木拱廊桥的抗震、减震及隔震加固探究

2021-04-28李利平张亚飞季光耀

丽水学院学报 2021年2期

李利平，张亚飞，季光耀

（1.丽水学院工学院，浙江丽水323000；2.西南林业大学土木工程学院，云南昆明650000）

0 引言

木结构桥梁是中国传统木结构建筑的重要组成部分，其中，木拱廊桥是木结构桥梁中的艺术瑰宝，是浙闽两省劳动人民在与自然斗争中的杰出创造。木拱廊桥主要遗存于浙闽两省的交界处，集中分布于温州、丽水、南平及宁德等地区，具有结构独特、造型别致以及地域特征明显等特点。

随着现代化发展的步伐加快，人们对木拱廊桥的关注程度逐渐降低，木拱廊桥的建造工艺逐渐失传。木拱廊桥作为木结构桥梁的代表之作，具有超高的科研价值。目前，已有研究人员对木拱廊桥的保护提出意见。黄续[1]提出对木拱廊桥的技艺保护策略：加强木拱廊桥营造技艺生态环境的整体保护；加强木拱廊桥营造技艺研究，建立数字博物馆；加强传承人及其传承的保护。李旭平[2]提出数字化保护技术、廊桥木结构构建标准化等。缪小龙[3]对木拱廊桥的防火提出以加强防火为重点，研究开发阻燃材料、运用GIS（地理信息系统）、应用性能化消防设计等策略。对于洪涝灾害带给木拱廊桥的破坏，吴明桦[4]提出木拱廊桥泄洪技术方案，对木拱廊桥在洪涝灾害下的保护给出了一定的技术方案。但是对于木拱廊桥的抗震、减震以及隔震方面的研究甚少，部分研究人员对廊桥的研究只在桥木拱架部分，而对于廊屋部分没有进行深入研究。对木拱廊桥的研究发现[5]，有些木拱廊桥的廊屋部分质量对整个木拱廊桥具有重要影响，因此对于木拱廊桥整体的抗震、减震及隔震加固值得深入探究。

1 木拱廊桥的结构特点

木拱廊桥多建于交通不发达的山区，其结构主要包括两部分：上面部分为廊屋，可供行人遮风挡雨或休憩；下面部分为桥木拱架部分，作用是支撑整个廊桥。下面以浙江丽水庆元县全国重点文物保护单位——如龙桥（图1）为对象，简单介绍木拱廊桥的基本结构和建筑特征。如龙桥位于浙江省庆元县，全长28.2 m，拱跨14.1 m，净跨19.5 m，面阔6 m，有廊屋9 旬，两端桥台南设桥亭、北设钟楼(钟楼结构与整体差异较大,疑为后期改建),桥台外砌糙块石,内多堆砌卵石,依地势分设台阶通往村落及去闽古道,是全国迄今有确切纪年、寿命最长的木拱桥[6]。如龙桥构造科学、合理，桥木拱架部分依照力学原理，运用数十根粗大圆木纵横拼接对拱而成“八”字型结构；廊桥两端竖立4 根“将军柱”（图1①），从木拱架底垫木通到廊屋部分，使廊屋的重心下移，重心稳定；箬叶、木炭、砂石料、鹅卵石或香糕砖依次层铺于桥面板上，使桥面具有良好的通风、散气以及防腐功效。

如龙桥拱架部分由“三折边”（图1②）、“五折边”（图1③）、“交叉木”相互穿插形成，通过“三折边”“五折边”在转折处搭接于“牛头”（图1④）上形成整体“，牛头”部分的细部构造如图2 所示，说明其建造技术已十分成熟，能够科学地解决受力问题。

图1 如龙桥剖面图

2 木结构的抗震研究

2.1 木结构的抗震性能研究

木拱廊桥的上下两部分都具有减震吸能节点。以往的研究表明，可从斗拱、榫卯、梁架、屋顶及柱子等方面对木结构的抗震构造进行评估，具体评估方法包括无损检测法、三位激光扫描法、试验法、有限元法等[7]。刘荣桂[8]对古木结构抗震经验评价方法进行了研究，并在此基础上提出新的评价公式。

图2 图1 中⑤三折边节点详图

Andrew 等[9]研究发现材料的重量、延性、强度变异性、尺寸效应及耐火性等对木结构的抗震设计均具有影响，并指出胶合板剪力墙能够吸收能量。熊海贝等[10]在高层木结构抗震、抗火及节点连接等方面研究发现，CLT 剪力墙结构在当前木结构高层结构体系中应用广泛。Pang 等[11]将DDD（直接位移计算）方法用于多层木框架结构的抗震设计，结果表明，在地震作用下DDD 设计的木框架结构具有比较低的软弱层破坏风险。

薛建阳等[12]、盘锦章[13]、隋[14]及张锡成[15]以殿堂结构为对象，对古建筑中木结构地震动力反应及抗震机理进行研究，结果表明，榫卯节点、柱脚滑移及铺作层具有吸能能力，且木结构具有较强减震及消震能力。谢启芳等[16]在汶川地震后对绵竹、宝鸡等地区的古建筑进行研究发现，在地震作用下榫卯节点可以通过变形来吸收地震能量，从而减少结构的地震响应；潘毅等[17]对都江堰等地古木结构震害进行调查发现，榫卯连接起到吸能减震作用，使得古建筑具有良好的抗震能力；罗勇[18]运用有限元软件模拟验证了榫卯节点具有吸能减震能力;文自刚等[19]对榫卯节点进行研究，根据能量耗散原理将榫卯节点耗散的能量等效为阻尼做功，以广泛运用的燕尾榫为例，得出结构的等效阻尼系数Ceq=250 kN·s·m-1，说明榫卯结构具有良好的吸能减震能力。

结构循环一周摩擦力耗散的能量：

粘滞阻尼在循环一周内耗散的功：

高大峰[20]研究表明柱脚滑移部分具有良好的隔震表现,卯榫节点具有增大结构延性能力及铺作层的弹塑性变形使得木结构具有抗震性能。李海娜[21]、吴磊[22]对铺垫层进行振动台试验与理论计算对比分析，证实铺作层具有良好的吸能减震能力。

2.2 木结构节点加固研究

参考以往的研究可以得出，木结构中的铺作层、拱架、台基及榫卯节点等均具有良好的吸能减震作用。周乾、闫维明等[23-25]及薛建阳等[26]采用振动台试验进行研究，发现木结构中将CFRP（碳纤维增强塑料）运用在榫卯节点上，对榫卯节点的加固具有较好的吸能减震效果。张风亮[27]通过试验与软件模拟表明，碳纤维布在榫卯节点的加固中具有一定的可行性。王全凤和法冠喆等[28-29]将BFRP（玄武岩纤维布）运用在榫卯节点的加固上，同样表现出良好的吸能减震效果，且在不同工法下表现不同。

在榫卯结构加固的研究中，陆伟东[30]和邓大利[31]利用扒钉、角钢、软钢和弧形钢板等进行榫卯节点加固，表明了这两种材料能够提升吸能性能，加固效果明显；姚侃等[32]运用Q235 扁钢加固榫卯节点，加固后节点的强度、刚度和整体性均有所提高，可以有效阻止榫卯脱落导致的结构坍塌;扁钢的塑性变形吸能取代了榫卯破坏阶段的吸能，有效阻止了结构榫卯节点的破坏；王超[33]对黄帝殿的研究发现钢板在卯榫节点中的加固在未来地震中可能存在隐患，提出在相同位置运用阻尼器加固能够降低结构动力响应。

2.3 木结构隔震支座吸能研究

木拱廊桥中充分运用了各种榫卯、拱架及铺作层等常见的吸能减震节点，单靠木拱廊桥结构中具有的吸能减震节点是不能够抵抗所有地震作用的，因此在木拱廊桥中运用隔震系统值得研究。Symans 等[34]对木结构抗震中运用基础隔震和附加阻尼系统进行总结，表明了基础隔震和附加阻尼系统是木结构在强地震作用下的希望。

目前,常用的隔震支座有橡胶支座及滑动支座。绿川光正[35]通过振动台试验验证了橡胶支座及滑/滚动支座在木结构中具有明显的隔震效果;Delfosse[36]通过设计计算一层木结构证实了橡胶支座在单层木结构中的可行性；Pall 等[37]对加拿大某地一栋两层轻型木结构运用滑动支座进行数值建模分析，得出顶部加速度在隔震系统的作用下减少近1/2，且滑动支座的隔震效果伴随地面加速度的增大效果更加显著；Sakamoto 等[38]在两层木结构中运用叠层橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座及铅芯橡胶隔震支座，结果表明运用隔震支座后顶层加速度明显减小。

研究发现隔震支座在木结构中具有良好的隔震表现。Zayas 等[39]、Iiba 等[40]、Junya Sakai 等[41]及Jampole等[42]采用FPS 隔震系统的木结构建筑进行分析，得出FPS 隔震系统具有良好的隔震效果。van de Lindt 等[43]通过对FPS 支座半径与地震烈度的关系得到回归方程及回归系数，其斜率分别是0.97 和0.95：

C的取值见表1。

表1 C 的取值

潘忠炜等[44]研究发现在古木建筑加固中运用普通叠层橡胶支座和弹性滑移支座的混合隔震技术，这种混合隔震能够有效地提高建筑的抗震能力；肖发平[45]提出反压式碟形弹簧隔振器的原理及设计思路，并验证了其合理性及有效性，可运用在木结构隔震中；杨建江[46]通过有限元软件验证了台基具有一定的隔震性能。

通过对木结构中的各种隔震措施的研究表明，上述措施表现良好，那么对于木拱廊桥是否同样具有良好的隔震性能，值得进一步研究。

3 木拱廊桥减隔震加固

3.1 木拱廊桥节点吸能加固

目前，研究人员对木拱廊桥的保护部分研究众多，但大部分研究只针对桥木拱架部分，并没有把廊屋部分考虑进去，这样的研究具有不确定性，因此，在对木拱廊桥的隔震加固中把廊屋部分考虑进去很有必要。吕伟荣等[5]通过数值模拟得出在不同荷载作用下“三节苗”和“五节苗”的内力变化均匀，“牛头”部分弯矩及剪力相对集中。张亮[47]和欧加加[48]对木拱廊桥受力机理的研究发现，在荷载作用下榫卯连接部分对整个桥木拱架部分的稳定起关键作用，以及牛头部分和是否有“青蛙腿（马腿）”对木拱廊桥的受力也具有很大影响。徐哲民[49]、刘明晖[50]在对木拱廊桥的力学特性进行分析时，拱脚处出现最大轴力响应，在地震作用下桥面1/4 位置的位移响应最大。文自刚等[19]提出等效阻尼系数公式

由上述的等效阻尼系数公式可知干摩擦的阻尼贡献与滑动速度幅值ωX成正比，通过增加榫卯节点的滑动速度幅值能够提高榫卯节点的吸能减震能力。对木拱廊桥的受力和力学特性研究发现，榫卯节点处受力明显，且在地震作用下响应明显，同时榫卯节点具有良好的隔震吸能能力。

对于榫卯节点的加固，传统的方法有加钉法、螺栓加固法和加箍法等，应用最多的是在节点设置U 形钢箍、钢构件。周乾等[51]研究发现，CFRP 加固榫卯节点，其承载力、吸能能力、刚度退化和节点延性比扒钉和钢箍加固好；张富文等[52]研究表明，竹斜撑、钢箍和钢支撑加固榫卯节点的正向峰值荷载较未加固分别提高了105.2%、246.6%和68.1%，而反向峰值荷载仅分别提高了－8.7%、57.7%和12.4%，与未加固相比，竹斜撑、钢支撑加固的初始刚度分别提高了82.4%和38.3%，钢箍加固提高有限，仅为3.3%。CFRP（碳纤维增强塑料）、碳纤维布、BFRP（玄武岩纤维布）、钢箍、软钢、弧形钢板，以及钢板等，在卯榫节点加固中具有不同的加固效果和抗震表现。将这些材料运用于木拱廊桥的榫卯节点加固，通过数值模拟及振动台试验寻找适用于木拱廊桥榫卯节点加固的材料，同时开发新的加固材料应用于木拱廊桥榫卯节点加固很有必要。

3.2 木拱廊桥支座吸能加固

对于木结构中运用的FPS 隔震系统、反压式碟形弹簧隔振器、橡胶支座、滑/滚动支座以及基础隔震和附加阻尼系统具有良好的隔震效果，那么对于木拱廊桥的基础部分同样可以运用隔震支座进行隔震加固。

关于台基部分，从现有的研究中得知，台基具有良好的隔震效果。现将上部廊屋部分考虑进去，廊屋两边插入基础的“将军柱”，通过加入隔震支座来实现其隔震效果；桥面立柱部分平放在桥木拱架上，将安放桥面立柱的桥面拱架部分修建成类似台基，这将会使廊屋部分具有良好的隔震吸能能力。张风亮[27]给出柱脚与台基之间发生相对滑移的条件为台面的惯性加速度大于柱脚与台基间的最大静摩擦力产生的加速度，即，式中表示地面加速度；μs表示柱根与台基间的最大静摩擦系数，取0.33[5]；g为重力加速度。

对木拱廊桥插入地基的“将军柱”使用隔震支座，桥面立柱部分采用类似台基的方式进行吸能加固，其中“牛头”部分使用卯榫结构已经具有一定的抗震性能，可根据现实情况运用榫卯节点的加固方式进行加固。这样“将军柱”部分相当于基础隔震结构，桥面立柱部分运用类似台基方式进行隔震吸能，廊屋部分与桥木拱架部分由台基隔震形式形成层间隔震结构。“将军柱”隔震支座位置和桥面台基安放位置如图3 所示。