黃 繩

 

    卯榫節(jié)點(diǎn)的抗震機(jī)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(jī)衰變過程。按“強(qiáng)柱弱梁、塑性鉸節(jié)點(diǎn)”概念構(gòu)想一種中國卯榫仿形鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)，由其極限受力狀態(tài)下的延彈性臨接突破、塑性發(fā)展、摩擦、剪切、彎矩約束抵抗，完成能量耗散。并對該節(jié)點(diǎn)發(fā)展出的逐節(jié)點(diǎn)程序化破壞耗能抗震結(jié)構(gòu)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(jī)制趨近“中國卯榫”機(jī)理   
    當(dāng)今世界建筑抗震的設(shè)計理論概念已趨認(rèn)同為柔性結(jié)構(gòu)體系和全彈性體系的協(xié)同工作。其背景是，國外研究者從自然界找到了“原生”的理想?yún)⒄漳Ｐ停�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(dāng)一個自然結(jié)構(gòu)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(lián)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(jié)構(gòu)，其抗力水平比那些由大量集中纖維形成的單一構(gòu)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生抵抗地震、風(fēng)力或沖擊力的防御機(jī)制。”。現(xiàn)實中有無這種依靠復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無序構(gòu)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(yīng)該是中國傳統(tǒng)的木構(gòu)建筑體系。中國木構(gòu)7000年歷史享有“墻倒屋不塌”的美譽(yù)，綜合分析其抗震機(jī)理歸于構(gòu)架的協(xié)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(jié)點(diǎn)。   
   

    1.2 中國卯榫抗震機(jī)理   
    中國木構(gòu)架是一種框架,更準(zhǔn)確地講就是木構(gòu)的框架,而不是鋼筋混凝土框架。木構(gòu)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(jié)點(diǎn)是剛性連接；而木構(gòu)架則好似一‘剛-鉸有機(jī)體’。其節(jié)點(diǎn)在承受某一程度的荷載時表現(xiàn)為剛節(jié)點(diǎn)：卯榫+楔+膠的作用；而超過載荷的某一臨界值時將發(fā)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(fā)生扭轉(zhuǎn)活動又表現(xiàn)出鉸的特性。所以許多古老的木構(gòu)，在強(qiáng)地震沖擊力下產(chǎn)生猶如臨界突變的躍遷，靠自己儲存的能量實現(xiàn)對外力的抵消。當(dāng)構(gòu)造節(jié)點(diǎn) 木材粗纖維趨于拉斷時還會承受到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成中諸如斗栱的組合約束，側(cè)腳、斜柱的支撐。比起剛節(jié)點(diǎn)的‘寧折勿彎’這是一漸衰轉(zhuǎn)變，是‘以柔克剛’的過程，而鉸結(jié)是根本不存在這種抵抗的。這種特殊的中國木構(gòu)架卯榫抗震機(jī)理可以稱作‘有機(jī)衰變’。中國歷經(jīng)七千年的卯榫技術(shù)是不斷發(fā)展的。如單榫變雙榫本身就形成新的力學(xué)關(guān)系，它構(gòu)造出了更多的應(yīng)變空間,抵抗彎矩尤其是平面外彎矩的能力會更強(qiáng)。由卯榫結(jié)合構(gòu)架出的中國傳統(tǒng)建筑屋架，結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的,對風(fēng)、地震破壞外力的抵御能力是強(qiáng)大的。現(xiàn)存完好的千年佛光寺東大殿、山西應(yīng)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(fù)雜多重梁柱卯榫木構(gòu)架的地震荷載都將被分散、緩沖、化解、吸收。以其特殊的轉(zhuǎn)化機(jī)理，靠構(gòu)件間隙空間傳遞的‘毫秒’時差形成‘時空吸震效應(yīng)’而化整為零，并且表現(xiàn)出類似‘倫巴’舞姿的構(gòu)架搖擺。各受力桿件間的逆向運(yùn)動將自行抵消突發(fā)外力而化險為夷。用現(xiàn)代科學(xué)理論解釋可稱之為‘超臨界狀態(tài)’發(fā)生‘突變’時產(chǎn)生的‘諧振阻尼’。中國卯榫木構(gòu)架以其科學(xué)的能量轉(zhuǎn)化機(jī)理經(jīng)受了數(shù)千年自然界的考驗。”    
   

    通過對以上大量國內(nèi)外成果的分析，認(rèn)為中國卯榫抗震機(jī)理的研究應(yīng)盡快走向跨學(xué)科多模態(tài)理論分析與應(yīng)用研究領(lǐng)域,針對“中國卯榫”抗震機(jī)理,“仿形”開展鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)域的吸能構(gòu)造研究。基于鋼筋混凝土框架抗震性能對強(qiáng)度和延性的依賴，以及唐山地震得出的“梁柱節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)破壞的薄弱點(diǎn)”之定論，把抗震概念轉(zhuǎn)向非彈性變形吸能目標(biāo)，開發(fā)支撐體系抗傾覆能力的剛鉸吸震耗能梁柱節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而建立鋼筋混凝土框架整體協(xié)同工作的抗震新體系（逐節(jié)點(diǎn)秩序性破壞時空吸震衰減過程）。   

 

2. 中國卯榫抗震機(jī)理研究與仿形   
    2.1 卯榫節(jié)點(diǎn)力學(xué)機(jī)理分析   
    對卯榫節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與儲能機(jī)理進(jìn)行分析，研究地震力沖擊荷載作用下發(fā)生的組合破壞耗能過程，結(jié)合破壞性模型實驗對節(jié)點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力釋放包括：彈性階段，組合間隙膠結(jié)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(tài)過程分階段做出能量釋放消耗、強(qiáng)度衰變的定性理論闡述；對剛性木節(jié)點(diǎn)及卯榫節(jié)點(diǎn)做破壞性試驗進(jìn)行相對量化對比的分析，為仿形設(shè)計新節(jié)點(diǎn)提出構(gòu)造形式設(shè)想與力學(xué)特征及量化界限比值建議。   

    2.2中國卯榫剛-鉸機(jī)理仿形   
    基于對中國木構(gòu)架卯榫節(jié)點(diǎn)抗震機(jī)理的力學(xué)分析，仿形研制一種“鋼板疊插混凝土剛-鉸有機(jī)節(jié)點(diǎn)”構(gòu)造。該節(jié)點(diǎn)以成熟的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震體系概念為前題，如“梁鉸機(jī)制”（即強(qiáng)柱弱梁型設(shè)計）、“層間屈服機(jī)制”（即強(qiáng)梁弱柱型設(shè)計）、“混合機(jī)制”（節(jié)點(diǎn)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(tǒng)鋼筋混凝土框架采用“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固”構(gòu)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(fā)一種強(qiáng)柱強(qiáng)梁弱節(jié)點(diǎn)概念下的新型塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)，其“弱”之量化將以設(shè)定的地震破壞力為基準(zhǔn)確立剛-鉸轉(zhuǎn)換點(diǎn)強(qiáng)度。通過節(jié)點(diǎn)特殊構(gòu)造形式在強(qiáng)震沖擊荷載下發(fā)生的延、彈性臨界突破，塑性發(fā)展、摩擦、剪切、約束彎矩抵抗過程實現(xiàn)能量耗散。   

 

3. 剛-鉸有機(jī)節(jié)點(diǎn)   
    3.1 鋼板疊插混凝土節(jié)點(diǎn)   
    仿形設(shè)計的新節(jié)點(diǎn)形式考慮工程應(yīng)用的可行性、造價的可比性、施工的簡單性，通過構(gòu)造形式的特性完成剛-鉸有機(jī)突變及實現(xiàn)塑性鉸耗能衰減機(jī)理。其中躍遷臨界點(diǎn)及塑性鉸耗能的量化將依據(jù)抗震設(shè)防級別及“大震”強(qiáng)度指標(biāo)確定構(gòu)造形式為鋼板疊插混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)。其破壞過程為：當(dāng)彎矩致使混凝土膠結(jié)材料斷裂破碎后轉(zhuǎn)變成塑性鉸摩擦耗能及構(gòu)造約束，完成剛-鉸轉(zhuǎn)換及能量耗散。新節(jié)點(diǎn)將面對強(qiáng)柱強(qiáng)梁塑性鉸弱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，應(yīng)必須以防止節(jié)點(diǎn)成為“機(jī)構(gòu)”鉸為前題，因此，節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計及試驗工作將是大量、復(fù)雜，且需不斷量化逼近既定目標(biāo)。  

  
    3.2 新型剛-鉸有機(jī)節(jié)點(diǎn)制作與力學(xué)測試   
    在上述理論基礎(chǔ)上，對鋼板疊插混凝土節(jié)點(diǎn)做構(gòu)造材料、填充材料的選擇，以保證節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的力學(xué)特征；節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式設(shè)計將依據(jù)實驗結(jié)果及力學(xué)理論計算得出。縮尺制作若干模型，進(jìn)行各項力學(xué)性能測試并模擬地震波做動力試驗，獲取大量的實驗數(shù)據(jù)成果。

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

  
4. 剛-鉸有機(jī)框架體系概念設(shè)計與協(xié)同抗震理論初步   
    由剛-鉸有機(jī)新型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的鋼筋混凝土框架體系設(shè)計將是全新的概念，結(jié)構(gòu)體系將根據(jù)新型節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性對鋼筋混凝土框架做初步模擬設(shè)計、強(qiáng)度分析及體系抗傾覆能力計算，為獲取體系抗震的協(xié)同時空吸震目標(biāo)做每個節(jié)點(diǎn)的量化值界定預(yù)測，以形成逐點(diǎn)有序性破壞的彈性、延性、扭轉(zhuǎn)、剪切、節(jié)點(diǎn)破壞、矢量轉(zhuǎn)移、次系統(tǒng)破壞、諧振阻尼時空吸震衰減過程。   

參考文獻(xiàn)：   
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    4.劉曉東.北門箭樓結(jié)構(gòu)靜力、動力試驗研究.[碩士學(xué)位論文].西安:西安交通大學(xué)，1998  
    5.樊建江.試論中國古建筑的抗震機(jī)理.西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報.1993，25（3）：241－246  


(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)