基于COMSOL的张拉完整性应用

筱一 尘

关键词： COMSOL ； 张力完整性 ； 悬浮桌 ； 柔性连接

“ 张力完整性 ” 一词由工程师兼建筑师巴克敏斯特 · 富勒在 20 世纪 60 年代首次提出 。 张力完整性是基于单个刚性构件（如管或梁）和柔性构件 ( 如电线或电缆 ) 组成的系统建立的结构原理。刚性构件处于持续压缩状态，它们不是通过互相接触连接，而是被处于持续拉伸状态的柔性构件固定在一起，形成一种能够自我支撑的内部稳定性结构，从而无需预期的必要条件，如地基、连接件或支柱。

张 拉整体结构使用的材料少，因此质量轻、适应性强，在环境友好型建筑设计中有应用潜力。张力桌，或称为 “ 悬浮桌 ” ，是张力完整性原理最基本的应用：一个固定部件在张力的作用下被一个柔性部件托起。

【 模型信息 】 上半部分（桌面和一条向下延伸的弯曲桌腿）和下半部分（桌底和一条向上延伸的桌腿）。两条腿之间用一根金属丝连接，这样当重力将上半部分向下拉时，金属丝的张力可以防止上半部分掉落地面。

图 1 悬浮桌示意图

【 边界条件 设置 】 在本例中， 工况 1 是在桌面上施加不同大小的垂直向下的载荷。 工况 2 是施加一个扭转力矩 。 使用线缆接口对施加的载荷和桌面重量进行模拟

图 2 边界 设置

【 应力 结果 云图 】 提取 结果 云图。

图 3 工况 1 受力 图 示

在桌面不发生倾斜时，只有中心线 缆 承担所有张力，周围的四条线缆处于不受力的状态。

图 4 工况 2 受力图示

施加扭矩后弯矩也基本由中心线 缆 承担，但此时外侧线缆也处于拉伸状态。

通过探针提取 线缆受力 如下图 。

图 5 线缆受力 曲线

【注】本次模型设置较为复杂， 如果想深入 钢筋混凝土梁失效行为研究 ，可以 设置更加精细的模型以及更为确切的参数设置 ， 文中并未展示完全的技巧 。