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摘要：隨著世界經濟水平的不斷提高，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，然而船級社規范中并未對此類結構有明確規定。以某沿海游艇項目為例，對比內河船舶玻璃幕墻結構設計方法，探討沿海游艇玻璃幕墻結構的設計方法，并借助有限元分析手段，驗證其在海船項目中應用的可行性。結合有限元計算結果，提出幕墻結構設計中需要注意的問題。

關鍵詞：玻璃幕墻；游艇；結構設計；橫向強度

隨著世界經濟水平的不斷提高，人們的精神文明需求也在不斷提升，海洋旅游、休閑、娛樂產業方興未艾。豪華游艇向造型時尚大方，外部線條簡潔柔和的方向發展。為此，很多新技術應用于豪華游艇的設計中，如為增加游艇的視覺效果，利用新式玻璃幕墻結構代替傳統的上建窗戶的設計。然而船級社規范中，對此類結構并無明確規定，本文以實際項目為例，介紹游艇上建幕墻結構的設計方法。

1實例項目介紹

本項目為國內沿海航行游艇，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構。其中，兩層甲板室的側圍壁以及駕駛室前端壁均為玻璃幕墻設計，增加游艇的觀光特性，使游客在室內擁有無障礙的視角，任享海濱風光。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船舶上建窗戶的規范要求

《國內航行海船法定檢驗技術規則》（以下簡稱《法規》）規定，用于船舶上的窗戶分為三類，即舷窗、窗以及天窗[1]。《法規》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的圓弧過渡。案例船舶中的幕墻結構既不滿足《法規》中對舷側的定義要求，也不滿足普通窗的定義要求。故此種玻璃幕墻結構為新技術應用，無法由規范計算的方法對窗戶結構進行設計，需要利用直接計算的方法證明該新型幕墻結構具有與普通上建圍壁結構同樣的安全性能。玻璃幕墻結構在內河船舶上已有較多的應用實例，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河船舶，符合中國船級社《鋼質內河船舶建造規范》要求。該規范中提供玻璃幕墻結構的設計計算依據，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，內河的通航環境比較穩定簡單，風浪小很多，水流不是很湍急[4]。海船的上浪載荷會遠高于內河船舶，因此不能完全按照內河船舶的規范要求設計海船。然而，玻璃幕墻結構在船體結構中等同于上建的圍壁結構，其所受載荷應與圍壁結構所受載荷相同。如果將《鋼質內河船舶建造規范》中對幕墻骨架結構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《鋼質海船入級規范》（以下簡稱《鋼規》）中規定海船上建圍壁的壓頭計算方法作為玻璃幕墻結構的載荷計算方法[6]。

3游艇上建幕墻玻璃窗框的結構設計

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構作為玻璃的加強，導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河船舶幕墻節點設計，采用彈性鏈接節點，使玻璃結構僅承受側向壓力，避免玻璃結構參與到上建的橫向強度中，從而避免玻璃破損。幕墻骨架與傳統方形玻璃上建側圍壁結構相比，結構剛度較弱，因此海船幕墻骨架結構計算不僅需要考慮上浪、風載荷等局部側向載荷對圍壁結構局部強度造成的影響，同時也需要重點考慮上建結構的橫向強度。

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構，支撐幕墻玻璃，可參考《鋼規》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構支撐上方結構，可參考《鋼規》支柱結構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。多層上建的底層結構自身承受較高的側向載荷，同時起到支撐作用，所以橫向強度重點關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構，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。計算模型重點關注幕墻骨架區域，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規范要求，上建不同區域的結構包括甲板、艙壁、側壁及前后端壁，是按照不同的計算壓頭來設計的，因此靜力分析校核的時候按照對應的計算壓頭換算的載荷值施加到不同區域。幕墻骨架處的載荷值是根據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。上建不同區域的結構載荷值如表1所示。

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

4結論

通過局部強度及有限元分析結果可以看出玻璃幕墻結構應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，橫艙壁的局部區域會導致局部結構承擔過多載荷，應力集中于這部分構件上。因此，幕墻骨架需要避開橫艙壁區域，或在臨近橫艙壁的區域局部加強。

參考文獻：

[1]吳忠峰.傾斜玻璃幕墻結構對大型場館鋼結構屋蓋力學性能的影響[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計[J].廣東造船,2019(5):39-41.

[3]何利東.內河船涉海運輸整治現狀、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構強度評估方法研究[D].武漢:武漢理工大學,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：九江職業技術學院