客船玻璃幕墙结构安全性评估方法

张 超，黄宇翔，纪 肖

(中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)

0 引言

《玻璃幕墙工程技术规范》中指出玻璃幕墙是由支承结构体系和玻璃面板组成的、可相对主体结构有一定位移能力、不分担主体结构所受作用的外围护结构，它凭借良好的通透性及奢华的外观被广泛应用于城市建筑的外围护体系中。船舶设计师们为了打造出更为高端大气的观光游船，在不断尝试将玻璃幕墙直接引入船舶设计中，这在为游客带来优质的观光体验的同时，也带来了一系列安全问题。不同于金属材料间的刚性连接，玻璃面板与船体支承结构间的连接属于弹性粘接，这会直接影响结构自身的连续性，降低局部刚度，导致应力集中，且玻璃属于脆性材料，其传递载荷时的变形能力也低于塑性材料。因此，无论在强度、刚度还是连续性方面，采用玻璃幕墙都不利于船舶结构的安全性。

为了在不影响船舶外观造型的同时，提高结构的安全性，必须在设计定型前对幕墙结构的承载能力进行系统地评估和预报。鉴于理论解析方法很难准确描述玻璃面板、胶接剂及支承骨架间的变形协调关系，为较好地描述构件在各个方向上的受力分布情况，可采用三维有限元分析方法[1]。王志宇等[2]采用模型试验和有限元分析方法对钢-玻璃组合梁结构的剪压破坏模式及纯弯曲破坏模式进行了研究，并基于塑性铰线方法提出了该类组合梁承载力的理论计算公式。夏灏超等[3]采用全船有限元分析方法对某60客位海景观光船进行分析，并对模型进行加载，得到全船包括钢化玻璃结构在内的应力分布和相对变形情况。

本文基于玻璃面板刚度全部计入和不计入船体结构响应计算的力学假设，提出2种玻璃幕墙结构安全性的有限元分析方法，并以“水晶之恋”号锂电游船为例，采用2种方法分别计算幕墙结构的应力和变形响应，并对其工程可靠性进行比较论证。

1 方法说明

“水晶之恋”号锂电游船是一艘双动力新能源船，主要用于闽江水域内观光游览，最大载客量为212人。其甲板室材质采用铝合金及防辐射玻璃幕墙，幕墙使用范围包括甲板室外围壁及顶篷甲板。

本文基于有限元分析理论提出的2种工程简化方法如下：

方法1：整体模型法[3]。玻璃面板采用二维板单元模拟，玻璃面板的材料属性采用真实属性，玻璃面板与支撑骨架刚性连接。施加迎风面玻璃面板载荷，约束下端面平动及转动自由度。

方法2：整体模型+局部模型法。整体模型与方法1基本相同，唯一区别在于方法1中玻璃面板的弹性模量取材料真实值，而方法2则是以玻璃面板对模型整体刚度的影响低于计算精度为原则进行假定。局部模型为玻璃面板模型，边界条件为整体模型分析中得到的玻璃面板边界位移，施加玻璃面板载荷。

按照《钢质内河船舶建造规范》(2016)计算玻璃面板的设计载荷P，其公式如下：

P=3.4(h/10)0.2

式中：P为设计载荷，Pa；h为压力计算中心距满载静浮水线的垂直距离，且当h<1.5 m时h=1.5 m。

有限元模型见图1和图2。

图1 整体有限元模型

图2 玻璃面板局部有限元模型

2 结果分析

2.1 结构响应

2种方法玻璃面板和船体结构响应结果见表1，分布情况见图3～图10。

表1 结构响应结果

图3 方法1幕墙支承结构von-mises应力响应(单位：MPa)

图4 方法2幕墙支承结构von-mises应力响应(单位：MPa)

图5 方法1幕墙玻璃面板von-mises应力响应(单位：MPa)

图6 方法2幕墙玻璃面板von-mises应力响应(单位：MPa)

图7 方法1幕墙支承结构变形(单位：mm)

图8 方法2幕墙支承结构变形(单位：mm)

图9 方法1幕墙玻璃面板变形(单位：mm)

图10 方法2幕墙玻璃面板变形(单位：mm)

2.2 结果分析

《玻璃幕墙工程技术规范》(2004)规定：玻璃幕墙结构中铝合金框架强度衡准为140 MPa，玻璃面板为84 MPa；铝合金框架的刚度衡准为型材跨长的1/250，玻璃面板为短边边长的1/60。

结合表1 结果，2种方法对本文目标玻璃幕墙结构强度和刚度的评估结果均满足规范衡准要求，最大应力及变形也都发生在顶篷甲板的花型幕墙位置，且结构变形模式一致。通过对结构应力分布和变形模式的比较分析发现：方法2玻璃幕墙结构框架及玻璃面板应力及变形响应均超方法1，且玻璃面板差值远超框架结构。

因此，玻璃幕墙结构安全性评估中，是否计入玻璃面板的刚度对结构框架的强度影响小，刚度影响大，但对玻璃面板的强度和刚度影响较大。当幕墙结构安全裕度较大时，2种方法均适用，但当接近结构衡准时，评估方法1的风险性高，而方法2偏于保守，工程可靠性更高。

3 结语

综上，在客船玻璃幕墙安全性评估中应充分考虑玻璃面板刚度对结构框架的影响，本文整体+局部模型有限元分析方法能满足工程评估的精度要求，不足之处在于未计入硅酮连接密封胶的力学作用，而弹性连接可削弱框架变形对玻璃幕墙的影响，降低玻璃面板的结构应力和变形响应，因此可作为玻璃幕墙结构优化的一个重要方向。