客船玻璃幕墻結構安全性評估方法

張 超，黃宇翔，紀 肖

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引言

《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》中指出玻璃幕墻是由支承結構體系和玻璃面板組成的、可相對主體結構有一定位移能力、不分擔主體結構所受作用的外圍護結構，它憑借良好的通透性及奢華的外觀被廣泛應用于城市建筑的外圍護體系中。船舶設計師們?yōu)榱舜蛟斐龈鼮楦叨舜髿獾挠^光游船，在不斷嘗試將玻璃幕墻直接引入船舶設計中，這在為游客帶來優(yōu)質的觀光體驗的同時，也帶來了一系列安全問題。不同于金屬材料間的剛性連接，玻璃面板與船體支承結構間的連接屬于彈性粘接，這會直接影響結構自身的連續(xù)性，降低局部剛度，導致應力集中，且玻璃屬于脆性材料，其傳遞載荷時的變形能力也低于塑性材料。因此，無論在強度、剛度還是連續(xù)性方面，采用玻璃幕墻都不利于船舶結構的安全性。

為了在不影響船舶外觀造型的同時，提高結構的安全性，必須在設計定型前對幕墻結構的承載能力進行系統(tǒng)地評估和預報。鑒于理論解析方法很難準確描述玻璃面板、膠接劑及支承骨架間的變形協(xié)調關系，為較好地描述構件在各個方向上的受力分布情況，可采用三維有限元分析方法[1]。王志宇等[2]采用模型試驗和有限元分析方法對鋼-玻璃組合梁結構的剪壓破壞模式及純彎曲破壞模式進行了研究，并基于塑性鉸線方法提出了該類組合梁承載力的理論計算公式。夏灝超等[3]采用全船有限元分析方法對某60客位海景觀光船進行分析，并對模型進行加載，得到全船包括鋼化玻璃結構在內的應力分布和相對變形情況。

本文基于玻璃面板剛度全部計入和不計入船體結構響應計算的力學假設，提出2種玻璃幕墻結構安全性的有限元分析方法，并以“水晶之戀”號鋰電游船為例，采用2種方法分別計算幕墻結構的應力和變形響應，并對其工程可靠性進行比較論證。

1 方法說明

“水晶之戀”號鋰電游船是一艘雙動力新能源船，主要用于閩江水域內觀光游覽，最大載客量為212人。其甲板室材質采用鋁合金及防輻射玻璃幕墻，幕墻使用范圍包括甲板室外圍壁及頂篷甲板。

本文基于有限元分析理論提出的2種工程簡化方法如下：

方法1：整體模型法[3]。玻璃面板采用二維板單元模擬，玻璃面板的材料屬性采用真實屬性，玻璃面板與支撐骨架剛性連接。施加迎風面玻璃面板載荷，約束下端面平動及轉動自由度。

方法2：整體模型+局部模型法。整體模型與方法1基本相同，唯一區(qū)別在于方法1中玻璃面板的彈性模量取材料真實值，而方法2則是以玻璃面板對模型整體剛度的影響低于計算精度為原則進行假定。局部模型為玻璃面板模型，邊界條件為整體模型分析中得到的玻璃面板邊界位移，施加玻璃面板載荷。

按照《鋼質內河船舶建造規(guī)范》(2016)計算玻璃面板的設計載荷P，其公式如下：

P=3.4(h/10)0.2

式中：P為設計載荷，Pa；h為壓力計算中心距滿載靜浮水線的垂直距離，且當h<1.5 m時h=1.5 m。

有限元模型見圖1和圖2。

圖1 整體有限元模型

圖2 玻璃面板局部有限元模型

2 結果分析

2.1 結構響應

2種方法玻璃面板和船體結構響應結果見表1，分布情況見圖3～圖10。

表1 結構響應結果

圖3 方法1幕墻支承結構von-mises應力響應(單位：MPa)

圖4 方法2幕墻支承結構von-mises應力響應(單位：MPa)

圖5 方法1幕墻玻璃面板von-mises應力響應(單位：MPa)

圖6 方法2幕墻玻璃面板von-mises應力響應(單位：MPa)

圖7 方法1幕墻支承結構變形(單位：mm)

圖8 方法2幕墻支承結構變形(單位：mm)

圖9 方法1幕墻玻璃面板變形(單位：mm)

圖10 方法2幕墻玻璃面板變形(單位：mm)

2.2 結果分析

《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》(2004)規(guī)定：玻璃幕墻結構中鋁合金框架強度衡準為140 MPa，玻璃面板為84 MPa；鋁合金框架的剛度衡準為型材跨長的1/250，玻璃面板為短邊邊長的1/60。

結合表1 結果，2種方法對本文目標玻璃幕墻結構強度和剛度的評估結果均滿足規(guī)范衡準要求，最大應力及變形也都發(fā)生在頂篷甲板的花型幕墻位置，且結構變形模式一致。通過對結構應力分布和變形模式的比較分析發(fā)現：方法2玻璃幕墻結構框架及玻璃面板應力及變形響應均超方法1，且玻璃面板差值遠超框架結構。

因此，玻璃幕墻結構安全性評估中，是否計入玻璃面板的剛度對結構框架的強度影響小，剛度影響大，但對玻璃面板的強度和剛度影響較大。當幕墻結構安全裕度較大時，2種方法均適用，但當接近結構衡準時，評估方法1的風險性高，而方法2偏于保守，工程可靠性更高。

3 結語

綜上，在客船玻璃幕墻安全性評估中應充分考慮玻璃面板剛度對結構框架的影響，本文整體+局部模型有限元分析方法能滿足工程評估的精度要求，不足之處在于未計入硅酮連接密封膠的力學作用，而彈性連接可削弱框架變形對玻璃幕墻的影響，降低玻璃面板的結構應力和變形響應，因此可作為玻璃幕墻結構優(yōu)化的一個重要方向。