游艇上建幕墙结构设计分析

摘要：随着世界经济水平的不断提高，人们对海洋旅游的需求明显增加。时尚大方的沿海游艇玻璃幕墙成为船东们的新选择，然而船级社规范中并未对此类结构有明确规定。以某沿海游艇项目为例，对比内河船舶玻璃幕墙结构设计方法，探讨沿海游艇玻璃幕墙结构的设计方法，并借助有限元分析手段，验证其在海船项目中应用的可行性。结合有限元计算结果，提出幕墙结构设计中需要注意的问题。

关键词：玻璃幕墙；游艇；结构设计；横向强度

随着世界经济水平的不断提高，人们的精神文明需求也在不断提升，海洋旅游、休闲、娱乐产业方兴未艾。豪华游艇向造型时尚大方，外部线条简洁柔和的方向发展。为此，很多新技术应用于豪华游艇的设计中，如为增加游艇的视觉效果，利用新式玻璃幕墙结构代替传统的上建窗户的设计。然而船级社规范中，对此类结构并无明确规定，本文以实际项目为例，介绍游艇上建幕墙结构的设计方法。

1实例项目介绍

本项目为国内沿海航行游艇，入级中国船级社，用于沿海岛屿旅游观光。游艇总长33.32米，上建为两层甲板室结构。其中，两层甲板室的侧围壁以及驾驶室前端壁均为玻璃幕墙设计，增加游艇的观光特性，使游客在室内拥有无障碍的视角，任享海滨风光。观光甲板下围壁玻璃幕墙布置如图1所示，顶棚下围壁如图2所示，实船幕墙效果图如图3所示。

2船舶上建窗户的规范要求

《国内航行海船法定检验技术规则》（以下简称《法规》）规定，用于船舶上的窗户分为三类，即舷窗、窗以及天窗[1]。《法规》同样对于舷窗及窗的形状与尺寸有一定要求。舷窗的定义为面积不超过0.16m2的圆形或椭圆形开口。窗一般是呈方形的开口，在其每个角隅具有一个与方窗尺度相适应的圆弧过渡。案例船舶中的幕墙结构既不满足《法规》中对舷侧的定义要求，也不满足普通窗的定义要求。故此种玻璃幕墙结构为新技术应用，无法由规范计算的方法对窗户结构进行设计，需要利用直接计算的方法证明该新型幕墙结构具有与普通上建围壁结构同样的安全性能。玻璃幕墙结构在内河船舶上已有较多的应用实例，如目前珠江夜游船中最大、最长、最宽、最高的一艘游船——“粤剧红船”[2]，长江第四代豪华旅游船——“蓝鲸”号[3]等。这些船舶均为我国内河船舶，符合中国船级社《钢质内河船舶建造规范》要求。该规范中提供玻璃幕墙结构的设计计算依据，包括幕墙玻璃厚度、玻璃固定以及玻璃幕墙骨架等。然而，跟海洋相比，内河的通航环境比较稳定简单，风浪小很多，水流不是很湍急[4]。海船的上浪载荷会远高于内河船舶，因此不能完全按照内河船舶的规范要求设计海船。然而，玻璃幕墙结构在船体结构中等同于上建的围壁结构，其所受载荷应与围壁结构所受载荷相同。如果将《钢质内河船舶建造规范》中对幕墙骨架结构的要求直接引至围壁扶强材的要求，可以佐证这一点[5]。中国船级社《钢质海船入级规范》（以下简称《钢规》）中规定海船上建围壁的压头计算方法作为玻璃幕墙结构的载荷计算方法[6]。

3游艇上建幕墙玻璃窗框的结构设计

玻璃幕墙不同于普通船用方形玻璃，其玻璃尺寸远大于普通方形玻璃，而且没有固定的窗框结构作为玻璃的加强，导致玻璃在受到外力挤压很容易碎裂。海船幕墙玻璃可以参考内河船舶幕墙节点设计，采用弹性链接节点，使玻璃结构仅承受侧向压力，避免玻璃结构参与到上建的横向强度中，从而避免玻璃破损。幕墙骨架与传统方形玻璃上建侧围壁结构相比，结构刚度较弱，因此海船幕墙骨架结构计算不仅需要考虑上浪、风载荷等局部侧向载荷对围壁结构局部强度造成的影响，同时也需要重点考虑上建结构的横向强度。

3.1幕墙骨架局部强度校核

幕墙骨架的局部强度校核包括两部分：一是作为上建围壁扶强材结构，支撑幕墙玻璃，可参考《钢规》上建围壁扶强材计算公式进行局部校核。二是作为独立的支柱结构支撑上方结构，可参考《钢规》支柱结构校核公式进行局部校核。

3.2幕墙骨架横向强度校核

幕墙骨架的横向强度可采用有限元直接计算的方式进行校核。多层上建的底层结构自身承受较高的侧向载荷，同时起到支撑作用，所以横向强度重点关注底层上建幕墙骨架的强度。

3.2.1幕墙骨架横向强度校核有限元模型幕墙骨架横向强度有限元模型涵盖两层上建全部结构，其中甲板板、围壁板及舱壁板由板壳单元来模拟，扶强材、桁材及支柱用梁单元来模拟。计算模型重点关注幕墙骨架区域，因此幕墙骨架也采用壳单元模拟。

3.2.2幕墙骨架横向强度校核载荷值及边界条件根据规范要求，上建不同区域的结构包括甲板、舱壁、侧壁及前后端壁，是按照不同的计算压头来设计的，因此静力分析校核的时候按照对应的计算压头换算的载荷值施加到不同区域。幕墙骨架处的载荷值是根据玻璃所受的载荷等效换算施加的。在模型的载荷中，同时考虑了重力的作用。对于模型的边界条件，取主甲板边界为简支。上建不同区域的结构载荷值如表1所示。

3.2.3幕墙骨架横向强度校核结果幕墙骨架横向强度的校核标准参照《钢规》要求，梁板组合模型许用应力为180MPa。上建有限元模型分析的应力云图如图4所示，应力结果显示该船上建强度满足要求，大部分的幕墙骨架结构应力水平在100MPa以下，具有较高的安全余量。但值得注意的是，应力最大值并未发生在载荷较大且幕墙玻璃尺寸更大的艏部底层的幕墙骨架上，而是发生在侧向载荷相对较小且窗户尺度不大的中部底层幕墙骨架处。结合图1所示幕墙窗户布置图可知，中部幕墙骨架应力水平较高的原因是此处出现局部的横舱壁结构，局部横向刚度较大，导致此处的幕墙结构承担更多的横向载荷，出现应力集中的现象。艏部区域虽然载荷较大，但并未有刚度突变情况，所以应力水平相对平均。

4结论

通过局部强度及有限元分析结果可以看出玻璃幕墙结构应用于海船上同样具有足够强度，但需注意增加横舱壁可以有效增加上建的横向强度，横舱壁的局部区域会导致局部结构承担过多载荷，应力集中于这部分构件上。因此，幕墙骨架需要避开横舱壁区域，或在临近横舱壁的区域局部加强。

参考文献：

[1]吴忠峰.倾斜玻璃幕墙结构对大型场馆钢结构屋盖力学性能的影响[J].建筑施工,2020(9):1788-1790.

[2]周俊辉,曾江易.《粤剧红船》上建玻璃幕墙窗的设计[J].广东造船,2019(5):39-41.

[3]何利东.内河船涉海运输整治现状、难点及建议[J].世界海运,2019(8):21-25.

[4]郭国虎.大型邮轮上层建筑典型承载结构强度评估方法研究[D].武汉:武汉理工大学,2019.

[5]冯兴玺.小型客滚船横向强度直接计算[J].中国水运(下半月),2019(11):14-15.

作者：江帆 孙超 陈游洋 单位：九江职业技术学院