《Structures》：Mechanical performance and reinforcement methods of timber interlocking mortise-tenon joints with looseness damage
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摘要榫卯咬合接头（IMTJ）是中国江南地区传统木构建筑的代表性节点形式，也是其文化遗产的重要组成部分。松动损伤会削弱节点接触性能，降低结构的抗震能力。为研究松动榫卯咬合接头的力学行为及加固方法，本文提出了一种木楔填充与钢箍约束相结合的方法。共制作了七组1:2缩尺试件进行低周往
摘要
榫卯咬合接头（IMTJ）是中国江南地区传统木构建筑的代表性节点形式，也是其文化遗产的重要组成部分。松动损伤会削弱节点接触性能，降低结构的抗震能力。为研究松动榫卯咬合接头的力学行为及加固方法，本文提出了一种木楔填充与钢箍约束相结合的方法。共制作了七组1:2缩尺试件进行低周往复加载试验，包括一组完好试件、三组不同松动程度的试件和三组对应加固试件。试验结果表明，损伤主要集中在榫卯连接区域，主要表现为卯口周围局部压溃、摩擦磨损、榫头剪切破坏和榫头拔出。松动程度的增加延长了滑移阶段，加剧了滞回环的捏缩，降低了节点的承载力和刚度。然而，轻微松动促进了界面滑移与摩擦，有利于耗散输入能量并提高变形能力。加固后，峰值弯矩分别提高了46.7%、120.2%和36.9%，同时木楔滑移和榫头拔出得到了抑制。滞回环变得更加饱满，并发展出了二次承载行为。分布式光纤应变监测也捕捉到了应变演化、应变集中及加固引起的变化，验证了其在木结构监测中的可行性。这些发现为榫卯咬合接头的损伤评估、加固修复及长期安全监测提供了参考。
引言
中国古代木结构建筑是中华传统文化的重要载体，具有重大的历史和工程价值[1]。榫卯节点对这些建筑的整体稳定性至关重要[2]，其中榫卯咬合接头（IMTJ）是中国江南地区的代表性节点形式[3]。如图1(c)所示的单侧梁头榫卯为例，梁榫插入柱卯口中，并用木楔固定，形成一种有别于传统榫卯节点的楔形咬合机制。随着使用时间的延长，现有节点容易发生松动等各种形式的损伤，在地震作用下可能导致榫头拔出或断裂，从而威胁结构安全和人员生命[4]。因此，研究受损榫卯节点的力学性能和加固方法具有重要意义。
为阐明榫卯节点的力学行为，研究者对各种类型的节点开展了大量研究。基于燕尾节点的传力机理，谢和潘[5][6]发展了完好节点的理论弯矩-转角模型，并通过试验验证了其有效性。李和于[7][8]利用弯矩-转角关系和等效转动弹簧模型考察了节点转动行为及其对木构架承载力的影响，强调了节点在整体结构响应中的关键作用。余等[9]进一步对直榫节点进行了低周往复加载试验，并基于几何变形和静力平衡建立了理论弯矩-转角模型，为传统木结构的抗震分析提供了依据。徐等[10]通过低周往复加载试验和有限元模拟评估了穿枋木构建筑中钩榫节点的关键性能指标，包括耗能能力，并阐明了榫头尺寸对节点抗弯能力和变形能力的影响。对于受损榫卯节点，张等[11][12]将节点松动视为典型损伤形式，对直榫木构架进行了低周往复加载试验。研究结果表明，松动程度的增加显著降低了传统木结构的抗震性能。为研究榫卯松动引起的节点松动问题，余等[13]建立了考虑摩擦、滑移和接触条件的解析模型，并通过有限元结果进行了验证。分析证实节点松动是影响木构架侧向承载力的重要因素。此外，谢等[14][15]模拟了虫蛀和腐朽引起的损伤，评估了其对榫卯节点抗震性能的影响。刘和高[16][17]发现裂缝深度显著影响了开裂节点的力学性能。总体而言，已有研究通过理论分析、试验和数值模拟刻画了各种榫卯节点的力学行为。然而，大部分研究集中在燕尾榫和直榫节点上，对不同松动损伤程度的系统研究仍然有限。对于江南地区典型的榫卯咬合节点的研究也较为缺乏，因此需要进一步探讨。
对受损榫卯节点进行加固修复是提高现有木结构性能的重要途径。常见方法包括金属连接件加固[18]、纤维增强复合材料[19]和阻尼器[20]。闫等[21]、周等[22]和李等[23]使用镀锌铁皮或扁钢构件对榫卯节点进行加固，并通过低周往复加载试验评估了其抗震性能，为既有木结构修复提供了参考。然而，这些方法通常需要钻孔、螺栓连接或外包，可能对面原有构件造成较大扰动。尹等[24]采用碳纤维增强复合材料（CFRP）对受损榫卯节点进行局部加固。结果表明，CFRP加固改善了界面传力效果，提高了受损节点的承载力。李等[25]进一步证实，CFRP不仅可用于受损榫卯节点的局部加固，还能提高木连接的连接强度和屈服剪切强度。这些发现凸显了纤维增强复合材料在木连接加固方面的潜力。然而，此类材料存在局限性，包括耐火性能差、易老化以及与原有外观相容性有限。阻尼器加固通常能为榫卯节点提供额外的承载力。薛等[26]提出了一种用于节点加固的摩擦阻尼器，减少了榫头拔出并提高了节点承载力。戴等[27]开发了一种用于燕尾榫的扇形剪切阻尼器，也显著提高了节点承载力。然而，阻尼器加固通常需要复杂的构造，且制造和维护成本较高，限制了其在工程中的广泛应用。因此，尽管现有加固方法可以改善榫卯节点的力学性能，但它们往往对原构件造成较大扰动，且成本高、安装困难，不适合直接应用于榫卯咬合节点。
为克服上述局限性，本研究通过降低榫头高度来模拟松动损伤的榫卯咬合节点。根据历史建筑加固应保留原有风貌的原则[28]，提出了一种木楔填充与钢箍约束相结合的加固方法。对完好、松动和加固试件进行了对比试验，评估了松动损伤和加固对节点力学性能的影响。进一步采用分布式光纤传感（DFOS）技术表征了加载过程中表面应变演化、应变集中及传力行为。研究结果可为榫卯咬合节点的损伤评估、加固修复提供参考。
各部分内容摘要
试件设计与制作
依据《中国古建筑木作营造技术》[29]中规定的构造细节和尺寸要求，并结合现场实测数据，设计并制作了七组1:2缩尺的榫卯咬合节点试件。试件包括一组完好试件、三组松动损伤试件和三组对应加固试件。完好试件编号为IMTJ-Intact；松动试件编号为IMTJ-L2、IMTJ-L4和IMTJ-L6；以及
试验现象与破坏模式
完好试件的破坏主要集中在榫卯连接区域，而梁、柱构件未出现明显的整体损伤，如图7所示。在初始加载阶段，节点响应主要表现为初始间隙闭合和接触面之间的轻微摩擦，无明显损伤。当节点转角达到约0.03 rad时，木楔逐渐被榫头转动和接触压缩所挤出，
应变监测可靠性验证
图19对比了光纤传感器和传统应变片测得的应变数据。图19(a)和图19(b)分别展示了右梁上下表面的应变片测量结果及对应的光纤传感点测量结果。两种方法在各加载周期中表现出一致的应变趋势和相近的峰值，仅有微小偏差，证实了光纤测量的可靠性。灰色柱状代表
结论
为研究松动损伤对传统木构榫卯咬合节点抗震性能的影响并评估加固效果，通过降低榫头高度模拟不同松动程度，并采用木楔填充和钢箍对受损试件进行加固。通过低周往复加载试验对比了完好、松动和加固试件的力学性能。得出以下结论：
作者贡献声明
龚晓可：撰写—初稿、软件、数据整理。唐百健：资源、资金获取。夏志远：软件、项目管理、数据整理。李兴：可视化、数据整理。袁芳：数据整理。郭建波：数据整理。吴景鸿：软件。
资金资助
本研究得到国家自然科学基金委员会资助（项目编号：52478538）、江苏省高校自然科学基金资助（项目编号：25KJA560003）以及苏州非物质文化遗产传承与创新联盟（传统营造技艺）和江苏省研究生研究实践创新计划资助（项目编号：26CXJH6058）。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
龚晓可|唐百健|夏志远|李兴|袁芳|郭建波|吴景鸿
