木材榫卯结构力学分析

木材是非均质的、各向异性的材料，树干包括许多同心圆的年轮层次，这赋予木材圆柱对称性。这种对称性体现在木材的许多物理性质上，例如弹性、强度、热传导性能等。早在1928年，普赖斯(Price)就把正交对称原理应用于木材，借以说明木材材性的各向异性。根据树干的解剖构造，它有圆柱对称性。在远离髓心的一定位置取一个小块矩形试件，要求其有一对材面切于年轮，于是这个试件就有三个对称轴:平行于纵向的L轴、平行径向的R轴和平行于弦向的T轴。这三个轴大致是相互垂直的。但这三个方向的弹性常数不同。虽然径向轴在木材中是发散的，而不是平行的，并且L--T面也不是完全的平面，而是略似圆柱面。但经常仍然可以把这三个轴当作相互垂直的弹性对称轴，这样就把正交对称原理引入到了木材上。 木材在物理力学性质方面都具有特别显著的各向异性。顺木纹受力强度高，横木纹低。斜木纹介于两者之间。木材的强度还与取材部位有关，例如树干的根部与梢部、心材与边材、向阳面与背阳面等都有显著差异。此外，无疵病的清材与有疵病(木栉、斜纹、裂缝等)的木材之间差异更大。本文仅讨论清材的力学性质。 木材受拉、受剪时，在极小的相对变形下突然发生破坏的性质称为具有脆性破坏性质;相反，木材受压、受弯破坏时，具有较大的不可恢复的塑性变形性质。木材顺纹受力时，受压强度比受拉强度低。

木结构古建筑承重之木构架

古建筑的承重体系是由柱子和额枋通过榫卯连接而成的柱架系统以及由梁栿层层相叠而成的抬梁式梁架系统组成的，柱架中的柱子不但外观形式上做了形式优美的卷杀处理，而且还有生起和侧脚等特殊做法，这些做法具有的很强结构意义．在古建筑物的正立面上，每个开间的柱高并不相同，而是自当心间的平柱向两侧的角柱逐渐增高，这就是柱的“生起”．《法式》对用柱之制的描述：“凡用柱之制，……至角则随间数生起角柱．”又对生起的尺寸做了具体规定：“三间生起二寸，五间生起四寸，七间生起六寸，九间生起八寸，十一间生起一尺，十三间生起一尺二寸”．力测试角柱“生起”只在殿堂式建筑中使用，不但造就了这种形制地位高的古建筑从心间到尽间曲面上扬的优美的弧形立面效果，而且具有深刻的力学及结构意义．一方面，由于柱间高差的存在，使得连接两柱头的阑额略微倾斜，在竖向荷载作用下会产生轴向应力，所有阑额的轴向应力是沿杆件的、方向为指向心间的推力，起到了挤紧压实榫卯节点的作用，增强了榫卯连接节点的连接刚度，提高了整个柱架的抗侧移能力．另一方面，沿进深方向，同一列柱子的高度也不相同，山面中柱的高度要低于角柱．由于木构架在横向的抗侧刚度较弱，所以在遭遇地震时会产生较大的变形，位于柱头和额枋上的铺作层也会发生变形或滑动，稍微向内倾斜的铺作层也会产生指向柱架中部的分力，抵消了一部分水平地震作用，一定程度上限制了铺作层的位移，使其不会滑出柱架之外，进而避免了屋盖的落架．对于造柱之法，除了“生起”之外，还有“侧脚”的做法，即把建筑檐柱的柱底向外斜出，柱头就自然地向内倾斜，正面檐柱将柱底中心位置向外移出柱高的1／100，山面檐柱柱底中心线向外移出柱高的0。8／10，角柱则相应的向两个方向分别侧脚1／100和0。8／100．柱侧脚改变了立柱要垂直于地面传统理念，柱与柱之间不再是平行关系，而是呈一定的角度，使房屋的外轮廓略呈梯形．由水平构件连接而成的互相平行的柱子在水平荷载作用下侧移会变为平行四边形，是几何可变的．而侧脚之后柱与柱的延长线会相交于一点，形成“虚铰”，虽然没有改变柱架几何可变的特性，但是柱子倾斜所产生的水平力会压实挤密阑额与柱子的榫卯连接节点，如果说自然连接状态下榫卯节点的特性接近于铰接的话，那么压实后的节点所具有的抗弯能力会有明显的提高，构架趋于几何稳定，不再是纯粹的几何常变体系，两者之间的差别．侧脚后的建筑在承受水平力时要比矩形框架更加有利，在地震作用下柱架会产生侧移变形，但是由于侧脚的存在，变形会自动恢复，柱架成为了一个在水平荷载作用下的自动复位系统．