中型郵輪典型異型結(jié)構(gòu)特點分析

徐耕讀 甘 進 吳衛(wèi)國

（1.武漢理工大學(xué) 綠色智能江海直達船舶與郵輪游艇研究中心 武漢430063；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院 武漢430063）

0 引 言

郵輪被譽為造船業(yè)“皇冠上的明珠”，也有人形容其是“技術(shù)與工藝”的最佳融合，是我國高技術(shù)船舶中仍沒有取得突破的重點領(lǐng)域，是我國船舶工業(yè)綜合能力邁向高端的重要標(biāo)志。普通客船需為乘客提供多種類、高密度且高規(guī)格的服務(wù)功能，但是普通客船往往很難擁有舒適的住宿空間、優(yōu)美的觀光體驗，充足的娛樂設(shè)施以及安全的搭乘環(huán)境。中型郵輪擁有眾多層數(shù)且龐大豐滿的上層建筑，郵輪主船體及上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用的異型結(jié)構(gòu)滿足了其娛樂功能以及美觀的需求。

1 中型郵輪異型結(jié)構(gòu)分類

1.1 中型郵輪異型結(jié)構(gòu)定義

異型結(jié)構(gòu)指滿足郵輪外觀、布局、功能和結(jié)構(gòu)安全等多方面需求而不同于傳統(tǒng)船舶結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)。郵輪上中庭、劇院等艙室考慮到空間及藝術(shù)性結(jié)構(gòu)設(shè)計；高腹板開孔桁材等考慮到管線鋪設(shè)、減輕結(jié)構(gòu)等功能需求的結(jié)構(gòu)設(shè)計，皆可視為異型結(jié)構(gòu)。

1.2 中型郵輪異型結(jié)構(gòu)分類

中型郵輪異型結(jié)構(gòu)可分為傳統(tǒng)船舶異型結(jié)構(gòu)和藝術(shù)造型結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)船舶異型結(jié)構(gòu)指從功能需求與美觀性出發(fā)，將傳統(tǒng)船舶上的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)過改進應(yīng)用在郵輪上的異型結(jié)構(gòu)，它們在結(jié)構(gòu)設(shè)計與承載特性等方面與傳統(tǒng)設(shè)計有較大的差異；藝術(shù)造型結(jié)構(gòu)指從藝術(shù)性與結(jié)構(gòu)功能需求出發(fā)，將陸地上的經(jīng)典建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計引入中型郵輪上的異型結(jié)構(gòu)。由于中型郵輪需要為乘客提供舒適的游玩環(huán)境，所以將陸上部分娛樂設(shè)施搬至郵輪上，而藝術(shù)造型結(jié)構(gòu)設(shè)計也應(yīng)運而生。

2 中型郵輪上層建筑傳統(tǒng)船舶異型結(jié)構(gòu)

中型郵輪上需要布置眾多的海景房以及大型商超、劇院等娛樂設(shè)施，雖然不同的郵輪上異型結(jié)構(gòu)的類型不同，但是有一些傳統(tǒng)船舶異型結(jié)構(gòu)設(shè)計則是共通的，有的異型結(jié)構(gòu)設(shè)計是為了滿足游客的各項需求，有的異型結(jié)構(gòu)設(shè)計則是從郵輪功能與結(jié)構(gòu)安全性來考慮。中型郵輪上較為常見的傳統(tǒng)船舶異型結(jié)構(gòu)有舷側(cè)的落地窗開口、甲板大開口和開孔高腹板桁材等結(jié)構(gòu)。

2.1 中型郵輪上層建筑舷側(cè)開口結(jié)構(gòu)

與常規(guī)船舶的小舷窗和窄門不同，中型郵輪上層建筑采用了大量的落地窗結(jié)構(gòu)，開口率大，下邊緣與甲板距離極近且開口形式多樣、位置各異、連續(xù)密集。如此設(shè)計提升郵輪外觀藝術(shù)性，滿足了游客觀景需求，但是給郵輪的結(jié)構(gòu)安全帶來了挑戰(zhàn)。

2.2 上層建筑舷側(cè)結(jié)構(gòu)特點分析

2.2.1 整體結(jié)構(gòu)分析

中型郵輪上層建筑部分參與主船體的總縱彎曲，上層建筑與主船體之間存在剪力與彎矩的相互作用。中型郵輪上層建筑舷側(cè)外板主要承受主船體與上層建筑相互作用時產(chǎn)生的縱向剪力，并沿各層甲板向上傳遞。研究表明，舷側(cè)大開口與其抗剪加強筋對全船總縱強度有顯著影響，上層建筑舷側(cè)開口使得舷側(cè)外板剛度降低，抵抗變形能力變?nèi)酰瑢φ麄€高度上的船體梁應(yīng)力分布影響較大，數(shù)量眾多的舷側(cè)開口明顯降低了舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抵抗縱向剪切載荷的能力，因此舷側(cè)結(jié)構(gòu)需布置縱向的抗剪加強筋，以加強舷側(cè)結(jié)構(gòu)。除了影響舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗剪剛度，舷側(cè)大開口會使上層建筑甲板總縱彎曲應(yīng)力迅速降低，使主船體需要承擔(dān)更大的總縱彎曲應(yīng)力。舷側(cè)開口長度比舷側(cè)開口高度影響更大，所以針對舷側(cè)開口結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時應(yīng)首先考慮舷側(cè)開口長度這一因素。

2.2.2 局部結(jié)構(gòu)分析

關(guān)于局部舷側(cè)開口板架，目前勞氏船級社將每層甲板和主船體簡化為附著在舷側(cè)板架上的梁單元，施加一對由波浪彎矩計算得到的剪力載荷來評估舷側(cè)外板整體強度。有試驗表明，當(dāng)舷側(cè)開口板架受到剪切載荷作用時，靠近加載端的開口角隅處率先發(fā)生破壞，面板處的主要應(yīng)力集中在開口角隅處，因此舷側(cè)開口外側(cè)角隅在設(shè)計時應(yīng)著重考慮補強。由于中型郵輪多為落地窗開口，當(dāng)開口越接近甲板，舷側(cè)開口板架在縱向剪力作用下的極限抗剪能力逐漸下降，板厚越薄、下降幅度越大，因此在設(shè)計舷側(cè)結(jié)構(gòu)時應(yīng)選取適當(dāng)?shù)陌搴駚碚{(diào)整舷側(cè)抗剪能力。

2.3 中型郵輪甲板板架結(jié)構(gòu)

與常規(guī)船舶甲板小開口艙室不同，為了滿足乘客娛樂游玩的需求并兼顧建筑美學(xué)，中型郵輪上層建筑布置了泳池和中央大廳、劇院這類大跨度結(jié)構(gòu)。這些艙室開設(shè)的甲板開口往往需貫穿數(shù)層甲板，形式各異且跨度巨大，如圖1所示。此類艙室雖然滿足了游客在郵輪上的生活娛樂需求，但也給郵輪的結(jié)構(gòu)安全帶來了不少影響。

圖1 郵輪上的甲板大開口

中型郵輪甲板多采用開孔高腹板桁材，開孔以腰圓孔與圓孔為主。由于現(xiàn)代郵輪上層建筑船員及旅客艙室眾多，人員對溫度、舒適度等需求造成郵輪管系尺寸及走線復(fù)雜，噪聲要求高，腹板開孔通?？捎脕碜鳛轱L(fēng)管，電纜，水管，減輕孔使用，此類桁材不僅能將設(shè)備層與結(jié)構(gòu)層合二為一，還能減輕自身質(zhì)量。

2.4 上層建筑甲板結(jié)構(gòu)特點分析

2.4.1 整體結(jié)構(gòu)分析

為了滿足游客游玩的需求，中型郵輪上層建筑甲板又寬又長，層數(shù)眾多。由縱桁、縱骨和甲板板組合構(gòu)成的甲板板架，主要分工較為明顯：縱桁抵抗總縱載荷，縱骨承受面內(nèi)載荷，甲板板兩者均有參與。上層建筑甲板與縱絎部分參與船體總縱彎曲，通常采用一種無量綱參數(shù)有效度來表征上層建筑甲板參與船體總縱彎曲程度。但是，由于用嚴(yán)格的理論來計算有效度非常困難，因此目前并沒有統(tǒng)一的有效度計算方法，使用最廣泛的是英國勞氏軍規(guī)及俄羅斯近似計算公式。針對多層上層建筑客船，有學(xué)者采用英國勞氏規(guī)范來計算有效度。

研究表明：對于多層上層建筑客船，結(jié)構(gòu)在線彈性變化范圍內(nèi)，總縱彎曲應(yīng)力的變化對甲板有效度的影響不大。甲板層數(shù)、長度和舷側(cè)開口對有效度影響較大。隨著甲板層數(shù)的增加，甲板參與總縱彎曲程度逐漸降低；甲板長度越長，甲板有效度越大，但是甲板寬度與甲板開口對有效度影響較小。所以在設(shè)計時，若想控制上層建筑對總縱強度的影響，應(yīng)主要從甲板長度設(shè)計和甲板層數(shù)的布置入手，而特殊的甲板開口和開孔高腹板桁材則主要影響局部板架的結(jié)構(gòu)安全。

2.4.2 局部結(jié)構(gòu)分析

目前國內(nèi)外學(xué)者針對甲板開口板架的結(jié)構(gòu)可靠性都進行了許多研究。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)腰圓孔與圓形孔對于甲板極限承載能力影響相近，而相比于圓形孔，腰圓孔板的應(yīng)力分布更均勻，更能發(fā)揮材料的性能。在設(shè)計中央大廳這類大型艙室時，選擇腰圓形的開口可能是更優(yōu)選擇。除了圓形開口，郵輪上的方形甲板開口也十分常見。試驗研究表明：方形開口沿垂直于加強筋的方向的寬度會顯著影響甲板板架極限承載能力。軸壓載荷作用下，大開口結(jié)構(gòu)兩側(cè)縱骨與甲板最容易發(fā)生破壞；在軸壓載荷作用下，方形開口加筋板在軸向荷載作用下，因開口的存在而使加筋板的破壞模式由加強筋開始破壞變?yōu)榘宄跏既毕蓍_始破壞。設(shè)計時應(yīng)針對開口角隅處進行補強，并注意控制沿甲板寬度方向的開口尺寸。

對于甲板板架桁材，長寬相同的板架，縱骨對板架極限承載能力影響較大，而桁材腹板開孔率與開孔位置則對板架極限承載能力影響不大。與傳統(tǒng)船舶不同的是，提高縱桁高度難以增強郵輪甲板板架極限承載能力，而適當(dāng)?shù)卦黾痈拱搴穸?、縱桁面板寬度與面板厚度，增多較弱縱骨數(shù)量更能提高結(jié)構(gòu)可靠性。

3 中型郵輪上層建筑藝術(shù)造型異型結(jié)構(gòu)

不同的郵輪通常會設(shè)計代表性的異型結(jié)構(gòu)來提升郵輪設(shè)計藝術(shù)性與美感，例如地中海榮耀號郵輪的奢華水晶旋梯與海上超長LED夢幻天幕，以及公主郵輪上浪漫的全透明海景廊橋。它們就像城市中的地標(biāo)性建筑，吸引著游客前來體驗。中型郵輪上層建筑將陸地上的建筑結(jié)構(gòu)形式引入中型郵輪之中，在滿足郵輪某些結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的同時，提升了中型郵輪的藝術(shù)感。中型郵輪上較常見的藝術(shù)造型結(jié)構(gòu)有玻璃幕墻（見圖2）和網(wǎng)殼式穹頂?shù)取?/p>

圖2 郵輪上的玻璃幕墻

3.1 中型郵輪上層建筑玻璃幕墻

中型郵輪上層建筑通常采用以下3種玻璃幕墻：

（1）點支式玻璃幕墻

點支式玻璃幕墻是指由玻璃面板、點支承裝置及其支承結(jié)構(gòu)構(gòu)成的建筑玻璃幕墻。根據(jù)各種不同類型的支承結(jié)構(gòu)，點支式玻璃幕墻鋼結(jié)構(gòu)主要有點支承玻璃幕墻、玻璃肋點支承玻璃幕墻和索結(jié)構(gòu)點支承玻璃幕墻3種結(jié)構(gòu)。

（2）構(gòu)件式玻璃幕墻

構(gòu)件式玻璃幕墻分為明框玻璃幕墻與隱框玻璃幕墻。通常由玻璃面板、鋁合金結(jié)構(gòu)框架、密封膠條（放置在玻璃與鋁合金結(jié)構(gòu)框架間）、連接件（鋁合金框架之間及鋁合金框架與主體結(jié)構(gòu)之間）等組成。其中，鋁合金結(jié)構(gòu)框架是構(gòu)件式幕墻的支承結(jié)構(gòu)體系，由橫梁與立柱連接而成的玻璃幕墻。

（3）全玻璃幕墻

全玻璃幕墻中的玻璃面板與支承框架均為玻璃，玻璃面板和豎向玻璃肋按照支承方式的可分為坐地式和吊掛式。全玻璃幕墻玻璃面板和玻璃肋間由硅酮結(jié)構(gòu)密封膠連接。

3.2 玻璃幕墻結(jié)構(gòu)特點分析

玻璃幕墻材料包含鋼材、玻璃和密封膠等，通常承受自身重力荷載、風(fēng)荷載、地震荷載以及溫度的影響，而不同類型的玻璃幕墻也有所不同。

（1）點支式玻璃幕墻

點支式玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)體系為點支式玻璃幕墻主要受力構(gòu)件，其負(fù)責(zé)將玻璃面板所受到的各種荷載傳遞到建筑的主體結(jié)構(gòu)上，支承點處應(yīng)力集中明顯。點支式玻璃幕墻對承載性能的貢獻與玻璃尺寸、節(jié)點約束強度息息相關(guān)，玻璃尺寸越大、節(jié)點約束越強、玻璃承載越多。在中型郵輪建造過程中應(yīng)注意節(jié)點約束力的大小以防止玻璃參與承載過多出現(xiàn)安全事故。

（2）構(gòu)件式玻璃幕墻

構(gòu)件式玻璃幕墻主要通過連接件將玻璃面板所受到的載荷傳遞給橫梁及立柱，最終傳遞給主體結(jié)構(gòu)。這類玻璃幕墻承載能力主要依靠其框架結(jié)構(gòu)的承載能力，設(shè)計時可考慮適當(dāng)?shù)募訌娍蚣芙Y(jié)構(gòu)。

（3）全玻璃幕墻

作為支承的玻璃稱為玻璃肋，利用結(jié)構(gòu)膠或機械連接件與玻璃面板垂直連接，共同承擔(dān)荷載。全玻璃幕墻分為吊掛式與坐地式，不論是哪一類其玻璃面板都難以承擔(dān)面內(nèi)載荷。這類玻璃幕墻通常作為某些娛樂艙室的艙壁出現(xiàn)，在考慮包含全玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)承載時應(yīng)忽略全玻璃幕墻對結(jié)構(gòu)承載能力的貢獻。

總體而言，相對于全玻璃幕墻，點支式玻璃幕墻與構(gòu)件式玻璃幕墻在中型郵輪上更為常見。玻璃幕墻主要依靠支撐結(jié)構(gòu)承受載荷，而玻璃面板通常只承受面壓載荷，在考慮船體總縱強度或是局部結(jié)構(gòu)的承載能力時，應(yīng)當(dāng)控制玻璃面板對結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

3.3 網(wǎng)殼式穹頂結(jié)構(gòu)

位于中型郵輪上層建筑頂層甲板大跨度艙室通常布置網(wǎng)殼狀穹頂（見圖3），這類穹頂通常由網(wǎng)殼狀鋼結(jié)構(gòu)與面板組成，不僅跨度大，鋼材料使用較少，且利于減輕整體質(zhì)量，加強艙室的采光。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式大致可分為球面網(wǎng)殼與圓柱面網(wǎng)殼。

圖3 郵輪上的網(wǎng)殼狀穹頂

（1）球面網(wǎng)殼

球面網(wǎng)殼殼面分為徑向的肋和緯向的環(huán)線，兩個方向的肋相互連接；再用斜桿將每個梯形網(wǎng)格分為2個或4個三角形。按網(wǎng)格劃分的不同球面網(wǎng)殼可以分為： 肋環(huán)型球面網(wǎng)殼，施威德勒型球面網(wǎng)殼，三向網(wǎng)格型球面網(wǎng)殼，凱威特型球面網(wǎng)殼，聯(lián)方型球面網(wǎng)殼和短程線型球面網(wǎng)殼。

（2）圓柱面網(wǎng)殼

如果建筑頂部是正方形或矩形，常常選用圓柱面網(wǎng)殼。圓柱面網(wǎng)殼是由若干條曲梁作為受力構(gòu)件，曲梁的下端等距離固定在建筑物的環(huán)梁或者屋面板上，上端匯交并固定于主頂中心鐵制環(huán)梁或節(jié)點板上。圓柱面網(wǎng)殼兩相鄰曲梁間在必要時設(shè)置水平肋桿作為連接，穹頂?shù)拿姘骞潭ㄓ诿績上噜彽那汉屠邨U上。按網(wǎng)格類型的不同，圓柱面網(wǎng)殼又可以分為單向斜桿正交正放網(wǎng)格，單向斜桿正交正放網(wǎng)格、聯(lián)方網(wǎng)格和三向網(wǎng)格。

3.4 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)特點分析

從整體看，拱殼因其支座水平推力對每一截面產(chǎn)生負(fù)彎矩，減少了每一截面總的彎矩。將彎矩轉(zhuǎn)化成為軸壓力，因此結(jié)構(gòu)跨度可大大增加，而網(wǎng)殼狀的設(shè)計則保證了其表面受力更為均勻。穩(wěn)定性為網(wǎng)殼設(shè)計分析的重要問題，缺陷的類型對其穩(wěn)定性影響程度各不相同，例如節(jié)點偏差、桿件缺陷與節(jié)點轉(zhuǎn)動等缺陷都會對網(wǎng)殼穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在將網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)引入中型郵輪時應(yīng)著重考慮這幾類因素。

自 1951 年英國建成“探索”穹頂后，跨度巨大，形式多樣鋁合金空間被廣泛應(yīng)用于體育場、車站等公共建筑以及儲煤倉等工業(yè)領(lǐng)域，類似于鋁合金材料這類合金材料具備質(zhì)量輕、耐腐蝕和易加工等優(yōu)點而備受關(guān)注。很顯然，中型郵輪穹頂?shù)脑O(shè)計建造也可以考慮引入這類合金材料。

4 結(jié) 語

通過系統(tǒng)梳理和分析中型郵輪上層建筑典型異型結(jié)構(gòu)特點可知：

（1）中型郵輪舷側(cè)的異型結(jié)構(gòu)為落地窗結(jié)構(gòu)，開口率大且連續(xù)密集，對舷側(cè)剪切剛度影響較大。甲板板架異型結(jié)構(gòu)為甲板大開口、開孔高腹板桁材，這兩類結(jié)構(gòu)對甲板極限承載力影響較大；在考慮傳統(tǒng)船舶異型結(jié)構(gòu)可靠性時，需要借鑒傳統(tǒng)船舶設(shè)計經(jīng)驗，但不可隨意套用。

（2）中型郵輪上玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的常見形式為點支式幕墻、構(gòu)件式幕墻和全玻璃幕墻，不同種類的玻璃幕墻承載特性各不相同，金屬框架比玻璃面板對結(jié)構(gòu)承載能力的影響要大得多。中型郵輪上穹頂多為網(wǎng)殼式穹頂，網(wǎng)殼式穹頂有著跨度大、質(zhì)量輕等特點，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)能將彎矩轉(zhuǎn)化成軸向力，增加結(jié)構(gòu)跨度同時使受力更為均勻。藝術(shù)造型異型結(jié)構(gòu)通常對全船總縱強度影響不大，他們主要影響中型郵輪局部結(jié)構(gòu)的可靠性。在進行這類異型結(jié)構(gòu)設(shè)計時可更多借鑒陸地建筑設(shè)計經(jīng)驗。

（3）與傳統(tǒng)船舶不同，中型郵輪有著更復(fù)雜的艙室布置與更豐富的功能劃分，在考慮經(jīng)濟效益的同時，獨特的上層建筑設(shè)計也給中型郵輪的結(jié)構(gòu)可靠性帶來挑戰(zhàn)。