超强台风 “桦加沙” 来袭：CAE 助力玻璃加固方案科学验证与实用建议

随着超强台风 “桦加沙” 登陆的预警信号拉响，各地均进入紧急防范状态。  

   

在现代居住环境中，玻璃已成为建筑外立面与室内空间的重要组成部分 —— 从落地窗到阳台玻璃门，从飘窗到玻璃幕墙，其通透美观的特性虽提升了居住舒适度，却也暗藏安全隐患。相较于钢筋混凝土墙体，玻璃的力学强度显著更低，在 17 级台风（风速 56.1-61.2m/s）的冲击下，普通玻璃易出现破碎、脱落，不仅可能造成财产损失，更可能威胁人员安全。  

   

 

如何科学加强玻璃的抗台风能力？网上流传着粘贴胶带、加装木板、安装防护栏等多种方法，但这些方案的有效性缺乏定量验证。为此，笔者通过 CAE仿真分析，以 1000mm×1000mm 的玻璃尺寸为研究对象，开展多方案验证，试图从力学原理层面找到更可靠的加固思路，同时兼顾理论与实际应用场景。

 

一、台风下玻璃受力的复杂性

在台风防护的 CAE 分析中，最初的思路是模拟玻璃的实际受力场景：将玻璃四周约束（模拟窗框对玻璃的固定作用），在玻璃表面施加均匀压力载荷（模拟台风对玻璃的静压作用，17级台风，风速为56.1-61.2米/秒）。这一方案看似贴合实际，却存在关键缺陷 ——风向的不确定性导致压力分布难以精准定义。

为解决这一问题，笔者转向约束模态分析。模态分析的核心是探究结构在无外载荷作用下的固有振动特性，其结果能直接反映结构的刚度分布 —— 这为玻璃加固方案的有效性验证提供了更科学的理论依据。

二、模态分析的理论基础

模态分析是研究振动系统动力特性的重要方法，模态频率是系统在特定振型下的振动频率。以下是常见的模态分析公式及其应用场景。

对于单自由度体系，模态频率的计算公式为：

f = 1 / (2π) * √(k / m)

其中：

• f 是模态频率；
• k 是系统的刚度；
• m 是质点的质量。
  
   

OptiStruct-模态分析理论基础

从公式可见，固有频率 f 与刚度矩阵 [K] 呈正相关—— 即结构的固有频率越高，其刚度越大，抵抗形变的能力越强。这一理论为玻璃加固提供了关键判断标准：若某种加固方案能提高玻璃的固有频率，说明其有效提升了玻璃的刚度，进而能更好地抵抗台风载荷。

三、从尺寸到形貌，寻找最优加固方案

基于模态分析的理论基础，笔者使用 Optistruct，以 “提升 1000mm×1000mm 玻璃的固有频率” 为目标，开展了两类优化分析，并对比不同方案的效果，建模流程不在赘述，即创建1000*1000曲面，再划分网格，创建玻璃材料，以及pshell属性并创建约束模态工况。

（一）尺寸优化：调整玻璃厚度与加固件参数

玻璃的尺寸优化的核心是以每个单元厚度作为优化变量，详细教程请搜索关键字“尺寸优化”，或点击超链接查看教程optistruct尺寸优化教程合集。

优化完成后可通过载入计算文件夹内的*comp.tcl文件对模型按照指定厚度分组，如上图所示。

也可以载入*elem.tcl脚本，修改单元厚度，如上图所示，可以看出尺寸优化的区域是对四周以及中心进行厚度修改，但考虑到各个区域是离散的，不合理，遂切换形貌优化方式。

（二）形貌优化：优化加固结构的几何形态

形貌优化则聚焦于 “如何让加固件的几何形态更合理”—— 例如在表面添加加强筋时，筋的走向、弯曲弧度、高度等参数，均会影响应力分布与刚度，虽然我们没有办法直接对玻璃进行修改，但是形貌优化能明确给出我们应该加强的区域。形貌优化拓扑与形貌的组合优化

创建形貌优化设计变量，最小尺寸90，拔模角度50，高度15，单向起筋，并设置三平面对称。

创建优化响应，由于是约束模态，故提取模态index为1。

定义优化目标，以模态频率最大化为目标。

查看优化前一阶模态频率振型

四、理论与实际的平衡

尽管 CAE 分析得出了加固方案，但在实际台风防范中，还需考虑经济性、安装便捷性与日常实用性—— 上面的优化结果毫无落地的可能性。

结合仿真结果与实际场景，笔者推荐以下更具可操作性的加固方式，仅供参考。

（一）优先选择高抗风压玻璃：从源头提升强度

若条件允许，将普通玻璃更换为8mm 及以上钢化玻璃（一阶固有频率约 38Hz）或双层中空钢化玻璃（6+12A+6mm）（一阶固有频率约 45Hz）。这类玻璃的抗风压性能已达到 GB/T 19201-2006 中的 C3 级及以上，能直接抵御 17 级台风的静压载荷（1.9-2.2kPa），且日常使用中无需额外加装结构件。

（二）临时加固：低成本、易操作的应急方案

对于无法更换玻璃的情况，可采用以下临时加固措施：

1. 粘贴防爆膜：选择厚度≥7mil 的防爆膜，按 “米字形” 或 “井字形” 粘贴（避免满贴导致玻璃散热不畅）。防爆膜不仅能提升玻璃的整体性，还能在玻璃破碎时防止碎片飞溅；

2. 加装木板 / 铝合金挡板：在玻璃外侧加装厚度≥15mm 的实木木板或薄铝合金板，用膨胀螺丝固定在窗框上（注意预留 1-2mm 的间隙，避免台风中木板与玻璃碰撞）。该方案能直接阻挡气流冲击，降低玻璃表面的压力载荷；

3. 胶带加固：若仅能获取普通透明胶带，可按 “横向 + 纵向” 间隔 100mm 的方式粘贴，形成网格状。虽无法显著提升刚度，但能在玻璃破碎时减少碎片扩散范围（注：此方案仅适用于短期应急，不可替代防爆膜或木板）。

五、结语

超强台风 “桦加沙” 的登陆，再次提醒我们居住安全的重要性。玻璃作为建筑的 “薄弱环节”，其加固不能仅依赖经验，更需结合科学的力学分析 ——CAE 模态分析为我们提供了 “从刚度本质提升防护能力” 的思路，而实际方案的选择则需兼顾理论有效性与生活实用性。

无论采用何种方式，台风来临前的 “提前检查” 同样关键：检查窗框是否松动、密封胶是否老化、玻璃是否存在崩边或划痕（这些缺陷会降低玻璃的固有频率，增加破碎风险）。只有将科学分析与细致防范结合，才能在台风中筑牢居住安全的 “第一道防线”。