榫卯結(jié)構(gòu)，為什么現(xiàn)在使用這么少呢？從榫卯結(jié)構(gòu)的受力角度來說，并不是木材利用的最優(yōu)方案，特別是在現(xiàn)代建筑工業(yè)的環(huán)境下。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的木榫卯這種設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來說違反了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則:

節(jié)點(diǎn)性能不能低于構(gòu)件

這一點(diǎn)幾乎不需要我去多廢話大家就能感覺到，使用榫卯的桌椅大部分時(shí)候都是在榫卯處損壞，也就是結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)處。結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)壞了，等于和它相連的構(gòu)件都發(fā)生了失效，所以一般的設(shè)計(jì)原則是節(jié)點(diǎn)的性能不能低于構(gòu)件，從這個(gè)角度來說，傳統(tǒng)榫頭榫眼構(gòu)成的榫卯是不太符合現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)理念的。下面詳細(xì)說說。

談受力不能拋開材料，首先需要了解一下木材，木材在工程學(xué)上和另外兩種常見的建材一鋼材，混凝土相比，有一個(gè)很大的差異一顯著的各向異性。各向異性指材料在不同的方向受同樣的力時(shí)表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，材料多多少少都會(huì)有各向異性，即使時(shí)鋼材混凝土也不例外，但鋼材各向異性不顯著，混凝土各向異性主要體現(xiàn)在拉壓性能不同但不同方向可以使用同一個(gè)本構(gòu)表示，忽略材料的方向一般不會(huì)有不能接受的誤差，對(duì)工程的影響一般可以忽略，但是木材則不然。

圖1.木材截面

圖2.木材微觀結(jié)構(gòu)

第一張照片是常見的木材照片，第二張是木材顯微鏡下照片。無論宏觀微觀我們都能看到木材是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，顯然不同方向結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為是不同的，這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的存在這也就導(dǎo)致了了木材的力學(xué)特性是各向異性。

木材組成方式是軸向的纖維聚成整體，因此就力學(xué)性能而言，會(huì)表現(xiàn)出兩類特性，一是順著纖維方向的，二是纖維連接方向的，如果再考慮樹木生長(zhǎng)的過程一形成層一層一層的向外擴(kuò)展，木材在纖維連接上還存在層內(nèi)和層間兩種差別，這種差別直觀的體現(xiàn)就是年輪。所以木材細(xì)分的話，存在三個(gè)方向一一軸向、徑向和弦向。一般把軸向受力稱為順紋受力，弦向和徑向受力稱為橫紋受力。

圖3.三個(gè)受力方向

纖維本身強(qiáng)度是遠(yuǎn)高于纖維之間連接強(qiáng)度的，所以導(dǎo)致順紋拉伸、順紋壓縮、橫紋切斷等需要破壞纖維本身的受力模式下，木材表現(xiàn)出的強(qiáng)度及塑性發(fā)展，都要好于順紋剪切、橫紋拉伸等破壞纖維連接的受功模式。

一般來說木材強(qiáng)度最大的受力方向是順紋受拉方向，相對(duì)而言，順紋受壓、橫紋切斷受力也很大，所以木材最優(yōu)利用方式是做拉壓桿件，其次是做彎的梁。但是節(jié)點(diǎn)區(qū)域受力復(fù)雜，往往處在多向應(yīng)力狀態(tài)，本身就不利于木材發(fā)揮，同時(shí)，拼插的榫卯，一邊需要的開槽挖洞做榫眼，另一邊要縮小截面做榫頭，實(shí)際上是嚴(yán)重削弱節(jié)點(diǎn)的。關(guān)于榫卯受幼，還是可以用ANSYS建模做一下。

圖4.榫卯節(jié)點(diǎn)模型

做一個(gè)最常見的榫卯結(jié)構(gòu)，一個(gè)方形榫眼，方形榫頭。材料調(diào)整一下彈模和泊松比，由于只看彈性階段應(yīng)力應(yīng)變，并且只是想簡(jiǎn)單說明不利受力狀態(tài)，所以不考慮各向異性和裝配產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力了。

圖5.邊界條件

紫色的底邊固定，紅色面上施加一個(gè)彎矩。

圖6.接觸設(shè)置、網(wǎng)格劃分

榫卯是分離的結(jié)構(gòu)，所以分析時(shí)候還得設(shè)置接觸，網(wǎng)格細(xì)化(所以榫卯不是分析友好的結(jié)構(gòu)~ )

圖7.位移和等效應(yīng)力云圖

首先可以看一下等效應(yīng)力，在遠(yuǎn)離榫卯的區(qū)域兩根桿件都表現(xiàn)出很明顯的梁的特性，外層應(yīng)力最大，中間存在一個(gè)中性層。但是榫卯區(qū)域應(yīng)力變化劇烈而且復(fù)雜。如果就這樣放一個(gè)不知所云的有限元結(jié)果也就沒必要寫這個(gè)答案了。有限元的結(jié)果對(duì)于大部分吃瓜群眾來說不直觀，我來做個(gè)直觀的解釋。

圖8.榫卯分離圖

榫卯不是一個(gè)整體，榫頭和榫眼之間原本是分離的，因此榫卯的接觸面是只能受壓不能受拉的，一有拉力就會(huì)分離。

圖9.榫卯區(qū)域變形示意圖

在受端部的彎矩之后榫頭桿件有一個(gè)微微轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，榫頭和榫眼之間在我標(biāo)紅的區(qū)域會(huì)緊密貼合，其他地方會(huì)微微分離。具體變可以參考下圖，云線標(biāo)記的位置就是貼合緊密的區(qū)域。

圖10.榫頭桿件受力狀態(tài)示意圖

這樣，對(duì)于榫頭桿件來說它受到的力就是一個(gè)彎矩兩對(duì)壓力，這就是個(gè)最簡(jiǎn)單的蹺蹺板，這樣一組力恰好平衡。但是根據(jù)杠桿原理可以想見這么短的力臂壓勵(lì)會(huì)非常大。

圖11.榫頭位置y向正應(yīng)力云圖

有了定性概念分析我們?cè)倩仡^看看計(jì)算結(jié)果，榫頭的應(yīng)力圖就很顯著的表現(xiàn)出這種特點(diǎn)。這是Y向正應(yīng)力結(jié)果，上下兩塊深藍(lán)色區(qū)域就是承受巨壓力的緊密接觸區(qū)域。

圖12.圖片截取自榫卯APP

圖13.榫眼位置剪切面示意圖

再看看榫眼，榫眼是在這個(gè)區(qū)域受壓，但是是局部受壓，力在擴(kuò)散過程中是依靠剪力傳遞的，所以會(huì)導(dǎo)致榫眼邊界附近剪應(yīng)力很大，就是黃色虛線標(biāo)示的剪切面。

圖14.隼眼位置xy剪應(yīng)力

我們現(xiàn)在來看看剪應(yīng)力，確實(shí)這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了極大的剪應(yīng)力。同時(shí)要注意到，這個(gè)位置的受剪是順紋剪切，也是不利受力狀態(tài)之一。

所以，就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的榫卯，最常見受力方向，榫頭榫眼都處在了不利受力狀態(tài)，對(duì)于更復(fù)雜的粽角榫、燕尾榫等，在建筑結(jié)構(gòu)中受到拉壓夸剪扭等更復(fù)雜的力時(shí)，動(dòng)狀態(tài)更加不利。如果要保證榫卯的強(qiáng)度就不得不用更多的材料，而這些材料對(duì)于桿件部分來說是浪費(fèi)的。因此現(xiàn)代的木結(jié)構(gòu)都針對(duì)這個(gè)問題 做了很多改進(jìn)，比如采用金屬連 接件代替木材傳力，使用一些改性工藝處理木材增強(qiáng)木材不利狀態(tài)的強(qiáng)度。

傳統(tǒng)的榫卯本身是對(duì)材料相對(duì)浪費(fèi)的設(shè)計(jì)方式，因此在建筑這樣很計(jì)較成本的領(lǐng)域自然就會(huì)式微，但是家具則不同，一來家具對(duì)成本敏感性更低，二來家具承載了文化傳統(tǒng)，使用榫卯是一種文化傳承和高端象征，所以在家具領(lǐng)域榫卯還是相當(dāng)有市場(chǎng)的。

文章來源：知乎（2333Raindragon）

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