張 超，黃宇翔，紀(jì) 肖

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引言

《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中指出玻璃幕墻是由支承結(jié)構(gòu)體系和玻璃面板組成的、可相對主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力、不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，它憑借良好的通透性及奢華的外觀被廣泛應(yīng)用于城市建筑的外圍護(hù)體系中。船舶設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，這在為游客帶來優(yōu)質(zhì)的觀光體驗(yàn)的同時(shí)，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(jié)構(gòu)間的連接屬于彈性粘接，這會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)自身的連續(xù)性，降低局部剛度，導(dǎo)致應(yīng)力集中，且玻璃屬于脆性材料，其傳遞載荷時(shí)的變形能力也低于塑性材料。因此，無論在強(qiáng)度、剛度還是連續(xù)性方面，采用玻璃幕墻都不利于船舶結(jié)構(gòu)的安全性。

為了在不影響船舶外觀造型的同時(shí)，提高結(jié)構(gòu)的安全性，必須在設(shè)計(jì)定型前對幕墻結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行系統(tǒng)地評估和預(yù)報(bào)。鑒于理論解析方法很難準(zhǔn)確描述玻璃面板、膠接劑及支承骨架間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，為較好地描述構(gòu)件在各個(gè)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(yàn)和有限元分析方法對鋼-玻璃組合梁結(jié)構(gòu)的剪壓破壞模式及純彎曲破壞模式進(jìn)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(jì)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(jìn)行分析，并對模型進(jìn)行加載，得到全船包括鋼化玻璃結(jié)構(gòu)在內(nèi)的應(yīng)力分布和相對變形情況。

本文基于玻璃面板剛度全部計(jì)入和不計(jì)入船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算的力學(xué)假設(shè)，提出2種玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全性的有限元分析方法，并以“水晶之戀”號(hào)鋰電游船為例，采用2種方法分別計(jì)算幕墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形響應(yīng)，并對其工程可靠性進(jìn)行比較論證。

1 方法說明

“水晶之戀”號(hào)鋰電游船是一艘雙動(dòng)力新能源船，主要用于閩江水域內(nèi)觀光游覽，最大載客量為212人。其甲板室材質(zhì)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(shí)屬性，玻璃面板與支撐骨架剛性連接。施加迎風(fēng)面玻璃面板載荷，約束下端面平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(jì)算精度為原則進(jìn)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(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2016)計(jì)算玻璃面板的設(shè)計(jì)載荷P，其公式如下：

P=3.4(h/10)0.2

式中：P為設(shè)計(jì)載荷，Pa；h為壓力計(jì)算中心距滿載靜浮水線的垂直距離，且當(dāng)h<1.5 m時(shí)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(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

2種方法玻璃面板和船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果見表1，分布情況見圖3～圖10。

表1 結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果

圖3 方法1幕墻支承結(jié)構(gòu)von-mises應(yīng)力響應(yīng)(單位：MPa)

圖4 方法2幕墻支承結(jié)構(gòu)von-mises應(yīng)力響應(yīng)(單位：MPa)

圖5 方法1幕墻玻璃面板von-mises應(yīng)力響應(yīng)(單位：MPa)

圖6 方法2幕墻玻璃面板von-mises應(yīng)力響應(yīng)(單位：MPa)

圖7 方法1幕墻支承結(jié)構(gòu)變形(單位：mm)

圖8 方法2幕墻支承結(jié)構(gòu)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(jié)果分析

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

結(jié)合表1 結(jié)果，2種方法對本文目標(biāo)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的評估結(jié)果均滿足規(guī)范衡準(zhǔn)要求，最大應(yīng)力及變形也都發(fā)生在頂篷甲板的花型幕墻位置，且結(jié)構(gòu)變形模式一致。通過對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和變形模式的比較分析發(fā)現(xiàn)：方法2玻璃幕墻結(jié)構(gòu)框架及玻璃面板應(yīng)力及變形響應(yīng)均超方法1，且玻璃面板差值遠(yuǎn)超框架結(jié)構(gòu)。

因此，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全性評估中，是否計(jì)入玻璃面板的剛度對結(jié)構(gòu)框架的強(qiáng)度影響小，剛度影響大，但對玻璃面板的強(qiáng)度和剛度影響較大。當(dāng)幕墻結(jié)構(gòu)安全裕度較大時(shí)，2種方法均適用，但當(dāng)接近結(jié)構(gòu)衡準(zhǔn)時(shí)，評估方法1的風(fēng)險(xiǎn)性高，而方法2偏于保守，工程可靠性更高。

3 結(jié)語

綜上，在客船玻璃幕墻安全性評估中應(yīng)充分考慮玻璃面板剛度對結(jié)構(gòu)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(jì)入硅酮連接密封膠的力學(xué)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(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形響應(yīng)，因此可作為玻璃幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)重要方向。