作为我国传统建筑的杰出代表, 木结构古建是我国重要的建筑文化遗产。作为古建木结构的重要构件, 木柱在结构体系中发挥着重要作用。相关研究成果揭示了柱脚浮搁平置于础石之上这一连接构造在隔震、减震方面具有独特作用, 体现了古建筑木结构“刚柔相济、以柔克刚、滑移隔震、耗能减震”的抗震思想^[1]。赵鸿铁、张锡成等^[2]提出柱与础石的连接特性类似于铰接, 是“抗”与“放”的结合。贺俊筱、王娟等^[3]研究表明, 将木柱直接平摆浮搁于础石之上, 形成连接上部结构与台基之间的柱脚节点, 其只承受压力而不承受拉力。姚侃等^[4]通过对木构古建筑柱与柱础的摩擦滑移隔震机理的深入研究, 建立了柱与础石的摩擦滑移隔震模型, 并给出了柱脚滑移的判定条件。He等^[5]研究了柱脚在考虑压缩效应下, 摇摆过程中的转动行为, 并提出了柱脚节点的恢复力矩理论模型。隋^[6]通过柱架拟静力试验得出柱架在往复水平荷载作用下的受力变形主要以侧移为主, 类似于结构中的“摇摆柱”。薛建阳、张风亮等^[7]提出了单层殿堂式古建筑木结构的两质点“摇摆-剪弯”动力分析模型。

　　 古建木构架由于遭受到风雨侵蚀、地震与人为侵害的作用, 普遍存在材料性能劣化、结构性能退化等问题。木柱由于常常与砖石类基础、砖砌墙体接触, 易受潮腐变^[8], 导致柱截面材料强度和刚度的降低, 进而大幅降低古建木结构的结构安全性。在结构损伤方面, 王鑫等^[9]对西安钟楼木框架结构采用小波包能量曲率差来进行损伤定位研究, 周乾等^[10]对木结构古建筑中的单梁开裂形成叠合梁后的弯曲受力性能及加固方法进行了讨论, 而有关损伤木柱对结构抗震性能影响的研究成果并不多见。鉴于此, 本文以直榫木构架为研究对象, 开展损伤木柱对直榫木构架抗震性能影响的研究。

　　 参照宋《营造法式》有关规定, 制作了两组共6个不同的单间一榀直榫节点木构架试件, 缩尺比为1∶3.52, 即1cm:2分^二 (分^二指宋代二等材的每份长度, 等于1.76cm) 。试件由木工按传统做法手工制作而成, 试件形式如图1所示。直榫节点木构架模型的试件尺寸如表1所示。试验用材选用洛杉矶花旗松, 自然干燥期半年。为便于施加水平荷载, 模型中柱头截面高出梁枋顶面200mm。

　　 调研发现, 柱脚腐朽可分为两类:柱脚单侧腐朽 (图2 (a) ) 与柱脚周边腐朽 (图2 (b) ) 。基于以上损伤类型, 模拟设计制作两类具有相似构造特征的人工损伤柱脚试件 (图3) :柱脚周边损伤试件 (ZGW) 及柱脚单侧损伤试件 (ZJJ) 。

　　 损伤大小参照《古建筑木结构维护与加固技术规范》 (GB 50165—92) 第4.1.5条, 对木柱柱脚残损点评定界限的有关规定:“柱脚底面与柱础间实际抵承面积S₁与柱脚处柱的原截面面积S₂之比$\rho {}_{\text{c}}=\frac{S{}_1}{S{}_2}=\frac{3}{5}$”^[11]。根据表1中的尺寸确定试件的柱底面积S₂。经计算S₂=34 618.5mm², 则临界损伤面积S₁=13 847.4mm²。人工损伤面积依次为6 923.7, 13 847.4, 20 771.1mm²。柱脚人工损伤高度取200mm。

　　 柱脚周边损伤试件的损伤设计高度为200mm, 损伤设计外径为210mm, 试件ZGW133, ZGW163, ZGW188对应的损伤设计内径分别为133, 163, 188mm。柱脚单侧损伤试件的损伤设计高度为200mm, 试件ZJJ40, ZJJ80, ZJJ105对应的损伤设计深度分别为40, 80, 105mm。

　　 试验加载装置如图4所示。木构架柱脚自然平摆浮搁在基座上。参照建筑实际承担荷载, 按相似关系, 设计竖向荷载为50kN, 由具有保压功能的液压千斤顶提供, 通过工字钢分载梁将荷载施加到两侧柱头上。试验过程中木构架在水平荷载作用下, 会发生侧移, 从而影响传递到柱顶竖向荷载的大小。试验通过在千斤顶和反力钢架间增设水平滑移装置来解决上述问题。水平位移加载由固定在反力墙上的水平液压伺服作动器施加, 相关数据由试验系统自动采集。

　　 本试验参照国际试验标准ISO 16670^[12], 采用位移控制加载, 加载速率为5mm/s。试验控制位移Δ_u为100mm。

　　 加载分为两个阶段:1) 第一阶段, 根据控制位移的1%, 3%, 5%, 10%依次进行一次循环加载, 中间无停歇;2) 第二阶段, 根据控制位移的20%, 40%, 60%, 80%, 100%依次进行三循环加载。

　　 低周往复荷载作用下, 6个含有损伤柱脚的木构架试件的结构反应基本相似, 主要试验现象如下:1) 试验加载初期, 直榫榫头与卯口间存在一定的缝隙, 在初始水平荷载作用下, 榫卯之间逐渐挤紧, 并发生“吱吱”的响声。木构架有摇摆现象, 但幅度较小。2) 随着水平位移荷载的增加, 木构架不时发出轻微的“啪啪”响声, 柱脚出现了抬升, 柱身出现明显摇摆现象, 见图5 (a) 、图6 (a) ;在柱摇摆过程中, 柱脚转动支点左右交替变换。3) 当加载位移达到80, 100mm时, 榫卯之间的挤压变形加剧, 出现了大量塑性变形, 木构架发出的连续响声变大, 柱脚边缘木材出现局部压缩变形, 外侧局部卷曲开裂, 见图5 (b) 、图6 (b) 。4) 加载结束后, 发现柱脚底面普遍出现受压痕迹, 柱脚底面两对称边缘处出现明显压缩变形。

　　 根据试验采集到的数据, 得到两种柱脚损伤试件的力-位移 (P-Δ) 滞回曲线如图7、图8所示。可以看出, 两种木构架试件的力-位移 (P-Δ) 滞回曲线均呈反Z字形, 说明柱脚损伤木构架的滑移特征较为明显。随着循环的增加和加载位移的增大, 滞回环面积也随之扩大, 表明柱脚损伤木构架的耗能能力随着加载周数的增加而逐渐增强。

　　 在三循环加载阶段的同一级控制位移下, 后两次循环的承载力要小于第一次循环的承载力, 滞回曲线相比于第一次加载的滞回曲线趋于平缓, 且控制加载位移越大, 此现象越明显。这说明循环加载过程中木构架累积了一定程度的损伤, 结构强度与刚度发生了退化。

　　 对同一损伤类型柱脚的三个工况木构架试件的滞回曲线进行对比发现, 随着水平位移的增加, 柱脚损伤程度越小的木构架所产生的水平抵抗力越大, 滞回曲线所包络的面积也越大。当柱脚损伤程度越小时, 其截面的初始转动半径就越大, 在相同侧移情况下柱脚边缘的嵌压效应^[13]越大。图9为两种损伤柱脚在摇摆过程中产生的嵌压作用示意图。

　　 图10 (a) , (b) 分别是柱脚周边损伤和柱脚单侧损伤木构架试件的骨架曲线。由图10 (a) 可以发现, 对比不同柱脚损伤程度的木构架试件ZGW133, ZGW163, ZGW188的骨架曲线发现, 三条骨架曲线整体趋势大致相同, 正向和反向基本对称。初始阶段, 三条骨架曲线基本重叠, 随着水平荷载的增加, 三条骨架曲线呈现一条斜直线, 在位移达到100mm时, 试件ZGW188水平抵抗力最大, 达到7.53kN, 试件ZGW163达到6.39kN, 试件ZGW133最小, 只有5.42kN;由图10 (b) 可以发现, 试验加载初期, 试件处于弹性阶段, 骨架曲线近似一条斜直线。柱脚单侧损伤木构架试件ZJJ40, ZJJ80, ZJJ105三条骨架曲线整体趋势相同, 当水平位移达到100mm时, 试件ZJJ40骨架曲线荷载最大, 为7.19kN, 试件ZJJ80次之, 为6.35kN, 试件ZJJ105最小, 仅有4.43kN。柱脚单侧损伤木构架试件ZJJ105损伤程度比试件ZJJ80高。对比两类柱脚损伤木构架的六条骨架曲线发现:柱脚截面损伤越小, 木构架整体结构刚度越大。

　　 每级控制位移对应的割线刚度计算式为:

　　 ${\rm K}{}_i=\frac{\left|+F{}_i\right|+\left|-F{}_i\right|}{\left|+\Delta {}_i\right|+\left|-\Delta {}_i\right|}$

　　 式中:K_i为第i级控制位移下试件抗侧刚度;F_i第i级控制位移对应抗侧力;Δ_i为第i级控制位移。

　　 图11 (a) , (b) 分别为柱脚周边损伤木构架刚度退化曲线和柱脚单侧损伤木构架刚度退化曲线。由图11 (a) 可知, 试件ZGW188初始刚度为0.26kN/mm, 大于试件ZGW163的0.19kN/mm和试件ZGW133的0.16kN/mm。随着水平控制位移的增加, 不同损伤程度的木构架呈现不同程度的刚度退化, 但从各个控制位移所对应的割线刚度大小来看, 试件ZGW188刚度最大, 试件ZGW163次之, 试件ZGW133最小, 在达到100mm极限控制位移时, 试件ZGW133刚度下降到最低 (为0.053kN/mm) , 试件ZGW163刚度略大 (达到0.061kN/mm) , 试件ZGW188刚度最小值大于前两者 (达到0.076kN/mm) 。

　　 从图11 (b) 可知, 柱脚单侧损伤木构架试件ZJJ40刚度最大。在位移加载初期试件ZJJ105的刚度略高于试件ZJJ80。随着控制位移的增加, 刚度退化较明显, 最终在达到极限控制位移时试件ZJJ80的刚度高于试件ZJJ105的刚度, 仅次于试件ZJJ40的刚度。这说明柱脚截面损伤面积越大, 刚度退化越严重。

　　 两种损伤柱脚模型在各级控制位移下的等效黏滞阻尼系数h_e见图12。由图12可以看出, 试件等效黏滞阻尼系数在位移加载到20mm时达到最大值, 随着控制位移的增大, 木构架等效黏滞阻尼系数呈现下降趋势, 这说明随着控制位移的增加, 木构架损伤逐渐累积, 耗能能力开始下降。在控制位移达到60mm后, 耗能能力下降缓慢。通过对比同种损伤类型的三种不同柱脚损伤木构架的耗能曲线, 发现柱脚损伤程度越深, 木构架的刚度退化越严重, 耗能能力越差。

　　 (1) 木构架两端柱脚平摆浮搁于基座, 在水平反复荷载作用下, 柱脚出现反复抬升与受压现象, 摇摆过程中, 转动支点左右交替变化, 柱脚边缘会发生受压变形和起翘等塑性变形。

　　 (2) 在低周往复加载初期, 木构架整体的小变形使得各构件之间得以充分接触, 构件材料强度也有一定的提升, 木构架耗能能力有所提高, 在控制位移达到20mm时, 耗能能力达到最大值之后, 变形逐渐增大, 结构损伤累积, 耗能能力快速下降。在控制位移达到60mm后, 耗能能力下降缓慢。

　　 (3) 两种柱脚损伤工况下的木构架, 其结构抗震性能随着柱脚损伤程度增大而下降。

　　 虽然本文试验所采用的试件与古建筑木构件之间存在新旧木材材质不一致等问题, 会对研究结果造成一定的影响, 但本文试验结果与古建筑木构架的实际结构性能仍然具有显著的相似性。因此, 本文研究成果对于开展损伤柱脚古建木构的抗震性能评价、研究相关修复加固方案、提升古建木构抗震性能等工作, 具有借鉴作用。