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摘 要：木结构建筑中梁、柱等构件由凹凸结合的榫头和卯口连接。榫卯节点不仅在长期的地震力、风力影响下易出现节点松动、拔榫、脱榫等情况，而且建造时木材含水率、纹理方向等因素影响连接特性，不利于建筑的稳定。因此，探索榫卯节点的加固方法对建筑的安全性具有重要意义。文章通过实地考察弥勒院、红门宫、飞云阁梁柱结构现状，探索梁柱间榫卯节点的最佳加固方法。
关键词：泰山红门;榫卯节点;加固方法
红门为泰山古建筑群的第一组建筑群，明清时重建，以红门路为轴线，分为东西两院，东为弥勒院，西为红门宫，中间由飞云阁相连。中国古建筑木结构的榫卯节点是红门梁柱结构的主要连接构件，具有良好的抗震性、抗侧性和承载性，对建筑的稳定性具有积极意义。榫卯节点介于刚性与柔性之间，属半刚性节点，具有一定可活动性，能够很好地承受建筑的荷载以及地震力和风力，且具有适应性强、施工速度快、便于修缮和搬迁等优点。在长期发展过程中，红门梁柱结构主要受地震、风力等外部因素和木材含水率、纹理方向等内部因素两大因素影响，出现节点松动等情况。我国地域辽阔，木结构建筑基数大，榫卯节点损坏情况复杂多样，给节点加固工作带来巨大压力。
1 红门榫卯节点现状分析
首先，泰山位于郯城—营口地震带，地震活动频度高、震源浅，据泰安市地震局统计，自1970年以来泰安平均每年发生一级以上地震约十次;其次，泰山古建筑群呈轴线式布局，弥勒院、红门宫位于红门路东、西两侧，飞云阁位于红门路北首，独特的布局形式导致轴线中心气压低于两侧，风速快;再次，泰安属暖温带季风气候，春季干燥多风，夏季高温多雨，不同季节木材含水率差异大。因此，红门梁柱间榫卯节点的现状为地震力导致的节点松动、风力导致的侵蚀（图1）和水分蒸发引起的开裂（图2）等。
2 外部因素导致红门榫卯节点损坏情况
2.1 地震力对榫卯节点的损坏
木结构建筑与砖石建筑相比具有良好的抗震性和抗侧性。红门梁柱结构的选材以具有良好柔韧性的松木为主，在物理性质上具备承受建筑荷载的强度和韧性。但木材是由纵向纤维构成，横向受力时易断裂，当地震波到达地表时，沿地表横向传播，出现前后、左右的剧烈晃动，红门榫卯节点出现节点松动的情况。地震力对建筑结构的破坏程度分为扰动、损坏、破坏、倒塌四种震害状况。红门位于郯城—营口地震带，地震多发于郯城，且郯城距泰山250多千米，地震波到达红门时消耗了大部分能量，加之榫卯节点的抗震性能，地震力对红门榫卯节点的震害状况以扰动为主：受长期的地震力影响，柱底与柱础间出现轻微滑移现象，榫卯节点松动。
榫卯节点的可活动性可以较好地抵御中低强度的地震力所带来的影响，但仍对木构架产生一定的破坏作用。地震力对弥勒院、红门宫、飞云阁的梁柱结构造成的震害症状以节点松动为主，即榫卯节点可以通过榫头和卯口之间的摩擦与挤压进行耗能，以达到消减地震力的目的;在节点摩擦与挤压过程中，节点缝隙不断变大，摩擦力不断减小，节点的刚性不断下降，先后出现节点松动和节点拔榫情况，影响结构稳定性。①
2.2 风力对榫卯节点的损坏
风力侵蚀也是导致榫卯节点损坏的重要因素。泰山古建筑群呈轴线式布局，建筑分布于轴线两侧，导致轴线中心压力较低，风速较快，布局形式给榫卯节点的保存带来不利影响。轴线两侧的弥勒院、红门宫均有博风板遮挡，受风蚀情况较小;位于轴线中心的飞云阁正处红门路北首迎风口，且门前廊道两侧未设置博风板，梁柱结构受风蚀情况严重。榫卯节点经过长期风吹雨打以及微生物的侵害，节点逐渐腐朽，逐渐失去抗拉强度，使建筑失去原有的稳定性。
3 内部因素（木材含水率）导致红门榫卯节点损坏情况
泰安属暖温带半湿润大陆性季风气候，春季干燥多风，夏季高温多雨，不同季节木材含水率差异大，含水率的起伏变化导致榫卯节点开裂变形（图3、图4）。木材横纹方向的干缩率高于纵纹方向，榫头的横纹方向容易因水分的蒸发而干缩变形。①华南林业大学林学院的榫卯结构拉伸实验表明，榫卯结构的拉伸破坏过程是一个静摩擦与动摩擦交替的过程。榫卯结构的抗拉强度随着木材含水率的增加而增加。因此，在制作榫卯时需对木材进行烘干处理，使木材含水率降至泰安平均含水率以下，使木材含水率呈上升趋势，增加榫卯结构的抗拉强度。
4 红门榫卯节点加固方法可行性分析
为了保护红门梁柱结构，弥勒院、红门宫、飞云阁建造之初就已在梁柱间设置雀替，共同承担上部的压力，提高结构的稳定性。由于地震损耗、风雨侵蚀、虫蛀等因素导致结构损坏，梁柱间已失去原有的稳定性和抗侧性，需采取现代加固方法進行加固保护。现有加固方法可大致分为金属连接件加固（扒钉加固、扁钢加固、螺栓加固等）和碳纤维增强材料加固（碳纤维布加固、玄武岩纤维布加固等）两类。下文针对红门梁柱现状分析最佳加固方法。
4.1 金属连接件加固
4.1.1 扒钉加固
扒钉加固通过扒钉限制节点的松动脱榫，扒钉为两条腿的钉子，属刚性材质，其本身具有一定抗拉抗压能力，对梁柱的侧倾可以提供一定程度的抵抗能力。故宫博物院与北京工业大学对扒钉加固榫卯节点的研究表明，扒钉受自身质量限制，提供给节点的抗拉、抗压能力有限，适用于小型木结构加固。
4.1.2 扁钢加固
扁钢组件利用扁钢的柔韧性，用螺钉加固，附着于受损的梁柱结构，可以通过调整螺母的松紧控制钢箍与木材间的摩擦力来抵抗拔榫力，提高节点的抗拉能力。周乾等在钢构件加固古建筑榫卯节点抗震试验中，选用厚度为3mm、宽度为50mm的Q235钢材组件加固榫卯节点，通过对加固前后的节点性能进行对比分析发现，未加固节点的最大插榫量为4mm，拔榫量为13.5mm;钢构件加固节点后，插榫量降为3.5mm，拔榫量则减小至7.9mm，钢构件加固榫卯节点后，节点拔榫量可降低为加固前的0.6倍（7.9/13.5）。②但扁钢缺乏弹性，限制了节点间的可活动性，使节点的耗能能力降低。 4.2 碳纤维增强材料加固
4.2.1 碳纤维布加固
碳纤维布具有重量轻、易裁剪、可塑性大、抗拉强度高和耐久性好的特点，利于加固转角较复杂的榫卯节点。碳纤维布加固是运用包裹法对榫卯节点进行加固，用与榫头等宽的碳纤维布包裹每个节点梁部的内外两侧，包裹长度延伸至梁的250mm处。为减少碳纤维布在受力时产生剥落情况，每根梁采用6条50mm宽的碳纤维布条对横向包裹的碳纤维布进行间隔50mm的纵向加固处理。包裹法大大降低了脱榫、拔榫等情况，但包裹法也在一定程度上降低了节点的可活动性，与加固前相比可活动性有所下降。碳纤维布加固的缺点在于完全附著于节点，消耗了节点的大部分作用力，在长期耗能过程中易出现断裂和剥落现象;优点是使用碳纤维布加固后的榫卯节点仍具有半刚性特点，优于扒钉、钢箍、螺栓等金属链接件加固方法。
4.2.2 玄武岩纤维布加固
玄武岩纤维是由玄武岩高温熔炼拉丝而成，具有密度低、拉力强、抗蠕变的特点。玄武岩纤维属矿物纤维，在抗腐蚀方面表现优异，能适应长期风吹日晒雨淋的情况。虽红门梁柱结构大多有博风板遮挡，但泰山古建筑群的空间布局决定了红门建筑群长期暴露于风蚀环境下，飞云阁门前廊道正处于红门路北首迎风口，且两侧未设置博风板，梁柱结构上的彩绘图案和结构边缘侵蚀严重，采用玄武岩纤维布加固，可充分发挥玄武岩纤维的抗腐蚀特性。飞云阁门前廊道梁柱柱底置于花墙之上，没有柱础的顶托作用，耗能全部依靠梁柱间的榫卯结构。玄武岩纤维的抗拉强度是钢性材料的5倍（表1），可充分满足节点的拉力和刚性需求。
5 不同加固方法在红门榫卯节点中的利害分析
目前泰山红门的梁柱结构使用年限已久，结构受地震力、风力等损害，弥勒院、红门宫、飞云阁主要梁柱结构已做加固修复处理，仅有飞云阁门前廊道等中小型梁柱结构保留原状。随着时间的推移，对前者进行加固保护是必然趋势，所以要分析梁柱结构的现状，寻求最合理的加固方法。
扒钉由钢筋两端弯成直钩而成，施工方便快捷，但扒钉受自身质量的限制，所能提供的拉力有限，只能用于加固小型梁柱结构。扒钉的缺点在于外露于榫卯节点两侧，影响节点美观。扒钉加固适用于加固结构简单的弥勒院院门，且院门两侧置有博风板，可遮挡外露的扒钉，消弭节点美观的不足。
扁钢通过螺钉加固，附着于梁柱结构，可以通过调整螺母的松紧控制钢箍与木材间的摩擦力来抵抗拔榫力，提高节点的抗拉能力。扁钢加固可有效改善榫卯节点松动情况，但由于扁钢缺乏弹性，限制了节点的可活动性，使节点的耗能能力降低。扁钢加固适用于不单一通过榫卯节点耗能的弥勒院和红门宫，柱底和柱础间的顶托作用可以弥补扁钢加固使节点耗能降低的缺陷。
碳纤维布加固的优点在于重量轻、易裁剪、可塑性大、抗拉强度高和耐久性好，采用包裹法加固榫卯节点，改善了节点松动情况。缺点在于包裹法完全附着于榫卯节点，消耗了节点的大部分作用力，在长期耗能过程中易出现断裂和剥落现象;包裹法会一定程度上限制节点的可活动性，但通过碳纤维布加固的榫卯节点仍具有可活动性，符合榫卯的半刚性特点。
玄武岩纤维布与碳纤维布特点大致相同，玄武岩纤维属矿物纤维，在抗腐蚀方面优于碳纤维。玄武岩纤维的拉强是钢性材料的5倍，适于加固受风蚀严重和无柱础顶托的飞云阁门前廊道。
通过分析不同加固方法在榫卯节点中的利害关系，可得弥勒院院门等小型木结构的加固效果：扒钉加固>扁钢加固>碳纤维布加固，不适用玄武岩纤维布加固;飞云阁门前廊道梁柱结构加固效果为：玄武岩纤维布加固>碳纤维布加固>扁钢加固>扒钉加固。
6 结语
传统榫卯节点对梁柱结构的抗震性、抗侧性都具有重要影响。应加大对榫卯节点的性能研究，在原有加固方法上实现理论和材料的创新，并遵守“恢复原状和保持现状”的古建筑维修加固原则，尽量不破坏榫卯节点原有性能，并将加固材料的耐久性问题纳入研究范围。
参考文献
[1]梁思成.清式营造则例[M].北京：中国建筑工业出版社，1981.
[2]杨茹元，孙友富，张晓凤，等.木结构古建筑加固技术的应用及进展[J].林产工业，2018，45（6）：3-7.
[3]隋.中国古代木构耗能减震机理与动力特性分析[D].西安：西安建筑科技大学，2009.
[4]姚侃，赵鸿铁，薛建阳，等.古建木结构榫卯连接的扁钢加固试验[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41（10）：220-224.
[5]张风亮.中国古建筑木结构加固及其性能研究[D].西安：西安建筑科技大学，2013.
[6]谢启芳，赵鸿铁，薛建阳，等.中国古建筑木结构榫卯节点加固的试验研究[J].土木工程学报，2008，41（1）：28-34.
[7]赵鸿铁，薛自波，薛建阳，等.古建筑木结构构架加固试验研究[J].世界地震工程，2010，26（2）：72，76.
[8]薛建阳，隋龚，葛鸿鹏，等.古建筑木结构榫卯节点采用碳纤维布加固模型振动台试验研究[J].建筑结构学报，2012，33（8）：143-148.
关键词：泰山红门;榫卯节点;加固方法
红门为泰山古建筑群的第一组建筑群，明清时重建，以红门路为轴线，分为东西两院，东为弥勒院，西为红门宫，中间由飞云阁相连。中国古建筑木结构的榫卯节点是红门梁柱结构的主要连接构件，具有良好的抗震性、抗侧性和承载性，对建筑的稳定性具有积极意义。榫卯节点介于刚性与柔性之间，属半刚性节点，具有一定可活动性，能够很好地承受建筑的荷载以及地震力和风力，且具有适应性强、施工速度快、便于修缮和搬迁等优点。在长期发展过程中，红门梁柱结构主要受地震、风力等外部因素和木材含水率、纹理方向等内部因素两大因素影响，出现节点松动等情况。我国地域辽阔，木结构建筑基数大，榫卯节点损坏情况复杂多样，给节点加固工作带来巨大压力。
1 红门榫卯节点现状分析
首先，泰山位于郯城—营口地震带，地震活动频度高、震源浅，据泰安市地震局统计，自1970年以来泰安平均每年发生一级以上地震约十次;其次，泰山古建筑群呈轴线式布局，弥勒院、红门宫位于红门路东、西两侧，飞云阁位于红门路北首，独特的布局形式导致轴线中心气压低于两侧，风速快;再次，泰安属暖温带季风气候，春季干燥多风，夏季高温多雨，不同季节木材含水率差异大。因此，红门梁柱间榫卯节点的现状为地震力导致的节点松动、风力导致的侵蚀（图1）和水分蒸发引起的开裂（图2）等。
2 外部因素导致红门榫卯节点损坏情况
2.1 地震力对榫卯节点的损坏
木结构建筑与砖石建筑相比具有良好的抗震性和抗侧性。红门梁柱结构的选材以具有良好柔韧性的松木为主，在物理性质上具备承受建筑荷载的强度和韧性。但木材是由纵向纤维构成，横向受力时易断裂，当地震波到达地表时，沿地表横向传播，出现前后、左右的剧烈晃动，红门榫卯节点出现节点松动的情况。地震力对建筑结构的破坏程度分为扰动、损坏、破坏、倒塌四种震害状况。红门位于郯城—营口地震带，地震多发于郯城，且郯城距泰山250多千米，地震波到达红门时消耗了大部分能量，加之榫卯节点的抗震性能，地震力对红门榫卯节点的震害状况以扰动为主：受长期的地震力影响，柱底与柱础间出现轻微滑移现象，榫卯节点松动。
榫卯节点的可活动性可以较好地抵御中低强度的地震力所带来的影响，但仍对木构架产生一定的破坏作用。地震力对弥勒院、红门宫、飞云阁的梁柱结构造成的震害症状以节点松动为主，即榫卯节点可以通过榫头和卯口之间的摩擦与挤压进行耗能，以达到消减地震力的目的;在节点摩擦与挤压过程中，节点缝隙不断变大，摩擦力不断减小，节点的刚性不断下降，先后出现节点松动和节点拔榫情况，影响结构稳定性。①
2.2 风力对榫卯节点的损坏
风力侵蚀也是导致榫卯节点损坏的重要因素。泰山古建筑群呈轴线式布局，建筑分布于轴线两侧，导致轴线中心压力较低，风速较快，布局形式给榫卯节点的保存带来不利影响。轴线两侧的弥勒院、红门宫均有博风板遮挡，受风蚀情况较小;位于轴线中心的飞云阁正处红门路北首迎风口，且门前廊道两侧未设置博风板，梁柱结构受风蚀情况严重。榫卯节点经过长期风吹雨打以及微生物的侵害，节点逐渐腐朽，逐渐失去抗拉强度，使建筑失去原有的稳定性。
3 内部因素（木材含水率）导致红门榫卯节点损坏情况
泰安属暖温带半湿润大陆性季风气候，春季干燥多风，夏季高温多雨，不同季节木材含水率差异大，含水率的起伏变化导致榫卯节点开裂变形（图3、图4）。木材横纹方向的干缩率高于纵纹方向，榫头的横纹方向容易因水分的蒸发而干缩变形。①华南林业大学林学院的榫卯结构拉伸实验表明，榫卯结构的拉伸破坏过程是一个静摩擦与动摩擦交替的过程。榫卯结构的抗拉强度随着木材含水率的增加而增加。因此，在制作榫卯时需对木材进行烘干处理，使木材含水率降至泰安平均含水率以下，使木材含水率呈上升趋势，增加榫卯结构的抗拉强度。
4 红门榫卯节点加固方法可行性分析
为了保护红门梁柱结构，弥勒院、红门宫、飞云阁建造之初就已在梁柱间设置雀替，共同承担上部的压力，提高结构的稳定性。由于地震损耗、风雨侵蚀、虫蛀等因素导致结构损坏，梁柱间已失去原有的稳定性和抗侧性，需采取现代加固方法進行加固保护。现有加固方法可大致分为金属连接件加固（扒钉加固、扁钢加固、螺栓加固等）和碳纤维增强材料加固（碳纤维布加固、玄武岩纤维布加固等）两类。下文针对红门梁柱现状分析最佳加固方法。
4.1 金属连接件加固
4.1.1 扒钉加固
扒钉加固通过扒钉限制节点的松动脱榫，扒钉为两条腿的钉子，属刚性材质，其本身具有一定抗拉抗压能力，对梁柱的侧倾可以提供一定程度的抵抗能力。故宫博物院与北京工业大学对扒钉加固榫卯节点的研究表明，扒钉受自身质量限制，提供给节点的抗拉、抗压能力有限，适用于小型木结构加固。
4.1.2 扁钢加固
扁钢组件利用扁钢的柔韧性，用螺钉加固，附着于受损的梁柱结构，可以通过调整螺母的松紧控制钢箍与木材间的摩擦力来抵抗拔榫力，提高节点的抗拉能力。周乾等在钢构件加固古建筑榫卯节点抗震试验中，选用厚度为3mm、宽度为50mm的Q235钢材组件加固榫卯节点，通过对加固前后的节点性能进行对比分析发现，未加固节点的最大插榫量为4mm，拔榫量为13.5mm;钢构件加固节点后，插榫量降为3.5mm，拔榫量则减小至7.9mm，钢构件加固榫卯节点后，节点拔榫量可降低为加固前的0.6倍（7.9/13.5）。②但扁钢缺乏弹性，限制了节点间的可活动性，使节点的耗能能力降低。 4.2 碳纤维增强材料加固
4.2.1 碳纤维布加固
碳纤维布具有重量轻、易裁剪、可塑性大、抗拉强度高和耐久性好的特点，利于加固转角较复杂的榫卯节点。碳纤维布加固是运用包裹法对榫卯节点进行加固，用与榫头等宽的碳纤维布包裹每个节点梁部的内外两侧，包裹长度延伸至梁的250mm处。为减少碳纤维布在受力时产生剥落情况，每根梁采用6条50mm宽的碳纤维布条对横向包裹的碳纤维布进行间隔50mm的纵向加固处理。包裹法大大降低了脱榫、拔榫等情况，但包裹法也在一定程度上降低了节点的可活动性，与加固前相比可活动性有所下降。碳纤维布加固的缺点在于完全附著于节点，消耗了节点的大部分作用力，在长期耗能过程中易出现断裂和剥落现象;优点是使用碳纤维布加固后的榫卯节点仍具有半刚性特点，优于扒钉、钢箍、螺栓等金属链接件加固方法。
4.2.2 玄武岩纤维布加固
玄武岩纤维是由玄武岩高温熔炼拉丝而成，具有密度低、拉力强、抗蠕变的特点。玄武岩纤维属矿物纤维，在抗腐蚀方面表现优异，能适应长期风吹日晒雨淋的情况。虽红门梁柱结构大多有博风板遮挡，但泰山古建筑群的空间布局决定了红门建筑群长期暴露于风蚀环境下，飞云阁门前廊道正处于红门路北首迎风口，且两侧未设置博风板，梁柱结构上的彩绘图案和结构边缘侵蚀严重，采用玄武岩纤维布加固，可充分发挥玄武岩纤维的抗腐蚀特性。飞云阁门前廊道梁柱柱底置于花墙之上，没有柱础的顶托作用，耗能全部依靠梁柱间的榫卯结构。玄武岩纤维的抗拉强度是钢性材料的5倍（表1），可充分满足节点的拉力和刚性需求。
5 不同加固方法在红门榫卯节点中的利害分析
目前泰山红门的梁柱结构使用年限已久，结构受地震力、风力等损害，弥勒院、红门宫、飞云阁主要梁柱结构已做加固修复处理，仅有飞云阁门前廊道等中小型梁柱结构保留原状。随着时间的推移，对前者进行加固保护是必然趋势，所以要分析梁柱结构的现状，寻求最合理的加固方法。
扒钉由钢筋两端弯成直钩而成，施工方便快捷，但扒钉受自身质量的限制，所能提供的拉力有限，只能用于加固小型梁柱结构。扒钉的缺点在于外露于榫卯节点两侧，影响节点美观。扒钉加固适用于加固结构简单的弥勒院院门，且院门两侧置有博风板，可遮挡外露的扒钉，消弭节点美观的不足。
扁钢通过螺钉加固，附着于梁柱结构，可以通过调整螺母的松紧控制钢箍与木材间的摩擦力来抵抗拔榫力，提高节点的抗拉能力。扁钢加固可有效改善榫卯节点松动情况，但由于扁钢缺乏弹性，限制了节点的可活动性，使节点的耗能能力降低。扁钢加固适用于不单一通过榫卯节点耗能的弥勒院和红门宫，柱底和柱础间的顶托作用可以弥补扁钢加固使节点耗能降低的缺陷。
碳纤维布加固的优点在于重量轻、易裁剪、可塑性大、抗拉强度高和耐久性好，采用包裹法加固榫卯节点，改善了节点松动情况。缺点在于包裹法完全附着于榫卯节点，消耗了节点的大部分作用力，在长期耗能过程中易出现断裂和剥落现象;包裹法会一定程度上限制节点的可活动性，但通过碳纤维布加固的榫卯节点仍具有可活动性，符合榫卯的半刚性特点。
玄武岩纤维布与碳纤维布特点大致相同，玄武岩纤维属矿物纤维，在抗腐蚀方面优于碳纤维。玄武岩纤维的拉强是钢性材料的5倍，适于加固受风蚀严重和无柱础顶托的飞云阁门前廊道。
通过分析不同加固方法在榫卯节点中的利害关系，可得弥勒院院门等小型木结构的加固效果：扒钉加固>扁钢加固>碳纤维布加固，不适用玄武岩纤维布加固;飞云阁门前廊道梁柱结构加固效果为：玄武岩纤维布加固>碳纤维布加固>扁钢加固>扒钉加固。
6 结语
传统榫卯节点对梁柱结构的抗震性、抗侧性都具有重要影响。应加大对榫卯节点的性能研究，在原有加固方法上实现理论和材料的创新，并遵守“恢复原状和保持现状”的古建筑维修加固原则，尽量不破坏榫卯节点原有性能，并将加固材料的耐久性问题纳入研究范围。
参考文献
[1]梁思成.清式营造则例[M].北京：中国建筑工业出版社，1981.
[2]杨茹元，孙友富，张晓凤，等.木结构古建筑加固技术的应用及进展[J].林产工业，2018，45（6）：3-7.
[3]隋.中国古代木构耗能减震机理与动力特性分析[D].西安：西安建筑科技大学，2009.
[4]姚侃，赵鸿铁，薛建阳，等.古建木结构榫卯连接的扁钢加固试验[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41（10）：220-224.
[5]张风亮.中国古建筑木结构加固及其性能研究[D].西安：西安建筑科技大学，2013.
[6]谢启芳，赵鸿铁，薛建阳，等.中国古建筑木结构榫卯节点加固的试验研究[J].土木工程学报，2008，41（1）：28-34.
[7]赵鸿铁，薛自波，薛建阳，等.古建筑木结构构架加固试验研究[J].世界地震工程，2010，26（2）：72，76.
[8]薛建阳，隋龚，葛鸿鹏，等.古建筑木结构榫卯节点采用碳纤维布加固模型振动台试验研究[J].建筑结构学报，2012，33（8）：143-148.