我国木结构建筑历史悠久、形式多样，是人类宝贵的文化遗产，具有重要的历史、文化、科学价值。从20世纪70年代开始，科研人员对木结构建筑的力学性能展开研究。从受力体系来看，古建筑木结构主要可分为四种形式：穿斗式、抬梁式、密梁平顶式、井干式。穿斗式、抬梁式以及二者的混合形式是木结构的主要结构形式，因其用料较小、经济实用等原因，广泛应用于西南地区民居建筑当中。

穿斗式木结构是一种轻型构架，“柱承檩，枋连柱”是其基本特征。每排柱子靠穿透柱身的穿枋横向贯穿起来，成一榀构架。每两榀构架之间使用斗枋连接起来，形成房间在开间方向的空间结构。穿斗式建筑中的榫卯结构是各根木材能够形成整体梁架的重要节点，连接梁、柱、枋构件间的榫卯类型主要包括透榫、半榫、燕尾榫，如图二所示。

（图源：李琪.古建筑木结构榫卯及木构架力学性能与抗震研究[D].西安建筑科技大学,2008.）

董春盈[1]分析了透榫、半榫、燕尾榫三种榫卯形式的传力机理和破坏形态，通过对透榫柱架的试验得到，透榫节点初始抗弯刚度较大，随着榫卯间的转角增加，抗弯刚度减小但速率较慢，进入屈服阶段抗弯刚度迅速减小直至构件破坏。在延性方面，透榫节点和燕尾榫节点基本一致，两种榫卯形式都具有良好的减震耗能的作用。

郝晓航[2]按照《工程做法则例》的实测数据制作了缩尺比1:1.76的穿斗式木构架缩尺模型，进行了水平单调加载力学性能试验，结果表明穿斗式木构架具有良好的变形能力，未出现受压破损，整体性较好，脱榫是其破坏的主要形式。

陈春超[3]通过水平单调加载实验，加载初期，由于梁柱转动和榫卯节点逐渐挤紧，荷载随着水平位移加载增大而增大，榫卯节点不断被破坏和拔出。加载后期，由于榫头截面突变处顺纹撕裂破坏，木构架的整体性和抗侧刚度逐渐下降，最终木构件发生整体倾覆破坏。

黄浩[4]通过研究纯框架、满填横向排墙、满填竖向排墙、半开窗、全开窗5种不同结构形式试件的抗侧性能，进行了水平单调加载试验。满填竖、横向排墙穿斗式木构架具有的良好的变形能力，开窗试件在侧移较大的情况下穿枋被拔出后导致墙体破坏。通过对比分析试验数据，内嵌墙体能够极大提高穿斗式木构架的刚度和强度，横排墙比竖排墙在初始弹性刚度和整体剪切刚度方面都更具有贡献。

应鹏杰[5]以西安永宁门箭楼为原型，制作了3榀缩尺比为1:6的直榫木构架试件，对其进行水平低周反复荷载试件，得到榫头和卯口间的塑性变形是木构件破坏的主要原因，根据试件与原构件的相似关系，反推出了原构件的抗弯承载力和刚度。

薛建阳[6]参照川西传统民居结构形式，制作了4榀缩尺比为1:1.33的榫卯节点试件，试验变量为榫卯类型、栓子形状和面积。实验结果表明栓榫试件的转动和变形能力更强，延缓了试件过早的拔榫破坏。采用栓子的试件的耗能能力强于半榫试件，方形栓子试件的初始刚度大于圆形栓子试件，其中方形栓子的截面面积越大，试件初始刚度就越大。

郭婷[7]基于实地对穿斗式木构架调研结果，制作了2榀单层双跨木构架缩尺模型进行了低周水平往复荷载试验，得到穿斗式横向木构件损伤主要包括榫卯节点间挤压塑性变形、木销的弯剪破坏变形两种破坏形式，而纵向木构架中的榫颈是木构架中的薄弱部位。由于穿斗式结构的屋盖重量较小，屋盖的重力势能在抗震中发挥作用较小，主要通过滞回耗能进行抗震。

吴玮[9]对比分析了无缝边跨半榫节点和带缝边跨半榫节点在地震荷载作用下的抗震性能，缝隙的存在改变了节点的受力状态，也改变了最后的拔榫量，同时也影响了边跨半榫节点刚度退化规律、延性系数。滞回曲线从饱满的“梭形”变为带有滑移段的“反Z形”，使得骨架曲线从对称变为不对称，滑移段的长度与缝隙的长度成正比。

郝建杰[10]以单檐庑殿顶结构为研究对象，有限元结果表明在相同质量下，屋架刚度对木结构整体抗震性能影响不大，引入时程分析方法对其整体抗震性能研究，得到各个位置的动力响应，结果表明榫卯结构是其最好的构造。

赵锦鹏[11]分别对柱脚完好、残损和考虑地基不均匀沉降的木构架模型进行了水平荷载作用下的研究和动力响应分析，结果得到构件间的摩擦作用提升了结构的抗倾覆能力，阑额和普拍枋对木构架的整体性和稳定性提升很大。柱脚残损会导致木构架水平承载力降低，但不影响木构架的加速度和相对位移变化规律。

余攀[12]考虑了榫卯节点间的摩擦滑移和柱脚转动，利用有限元软件建立了单跨木构架半榫、透榫模型，分析表明半榫木构架中的缝隙明显削弱其抗侧移能力，抗侧移刚度会随着榫卯节点的长度增加而增加。透榫节点木构架在水平荷载作用下分为六个阶段，随着水平侧向位移的增加，透榫和柱脚节点具有不同的接触状态。

通过以上研究可以了解到，榫卯节点的力学性能较为复杂，无论是透榫、半榫、燕尾榫均表现出典型的半刚性节点特性，该节点性能介于铰接和刚接之间，也就是允许产生一定的转动和变形，可传递一定的弯矩。以燕尾榫为例，如图三所示，分析其在荷载作用下的受力机理。在实际过程中为了施工方便，卯口尺寸略大于榫头尺寸，当外部震动较小时，榫头发生微小转动，榫头侧面与卯口侧壁接触直至产生挤压力和摩擦力，其中挤压力和摩擦力沿水平方面的分力抵抗外部轴力。当梁明显转动，榫头与卯口发生强烈挤压，榫头部分受到明显的弯矩作用，同时榫头和卯口之间的滑移产生剪力。当转动达到一定程度，榫头同时受到弯矩、剪力、轴力的共同作用，当节点受到的复合应力大于材料的极限强度时，发生榫头破坏或卯口压溃。

（图源：陈光明，徐建设.古建筑木结构榫卯节点分析与研究进展[J].中国水运，2019）

如图四所示，θ为燕尾榫榫颊倾斜角，可以看出θ值越小，燕尾榫就越不容易被拔出，但榫头根部变细导致抗拉强度不够，在荷载作用下容易产生应力集中现象。所以在设计过程中，根据燕尾榫的长度和不同木材的强度，θ值应不相同。结合试验结果和受力分析，燕尾榫发生破坏主要包括榫颈弯断、榫角剪断、榫角压缩、卯口劈裂等形式[1]。由于燕尾榫破坏时处于复合应力状态，可能同时出现几种破坏形态，其中最薄弱部位的破坏形态占据主导地位。

在外力作用下，榫头和卯口之间的挤压变形、摩擦滑移，使得穿斗式木结构具有良好的抵抗水平荷载和耗能减震的能力。图五是试验过程中施加荷载和最终变形图；图六是试验过程中的试验现象，可以看出穿斗式木结构在低周往复荷载作用下榫头出现劈裂和折断，节点出现了裂缝；图七是穿斗式木结构的水平荷载-位移滞回曲线，该曲线能够综合反映构件承载力、刚度、耗能和阻尼特性；在图七中，完成一个往复循环加载得到闭合曲线围合成的面积就是构件在一个循环作用下所消耗掉的能量，图示数据是从试验开始至结束时采集到的多个循环荷载作用下的滞回环曲线。虽然曲线中部存在一定的“捏拢”效应，但是可以看出滞回曲线总体上较为饱满，表明穿斗式木结构具有良好的耗能能力。

图五 施加荷载和最终变形图

图六 试验现象

图七 水平荷载-位移滞回曲线

（图源：周典. 改良穿斗式木框架抗震性能研究[D].西南交通大学,2022）

在穿斗式建筑中由于柱脚直接浮搁于柱础上，上部结构与基础自然断开，柱脚与柱础之间存在着相对滑移，使得上部结构类似于现代结构基础上的滑移装置，该装置使其成为一个具有良好减震、隔振作用的体系。在一般水平荷载或地震作用下，在水平方向产生的剪力不会超过各柱柱底所受摩擦力之和，上部结构能够保持稳定。当上部结构受到的水平剪力超过柱脚与柱础间的最大摩擦力时，上部结构中的梁、柱、枋等构件的榫卯节点将发挥耗能作用，从而减小地震能量的输入。

穿斗式梁架房屋不同于重屋盖类的传统木结构建筑，其屋盖的重力势能发挥的作用较小，主要通过滞回耗能抵抗地震作用。在实际过程中，地震输入的能量转化为结构的动能、弹性应变能、屋盖的重力势能储存在结构中，最终转化为使结构振动幅值能够快速衰减的阻尼和摩擦耗能[13]。

注释：

[1] 董春盈. 古建筑木结构榫卯连接的力学性能及试验研究[D].西安建筑科技大学,2010.

[2] 郝晓航. 抬梁、穿斗式木构架结构性能试验研究[D].东南大学,2016.

[3] 陈春超. 古建筑木结构整体力学性能分析和安全性评价[D].东南大学,2017.

[4] 黄浩. 穿斗式木构架-木镶板墙抗侧性能试验研究[D].重庆大学,2021.

[5] 应鹏杰.古建筑木结构榫卯节点力学性能分析及精细化数值模拟[D].西安建筑科技大学,2017.

[6] 薛建阳,任国旗,许丹等.传统民居穿斗式木结构栓榫节点抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2019,40(10):158-167.

[7] 郭婷,杨娜,周海宾等.穿斗式纵向木构架抗震性能试验研究[J].土木工程学报,2021,54(S1):34-41.

[8] 周典. 改良穿斗式木框架抗震性能研究[D].西南交通大学,2022.

[9] 吴玮. 中国古建筑木结构边跨半榫节点抗震机理研究[D].南昌大学,2021.

[10] 郝建杰. 典型明清官式古建筑木结构整体抗震性能研究[D].北京交通大学,2022.

[11] 赵锦鹏. 不同损伤下八等材木构架力学性能分析[D].太原理工大学,2022.

[12] 余攀. 典型古建筑木结构侧向受力性能分析[D].重庆大学,2022.

[13] 杨庆山.古建筑木结构的承载及抗震机理[J].土木与环境工程学报(中英文),2022,44(02):1-9.

图文：刘红林