周 乾，杨 娜

(1.故宫博物院， 北京 100009； 2.北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044)

故宫古建榫卯节点典型残损问题分析

周 乾1,2，杨 娜2

(1.故宫博物院， 北京 100009； 2.北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044)

为保护故宫古建筑，采取理论分析与现场勘查相结合的方法，研究了故宫古建大木结构榫卯节点的典型残损问题。基于榫卯节点的构造特征和残损现状，讨论了故宫官式木构古建的榫卯节点在不同因素作用下出现的不同类型残损问题，包括残损问题的表现形式、主要症状、发展趋势、对古建筑的潜在威胁等方面。分析了古建筑榫卯节点产生残损的不同诱因，结合工程实例，提出了加固建议。结果表明：故宫古建筑榫卯节点的典型残损问题包括拔榫、变形、糟朽、加固件松动等，对古建筑的整体稳定性构成了威胁；引起榫卯节点的残损问题的因素是多样的，但主要包括外力作用、木材材性缺陷，以及榫卯连接构造的特点等方面。采取铁件拉接、木柱支顶、碳纤维布(CFRP)或铁件包裹等方法均有利于解决上述残损问题。

故宫古建筑；榫卯连接；残损问题；加固方法

我国的古建筑以木结构为主。位于北京市中心的故宫博物院(紫禁城)，拥有我国现存规模最大、保护最完整的木结构古建筑群，具有重要的文化和历史价值，保护意义重大。这些古建筑建于明清时期，其主要构造特征之一，就是木构件之间(包括水平构件之间、水平构件与竖直构件之间)采用榫卯节点的方式连接。即一个构件的端部做成榫头形式，插入另一个构件端部预留的卯口中[1]。榫卯节点连接的方式不仅有利于古建筑的快速施工，而且在外力作用下(如风、地震)，榫头与卯口之间的摩擦和挤压，可耗散部分外部能量，有利于减小古建筑的破坏。

故宫古建筑中的榫卯节点有很多种。如管脚榫一般位于柱脚，与梁内的海眼咬合，可起到固定柱脚的作用，见图1(a)；馒头榫一般位于柱顶，可用于避免梁水平移位的榫，见图1(b)；燕尾榫外形象燕尾，其榫头外大内小，对应的卯口外小内大，常用于梁柱相交构件的连接，见图1(c)；箍头榫位于枋与柱在尽端或转角部位相交处，且柱头以外部分做成箍头形式，主要用于拉接上述位置的柱与枋，见图1(d)，其它榫卯节点形式还包括透榫、半榫、十字卡腰榫等。

图1典型榫卯节点构造

在常年的自然力(地震、雨雪作用)或人为破坏作用下，榫卯节点常常会产生破坏现象，并威胁古建筑结构整体稳定性能，因而很有必要对榫卯节点进行残损评估并及时采取有效加固措施。故宫古建大木结构属抬梁式类型(即在立柱上架梁，梁上重叠数层瓜柱和梁，再于最上层梁上立脊瓜柱，组成一组屋架)，其榫卯节点的残损评估参照《古建筑木结构维护与加固技术规范》[2](GB 50165—92)规定，包括如下内容：榫头拔出卯口的长度不应超过榫头长度的2/5；榫头或卯口无糟朽、开裂、虫蛀，且横纹压缩变形量不得超过4 mm。下面将对故宫古建梁柱榫卯节点的典型残损问题进行分析，结果可为故宫古建筑维修和保护提供理论参考。

1 典型问题

故宫古建筑由于历经时间长久，其材料性能不可避免产生退化。同时，由于外部环境因素影响，故宫古建筑榫卯节点易出现不同类型的残损问题，并威胁到建筑整体的安全性和稳定性。这些残损问题包括拔榫、榫头变形、榫头糟朽、榫头开裂、原有加固件失效等方面，具体说明如下：

(1) 拔榫。从力学上讲，木构古建榫头与卯口之间的连接属于半刚性连接，节点刚度较小[3]。在外力作用下(风、地震、人为因素等)，榫头与卯口之间会产生相对滑移和转动，其间，榫头不可避免地要与卯口产生间隙，形成拔榫，见图2。一般而言，尺寸较小的拔榫量(如前所述，一般小于榫头长度的2/5)可耗散部分外力产生的能量，从而使大木构架的破坏减轻，即对结构整体的安全性是有利的[4]。然而榫头从卯口中拔出的尺寸过大时，一方面会削弱榫头与卯口的连接，另一方面使得榫头实际参与受力的有效截面尺寸减小。其结果很可能使榫头产生受力破坏或脱榫，从而诱发大木构架局部失稳。但是拔榫不同于脱榫，拔榫构件仍有一定的连接和承载力，大木结构尚处于完好状态，采取及时加固措施可避免构架破坏。脱榫则不同，脱榫是指榫头完全从卯口拔出，造成梁柱连接失效，是大木结构的破坏形式之一。由于拔榫可能导致脱榫，潜在威胁结构的安全性能，因而需要采取及时加固措施。

(2) 榫头变形。榫头变形是指榫头在卯口中产生相对运动过程中，榫头受到卯口挤压而产生的变形，见图3。

图2 拔榫

图3榫头变形

榫头变形主要包括榫头下沉和榫头歪闪两方面问题。完好的榫头与卯口本来为紧密结合状态，但是在外力作用下，榫头受到卯口挤压后，产生压缩、扭曲等变形，导致尺寸减小，即形成榫头下沉问题。榫头下沉使得榫头与卯口在竖向有一定间隔，见图3(a)。榫头下沉的症状是榫头截面受到削弱的体现。在外力不变的情况下，榫头截面的应力将明显增大，很容易产生内力破坏，并导致结构局部失稳。榫头下沉亦削弱了榫头与卯口的连接，使得外力作用下产生拔榫的可能性增大。榫头歪闪一般是指在水平外力作用下，榫头与卯口之间产生水平向的相对错动或扭转，致使榫头产生扭曲变形，见图3(b)。由于在正常情况下榫头与卯口是紧密连接的，因此当卯口变形不严重时，榫头歪闪很可能反映榫头已产生开裂或局部扭断，因而需要采取加固措施。

(3) 榫头糟朽。糟朽是木材的材性缺陷之一。在潮湿环境下，木材很容易产生糟朽问题，其主要原因在于水分加剧了木腐菌对木材的侵蚀[5]。产生糟朽的榫头受力截面产生折减，易产生较大的内力。故宫木构古建的榫卯节点存在榫头糟朽的残损问题。图4即为故宫某古亭攒尖木构架榫头糟朽照片。榫头糟朽问题常见于屋顶部位或隐蔽在墙体内的榫卯节点，上述位置的共同特点是易形成潮湿环境，且潮湿的空气不易排出。当屋顶或墙体渗水流入榫卯节点位置时，在缺乏通风条件下，榫头很容易糟朽，导致榫头与卯口之间的连接性能受到削弱。外力作用下，榫卯节点的拉接力迅速降低，很容易产生脱榫并导致木构架局部失稳，从而使得结构整体安全性能受到影响。

图4榫头糟朽

(4) 榫头开裂。木材具有易开裂的材性缺陷，其主要原因是木材在干缩过程中，由于各部分收缩不一致而产生内应力，并致使薄弱环节开裂[6]。位于梁端的榫头同样存在开裂问题。由于本身干缩或外力作用原因，榫头易产生裂纹。如图5所示的双步梁出现了水平贯穿裂纹，直至榫头。该榫头裂纹由梁身破坏而引发。由于榫头破坏，榫卯节点的承载力降低，双步梁出现了局部下沉问题。另榫头与卯口相互作用过程中，受到卯口挤压和咬合影响，榫头亦产生开裂[7]。榫头产生裂纹后，其与卯口的连接性能迅速降低，在外力作用下更易产生拔榫，并易导致木构架局部失稳。此外，对于开裂的榫头而言，其与卯口之间的咬合不再紧密，这使得微生物、雨水等易沿着裂纹位置进入榫卯节点内部，易造成其它残损问题。榫头开裂问题威胁古建筑的安全，因而应采取及时有效的加固措施。

(5) 加固件松动。此处的加固件是指铁件。铁件是明清官式木构古建加固的主要材料[8]。加固件用于榫卯节点加固时，在一定情况下会出现松动的问题。故宫加固榫卯节点的方法，一般以铁件加固为主，如采用铁钉、铁片连接梁柱节点。铁件加固法虽然可提高节点的强度和刚度，但是由于铁件自身存在易锈蚀问题，因此加固件在历经数年后会产生锈蚀，并导致本身松动。从铁件拉接方向上看，部分加固方法是拉接水平向的榫卯节点，但是加固件由竖向钉入，见图6所示。在这种情况下，若梁身受到的竖向力(方向向下)大于铁件对梁端的嵌固力(方向朝上)，则很可能导致加固件被拔出。此外，铁件加固木构件在短时间内有较好的效果，但随着时间增长，木构件因为变形、开裂等原因，榫卯节点与铁件的连接亦会减弱，导致铁件松动。加固件出现松动后，榫卯节点的强度回到了未加固状态，其承载能力迅速降低，从而对结构整体的稳定性构成威胁。

图5 榫头开裂

图6加固件松动

需要说明的是，榫卯节点的典型残损还包括卯口的变形、开裂等问题，由于其破坏原因及加固方法与榫头类似，故不进行详细论述。

2 原因分析

故宫古建筑榫卯节点产生不同类型的残损问题，其原因与多种因素有关，如榫卯节点的构造特征、材料老化、外力作用、施工管理、木材材性缺陷等，具体说明如下：

(1) 构造原因。榫卯节点的构造特征表现为：无论是梁端的榫头，还是柱顶的卯口，在连接处都要削掉一定部分的尺寸，再进行连接，见图7。尽管榫卯节点的构造特征有利于其发挥摩擦耗能的能力，但该特征是榫卯节点产生残损问题的主要原因之一。这种构造特征使得一方面榫头、卯口的截面尺寸均小于其它位置的截面尺寸，在外力作用下更仍容易产生拔榫等形式的破坏[9]；另一方面，榫卯节点是由两个构件连接而成，与单一的梁、柱构件相比，其整体性能要差，即在外力作用下，节点位置更容易产生拉、压、弯等形式的破坏[10]。榫卯连接形式虽然使得木构件之间得以拉接，但对于构件本身而言，无论其采用何种形式的榫卯节点形式，其榫头或卯口的截面尺寸及有效受力截面尺寸均不足，因而在该位置易因承载力不足，并产生拔榫、开裂、变形等残损问题。

图7榫头与卯口构造示意图(以燕尾榫为例)

(2) 外力原因。榫卯节点的榫头与卯口之间存在挤压、摩擦、咬合等作用，这是榫卯节点承载力的主要来源。这种承载方式有利于耗散外部能量，减小木结构整体破坏。但相对于地震力、风力等外力作用而言，榫卯节点提供的承载力是较低的。外力作用下，榫卯节点很容易产生不同形式破坏。对于古建筑常见的拔榫问题而言，在水平外力(如风、地震)作用下，榫头绕卯口转动尺寸过大时，很容易导致榫头从卯口拔出。如图8所示为2008年5月12日，汶川地震造成的四川省剑阁县某古建筑木构架拔榫，并直接导致该木构架产生侧移(局部达0.22 m)，严重威胁古建筑的安全[11]。外力作用下，榫头或卯口亦可能产生强度破坏。如当外力超过榫头的抗压、抗弯、抗剪承载力时，榫头会产生变形、开裂等问题。

图8地震造成的拔榫

(3) 材料原因。木材虽然有良好的变形和抗压、抗拉性能，但存在不利于受力的材性缺陷。树木在生长过程中，由于生理过程、遗传因子等因素的影响，因而不可避免的产生节子、裂纹等天然缺陷。而加工使用后的木材因为干缩、菌类侵蚀、外部作用等原因，很容易出现开裂(裂纹扩展)、糟朽等缺陷。以木材常见的开裂问题(见图9)为例，木材干缩特性使其易出现不同方向的裂纹。而外力作用下，其开裂程度加剧。对于榫卯节点而言，其有效受力截面本来就很小，一旦榫头或卯口出现上述缺陷，其破坏的可能性要增大。另木材材料的物理特性为各向异性，这使得外力作用下，榫卯节点沿各方向受力不均。此外，对于故宫常采用的铁件加固材料而言，虽然其具有较强的拉接力，可在一定程度上抑制节点变形，但铁件材料在空气中易产生锈蚀，因而很容易产生松动并降低加固效果。

图9木材材性缺陷之干缩裂纹

(4) 施工问题。由于榫卯节点是由梁端榫头和柱顶卯口拼合而成，上述任一构件或整个节点的施工出现不利于拼合的问题时，均有可能使榫卯节点产生残损问题。榫卯节点的施工问题包括加工问题、运输问题及安装问题。加工问题即由于材料变形、初始裂纹，加工技术水平等原因，造成榫卯节点的加工尺寸与理论尺寸存在偏差，并存在残损隐患。运输问题则是指加工后的榫卯节点在运输过程中，因为外力作用而产生局部破坏。如图10所示的某燕尾榫榫头，在工地中尚未安装，但榫头左上角因加工或运输原因出现小的缺角(见圆圈内部分)，榫头下部有轻微水平裂纹(见虚线部分)，这些都是不利于榫卯节点安装及受力的。安装问题即榫卯节点安装过程中出现接缝不严，或由于用力不当，或技术水平有限造成的残损问题。如梁或柱的位置未完全对齐，或者榫头、卯口尺寸不完全匹配，或者用力不当造成榫头或卯口损坏、变形，上述原因均可使榫卯节点产生变形、开裂等残损问题。

(5) 外部环境因素影响。如在潮湿的环境中，榫卯节点易产生糟朽问题。长时间环境条件下，木材的弹性模量会逐渐降低，易增加榫卯节点的变形量。长时间荷载作用环境条件下，木材会产生徐变，亦增加了榫卯节点的变形等。

图10某工程待安装的燕尾榫头

3 加固方法

3.1 铁件加固法

铁件加固法是故宫古建筑榫卯节点加固时常采用的方法。即利用铁件材料体积小、强度高的优点，将其固定在榫卯节点位置，并通过参与受力，来减小甚至避免榫头或卯口的破坏。铁件可做成不同形式，以便于加固。如对于梁柱拔榫节点，可采用厚约10 mm的铁片，用铆钉固定在榫卯节点位置，见图11(a)。此时榫卯节点受到的外力主要由铆钉承担。对于拔榫的檩构件，可将铁件两端做成弯钩，直接钉入节点两端的构件内，见图11(b)。此时榫卯节点受到的外力主要有铁件端部的弯钩部分承担。

图11铁件加固法照片

过河拉扯加固做法：当直榫卯口贯穿整个柱子截面时，可采取该加固方法。其具体作法为[8,12]：用二根较长的扁铁，从柱子的卯口内上下端分别贯穿柱身，扁铁两端分别用铆钉连接榫头，见图12。该加固条件下，榫卯节点受到的外力由铆钉承担。由于铁件的抗弯、抗剪承载力远大于木材，因而这种加固方法有效的避免了节点的破坏。

图12过河拉扯作法

3.2 铁件加固法的改进

故宫古建筑采取的传统铁件加固方法可提高榫卯节点的强度和刚度(即硬度)，但也存在破坏木构件、不利于检修等问题。如图11(b)所示的扒锔子，加固檩端部的榫卯节点后，虽然可提高节点的抗拉强度，但是对檩头也造成了破坏，使得檩头产生破坏裂缝。此外，固定在檩头的扒锔子，属不可逆加固操作，即扒锔子无法灵活拆卸或更换。因此，传统的铁件加固方法存在不足之处，需要进行改进。改进后的加固装置除具备提高榫卯节点的承载力之外，还应满足文物保护领域规定的“对原有结构扰动小或无扰动”、“加固过程可逆(加固件易于装拆)”等要求。

作者参与研发了一款改进的榫卯节点加固装置，其构造见图13。该加固装置由固定榫头的铁件(组件1)及固定卯口的铁件(组件2)组成[13-15]。组件1和组件2包裹在榫卯节点位置，且通过螺栓固定。在加固榫卯节点时，可根据所需加固力的需要调节螺栓的松紧程度，使得这种“包裹”的加固装置提供的加固力大小适当变化。该加固装置可满足榫卯节点的加固强度需求，易于装拆，且螺栓位置位于梁顶，观众在下方不易察觉。通过采取水平低周反复加载试验，研究了采取该种加固方法的效果。试验结果表明[16]：这种“包裹式”加固方法及加固装置可有效地提高榫卯节点的承载力和刚度，弥补了传统铁件加固方法存在的不足之处。

图13一种合理改进的榫卯节点加固方法

3.3 支顶加固法

支顶加固法是指在柱内侧增设辅柱，用辅柱柱顶来支撑拔榫的榫头的加固方法，见图14。对于拔榫的节点而言，榫头在卯口内的搭接量不足很可能会引起节点受力破坏或脱榫(即榫头完全从卯口拔出)，从而导致节点失效。而通过辅柱支顶方式，则可有效解决榫头的搭接量不足问题。与铁件加固法相比，该法有一定的不足之处，主要表现为：在水平外力(如地震、风)作用下，榫头晃动尺寸过大时，仍有可能从辅柱顶部脱落。其主要原因在于，辅柱仅提供了对榫头的竖向支撑，并没有限制榫头绕卯口的转动。

图14支顶加固法

3.4 钢-木组合结构加固法

该种方法主要用于变形、破坏比较严重的榫卯节点加固。如故宫午门梁架加固及太和殿顺梁榫头加固均采用此法[10,17]。该种加固方法的操作工艺为：制作门字形平面木框架，框架中各木构件之间采用钢板连接。平面框架主要用于支撑下沉的梁枋，而梁枋产生下沉的主要原因在于其端部榫卯节点变形、开裂、糟朽、截面尺寸不足等原因导致的承载力不足。下面以太和殿某顺梁榫头加固工程实例为例，对该方法进行说明。

太和殿大修前，故宫博物院技术人员对该建筑进行了勘查(2006年)，以获得其安全现状。勘查发现，太和殿三次间正身顺梁的榫头出现了残损问题，具体表现为榫头产生下沉，尺寸约为100 mm。该榫卯节点原有的加固铁件已锈蚀、掉落。作者基于太和殿顺梁构造特征及其上部屋架结构传力特点，开展了理论分析和数值模拟研究工作，分析了榫头产生下沉的原因，认为该位置的拉、弯、剪应力过大，导致了榫卯节点的破坏[10]。加固前的榫卯节点见图15所示。

图15正身顺梁加固前照片资料

(①-顺梁,②-童柱,③-天花枋)

经研究，采用钢-木组合结构对下沉的顺梁进行加固。具体做法为：(1) 制作龙门架。龙门架由3根木枋组成，各木枋截面尺寸均为300 mm×300 mm。各木枋用钢板+螺栓连接。钢板截面尺寸及螺栓直径由计算确定。(2) 采用倒链工具安装龙门架，龙门架顶部支撑在顺梁上，底部则斜向固定于两端童柱柱脚。该种支撑形式使得部分顺梁传来的荷载通过斜向枋子传给了童柱柱脚，使得天花枋受到了很小的扰动。(3) 在童柱柱根位置安装花篮螺栓，以防止斜向枋子产生的外力过大。顺梁加固后见图16。

图16正身顺梁加固后的照片

3.5 碳纤维布(CFRP)加固法

碳纤维布(Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP)是一种高性能纤维材料，具有强度大、自重轻、耐腐蚀、加工方便、 良好的弹性性能、可设计性强等优点。目前，CFRP已较广泛应用于土木工程领域混凝土结构、钢结构、砌体结构等结构类型的加固工程中。

CFRP材料亦可用于加固古建筑榫卯节点。将CFRP布包裹在榫卯节点区域，利用CFRP布提供的包裹力，来承担榫卯节点受到的部分外力，相应减小榫卯节点的变形与破坏。如图17所示为故宫太和殿某榫卯节点加固试验模型图，加固方式为采用一层CFRP布包裹榫卯节点，厂家提供的配套碳纤维胶进行粘贴。分别进行榫卯节点加固前和加固后的抗震性能试验，结果表明：CFRP布加固后的榫卯节点承载力、刚度均有大幅度提高，且加固后的节点仍然有良好的抗震性能[18-19]。

图17 CFRP布加固榫卯节点试验图

4 结 论

本研究以故宫古建筑为例，讨论了我国古建榫卯节点的典型残损问题，分析了产生问题的不同因素，结合工程实例，提出了可行性加固建议。研究主要结论如下：

(1) 榫卯节点的典型残损问题有：节点拔榫、榫头或卯口变形、榫头开裂、榫头糟朽、原有加固件失效等。

(2) 引起榫卯节点残损问题的内因主要为木材材性缺陷，外因包括榫卯连接的构造特征、施工管理因素、外力作用、外部环境因素等。

(3) 本研究提出的铁件包裹、铁件拉接、木柱支顶、碳纤维布包裹等方法，可有效的应用于榫卯节点的残损加固。

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TypicalStructuralHealthProblemsofTenon-mortiseJointsofAncientBuildingsintheForbiddenCity

ZHOU Qian1,2, YANG Na2

(1.PalaceMuseum,Beijing100009,China; 2.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

To protect ancient buildings in the Forbidden City, survey and analysis methods were used to study structural health problems of tenon-mortise joints of the timber buildings. According to constitution characteristics as well as damage status of the tenon-mortise joints, their typical structural health problems were summarized. Detailed researches were taken on the appearance, characteristics and trend of the structural problems. Causes of the problems were also discussed, and the strengthening suggestions were proposed. Results show that typical structural health problems of the tenon-mortise joints include rot, crack, tenon pulled out of mortise, deformation, invalidation of strengthening material and so on. The problems threaten the stability of the ancient building. Main causes for these problems relate to constitution of tenon-mortise joint, material properties of timber as well as iron, loads and so on. Effectively strengthening methods for these tenon-mortise joints include iron connection, additional support, wrap by CFRP or iron and so on.

ancientbuildingsintheForbiddenCity;tenon-mortisejoints;structuralhealthproblem;strengtheningmethods

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.003

2017-05-17

2017-06-01

国家自然科学基金优秀青年项目(51422801)；国家自然科学基金面上项目(51178028)；北京自然科学基金重点项目(8151003)

周 乾(1975—)，男，湖南株洲人，博士后，研究馆员，主要从事文物建筑抗震加固与振动控制研究。E-mail:qianzhou627@126.com

TU503

A

1672—1144(2017)05—0012—08