张 建 孙德乐

（1.南京市市政工程质量安全监督站，江苏 南京 210061；2 中铁桥隧技术有限公司，江苏 南京 210061）

0 前言

随着科技水平的发展，预制构件的加工精度与质量显著提高。由于劳动力成本增加，因此装配式桥梁得到广泛应用。预制装配式桥梁是一种以预制构件为主，经现场装配、连接而成的桥梁结构[1]。桥梁中的大多数的构件基本单元，可以在工厂中进行标准化预制，构件质量易于控制，现场仅需要起吊、定位安装即可，因此预制装配式桥梁具有交通干扰量小、建设工期短、施工安全风险小等优点。但预制装配式桥梁因发展起步较晚等因素，也存在预制构件连接方式单一，节点处质量不宜控制等缺点。

钢筋混凝土预制装配式桥梁多采用后张法预应力连接、钢筋焊接或搭接，并采用湿接缝连接、灌浆套筒连接以及UHPC 连接等方式。钢结构预制装配式桥梁一般采用焊接或高强螺栓连接[2]。节点连接处形状较为单一，多采用刚性连接，不能有效分散集中应力的效果，且施工质量不宜控制。

榫卯结构泛指我国古代建筑中木制构件之间的连接方式，其通过在一个构件上采用凸起构造，在另一个构件上设置凹进部分，而使两个构件相互连接的一种方式[3]。榫卯结构具有良好的强度、韧性和变形能力，榫头与卯眼之间的穿插在力学中相当于铰接点，可承受特定方向上的拉力和压力。在抗震方面，外来的破坏力通过榫头与卯口之间产生的受力变形和摩擦滑移进行了消纳，化解了地震动能，从而保障结构安全。因此，笔者对古建筑中榫卯结构进行分析，探究预制装配式桥梁的节点形式。

1 榫卯结构的力学分类

榫卯建筑中的榫卯结构包括立柱、横梁、顺檩等主要构件，虽然每个构件都比较单薄，但通过榫卯结构使各构件之间相互结合、相互支撑，能承受较大荷载。建筑中的榫卯结构形式多样，受力也较为复杂，根据其不同的受力，常见的榫卯结构可分为以下几类[4]。

2.1 主要承受压力的榫卯结构

在榫卯结构中，主要承受压力的结构形式有夹头榫、插肩榫以及抱肩榫等（图1）。夹头榫、插肩榫、抱肩榫外观不同，但结构差别不大。它的腿足顶端出榫，和顶面接合，上端也开口，嵌夹牙条，腿足上端外皮削出斜肩，牙条与腿足相交处剔出槽口，当牙条与腿足拍合时，又将腿足的斜肩嵌夹起一，形成平齐的表面，此类结构牙条在受重下压时，可与腿足的斜肩咬合得更紧。

图1 主要承受压力的榫卯结构图

2.2 主要承受拉力的榫卯结构

榫卯结构中，主要承受拉力的结构形式主要有十字枨连接、燕尾榫等结构（图2）。

图2 主要承受拉力的榫卯结构图

以燕尾榫为例，燕尾榫根部窄，端部宽，呈大头状，这种做法在古建筑中称为“乍”，燕尾榫上面大，下面小，称为“溜”。放乍，是为了使榫卯有拉结力；收溜是为了在下落式安装时，愈落愈紧，以增加节点的稳定性。

2.3 主要承受拉力的榫卯结构

在榫卯结构中，横竖材丁字形榫卯结构具有承受剪力和弯矩的作用（图3）。

图3 丁字形结合结构图

丁字形榫卯在竖材上凿出榫窝，并在外侧开出与榫头上相等的豁口，正好与榫头上的斜肩拍合，其不仅能够辅助榫头承担部分压力，同时还能打破开口处平直呆板的气氛。

3 水平构件榫卯结构对梁板设计的启示

装配式桥梁上部结构形式主要包括板梁、T 梁、组合箱梁等。在桥梁的运营过程中，梁体之间的接缝易出现病害[5]。榫卯结构中，针对板与板之间的连接问题，常采用银锭口、穿带、抄手带、裁口以及龙凤榫等结构形式。

3.1 银锭口结构

银锭口又名银锭榫，是两头大、中腰细的榫。两板接缝处，每隔一段距离开出与银锭榫相同的凹槽，待板与板拼装到位后，将银锭榫镶入两板缝之间，可以有效防止胶膘年久失效后拼板松散开裂（如图4（a）所示）。

图4 榫卯结构中典型板连接图

3.2 穿带结构

穿带是将拼黏好的板的反面剔出燕尾槽。槽一端略宽，另一端略窄，槽深约为板厚的1/3，然后将事先做好的燕尾带（一头略宽、一头略窄）打入槽内。它可锁合诸板不使开裂，并有防止板面凹凸变形的作用。

3.3 龙凤榫结构

龙凤榫又称之为企口，将木板小面居中打槽，另一块与之结合的板面居中裁做凸榫，将两板互相咬合。

3.4 对梁板设计的启示

在古建筑中，板间的连接方式多采用银锭口、穿带和龙凤榫等结构，这些榫卯结构形式，在直缝搭接的基础上，加入连接件，不仅增强了板与板之间整体性，也减少了梁体错位的风险，同时也有利于减少铰缝间病害的发生[7]。因此，在预制装配式桥梁梁板施工时，可参照榫卯结构在水平构件中的应用，将其设计成银锭口或穿带结构，以增强梁体之间的横向联系。

4 垂直构件榫卯结构对墩台设计的启示

目前，在装配式桥梁中，大多数都是在预制场内预制桥墩，然后运至现场进行拼装。桥墩与承台之间的连接，多采用现场湿接缝连接或灌浆套筒连接等方式。在桥墩的搭接截面形式上，构造较为单一。

古建筑中，固定垂直构件也多采用榫卯结构，其种类分为无榫、管脚榫和套顶榫等（如图5 所示）。

图5 固定垂直构件的榫卯结构

4.1 管脚榫结构

管脚榫是一种施于腿足的下部，用于固定柱脚的榫，用于各种落地柱的根部，童柱与梁架或墩斗相交处也用管脚榫它的作用是防止柱脚位移。管脚榫又分为透直榫、不透直榫（半榫）、明榫和暗榫等类别。

管脚榫的长度通常为柱径的3/10～2/10，管脚榫截面或方或圆，榫的端部适当收溜（即头部略小），榫的外端要倒楞，以便安装。

4.2 套顶榫结构

套顶榫式管脚榫的一种特殊形式，其长度与寸径都远超过管脚榫，并穿透柱顶石，直接落脚于基础上的长榫，套顶榫的长度通常是柱子外漏部分的1/3～1/5。在古建筑中，套顶榫多用于室外长廊的柱子，也常用于地势高、受风荷载较大的建筑物，其能够有效地抵抗水平荷载的作用。

4.3 对墩台设计的启示

在古建筑中，垂直结构的连接形式主要是在基础上面开出凹槽，在柱子上留有管脚榫或套顶榫，并根据水平荷载的大小，确定榫脚的长度。这两个榫卯结构形式，结构预制较为简单，现场安装方便，并可在透眼或海眼中添加灌浆料等特种材料，以达到增加桥墩与承台的连接力效果。

5 插肩榫结构对桥墩与盖梁间设计的启示

桥墩与盖梁之间的连接是桥梁下部结构中连接的薄弱之处，在装配式桥梁设计中，将其设计为一个整体，以减少连接位置的风险（如图6 所示）。随着装配式桥梁的推广，越来越多的大型桥梁也开始进行装配式施工。受现场场地和起重设备的限制，桥墩与盖梁分别预制并现场拼装，已成为未来发展的趋势[8]。

图6 插肩榫材料方向

5.1 插肩榫受力分析

根据前文中榫卯结构的力学分析，在柱与盖梁之间可采用夹头榫或插肩榫式结构，可参照夹头榫或插肩榫结构。杨建福[4]利用有限元分析软件，对插肩榫受力条件下进行分析，通过对部件两端施加滑动约束，顶端面施加合力后，分析插肩榫各部位受力情况。

根据有限元模拟结果可知（如图7 所示），在荷载作用下，最大应力出现位置均在两部件拐角和榫头处，应力集中现象明显，因此可以通过选择抗压材料较强的材料、合理布置榫头截面尺寸，以提高榫头位置的稳定性[6]。

图7 插肩榫结构受力图

5.2 对桥墩与盖梁之间连接设计的启示

通过上文中插肩榫的受力分析，可知其在承受压力时，有较好的稳定性，且安装较为方便。因此，在预制装配式桥梁设计时，针对盖梁与柱之间的设计，可参照参照插肩榫结构样式进行分解，不仅可以提高现场拼装的效率，还可以提高节点处的连接质量[9]。

6 结论

榫卯工艺是一项兼备文化属性和科学理性的工艺[10]。看似普通的外表，却蕴含着不为现代人所知的深刻含义和复杂构造，榫卯结构是中国古代建筑中典型的结构形式，其施工工艺与当前装配式桥梁结构有很多相似之处。文章通过对古建筑中榫卯结构的分析，结合当前预制装配式桥梁的设计问题，提出了针对梁板、墩台以及桥墩与盖梁间的节点连接，以期达到对装配式桥梁设计人员有所启示。当代BIM 技术等信息化的桥梁设计软件，在为工程设计提供变革的同时，也为榫卯技术的应用提供了良好的应用环境。