一种古建筑木结构榫卯节点加固结构的制作方法

1.本实用新型涉及古建筑加固技术领域，具体而言，涉及一种古建筑木结构榫卯节点加固结构。


背景技术：

2.中国古建筑木结构主要由承托屋面的屋盖梁架、承重和抗侧的木构架和围护、隔断的墙体构成，其中，木构架中梁、柱通过榫卯连接结合在一起。与现代的钢结构、混凝土结构节点完全不同，榫卯节点连接方式是将连接处构件的截面削弱，梁端形成榫头，柱身做成卯口的样式，将梁端榫头插入柱身卯口中；榫卯节点主要依靠榫头和卯口之间相互挤压接触来传递力，接触面能传递压力和摩擦力，但不能传递拉力。
3.古建筑木结构由于建造年代久远和环境变化，古建木结构在长期的风雨侵蚀、地震、火灾和战争等自然和人为因素作用下出现了不同类型和程度的残损，如木材老化、构件腐朽、节点拔榫、柱脚糟朽等现象，导致结构的承载能力降低，并严重影响古建筑的安全性能和寿命。由节点的特殊构造可知，构件截面较富余，安全冗余度较高，但节点处存在截面削弱，成为结构的薄弱环节，节点失效后，整体结构将容易变成机构而破坏。故，木结构榫卯节点在满足古建修缮加固原则的基础上，进行必要抗震补强加固，发挥节点协调与其连接的构件变形，尤为重要。
4.传统的古建筑木结构榫卯节点的加固方式有马口铁加固法、钢销加固法、扁钢加固法、frp加固法等。马口铁加固残损节点可限制并延缓拔榫的发生，节点的最终破坏形态为榫卯木材局部挤压及马口铁的拔出；钢销加固残损节点的效应同马口铁类似，仅是起到限制拔榫的发生，而不能从根本上解决残损节点承载力低、刚度小等问题；扁钢加固法常需在木构件上打木螺丝来做锚固，当节点转动较大时，可能发生螺丝的锚固失效破坏，会对木材造成损伤；frp加固法具有轻质、高强、耐腐蚀、易裁剪、便于施工、节省人工等优点，但frp加固法也存在不能大幅度提高节点承载力等缺陷。因此一种能大幅提高节点刚度和承载能力，并且能够有效限制榫头拔出，防止节点拔榫失效后整体结构变成机构而破坏的加固方法尤为重要。
5.例如，申请号为200720032298.x的专利申请中公开了“一种扁钢加固的古建筑木结构大木构架的榫卯节点，包括木柱与木梁通过榫卯连接而成的大木构架、扁钢，所述大木构架的榫卯节点通过横向扁钢进行加固，所述扁钢的上下边缘与木梁的上下边缘平行，所述扁钢通过木螺丝固定在木梁上，所述扁钢与木柱之间不固定。”该技术中通过扁钢将木柱和木梁连接起来，从而限制两者的相互转动，显著提高榫卯节点的抗弯能力；但该技术中，当节点转动较大时，很容易发生木螺丝的锚固失效破坏，使得扁钢加固失去效用，并且对木材本身造成损伤。
6.申请号为200720032300.3的专利申请中公开了“一种碳纤维布加固的古建筑木结构大木构架的榫卯节点，木柱与木梁通过榫卯连接而成大木构架、碳纤维布，大木构架的榫卯节点通过粘贴在木柱和木梁上的横向碳纤维布进行加固，横向碳纤维布的上下边缘与木
梁的上下边缘平行，横向碳纤维布通过垂直于木梁长度方向的碳纤维布环箍锚固在木梁上”。该技术中碳纤维布因采用有机胶粘结，易发生与木材之间的剥离，加固在碳纤维布达到极限抗拉强度前失去作用，且加固对榫卯节点承载力及刚度提高有限。
7.申请号为201520792899.5的专利申请中公开了“一种嵌入形状记忆合金叠层碳纤维布加固的古建筑木榫卯节点，该榫卯节点通过两条平行包覆于木柱外周并与木梁枋相连的上下叠层碳纤维布加固，上下叠层碳纤维布的端部分别设有通过形状记忆合金连接的锚固金属件，金属件通过木螺丝嵌入木梁枋中固定。形状记忆合金(sma)丝埋置于叠层碳纤维布中，在提高榫卯节点抗弯承载力及刚度的同时，大幅提高节点耗能能力，进而提高加固榫卯节点的加固效果”。但该技术中锚固金属件通过木螺丝固定很不稳定，木螺丝受力拔出后会使得锚固金属件失去作用；且该技术中不能限位，不能有效防止因榫卯节点的拔榫、折榫破坏导致木结构落架所带来的严重破坏后果。
8.针对传统木结构榫卯节点加固方法的缺陷与不足，现急需一种古建筑木结构榫卯节点加固结构，在能大幅提高节点在弹性阶段的刚度的同时，能提高节点的极限承载力和耗能能力，避免节点发生脆性破坏，有效限制节点的拔榫，避免其发生拔榫破坏。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于提供一种古建筑木结构榫卯节点加固结构，在能大幅提高节点在弹性阶段的刚度的同时，能提高节点的极限承载力和耗能能力，避免节点发生脆性破坏，有效限制节点的拔榫，避免其发生拔榫破坏。
10.为实现本实用新型目的，采用的技术方案为：一种古建筑木结构榫卯节点加固结构，包括通过榫卯连接的木梁和木柱，木梁与木柱的连接处共同包覆有碳纤维布，碳纤维布外侧紧箍有扁钢套组合件，且木梁与木柱的连接处还安装有向内拉紧的角钢组合件。
11.进一步的，所述碳纤维布为两层，且两层碳纤维布均通过粘接剂粘接固定。
12.进一步的，所述碳纤维布两端分别固定在木柱或木梁上的长度为350mm。
13.进一步的，所述扁钢套组合件包括将碳纤维布压紧在木梁和木柱上的扁钢条、将碳纤维布和扁钢条抱紧在木梁或木柱上的扁钢套。
14.进一步的，所述扁钢套为多个，多个扁钢套沿扁钢条的长度方向间隔排布。
15.进一步的，所述扁钢套与木梁或木柱外壁之间具有一定间隙，且扁钢条端部与扁钢套焊接固定。
16.进一步的，所述木梁与木柱呈十字型，角钢组合件包括安装在木梁与木柱四个直角处的角钢和对相邻两个角钢拉紧的拉杆。
17.进一步的，所述角钢的长度大于木柱厚度，且拉杆位于木柱外侧。
18.进一步的，所述角钢上具有供拉杆贯穿的连接孔洞，拉杆的端部贯穿连接孔洞向外延伸，且拉杆的端部还套设有弹簧和螺母，弹簧抵紧在角钢与螺母之间。
19.进一步的，所述螺母内侧还安装有垫片。
20.进一步的，所述角钢的两边之间还设有加劲板。
21.本实用新型的有益效果是,
22.1、通过采用碳纤维布、扁钢套组合件和角钢组合件共同配合对榫卯节点进行加固，有效提高了结构承载能力及延性，发挥了碳纤维布和扁钢套组合件二者材料性能各自
优势。碳纤维布受益于扁钢套组合件的紧固挤压，对碳纤维布附加机械锚固作用，粘结效果增强，避免了剥离破坏，提高了碳纤维布的利用效率，使碳纤维布的材料强度充分发挥；同时，碳纤维布有效地防止了扁钢套组合件被拉伸嵌入到木柱或木梁，避免对木结构本体造成伤害。
23.2、通过采用碳纤维布、扁钢套组合件和角钢组合件共同配合对榫卯节点进行加固，加工简单，组装方便，易于拆除，不伤害古建筑木结构本体，满足古建筑木结构加固修缮的最小干预原则、可逆性原则和可识别原则。
24.3、通过角钢组合件对木柱与木梁的连接处锁紧，能有效限制节点的拔榫，且连接角钢的拉杆与拉杆端部的弹簧限位作用明显，能够有效避免拔榫带来的落架破坏；同时，在强震作用下，榫头反复拉拔，出现拔榫现象，此过程可耗散地震能量，但如果拔榫量过大，会严重降低节点承载力甚至拉脱造成脱榫，本实用新型通过弹簧及拉杆的组合限位，保证节点进入弹塑性大变形阶段，不会发生脱榫破坏，使其继续稳定工作。
25.4、通过采用碳纤维布、扁钢套组合件和角钢组合件共同配合对榫卯节点进行加固，大幅提高了节点在弹性工作阶段的刚度和承载力，使得节点易于满足“强节点弱构件”的抗震设防准则，同时对节点形成多道抗震防线；同时，扁钢套组合件通过自身变形耗能，提高了节点耗能能力，从而保证了榫卯节点整体的耗能，在一定程度上避免了榫卯节点自身的严重破坏。
26.5、扁钢套组合件在地震作用下发生耗能破坏后，容易更换，且装配及拆卸时不会造成木结构本体破坏。碳纤维布具有轻质高强、耐腐蚀、便于施工、等优点，可以有效的提高榫卯节点的刚度和承载力；角钢组合件具有抗拉强度高、变形性能好的优点，既能满足卯节点的抗弯承载力要求，又具有较好的延性和耗能能力。
附图说明
27.附图示出了本实用新型的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本实用新型的原理，其中包括了这些附图以提供对本实用新型的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
28.图1是本实用新型提供的古建筑木结构榫卯节点加固结构的结构示意图；
29.图2是碳纤维布的粘结示意图；
30.图3是扁钢套组合件的结构示意图；
31.图4是扁钢套组合件的安装示意图；
32.图5是角钢的结构示意图；
33.图6是拉杆的结构示意图。
34.附图中标记及相应的零部件名称：
35.1、木柱；2、木梁；3、碳纤维布；4、扁钢条；5、扁钢套；6、螺栓；7、连接孔洞；8、角钢；9、加劲板；10、拉杆；11、弹簧；12、垫板；13、螺母。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本实用新型的限定。另外还需要说
明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本实用新型。
38.如图1、图2所示，本实用新型提供的一种古建筑木结构榫卯节点加固结构，包括通过榫卯连接的木梁2和木柱1，具体的，木柱1上具有卯口，且木梁2上具有榫头，通过将榫头插设在卯口中，使木梁2与木柱1之间实现榫卯连接；所述木梁2为两个，两个木梁2对称排布在木柱1的两侧，且木梁2与木柱1的连接处共同包覆有碳纤维布3，此处为了方便碳纤维布3对木柱1与木梁2的连接处进行包覆，可使碳纤维布3分别位于木梁2的两侧，碳纤维布3的中部包覆在木柱1上，碳纤维布3的两端分别包覆在两个木梁2上，使碳纤维布3对木柱1与木梁2连接后的前后两侧进行包覆；所述碳纤维布3外侧还紧箍有扁钢套组合件，扁钢套组合件将碳纤维布3共同压紧并抱合在木梁2与木柱1上；同时，木梁2安装在木柱1上后，木梁2与木柱1的连接处还安装有角钢组合件，角钢组合件从四周向木梁2与木柱1的连接处中心施加锁紧力，使木柱1与木梁2的连接处实现锁紧固定。
39.扁钢套组合件能对碳纤维布3紧固挤压，对碳纤维布3附加机械锚固作用，粘结效果增强，避免了剥离破坏，提高了碳纤维布3的利用效率，使碳纤维布3的材料强度充分发挥；同时，碳纤维布3也能有效地防止了扁钢套组合件被拉伸嵌入到木柱1或木梁2，避免对木结构本体造成伤害。
40.通过角钢组合件对木柱1与木梁2的连接处锁紧，能有效限制节点的拔榫，能够有效避免拔榫带来的落架破坏，保证节点进入弹塑性大变形阶段，不会发生脱榫破坏，使其继续稳定工作。
41.在一些实施方式中，所述碳纤维布3为两层，且两层碳纤维布3均通过粘接剂粘接固定，粘接剂为环氧树脂胶粘剂，通过粘接剂使碳纤维布3固定包覆在木柱1、木梁2上，不仅使碳纤维布3的安装更加方便，且使碳纤维布3的安装更加稳固。
42.在一些实施方式中，所述碳纤维布3能对木柱1与木梁2的连接处进行整体贴合包覆，且碳纤维布3两端分别固定在木柱1或木梁2上的长度为350mm，保证碳纤维布3能对木柱1与木梁2的连接处完全包覆，使木柱1与木梁2的连接处的包覆效果更好；此处，碳纤维布3两端分别固定在木柱1或木梁2上的长度并不是指碳纤维布3的整体长度，而是指碳纤维布3在对木柱1与木梁2的连接处进行包覆后，碳纤维布3两端包覆在木梁2上的多余长度，使碳纤维布3对木柱1与木梁2的连接处的包覆效果更好。
43.在一些实施方式中，如图3、图4所示，所述扁钢套组合件包括扁钢条4和扁钢套5，扁钢条4至少为两个，扁钢条4的长度方向与木梁2的长度方向一致，且扁钢条4压紧在碳纤维布3上，从而对碳纤维布3附加机械锚固作用，使碳纤维布3的粘结效果增强，有效避免碳纤维布3剥离；所述扁钢套5呈抱箍结构，扁钢套5为两个半箍通过螺栓6紧固形成，且扁钢套5的形状与木梁2的截面形成对应，当木梁2为矩形梁时，两个半箍均呈u型，两个半箍通过螺栓6紧固后，扁钢套5形成矩形，通过扁钢套5使扁钢条4和碳纤维布3共同抱紧木梁2上，而扁钢套5抱紧在木梁2上时，碳纤维布3能有效地防止了扁钢套组合件被拉伸嵌入到木柱1或木梁2，避免对木结构本体造成伤害。
44.在一些实施方式中，所述扁钢套5为多个，多个扁钢套5分为两组，两组扁钢套5分贝位于扁钢条4的两端，且两组扁钢套5中的多个扁钢套5沿扁钢条4的长度方向间隔排布，
使扁钢条4和碳纤维布3的同一端可通过多个扁钢套5共同抱紧固定在木梁2上，使扁钢条4和碳纤维布3的固定效果更好。
45.在一些实施方式中，所述扁钢套5采用50mm
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4mm的q235钢，且扁钢套5与木梁2或木柱1外壁之间具有一定间隙，扁钢条4端部与扁钢套5焊接固定，保证将扁钢套5对扁钢条4和碳纤维布3抱紧在木梁2上，提高了碳纤维布3的利用效率，且当节点受力时，碳纤维布3能有效防止扁钢套5被拉伸嵌入到木梁2中，有效避免对木梁2造成伤害，易于满足古建筑修复的可逆性。
46.在一些实施方式中，所述木梁2与木柱1呈十字型，使木梁2插接在木柱1上后，一个木梁2与木柱1之间具有两个直角处，两个木梁2与木柱1之间具有四个直角处，而角钢组合件包括分别安装在四个直角处的角钢8，角钢8的一边压紧在木柱1上，角钢8的另一端压紧在木梁2上，且相邻两个角钢8之间拉紧有拉杆10，通过在四个角钢8之间拉紧拉杆10，使每个角钢8均受到水平和垂直方向向内的拉紧力，从而能有效限制节点的拔榫，避免拔榫带来的落架破坏。
47.在一些实施方式中，所述角钢8的长度大于木柱1厚度，使角钢8的两端均延伸出木梁2和木柱1，角钢8上的拉杆10分别位于角钢8的两端，使拉杆10的两端分别对两个角钢8拉紧后，拉杆10位于木柱1外侧，使角钢组合件在安装过程中不会对木柱1或木梁2造成伤害。
48.在一些实施方式中，如图5、图6所示，所述角钢8上具有供拉杆10贯穿的连接孔洞7，拉杆10的端部贯穿连接孔洞7向外延伸，且拉杆10的端部还套设有弹簧11和螺母13，螺母13通过螺纹拧紧固定在拉杆10上，避免螺母13从拉杆10上脱落，且弹簧11抵紧在角钢8与螺母13之间。在强震作用下，榫头反复拉拔，出现拔榫现象，此过程可耗散地震能量，但如果拔榫量过大，会严重降低节点承载力甚至拉脱造成脱榫，本实用新型通过弹簧11及拉杆10的组合限位，保证节点进入弹塑性大变形阶段，不会发生脱榫破坏，使其继续稳定工作。
49.在一些实施方式中，所述螺母13内侧还安装有垫片，垫片可为圆形或矩形，且弹簧11的外端抵紧在垫片上，使螺母13的紧固效果更好。
50.在一些实施方式中，所述角钢8的两边之间还设有加劲板9，加劲板9为三角形，加劲板9的两个直角边分别与角钢8的两边焊接固定，有效提高角钢8的强度。
51.所述扁钢套组合件和角钢组合件均为q235b型结构钢，且角钢组合件中拉杆10为直径20mm的圆钢。
52.当需要对木梁2与木柱1的榫卯节点进行加固时，碳纤维布3通过环氧树脂胶共同包覆在木梁2侧表面及木柱1侧壁上，然后将水平扁钢条4紧压在碳纤维布3表面上，并通过扁钢套5将扁钢条4紧箍在木梁2上，并通过螺栓6对扁钢套5锁紧固定；将焊接有加劲板9的四个角钢8分别安装在木梁2与木柱1连接后的直角处，将拉杆10的两端分别贯穿相邻两个角钢8上的连接孔洞7，并在拉杆10的端部套设弹簧11和垫板12，最后将螺母13拧紧固定在拉杆10两端。
53.当木梁2与木柱1的榫卯节点受力时，碳纤维布3首先受拉，提高节点的刚度及承载力，扁钢套组合件与梁柱间的紧固挤压的附加机械锚固作用，使得碳纤维布3粘结效果增强，避免了剥离破坏，当碳纤维布3受拉脆性破坏，节点变形后，扁钢套组合件及角钢组合件开始起作用，除了继续提高承载力和延性外，拉杆10上的弹簧11可以起到推回拉杆10复位的作用，使拉杆10不能再被拉长，起到抗拉及限位作用，且扁钢套组合件及角钢组合件拆装
方便，适用性强，便于对老化的装置进行替换，以保证对榫卯节点的稳定加固。
54.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
55.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本实用新型，而并非是对本实用新型的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本实用新型的范围内。