榫卯结构，为什么现在使用这么少？

榫卯结构，为什么现在使用这么少呢？从榫卯结构的受力角度来说，并不是木材利用的最优方案，特别是在现代建筑工业的环境下。因为传统的木榫卯这种设计从结构设计角度来说违反了结构设计的一个重要原则:

节点性能不能低于构件

这一点几乎不需要我去多废话大家就能感觉到，使用榫卯的桌椅大部分时候都是在榫卯处损坏，也就是结构的节点处。结构的节点坏了，等于和它相连的构件都发生了失效，所以一般的设计原则是节点的性能不能低于构件，从这个角度来说，传统榫头榫眼构成的榫卯是不太符合现代结构工程的设计理念的。下面详细说说。

谈受力不能抛开材料，首先需要了解一下木材，木材在工程学上和另外两种常见的建材一钢材，混凝土相比，有一个很大的差异一显著的各向异性。各向异性指材料在不同的方向受同样的力时表现出不同的力学性能，材料多多少少都会有各向异性，即使时钢材混凝土也不例外，但钢材各向异性不显著，混凝土各向异性主要体现在拉压性能不同但不同方向可以使用同一个本构表示，忽略材料的方向一般不会有不能接受的误差，对工程的影响一般可以忽略，但是木材则不然。

图1.木材截面

图2.木材微观结构

第一张照片是常见的木材照片，第二张是木材显微镜下照片。无论宏观微观我们都能看到木材是有内部结构的，显然不同方向结构的力学行为是不同的，这种内部结构的存在这也就导致了了木材的力学特性是各向异性。

木材组成方式是轴向的纤维聚成整体，因此就力学性能而言，会表现出两类特性，一是顺着纤维方向的，二是纤维连接方向的，如果再考虑树木生长的过程一形成层一层一层的向外扩展，木材在纤维连接上还存在层内和层间两种差别，这种差别直观的体现就是年轮。所以木材细分的话，存在三个方向一一轴向、径向和弦向。一般把轴向受力称为顺纹受力，弦向和径向受力称为横纹受力。

图3.三个受力方向

纤维本身强度是远高于纤维之间连接强度的，所以导致顺纹拉伸、顺纹压缩、横纹切断等需要破坏纤维本身的受力模式下，木材表现出的强度及塑性发展，都要好于顺纹剪切、横纹拉伸等破坏纤维连接的受功模式。

一般来说木材强度最大的受力方向是顺纹受拉方向，相对而言，顺纹受压、横纹切断受力也很大，所以木材最优利用方式是做拉压杆件，其次是做弯的梁。但是节点区域受力复杂，往往处在多向应力状态，本身就不利于木材发挥，同时，拼插的榫卯，一边需要的开槽挖洞做榫眼，另一边要缩小截面做榫头，实际上是严重削弱节点的。关于榫卯受幼，还是可以用ANSYS建模做一下。

图4.榫卯节点模型

做一个最常见的榫卯结构，一个方形榫眼，方形榫头。材料调整一下弹模和泊松比，由于只看弹性阶段应力应变，并且只是想简单说明不利受力状态，所以不考虑各向异性和装配产生预应力了。

图5.边界条件

紫色的底边固定，红色面上施加一个弯矩。

图6.接触设置、网格划分

榫卯是分离的结构，所以分析时候还得设置接触，网格细化(所以榫卯不是分析友好的结构~ )

图7.位移和等效应力云图

首先可以看一下等效应力，在远离榫卯的区域两根杆件都表现出很明显的梁的特性，外层应力最大，中间存在一个中性层。但是榫卯区域应力变化剧烈而且复杂。如果就这样放一个不知所云的有限元结果也就没必要写这个答案了。有限元的结果对于大部分吃瓜群众来说不直观，我来做个直观的解释。

图8.榫卯分离图

榫卯不是一个整体，榫头和榫眼之间原本是分离的，因此榫卯的接触面是只能受压不能受拉的，一有拉力就会分离。

图9.榫卯区域变形示意图

在受端部的弯矩之后榫头杆件有一个微微转动的趋势，榫头和榫眼之间在我标红的区域会紧密贴合，其他地方会微微分离。具体变可以参考下图，云线标记的位置就是贴合紧密的区域。

图10.榫头杆件受力状态示意图

这样，对于榫头杆件来说它受到的力就是一个弯矩两对压力，这就是个最简单的跷跷板，这样一组力恰好平衡。但是根据杠杆原理可以想见这么短的力臂压励会非常大。

图11.榫头位置y向正应力云图

有了定性概念分析我们再回头看看计算结果，榫头的应力图就很显著的表现出这种特点。这是Y向正应力结果，上下两块深蓝色区域就是承受巨压力的紧密接触区域。

图12.图片截取自榫卯APP

图13.榫眼位置剪切面示意图

再看看榫眼，榫眼是在这个区域受压，但是是局部受压，力在扩散过程中是依靠剪力传递的，所以会导致榫眼边界附近剪应力很大，就是黄色虚线标示的剪切面。

图14.隼眼位置xy剪应力

我们现在来看看剪应力，确实这个区域出现了极大的剪应力。同时要注意到，这个位置的受剪是顺纹剪切，也是不利受力状态之一。

所以，就是这样一个简单的榫卯，最常见受力方向，榫头榫眼都处在了不利受力状态，对于更复杂的粽角榫、燕尾榫等，在建筑结构中受到拉压夸剪扭等更复杂的力时，动状态更加不利。如果要保证榫卯的强度就不得不用更多的材料，而这些材料对于杆件部分来说是浪费的。因此现代的木结构都针对这个问题 做了很多改进，比如采用金属连 接件代替木材传力，使用一些改性工艺处理木材增强木材不利状态的强度。

传统的榫卯本身是对材料相对浪费的设计方式，因此在建筑这样很计较成本的领域自然就会式微，但是家具则不同，一来家具对成本敏感性更低，二来家具承载了文化传统，使用榫卯是一种文化传承和高端象征，所以在家具领域榫卯还是相当有市场的。

文章来源：知乎（2333Raindragon）

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