黃 繩

 

    卯榫節點的抗震機理是：受撞擊后臨界突變、彈塑變形、擠壓摩擦能量耗散、時空吸震的諧振阻尼有機衰變過程。按“強柱弱梁、塑性鉸節點”概念構想一種中國卯榫仿形鋼筋混凝土節點，由其極限受力狀態下的延彈性臨接突破、塑性發展、摩擦、剪切、彎矩約束抵抗，完成能量耗散。并對該節點發展出的逐節點程序化破壞耗能抗震結構體系作出了概念披露。  

 

1. 建筑抗震歸納綜述   
    1.1“微化分裂”機制趨近“中國卯榫”機理   
    當今世界建筑抗震的設計理論概念已趨認同為柔性結構體系和全彈性體系的協同工作。其背景是，國外研究者從自然界找到了“原生”的理想參照模型，并得出了在解決生物體的抵抗問題時，最有力的工具是力的微化分裂。“當一個自然結構需要吸收大量的能量時，不是集聚大量的抵抗材料，相反，力是通過被劃分到成千上萬個相互聯系著的抵抗纖維中而被耗散掉的。由纖維和空氣形成的零亂結構，其抗力水平比那些由大量集中纖維形成的單一構件所具有的抗力水平要高10多倍。力量的微化分裂使類似樹木那樣大的結構產生抵抗地震、風力或沖擊力的防御機制。”。現實中有無這種依靠復雜結構的無序構成力的多重分布體系，通過斷裂、變形吸振耗能的仿生建筑存在呢？答案應該是中國傳統的木構建筑體系。中國木構7000年歷史享有“墻倒屋不塌”的美譽，綜合分析其抗震機理歸于構架的協同工作。這一體系“微化分裂”外界破壞沖擊力的能量耗散 “裝置”即卯榫節點。   
   

    1.2 中國卯榫抗震機理   
    中國木構架是一種框架,更準確地講就是木構的框架,而不是鋼筋混凝土框架。木構框架比起鋼筋混凝土框架又有什么不同呢?鋼筋混凝土框架節點是剛性連接；而木構架則好似一‘剛-鉸有機體’。其節點在承受某一程度的荷載時表現為剛節點：卯榫+楔+膠的作用；而超過載荷的某一臨界值時將發生‘屈服’,由膠被撕裂、卯榫擠壓變形、楔子松動形成間隙，于是卯榫間發生扭轉活動又表現出鉸的特性。所以許多古老的木構，在強地震沖擊力下產生猶如臨界突變的躍遷，靠自己儲存的能量實現對外力的抵消。當構造節點 木材粗纖維趨于拉斷時還會承受到結構系統組成中諸如斗栱的組合約束，側腳、斜柱的支撐。比起剛節點的‘寧折勿彎’這是一漸衰轉變，是‘以柔克剛’的過程，而鉸結是根本不存在這種抵抗的。這種特殊的中國木構架卯榫抗震機理可以稱作‘有機衰變’。中國歷經七千年的卯榫技術是不斷發展的。如單榫變雙榫本身就形成新的力學關系，它構造出了更多的應變空間,抵抗彎矩尤其是平面外彎矩的能力會更強。由卯榫結合構架出的中國傳統建筑屋架，結構是復雜的,對風、地震破壞外力的抵御能力是強大的。現存完好的千年佛光寺東大殿、山西應縣佛宮寺釋迦木塔都是最具有代表性的證明。無論是縱、橫向地震沖擊波襲來，作用于這種復雜多重梁柱卯榫木構架的地震荷載都將被分散、緩沖、化解、吸收。以其特殊的轉化機理，靠構件間隙空間傳遞的‘毫秒’時差形成‘時空吸震效應’而化整為零，并且表現出類似‘倫巴’舞姿的構架搖擺。各受力桿件間的逆向運動將自行抵消突發外力而化險為夷。用現代科學理論解釋可稱之為‘超臨界狀態’發生‘突變’時產生的‘諧振阻尼’。中國卯榫木構架以其科學的能量轉化機理經受了數千年自然界的考驗。”    
   

    通過對以上大量國內外成果的分析，認為中國卯榫抗震機理的研究應盡快走向跨學科多模態理論分析與應用研究領域,針對“中國卯榫”抗震機理,“仿形”開展鋼筋混凝土框架節點域的吸能構造研究。基于鋼筋混凝土框架抗震性能對強度和延性的依賴，以及唐山地震得出的“梁柱節點是結構破壞的薄弱點”之定論，把抗震概念轉向非彈性變形吸能目標，開發支撐體系抗傾覆能力的剛鉸吸震耗能梁柱節點，進而建立鋼筋混凝土框架整體協同工作的抗震新體系（逐節點秩序性破壞時空吸震衰減過程）。   

 

2. 中國卯榫抗震機理研究與仿形   
    2.1 卯榫節點力學機理分析   
    對卯榫節點構造與儲能機理進行分析，研究地震力沖擊荷載作用下發生的組合破壞耗能過程，結合破壞性模型實驗對節點的預應力釋放包括：彈性階段，組合間隙膠結材料斷裂破壞，摩擦、彎矩約束、剪切約束，直至榫頭纖維束摩擦劈裂、斷裂的狀態過程分階段做出能量釋放消耗、強度衰變的定性理論闡述；對剛性木節點及卯榫節點做破壞性試驗進行相對量化對比的分析，為仿形設計新節點提出構造形式設想與力學特征及量化界限比值建議。   

    2.2中國卯榫剛-鉸機理仿形   
    基于對中國木構架卯榫節點抗震機理的力學分析，仿形研制一種“鋼板疊插混凝土剛-鉸有機節點”構造。該節點以成熟的鋼筋混凝土框架結構抗震體系概念為前題，如“梁鉸機制”（即強柱弱梁型設計）、“層間屈服機制”（即強梁弱柱型設計）、“混合機制”（節點域抗彎能力：柱>梁，且共同形成塑性鉸、柱子屈服不居同一層面）。傳統鋼筋混凝土框架采用“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點強錨固”構造原則在框架梁端形成塑性鉸吸震，但能量消耗非常有限。開發一種強柱強梁弱節點概念下的新型塑性鉸梁柱節點，其“弱”之量化將以設定的地震破壞力為基準確立剛-鉸轉換點強度。通過節點特殊構造形式在強震沖擊荷載下發生的延、彈性臨界突破，塑性發展、摩擦、剪切、約束彎矩抵抗過程實現能量耗散。   

 

3. 剛-鉸有機節點   
    3.1 鋼板疊插混凝土節點   
    仿形設計的新節點形式考慮工程應用的可行性、造價的可比性、施工的簡單性，通過構造形式的特性完成剛-鉸有機突變及實現塑性鉸耗能衰減機理。其中躍遷臨界點及塑性鉸耗能的量化將依據抗震設防級別及“大震”強度指標確定構造形式為鋼板疊插混凝土梁柱節點。其破壞過程為：當彎矩致使混凝土膠結材料斷裂破碎后轉變成塑性鉸摩擦耗能及構造約束，完成剛-鉸轉換及能量耗散。新節點將面對強柱強梁塑性鉸弱節點構造，應必須以防止節點成為“機構”鉸為前題，因此，節點的構造設計及試驗工作將是大量、復雜，且需不斷量化逼近既定目標。  

  
    3.2 新型剛-鉸有機節點制作與力學測試   
    在上述理論基礎上，對鋼板疊插混凝土節點做構造材料、填充材料的選擇，以保證節點構造的力學特征；節點的構造形式設計將依據實驗結果及力學理論計算得出。縮尺制作若干模型，進行各項力學性能測試并模擬地震波做動力試驗，獲取大量的實驗數據成果。

    
    3.3鋼板疊插混凝土節點理論研究   
    利用塑性理論、斷裂理論和分析力學方法建立系統的動力學方程；利用哈密頓原理或變分方法將系統的動力學方程化為多自由度動力系統；利用拉格朗日原理進行分析和公式推導；利用非線性理論分析系統的動力響應；利用模態方法研究不同模態之間的相互作用及對響應的影響；利用數值方法研究系統的分岔全局變化行為；利用斷裂力學的基本原理研究系統在斷裂后的裂紋擴張情況，并與計算的分岔值進行比較；利用摩擦學原理研究系統中的能量損耗；利用約束彎矩概念分析力的轉移。 

  
4. 剛-鉸有機框架體系概念設計與協同抗震理論初步   
    由剛-鉸有機新型節點構成的鋼筋混凝土框架體系設計將是全新的概念，結構體系將根據新型節點的力學特性對鋼筋混凝土框架做初步模擬設計、強度分析及體系抗傾覆能力計算，為獲取體系抗震的協同時空吸震目標做每個節點的量化值界定預測，以形成逐點有序性破壞的彈性、延性、扭轉、剪切、節點破壞、矢量轉移、次系統破壞、諧振阻尼時空吸震衰減過程。   

參考文獻：   
    1.【西】貝倫·加西亞.世界名建筑抗震方案設計.北京：中國水利電出版社、知識產權出版社， 2000：20  
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    3.方東平.木結構的靜力、動力及抗震性能研究[碩士學位論文].西安:西安交通大學，1998  
    4.劉曉東.北門箭樓結構靜力、動力試驗研究.[碩士學位論文].西安:西安交通大學，1998  
    5.樊建江.試論中國古建筑的抗震機理.西安冶金建筑學院學報.1993，25（3）：241－246  


(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)