)角。

位移放大型轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器的耗能機(jī)理是通過摩擦片間的相對轉(zhuǎn)動來耗散能量，相對轉(zhuǎn)角越大，摩擦阻尼器耗散的能量越多，安裝了摩擦阻尼器節(jié)點(diǎn)的耗能能力就越強(qiáng)。根據(jù)圖17 及式(6)可知，在加載后期階段，相對于其他加固方式，摩擦阻尼器為節(jié)點(diǎn)提供的耗能能力不降反升，這也與4.6 節(jié)關(guān)于耗能性能的分析結(jié)果是一致的。

4.8 拔榫抑制能力

木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下容易出現(xiàn)拔榫破壞。本文通過在榫頭抱肩處布置位移計W1～W4 所測得的榫頭拔出量，可以反應(yīng)出各試件在破壞前拔榫量隨轉(zhuǎn)角的變化情況，如圖19所示。

由圖19 可以看出，所有試件的榫頭拔榫量均隨轉(zhuǎn)角的增大而增大。未加固節(jié)點(diǎn)的拔榫量-轉(zhuǎn)角曲線斜率最大，當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到0.06 rad 后，其圖形變?yōu)橹本€，MTJ-1 的最大拔榫量可達(dá)到40 mm。

圖19 拔榫量-轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig. 19 Pull out-rotation relationships of tenon

加固節(jié)點(diǎn)的拔榫量-轉(zhuǎn)角曲線斜率均小于未加固節(jié)點(diǎn)，說明摩擦阻尼器可以限制榫頭拔榫量，且能夠明顯降低拔榫量的增速。MTJ-2～MTJ-4 最大拔榫量分別為38 mm、33 mm 和26 mm，比MTJ-1 分別下降了5%、17.5%和35%。以上表明，通過位移放大型轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器加固的節(jié)點(diǎn)，隨著螺栓預(yù)拉應(yīng)變逐漸變大，節(jié)點(diǎn)的拔榫量-轉(zhuǎn)角曲線斜率逐漸變小，其最大拔榫量也逐漸變小。這是由于阻尼器發(fā)生順時針或者逆時針轉(zhuǎn)動時，阻尼器的出力F(圖20 中所示實線箭頭)總會產(chǎn)生一個指向榫頭方向的分力F1(圖20 中所示虛線箭頭)，從而起到降低拔榫量的作用，且隨著螺栓預(yù)拉應(yīng)變逐漸變大，阻尼器的出力也逐漸增大。因此，本文所研發(fā)的阻尼器可以有效抑制節(jié)點(diǎn)的拔榫破壞，阻尼器的構(gòu)造符合榫卯節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)。

圖20 不同轉(zhuǎn)動方向時阻尼器的出力Fig. 20 Output force of damper in different rotation directions

5 結(jié)論

通過對單向直榫節(jié)點(diǎn)位移放大型轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器加固進(jìn)行擬靜力試驗及對結(jié)果的分析，可得到以下主要結(jié)論：

(1)未使用阻尼器加固的節(jié)點(diǎn)滯回曲線表現(xiàn)為反“Z”型，且有明顯的“捏縮”。相較于未加固節(jié)點(diǎn)，使用阻尼器加固的節(jié)點(diǎn)滯回曲線相對飽滿，摩擦滑移階段的承載力有顯著的提升。

(2)所有節(jié)點(diǎn)骨架曲線的發(fā)展趨勢保持一致，隨加載位移的逐步增大，骨架曲線的斜率均逐步減小，且不存在下降段。在整個加載過程中，加固節(jié)點(diǎn)的承載力始終高于未加固節(jié)點(diǎn)的承載力，且對殘損節(jié)點(diǎn)的承載力依然有非常明顯的提升。

(3)所有節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動剛度都跟隨轉(zhuǎn)角的增加而變小，隨著加載位移的增大，曲線變化趨勢趨于一致。在整個加載過程中，節(jié)點(diǎn)加固后的剛度均高于加固前，且摩擦阻尼器對節(jié)點(diǎn)的加固效果隨加載位移的增加而明顯增大。

(4)未加固節(jié)點(diǎn)的耗能性能跟隨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的逐漸增大而不斷減小，但加固節(jié)點(diǎn)的耗能性能卻先減小后增大，尤其在加載后期，摩擦阻尼器為節(jié)點(diǎn)提供耗能能力的效果顯著。

(5)通過對加固節(jié)點(diǎn)中具有不同螺桿預(yù)拉應(yīng)變的比較分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度均會隨螺桿預(yù)拉應(yīng)變的增加而增大。拔榫量隨預(yù)拉應(yīng)變的增大而減小，增大螺栓預(yù)拉應(yīng)變可有效防止拔榫破壞。

(6)摩擦型阻尼器對榫卯節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角位移有一定的放大功能，從而在加載后期，摩擦阻尼器可為殘損節(jié)點(diǎn)提供很好的耗能性能。所研發(fā)的阻尼器可有效抑制節(jié)點(diǎn)拔榫量，且抑制作用隨螺栓預(yù)拉應(yīng)變的增大而顯著提高。