游艇上建幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

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摘要：隨著世界經(jīng)濟水平的不斷提高，人們對海洋旅游的需求明顯增加。時尚大方的沿海游艇玻璃幕墻成為船東們的新選擇，然而船級社規(guī)范中并未對此類結(jié)構(gòu)有明確規(guī)定。以某沿海游艇項目為例，對比內(nèi)河船舶玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，探討沿海游艇玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，并借助有限元分析手段，驗證其在海船項目中應(yīng)用的可行性。結(jié)合有限元計算結(jié)果，提出幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：玻璃幕墻；游艇；結(jié)構(gòu)設(shè)計；橫向強度

隨著世界經(jīng)濟水平的不斷提高，人們的精神文明需求也在不斷提升，海洋旅游、休閑、娛樂產(chǎn)業(yè)方興未艾。豪華游艇向造型時尚大方，外部線條簡潔柔和的方向發(fā)展。為此，很多新技術(shù)應(yīng)用于豪華游艇的設(shè)計中，如為增加游艇的視覺效果，利用新式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的上建窗戶的設(shè)計。然而船級社規(guī)范中，對此類結(jié)構(gòu)并無明確規(guī)定，本文以實際項目為例，介紹游艇上建幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

1實例項目介紹

本項目為國內(nèi)沿海航行游艇，入級中國船級社，用于沿海島嶼旅游觀光。游艇總長33.32米，上建為兩層甲板室結(jié)構(gòu)。其中，兩層甲板室的側(cè)圍壁以及駕駛室前端壁均為玻璃幕墻設(shè)計，增加游艇的觀光特性，使游客在室內(nèi)擁有無障礙的視角，任享海濱風(fēng)光。觀光甲板下圍壁玻璃幕墻布置如圖1所示，頂棚下圍壁如圖2所示，實船幕墻效果圖如圖3所示。

2船舶上建窗戶的規(guī)范要求

《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》（以下簡稱《法規(guī)》）規(guī)定，用于船舶上的窗戶分為三類，即舷窗、窗以及天窗[1]。《法規(guī)》同樣對于舷窗及窗的形狀與尺寸有一定要求。舷窗的定義為面積不超過0.16m2的圓形或橢圓形開口。窗一般是呈方形的開口，在其每個角隅具有一個與方窗尺度相適應(yīng)的圓弧過渡。案例船舶中的幕墻結(jié)構(gòu)既不滿足《法規(guī)》中對舷側(cè)的定義要求，也不滿足普通窗的定義要求。故此種玻璃幕墻結(jié)構(gòu)為新技術(shù)應(yīng)用，無法由規(guī)范計算的方法對窗戶結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，需要利用直接計算的方法證明該新型幕墻結(jié)構(gòu)具有與普通上建圍壁結(jié)構(gòu)同樣的安全性能。玻璃幕墻結(jié)構(gòu)在內(nèi)河船舶上已有較多的應(yīng)用實例，如目前珠江夜游船中最大、最長、最寬、最高的一艘游船——“粵劇紅船”[2]，長江第四代豪華旅游船——“藍鯨”號[3]等。這些船舶均為我國內(nèi)河船舶，符合中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》要求。該規(guī)范中提供玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算依據(jù)，包括幕墻玻璃厚度、玻璃固定以及玻璃幕墻骨架等。然而，跟海洋相比，內(nèi)河的通航環(huán)境比較穩(wěn)定簡單，風(fēng)浪小很多，水流不是很湍急[4]。海船的上浪載荷會遠高于內(nèi)河船舶，因此不能完全按照內(nèi)河船舶的規(guī)范要求設(shè)計海船。然而，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)在船體結(jié)構(gòu)中等同于上建的圍壁結(jié)構(gòu)，其所受載荷應(yīng)與圍壁結(jié)構(gòu)所受載荷相同。如果將《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》中對幕墻骨架結(jié)構(gòu)的要求直接引至圍壁扶強材的要求，可以佐證這一點[5]。中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（以下簡稱《鋼規(guī)》）中規(guī)定海船上建圍壁的壓頭計算方法作為玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的載荷計算方法[6]。

3游艇上建幕墻玻璃窗框的結(jié)構(gòu)設(shè)計

玻璃幕墻不同于普通船用方形玻璃，其玻璃尺寸遠大于普通方形玻璃，而且沒有固定的窗框結(jié)構(gòu)作為玻璃的加強，導(dǎo)致玻璃在受到外力擠壓很容易碎裂。海船幕墻玻璃可以參考內(nèi)河船舶幕墻節(jié)點設(shè)計，采用彈性鏈接節(jié)點，使玻璃結(jié)構(gòu)僅承受側(cè)向壓力，避免玻璃結(jié)構(gòu)參與到上建的橫向強度中，從而避免玻璃破損。幕墻骨架與傳統(tǒng)方形玻璃上建側(cè)圍壁結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)剛度較弱，因此海船幕墻骨架結(jié)構(gòu)計算不僅需要考慮上浪、風(fēng)載荷等局部側(cè)向載荷對圍壁結(jié)構(gòu)局部強度造成的影響，同時也需要重點考慮上建結(jié)構(gòu)的橫向強度。

3.1幕墻骨架局部強度校核

幕墻骨架的局部強度校核包括兩部分：一是作為上建圍壁扶強材結(jié)構(gòu)，支撐幕墻玻璃，可參考《鋼規(guī)》上建圍壁扶強材計算公式進行局部校核。二是作為獨立的支柱結(jié)構(gòu)支撐上方結(jié)構(gòu)，可參考《鋼規(guī)》支柱結(jié)構(gòu)校核公式進行局部校核。

3.2幕墻骨架橫向強度校核

幕墻骨架的橫向強度可采用有限元直接計算的方式進行校核。多層上建的底層結(jié)構(gòu)自身承受較高的側(cè)向載荷，同時起到支撐作用，所以橫向強度重點關(guān)注底層上建幕墻骨架的強度。

3.2.1幕墻骨架橫向強度校核有限元模型幕墻骨架橫向強度有限元模型涵蓋兩層上建全部結(jié)構(gòu)，其中甲板板、圍壁板及艙壁板由板殼單元來模擬，扶強材、桁材及支柱用梁單元來模擬。計算模型重點關(guān)注幕墻骨架區(qū)域，因此幕墻骨架也采用殼單元模擬。

3.2.2幕墻骨架橫向強度校核載荷值及邊界條件根據(jù)規(guī)范要求，上建不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)包括甲板、艙壁、側(cè)壁及前后端壁，是按照不同的計算壓頭來設(shè)計的，因此靜力分析校核的時候按照對應(yīng)的計算壓頭換算的載荷值施加到不同區(qū)域。幕墻骨架處的載荷值是根據(jù)玻璃所受的載荷等效換算施加的。在模型的載荷中，同時考慮了重力的作用。對于模型的邊界條件，取主甲板邊界為簡支。上建不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)載荷值如表1所示。

3.2.3幕墻骨架橫向強度校核結(jié)果幕墻骨架橫向強度的校核標準參照《鋼規(guī)》要求，梁板組合模型許用應(yīng)力為180MPa。上建有限元模型分析的應(yīng)力云圖如圖4所示，應(yīng)力結(jié)果顯示該船上建強度滿足要求，大部分的幕墻骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平在100MPa以下，具有較高的安全余量。但值得注意的是，應(yīng)力最大值并未發(fā)生在載荷較大且幕墻玻璃尺寸更大的艏部底層的幕墻骨架上，而是發(fā)生在側(cè)向載荷相對較小且窗戶尺度不大的中部底層幕墻骨架處。結(jié)合圖1所示幕墻窗戶布置圖可知，中部幕墻骨架應(yīng)力水平較高的原因是此處出現(xiàn)局部的橫艙壁結(jié)構(gòu)，局部橫向剛度較大，導(dǎo)致此處的幕墻結(jié)構(gòu)承擔更多的橫向載荷，出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。艏部區(qū)域雖然載荷較大，但并未有剛度突變情況，所以應(yīng)力水平相對平均。

4結(jié)論

通過局部強度及有限元分析結(jié)果可以看出玻璃幕墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于海船上同樣具有足夠強度，但需注意增加橫艙壁可以有效增加上建的橫向強度，橫艙壁的局部區(qū)域會導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)承擔過多載荷，應(yīng)力集中于這部分構(gòu)件上。因此，幕墻骨架需要避開橫艙壁區(qū)域，或在臨近橫艙壁的區(qū)域局部加強。

參考文獻：

[1]吳忠峰.傾斜玻璃幕墻結(jié)構(gòu)對大型場館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋力學(xué)性能的影響[J].建筑施工,2020(9):1788-1790.

[2]周俊輝,曾江易.《粵劇紅船》上建玻璃幕墻窗的設(shè)計[J].廣東造船,2019(5):39-41.

[3]何利東.內(nèi)河船涉海運輸整治現(xiàn)狀、難點及建議[J].世界海運,2019(8):21-25.

[4]郭國虎.大型郵輪上層建筑典型承載結(jié)構(gòu)強度評估方法研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2019.

[5]馮興璽.小型客滾船橫向強度直接計算[J].中國水運(下半月),2019(11):14-15.

作者：江帆 孫超 陳游洋 單位：九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院