CN109972856B - 一种古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点及连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点及连接方法，在对古建筑进行落架维修或局部顶升维修时可采用该连接节点进行斗栱加固。包括在大斗和平板枋隐蔽位置开槽(孔)，大斗与平板枋之间采用SMA螺杆—铆螺母螺栓连接代替传统木榫榫卯连接，形成斗栱自复位耗能连接节点。本发明能提高斗栱大斗与平板枋连接节点的耗能能力，并且通过SMA的超弹性特性减小大斗与平板枋连接节点的残余变形，实现强震作用后斗栱自复位；该加固方法对古建筑木结构斗栱外观不做任何改变，仅在隐蔽位置进行必要开孔，该连接既能加强对大斗转动约束，而且对斗栱中其他部件受力性能影响较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点及连接方法，可在古建筑落架维修或局部顶升维修时对斗栱进行加固处理。采用该连接能在不约束斗栱转动的前提下，通过对SMA螺杆施加预拉应变，使斗栱具有自复位性能，实现斗栱大斗与平板枋之间连接的耗能增强效果。属于古建筑加固领域。
背景技术
古建筑木结构斗栱的结构功能包括为结构提供一定的恢复力并起耗能减震作用，斗栱层使整个结构具有良好的抗震性能。在传统斗栱制作工艺中，斗栱和平板枋之间通过木榫连接，由于木榫极限强度较低，加上使用年限较长，木榫很容易出现断裂、损坏，在地震往复作用下容易发生破坏。另外，根据《古建筑木结构维护与加固技术规范》(GB 50165-92)的要求，古建筑木结构的维护与加固必须遵守不改变文物原状的原则，因而需要提出斗栱无损或微损加固方案。
目前对斗栱进行抗震加固的方法主要有：
(1)将自攻螺丝斜钉穿过大斗和平板枋，增强大斗和平板枋之间的连接；
(2)对大斗、散斗等部件破损严重的斗栱采用局部顶升，替换原破损部件的方法。
以上所列出的斗栱加固方法均能起到提高斗栱抗震性能的作用，但方法(1)中由于自攻螺丝钉穿大斗，大斗外侧面会存在明显的钉孔；方法(2)中由于采用新部件替换老破损件的方法，虽然新部件会经过“做旧”处理，但实际效果仍会有明显色差。上述加固方法均较大程度改变了斗栱外观，无法满足“不改变文物原状的原则”，不能对斗栱进行科学有效的修缮。
鉴于此，有必要提出一种适合古建筑木结构斗栱的无损或微损加固方法，该方法能在不改变斗栱外观的前提下，使斗栱具有自复位性能，并能耗能减震，避免强震作用下斗栱发生严重破坏。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷与不足，本发明的目的在于，提供了一种采用SMA螺杆连接的古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点及连接方法，本发明适用于古建筑落架维修或局部顶升维修时对斗栱进行加固处理。本发明一方面能一定程度提高斗栱大斗与平板枋连接节点的耗能能力，并且通过SMA材料的超弹性特性减小大斗与平板枋连接节点的残余变形，实现强震作用后斗栱的自复位；另一方面，该加固方法对古建筑木结构斗栱外观不做任何改变，仅对其进行必要的局部开孔，该连接既能加强对大斗的转动约束，而且对斗栱中其他部件受力性能的影响较小。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明一种古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点的连接方法，包括如下步骤：
步骤1：在平板枋上表面开设一埋置孔，预埋六角铆螺母，并向埋置孔内注入环氧树脂粘结剂，固化后形成粘结层；
步骤2：在大斗上表面开设一方形凹槽，预埋方形钢垫板，钢垫板与方形凹槽之间注入环氧树脂粘结剂，固化后形成粘结层；
步骤3：在大斗和钢垫板中心预钻竖向通孔；
步骤4：将SMA螺杆下方与铆螺母拧紧，上方穿过钢垫板和向心关节轴承，向心关节轴承外环紧密接触钢垫板，内环可绕轴旋转以不约束大斗的旋转自由度；
步骤5：采用旋拧SMA螺杆上方的上螺母施加预拉应力，该预拉应力大小能够调节，且加固过程中预应力损失较小。
对于上述技术方案本发明还有进一步优选的方案。
优选的，所述步骤5中，通过改变旋拧上螺母时的施工扭矩，调节预拉应力大小，施工扭矩采用下式计算：
Tc＝K·Pc·d
式中，Tc为施工扭矩；K为扭矩系数平均值，经试验确定；Pc为设计预拉力；d为螺杆直径。
本发明进而给出了上述方法所对应的古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点，包括平板枋、大斗、铆螺母、环氧树脂粘结层、SMA螺杆、钢垫板、向心关节轴承、上螺母，所述大斗置于平板枋上方；在大斗上表面开设方形凹槽，钢垫板预埋在所述大斗的凹槽中，在大斗和钢垫板中心均预钻竖向通孔；在平板枋表面开设铆螺母埋置孔，在大斗中心开设的方形凹槽中和平板枋的埋置孔中注入有环氧树脂粘结剂；在所述钢垫板上方设有向心关节轴承；SMA螺杆底部与铆螺母连接并拧紧，上方依次穿过大斗中的竖向通孔、钢垫板和向心关节轴承，通过旋紧SMA螺杆上方上螺母，将大斗与平板枋牢固连接。
优选的，平板枋的埋置孔与六角铆螺母之间注入的环氧树脂粘结剂形成环氧树脂粘结层，固化后形成的环氧树脂粘结层粘结于铆螺母的外壁，并与平板枋内壁粘结。
优选的，所述铆螺母采用Q235或Q345钢构件，铆螺母高15-25mm，厚1-2mm，内径10-20mm；环氧树脂粘结层厚3mm；平板枋表面的埋置孔深15-25mm，孔直径大于等于7-8mm。
优选的，所述大斗上表面的方形凹槽深5mm，长和宽各50mm；方形钢垫板6采用Q235或Q345钢构件，钢垫板长宽各50mm，厚5mm；环氧树脂粘结层厚1mm；大斗内部和钢垫板内部的竖向通孔直径大于等于20mm。
优选的，所述SMA螺杆采用镍钛或铜—铝—铍等常用合金材料，螺杆直径10mm-20mm；向心关节轴承材料采用不锈钢4Cr13，向心关节轴承内环直径大于等于20mm。
优选的，所述SMA螺杆上方的上螺母采用Q235或Q345钢构件，上螺母高5mm，厚1-2mm，内径10-20mm。
本发明所述SMA螺杆用于牢固连接所述大斗和平板枋，起到耗散地震能量的作用，在地震作用下能为斗栱提供回位力矩；所述铆螺母和环氧树脂粘结层设置于所述平板枋表面的埋置孔内；所述钢垫板和向心关节轴承均设置于所述大斗上表面的方形凹槽内，用于在所述SMA螺杆中施加预拉应力的同时不影响所述大斗的转动自由度；所述上螺母设置于所述大斗表面的方形凹槽内，施工时旋紧所述上螺母，使所述上螺母与向心关节轴承外环互相挤压，从而实现所述SMA螺杆预拉应力的施加。
本发明有益效果在于：
本发明古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点及连接方法适用于古建筑进行落架维修或局部顶升维修时，对严重歪闪或糟朽老化斗栱进行原位加固。加固施工完成后的自复位耗能连接节点不改变斗栱的外观，满足《古建筑木结构维护与加固技术规范》(GB50165-92)中“古建筑木结构的维护与加固必须遵守不改变文物原状的原则”。采用该连接节点加固斗栱时，不破坏古建筑的历史风貌和营造特色，并且施工操作简便，对斗栱各部件受力状态影响较小，加固后的斗栱结构层继续发挥良好的隔震减震作用。
该古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点采用SMA螺杆替换传统木榫连接平板枋和大斗，传统木作营造技术要求在平板枋顶面和大斗底面均预先开卯口，再插入木榫连接两个构件，通过木榫与卯口之间挤压和摩擦实现耗能。而自复位耗能连接节点采用SMA螺杆作为主要耗能构件，利用加载和卸载时形状记忆合金材料马氏体相和奥氏体相之间会发生相变来耗散地震能量。相比榫卯摩擦耗能，SMA螺杆耗能更多，能够有效减轻地震对古建筑木结构的破坏。
另外，由于斗栱结构层及其支撑的大屋盖具有很大的质量，地震激励下会产生巨大的惯性力，因而大斗与平板枋之间的连接节点存在较大剪力，SMA材料由于强度高和刚度大，能够大幅提高大斗和平板枋之间半刚性节点的抗剪承载力和抗侧刚度，小震作用下节点处于弹性阶段，相比传统木榫连接节点，斗栱层的层间侧移明显减小，震后无需修复或更换。
当温度T大于奥氏体相变结束温度Af时，SMA处于奥氏体相，中震或大震作用下该自复位耗能连接节点会发生应力诱发马氏体相变，材料转变为应力诱发马氏体相；当外力卸载后材料发生奥氏体相变，材料转变为奥氏体相，材料内几乎没有残余变形，此过程被称为超弹性效应，采用该自复位耗能连接节点能实现斗栱自复位的独特效果，震后斗栱残余变形显著减小。
该采用SMA螺杆的古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点仅采用铆螺母、环氧树脂、SMA螺杆、钢垫板、不锈钢向心关节轴承和高强螺母等构件，构件材料不易锈蚀和老化。
当采用该自复位耗能连接节点的斗栱遭受多次地震破坏作用之后，反复作用下节点会出现疲劳老化等现象，需要替换SMA螺杆从而进行二次加固时，可先将待二次加固斗栱局部顶升，采用新SMA螺杆替换旧螺杆，大斗与平板枋之间节点加固完成后将能继续发挥自复位和耗能作用。
该采用SMA螺杆的古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点及连接方法采用拧SMA螺杆上方的上螺母，使其与向心关节轴承外环挤紧，从而给SMA螺杆施加预拉应力，改变旋拧上螺母时的施工扭矩，在SMA螺杆内部施加不同大小的预拉应力。另外连接节点性能稳定，正常工作时SMA螺杆中预拉应力基本保持不变。
本发明所提供的古建筑木结构斗栱加固方法可在古建筑落架维修或局部顶升维修时对斗栱进行加固处理，采用该连接能在不约束斗栱转动的前提下，通过对SMA螺杆施加预拉应变，使斗栱具有自复位性能，实现斗栱大斗与平板枋之间连接的耗能增强效果。本发明所提供的一种采用SMA螺杆连接的古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点及连接方法，具有下列优点：
1)该加固方法对古建筑木结构斗栱外观不做任何改变，仅对其进行必要的局部开孔，不破坏古建筑的历史风貌和营造特色。
2)该连接既能加强对大斗的转动约束，而且对斗栱中其他部件受力性能的影响较小，加固后的斗栱结构层继续发挥良好的隔震减震作用。
3)相比传统木榫连接，该连接节点中SMA螺杆可以耗散更多地震能量，具有更大的抗剪承载力和抗侧刚度，能够有效减小地震时斗栱的水平测移，减轻地震对古建筑木结构的破坏。
4)小震作用下该连接节点处于弹性阶段，震后无需修复或更换。
5)中震或大震作用下该自复位耗能连接节点中SMA螺杆会发生应力诱发马氏体相变；当外力卸载后材料发生奥氏体相变，螺杆残余变形较小，可以实现斗栱自复位效果，震后斗栱残余变形显著减小。
6)该连接节点施工方便且构造简单，节点材料不易锈蚀和老化。
7)当采用该自复位耗能连接节点的斗栱遭受多次地震破坏作用之后，连接节点出现疲劳老化等现象，对其进行二次加固具有可操作性，且施工工艺较简单。
8)连接节点性能稳定，正常工作时SMA螺杆中预拉应力基本保持不变。
附图说明
图1为本发明的实施例中斗栱加固节点剖面图；
图2为本发明的实施例中SMA螺杆与大斗的连接构造示意图；
图3为本发明的实施例中SMA螺杆与平板枋的连接构造示意图；
图4为本发明的实施例中斗栱加固节点立体示意图；
图5为本发明的实施例中加固节点立体效果图及和大斗空间关系示意图；
图6为本发明的实施例中加固后大斗与平板枋连接立体示意图；
图7为本发明实施例中采用SMA螺杆连接和传统工艺采用木榫连接时，大斗和平板枋节点滞回曲线对比图。
图中各标号含义：1-平板枋，2-铆螺母，3-环氧树脂粘合层，4-SMA螺杆，5-大斗，6-方形钢垫板，7-向心关节轴承，8-上螺母，A-SMA自复位耗能节点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做进一步的详细阐述。
如图1所示，本发明的古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点，包括平板枋1、大斗5、铆螺母2、环氧树脂粘结层3、SMA螺杆4、钢垫板6、向心关节轴承7、上螺母8。其中，大斗5置于平板枋1上方；在大斗5上表面开设方形凹槽，钢垫板6预埋在大斗5的凹槽中，在大斗5和钢垫板6中心均预钻竖向通孔；在平板枋1表面开设铆螺母2埋置孔，在大斗5中心开设的方形凹槽中和平板枋1的埋置孔中注入有环氧树脂粘结剂，固化后形成粘结层，其中平板枋1的埋置孔与六角铆螺母2之间形成环氧树脂粘结层3；在钢垫板6上方设有向心关节轴承7；SMA螺杆4下方与铆螺母2拧紧，上方依次穿过大斗5中的竖向通孔，钢垫板6和向心关节轴承7；采用旋紧SMA螺杆4上方上螺母8对螺杆4施加预拉应力，将大斗5与平板枋1牢固连接。
如图2所示，在钢垫板6上表面设置向心关节轴承7，向心关节轴承外环紧密接触钢垫板，内环可绕轴旋转以不约束大斗的旋转自由度。
如图3所示，在SMA螺杆4下方螺纹连接在铆螺母2中，固化后形成的粘结层3粘结于铆螺母2的外壁，并与平板枋1内壁粘结。
图4示出了本发明的实施例中包括上螺母8、向心关节轴承7、钢垫板6、SMA螺杆4和铆螺母2的斗栱加固节点立体示意图。
如图5所示，本发明的古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点的连接方法，具体包括如下步骤：
步骤1：铆螺母2通过环氧树脂粘结层3与平板枋1牢固连接时，在平板枋1表面开设一埋置孔，预埋六角铆螺母2，并向埋置孔内注入环氧树脂粘结剂，固化后形成粘结层3。
在一个实施例中，铆螺母2采用Q235或Q345钢构件，铆螺母2高15-25mm，厚1-2mm，内径10-20mm；环氧树脂粘结层3厚3mm；平板枋1表面的埋置孔深15-25mm，孔直径大于等于7-8mm。
步骤2：在大斗5上表面开设一方形凹槽，预埋方形钢垫板6，钢垫板与方形凹槽之间需注入环氧树脂粘结剂，固化后形成粘结层。
在一个实施例中，大斗5上表面的方形凹槽深5mm，长和宽各50mm；方形钢垫板6采用Q235或Q345钢构件，钢垫板6长宽各50mm，厚5mm；环氧树脂粘结层厚1mm。
步骤3：在大斗5和钢垫板6中心通过冲击钻预钻竖向通孔；
在一个实施例中，大斗5内部和钢垫板6内部的竖向通孔直径大于等于20mm。
步骤4：将SMA螺杆4下方与铆螺母2拧紧，上方穿过钢垫板6向心关节轴承7，向心关节轴承7外环紧密接触钢垫板6，内环可绕轴旋转以不约束大斗5的旋转自由度。
在一个实施例中，SMA螺杆4采用镍钛或铜—铝—铍等常用合金材料，螺杆4直径10mm-20mm；向心关节轴承7材料采用不锈钢4Cr13，向心关节轴承7内环直径大于等于20mm。
步骤5：采用拧SMA螺杆4上方的上螺母8施加预拉应力，该预拉应力大小可以调节且加固过程中预应力损失较小。使SMA螺杆4的应力大于其弹性极限应力，以发挥SMA材料的超弹性性能。
在一个实施例中，SMA螺杆4上方的上螺母8采用Q235或Q345钢构件，上螺母8高5mm，厚1-2mm，内径10-20mm。
如图6所示，在对古建筑进行落架维修或局部顶升维修时可采用该连接节点进行斗栱加固，加固施工完成后的自复位耗能连接节点A不改变斗栱的外观，并将减小大斗5与平板枋1连接节点的残余变形，实现强震作用后斗栱自复位。
在斗栱上表面施加10kN恒定竖向荷载，进行水平低周往复拟静力加载试验，斗栱和平板枋之间通过木榫和SMA螺杆连接节点的滞回曲线对比图见图7，采用SMA螺杆连接的节点具有良好的自复位性能，相比木榫节点其耗能能力更强，极限承载力提高了100％，表明本发明提出的自复位耗能节点具有优异的抗震性能和耗能能力。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点的连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在平板枋（1）上表面开设一埋置孔，预埋六角铆螺母（2），并向埋置孔内注入环氧树脂粘结剂，固化后形成粘结层（3）；
步骤2：在大斗（5）上表面开设一方形凹槽，预埋方形钢垫板（6），钢垫板与方形凹槽之间注入环氧树脂粘结剂；
步骤3：在大斗（5）和钢垫板（6）中心预钻竖向通孔；
步骤4：将SMA螺杆（4）下方与铆螺母（2）拧紧，上方穿过钢垫板（6）和向心关节轴承（7），向心关节轴承（7）外环紧密接触钢垫板（6），内环可绕轴旋转以不约束大斗（5）的旋转自由度；
步骤5：采用旋拧SMA螺杆（4）上方的上螺母（8）施加预拉应力，该预拉应力大小能够调节，且加固过程中预应力损失较小。
2.根据权利要求1所述的一种古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点的连接方法，其特征在于，所述步骤5中，通过改变旋拧上螺母（8）时的施工扭矩，调节预拉应力大小，施工扭矩采用下式计算：
式中，为施工扭矩；/>为扭矩系数平均值；/>为设计预拉力；/>为螺杆直径。
3.一种古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点，其特征在于，包括平板枋（1）、大斗（5）、铆螺母（2）、环氧树脂粘结层（3）、SMA螺杆（4）、钢垫板（6）、向心关节轴承（7）、上螺母（8），所述大斗（5）置于平板枋（1）上方，在大斗（5）上表面开设有方形凹槽，钢垫板（6）预埋在所述大斗（5）的凹槽中；在大斗（5）和钢垫板（6）中心均预钻竖向通孔；在平板枋（1）表面开设有铆螺母（2）埋置孔，在大斗（5）中心开设的方形凹槽和平板枋（1）的埋置孔中注入有环氧树脂粘结剂；在所述钢垫板（6）上方设有向心关节轴承（7）；SMA螺杆（4）底部与铆螺母（2）连接并拧紧，上方依次穿过大斗（5）中的竖向通孔、钢垫板（6）和向心关节轴承（7），通过旋紧SMA螺杆（4）上方上螺母（8），将大斗（5）与平板枋（1）牢固连接；
平板枋（1）的埋置孔与六角铆螺母（2）之间注入的环氧树脂粘结剂形成环氧树脂粘结层（3），固化后形成的环氧树脂粘结层粘结于铆螺母的外壁，并与平板枋内壁粘结；
所述铆螺母（2）采用Q235或Q345钢构件，铆螺母（2）高15-25mm，厚1-2mm，内径10-20mm；环氧树脂粘结层（3）厚3mm；平板枋（1）表面的埋置孔深15-25mm，孔直径大于等于7-8mm。
4.根据权利要求3所述的一种古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点，其特征在于，所述大斗（5）上表面的方形凹槽深5mm，长和宽各50mm；方形钢垫板（6）采用Q235或Q345钢构件，钢垫板（6）长宽各50mm，厚5mm；环氧树脂粘结层厚1mm；大斗（5）内部和钢垫板（6）内部的竖向通孔直径大于等于20mm。
5.根据权利要求3所述的一种古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点，其特征在于，所述SMA螺杆（4）采用镍钛或铜—铝—铍等常用合金材料，螺杆（4）直径10mm-20mm；向心关节轴承（7）材料采用不锈钢4Cr13，向心关节轴承（7）内环直径大于等于20mm。
6.根据权利要求3所述的一种古建筑木结构斗栱自复位耗能连接节点，其特征在于，所述SMA螺杆（4）上方的上螺母（8）采用Q235或Q345钢构件，上螺母（8）高5mm，厚1-2mm，内径10-20mm。
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