客车玻璃的抗风压设计

王盘石

摘要：玻璃不同于钢材，当加上超过弹性界限的力后，它将立即断裂。为了美观豪华和减轻整 车重量，设计趋势是即加大玻璃的面积又减小玻璃的厚度，而玻璃面积和厚度与承受风 荷载的能力关系很大。目前大客车前挡玻璃承受的风荷载已接近玻璃的弹性应力界限， 应引起设计者的关注。本文简要介绍了抗风压设计应用于大客车玻璃，供大客车设计者 参考。

关键词：客车 玻璃 抗风压

正文：

近年来，豪华客车提高车速，玻璃面积增大，已成为客车发展的主流。随着面积的增大、车速的提高，玻璃所处的风压环境更加恶劣，玻璃破损的概率也更大。 客车玻璃的破损大约为以下三种情况：

1、窗框的刚度不够，行驶过程中的颠簸导致框架的变形，玻璃局部受力而破损。 2、冬、夏温度的变化，玻璃承受热负荷应力的能力不够。 3、玻璃承受的风荷载应力超过了玻璃的弹性应力界限。

上述第一种情况，客车设计师已能够解决。第二种情况除了与玻璃本身的热吸收率、边框约束条件和玻璃边部的加工质量有关外，也与风荷载有密切的关系。本文介绍客车玻璃承受风荷载应力的设计计算方法。

客车玻璃与建筑玻璃存在两大差异：一是高速运行的客车与静止的建筑物所承受的风载差异。二是客车玻璃弧面与建筑玻璃的平面所承受的风载差异。因此在客车玻璃的抗风压设计计算中要充分考虑客车时速对风载的影响，又要考虑玻璃弧面的流线形状对减小风阻的作用。这是一个较为复杂的过程，下面分步介绍：

一、客车玻璃承受的风压计算：

对于静止的玻璃其风荷载标准值计算式为： WK风=βZμsμZW。

式中：βZ—风振系数2.25

μs—风荷载体型系数1.5

μZ—风压高度变化系数1(平面) W。—基本风压0.35(北京地区) WK风=2.25×1.5×1×0.35=1.181KPa

在本文中的计算举例均以北京地区的基本风压作为计算依据，由GBJ9-87中的全国基本风压

2

分布图可查得北京地区的基本风压为：W。= 0.35 KN/ m 。

由于基本风压是以10分钟平均时距为基准，转换为3秒阵风风压应用变换系数，风速变换系数为1.5，阵风风压变换系数为2.25。

由于客车运行速度所产生的阻力，使客车在无阵风时就承受了空气阻力荷载，因此在客车风载荷设计时应将风荷载和阻力荷载叠加。

2

根据阻力计算原理，客车阻力荷载W阻= ΨVρ/2

2

式中：V—车速，米/秒

3

ρ—空气重度，1.29Kg/M Ψ—阻力系数

2

本文中客车时速按120公里计算，阻力系数按1计算，则：W K阻=33.33×1.29/2=716Pa 由此得到客车前风挡玻璃的风荷载标准值： WK= WK风+ W K阻 =1.9KPa 二、玻璃抗风压设计：

1、玻璃的强度与破裂特征：

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钢材在加荷之后，先从弹性变形开始，延伸超过弹性极限达到屈服点，然后经过最大应力点到达破损点。而玻璃加上超过弹性界限的力后，将立即断裂。由于玻璃表面存在无数微小裂 纹，在张应力作用下，微裂纹产生应力集中，使裂纹尖端处的应力远远超出平均应力，当达到并超过临界值时，裂纹迅速扩展，导致玻璃破裂。微裂纹使玻璃破裂时荷载的大小不一，并与加载方式、加载速率持续时间有关。这就是玻璃强度的离散性。为了安全使用玻璃，设计时必须引入安全因子与失效概率。我国标准中规定的安全因子为2.5，失效概率取0.1%。 2、玻璃抗风压强度计算：

因客车玻璃四周安装，因此选用四边支承的计算公式：

1.8

玻璃厚度t≤6mm时 WKA=0.5 a t/F

1.6

玻璃厚度t＞6mm时 WKA= a（ 0.5 t+2）/F 式中：WK—风荷载标准值，KPa

2

A—玻璃允许使用面积，m T—玻璃厚度，mm

a—抗风压调整系数（见表一） F—安全因子，一般取2.5

由于各种类型玻璃的强度不同，所以其抗风压的能力不同，表一列出了各种玻璃的抗风压调整系数。 表一 玻璃类型 普通 半钢化 钢化 夹层 中空 半钢化 钢化 夹层 夹层 调整系数（a） 1.0 1.6 2-3.0 0.8 1.5 1.3 1.2-2.4

由上述计算公式可得:当客车使用玻璃厚度为8.76 mm的夹层玻璃时其平面玻璃的最大面积为3.03 m2，如使用5mm钢化玻璃，最大面积（平面）为3.79 m2。 3、玻璃抗风压挠度设计：

玻璃受风荷载作用会产生变形，变形过大不仅造成反射图像变形，而且会对玻璃周边约束结构产生一系列作用。因此玻璃板变形量应有所。 3.1挠度的限定

参照国外标准，玻璃板面的最大挠度不超过跨度的1/100，玻璃框架支座系统最大位移不超过跨度的1/180。 3.2挠度计算：

根据玻璃的非线性板变形理论，提出了一个经验公式

2

μ=exp(C1+C2X+C3X)t

2

且X=ln﹛ln〔W(ab)/Et〕﹜ 式中: μ—玻璃板中心的挠度，mm; a—玻璃短边长度，mm; b—玻璃长边长度，mm; t—玻璃厚度，mm;

Ｗ—风荷载标准值，KPa;

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E—玻璃弹性模量，取7.2×10 KPa; C1 、C2、C3—与边长比有关的系数见表二 表二 B / a C1 C2 C3 1.0 -2.26 1.58 0.31 1.2 -2.61 1.94 0.23 1.4 -2.90 2.19 0.185 1.6 -3.13 2.33 0.18 1.8 -3.31 2.38 0.22 2.0 -3.44 2.34 0.27 2.5 -3.60 1.96 0.53 3.0 -3.56 1.25 0.88 -2- 四、玻璃的弧面和安装角对风载荷的影响

玻璃的弧面和倾斜安装，一方面减小了风的阻力，另一方面由于风荷载作用在玻璃上的斜角，产生了延玻璃面的水平分力，从而减小了玻璃承受的正向风荷载。因为玻璃的抗压强度是抗张强度的几十倍，水平分力对玻璃作用是受压，可以忽略不计，我们将着重研究垂直分力。 下图为西飞沃尔沃大客车和上海客车厂5115大客车前挡的玻璃弧形：（安装角约为：10°）

按图用近似计算法可算出两端弯曲部和中间部位的W值，由此可求得WK的平均值。

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WK弧= WK （COSα1）×L1+（COSα2）×L2 ×（COSθ） L1+L2+……

五、客车玻璃抗风压设计举例： 1、有关数据

西飞沃尔沃前挡玻璃：

弯曲后的尺寸为2385×1740（展开尺寸2460×1740），厚度为4+4+0.76=8.76 mm，安装角10度。

上海5115前挡玻：

弯曲后尺寸2430×1570（展开尺寸2550×1570），厚度和安装角同上。 2、风荷载计算：

在第一节已计算出客车以120Kg/H运行时的风荷载为W=1.9 KPa,由第四节的玻璃弧型图可计算出弧型玻璃的W值。

西飞沃尔沃大客车： WK弧= 1.724 KPa 上海客车厂5115大客车： WK弧= 1.714 KPa

3、抗风压强度计算：

1.6

由公式：W=a（0.5t+2）/F×A

求得:西飞沃尔沃大客车 W=1.396 KPa＜1.724 KPa 上海客车厂5115大客车 W=1.519 KPa＜1.714 KPa 4、抗风压挠度计算： 由挠度公式求得：

西飞沃尔沃大客车 X= 1.53KPa μ= 19.07

19.07/1740=1/91＞1/100 上海客车厂5115大客车 X= 1.49KPa μ= 16.93

16.93/1570=1/93＞1/100

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六、计算说明和应重视的问题：

1、计算结果得出玻璃的强度小于规范荷载W＜WK，挠度大于1/100。说明目前客车玻璃的抗风压强度已处于极限状态，虽然设计规范风荷载的确定是最高时速和30年一遇的最大风力叠加，客车在使用中很少会遇到此类情况，但是在进行客车挡风玻璃设计时，玻璃面积和厚度仍应尽量满足规范要求。

2、玻璃的弧面和安装角既减弱了荷载，又分解了荷载，建议客车设计师们在客车车身设计时，尽量增大玻璃的拱形和安装角，以减轻玻璃承受的风荷载。在乘车中时常可见到侧窗玻璃会向内凸出，这种反弹对玻璃是很危险的，因此在侧窗设计时，应使玻璃有弧度，否则应减少玻璃的面积。

3、改善边框约束条件，推广应用模块化安装新技术：

玻璃的模块安装技术在轿车上已广泛应用，该技术将玻璃与车身通过化学粘接连在一起，玻璃不再处于被保护的地位，而且相当于在车身上蒙了一层铁板，使车身的抗扭刚度和强度大大提高。

模块化技术通过挤塑成型，将经清洗并涂上底剂的玻璃周边均匀挤上PU或TPE粘接剂（其横截面可根据玻璃车框的连接要求设计，以确保安装方便，密封均匀），固化后与粘接剂结合在一起。到总装厂后，周边涂上少量的胶水，即可装上车身，减少了在现场清洁、上底涂液，克服了胶水不均匀、粘接不牢的缺陷。

模块化技术使玻璃的周边受力从端部改到平面上，增大了接触面积，弥补了常见的玻璃周边端部缺陷，而且通过玻璃与车身的均匀粘接（胶的厚度均匀），使玻璃周边受力均匀，这样一来可提高玻璃的抗风压强度，减少运行中的破损。

2000年8月18日

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