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。

在构造方面，从整体而言有以下三个特点：

（l）单体建筑的形制和构造与现代建筑不同，是以木构部件为骨架的。就单体建筑而论，基本上由下部的台基，中间的房屋本身和上部的翼状伸展的屋顶这三个主要部分构成，其底部用青砖或石料砌成高出地面的台基（早为夯土台基），中间以木构柱额和梁架组成屋身，上部施以两坡或四坡瓦顶，并附以脊兽等为装饰。 （2）立柱和梁则通过榫卯或斗拱构成屋身的梁架，每副梁架都至少有两个立柱和两层以上的横梁，每两副梁架之间则都用纵向水平构件把它们相互联系起来形成一个能独立承受荷载的结构体系，而墙体仅起围护和分隔作用，不承受荷载。这种墙柱分离的构造形式显然与欧洲历史建筑“垒石成体”的结构法和现代各种结构构造方法有明显的区别。 （3）硕大的屋顶作为中国历史建筑中主要的特征之一，亦是传统建筑的构造特点之一。出檐的大屋顶具有遮雨水和控制光照两大优势，一方面可以让雨水流的愈远愈好，以免将房屋地脚泡软，以及木柱的柱脚因潮湿而腐烂；另一方面可以操纵阳光，即屋檐的挑出长度刚好在冬天的时候不碍阳光射入，而夏天又可遮阳，是美观的要求。