燕尾榫在枋與柱連接節點中作用的力學概念分析
日期:2016/12/15 1:22:56   編輯:古建築結構圖1所示為枋件與柱的連接做法,其中繪出了節點平面、立面及枋件端燕尾榫大樣的投視。從圖中我們運用結構力學基本原理進一步思考可看出節點受力的以下幾點:
2.1 當枋件受拉時,對枋件的最不利受力面將發生在ABB1A1面上,當拉應力值超過該截面的極限強度時,該截面將出現斷裂。對立柱而言其不利的受力面是當拉力通過磨擦剪切作用給柱的FBB1F1平面而後有可能引發起始於榫前角E、F點處立柱木纖維拉裂劈開縫FH及EG,並沿該線上下擴展一定長度到H3、H2。
2.2 當枋件受壓時,由於榫端面EFF1E1與卯口內壁做不到密合,故枋件對柱的壓力很可能是通過卯口外的BDD1B1及ACC1A1面上枋端與柱面的接觸擠壓進行傳遞。 圖1
2.3 當枋件端受彎時,由結構力學原理知:枋件受彎截面的中部會有一中和軸線,該線上下截面的應力相反,一側(上或下)受壓則另側(下或上)受拉,而且截面上最大應力產生在截面的上、下邊緣處。據此推理,此時枋件端燕尾榫的受力情況將是在受拉的上(或下)面兩側邊緣處榫側面與柱卯口側面頂緊擠實到用磨擦剪力傳遞拉力,而其承壓的下(或上)面兩側,則榫側與柱卯口側面脫離,此時該處的壓力傳遞改由榫根外的枋的兩側余留面(BDD1B1及ACC1A1)的下(或上)邊緣擠壓柱表面來提供。
2.4 可以想象得出,上述燕尾榫的受彎工作是存在有木構造的自身結構特點。首先,榫上(或下)緣頂緊卯口側是需要出現變形來產生的。其次是枋件下(或上)緣頂緊柱表面也將產生相應的變形。以上兩變形的結果會造成枋件軸線相對於柱軸線出現轉動的角變形,即對枋件與柱的原有夾角出現或縮小,或放大的現象,這在實際中就是出現柱身歪斜。由於此變形是出現在榫卯受力起步階段,今稱此變形為“起步變形”,其實質是枋件就位拼裝時由難以避免的松弛態進入受力態之間的變形,(今令此變形用柱頂位移量S表示,則枋端榫只有出現S之後才受力工作產生對柱的約束。)此變形雖然僅是在受彎起步時產生,而當其後受力增大過程內,只要不出現反向受力及超限負荷情況則是可以基本保持夾角不再變動。但此夾角變動(反復負荷時變動更明顯)的現象是和結構力學對框架節點的定義(節點是剛結、梁與柱二者要轉動一齊轉動,但二者相對不動)相違背的。基於此可認定木構柱枋間燕尾榫連接不能等同鋼結構、鋼筋混凝土結構的框架節點。同時也應看出:枋柱夾角的變形導致柱歪是不利於結構的受力與使用,對此“起步變形”令其為零屬不可能,但應力求減小才合適。