游艇上建幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

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摘要：隨著世界經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們對(duì)海洋旅游的需求明顯增加。時(shí)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(jí)社規(guī)范中并未對(duì)此類結(jié)構(gòu)有明確規(guī)定。以某沿海游艇項(xiàng)目為例，對(duì)比內(nèi)河船舶玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，探討沿海游艇玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并借助有限元分析手段，驗(yàn)證其在海船項(xiàng)目中應(yīng)用的可行性。結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，提出幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)；橫向強(qiáng)度

隨著世界經(jīng)濟(jì)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(shí)尚大方，外部線條簡(jiǎn)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(jì)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(jì)。然而船級(jí)社規(guī)范中，對(duì)此類結(jié)構(gòu)并無明確規(guī)定，本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，介紹游艇上建幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

1實(shí)例項(xiàng)目介紹

本項(xiàng)目為國內(nèi)沿海航行游艇，入級(jí)中國船級(jí)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(jì)，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(shí)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(yàn)技術(shù)規(guī)則》（以下簡(jiǎn)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]?！斗ㄒ?guī)》同樣對(duì)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(gè)角隅具有一個(gè)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(duì)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(jì)算的方法對(duì)窗戶結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要利用直接計(jì)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(shí)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(lán)鯨”號(hào)[3]等。這些船舶均為我國內(nèi)河船舶，符合中國船級(jí)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(jì)計(jì)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(jiǎn)單，風(fēng)浪小很多，水流不是很湍急[4]。海船的上浪載荷會(huì)遠(yuǎn)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(jì)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(duì)幕墻骨架結(jié)構(gòu)的要求直接引至圍壁扶強(qiáng)材的要求，可以佐證這一點(diǎn)[5]。中國船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《鋼規(guī)》）中規(guī)定海船上建圍壁的壓頭計(jì)算方法作為玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的載荷計(jì)算方法[6]。

3游艇上建幕墻玻璃窗框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玻璃幕墻不同于普通船用方形玻璃，其玻璃尺寸遠(yuǎn)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(qiáng)，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(diǎn)設(shè)計(jì)，采用彈性鏈接節(jié)點(diǎn)，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(qiáng)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(jì)算不僅需要考慮上浪、風(fēng)載荷等局部側(cè)向載荷對(duì)圍壁結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度造成的影響，同時(shí)也需要重點(diǎn)考慮上建結(jié)構(gòu)的橫向強(qiáng)度。

3.1幕墻骨架局部強(qiáng)度校核

幕墻骨架的局部強(qiáng)度校核包括兩部分：一是作為上建圍壁扶強(qiáng)材結(jié)構(gòu)，支撐幕墻玻璃，可參考《鋼規(guī)》上建圍壁扶強(qiáng)材計(jì)算公式進(jìn)行局部校核。二是作為獨(dú)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(jìn)行局部校核。

3.2幕墻骨架橫向強(qiáng)度校核

幕墻骨架的橫向強(qiáng)度可采用有限元直接計(jì)算的方式進(jìn)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(shí)起到支撐作用，所以橫向強(qiáng)度重點(diǎn)關(guān)注底層上建幕墻骨架的強(qiáng)度。

3.2.1幕墻骨架橫向強(qiáng)度校核有限元模型幕墻骨架橫向強(qiáng)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(qiáng)材、桁材及支柱用梁?jiǎn)卧獊砟M。計(jì)算模型重點(diǎn)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(qiáng)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(jì)算壓頭來設(shè)計(jì)的，因此靜力分析校核的時(shí)候按照對(duì)應(yīng)的計(jì)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(shí)考慮了重力的作用。對(duì)于模型的邊界條件，取主甲板邊界為簡(jiǎn)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(qiáng)度校核結(jié)果幕墻骨架橫向強(qiáng)度的校核標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(duì)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(dān)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(duì)平均。

4結(jié)論

通過局部強(qiáng)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(qiáng)度，但需注意增加橫艙壁可以有效增加上建的橫向強(qiáng)度，橫艙壁的局部區(qū)域會(huì)導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)承擔(dān)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(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳忠峰.傾斜玻璃幕墻結(jié)構(gòu)對(duì)大型場(chǎng)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(jì)[J].廣東造船,2019(5):39-41.

[3]何利東.內(nèi)河船涉海運(yùn)輸整治現(xiàn)狀、難點(diǎn)及建議[J].世界海運(yùn),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(qiáng)度評(píng)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(qiáng)度直接計(jì)算[J].中國水運(yùn)(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