淺析大型摩天輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉波

摘要：觀覽車在中國(guó)的發(fā)展起步于20世紀(jì)80年代，從高度、直徑以及載客量上看都比較小，而且都是游樂園設(shè)施的一部分。伴隨著世界范圍內(nèi)第三次建造摩天輪的高潮，中國(guó)的摩天輪事業(yè)也獲得了巨大的發(fā)展。為促進(jìn)摩天輪的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)摩天輪的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有十分重要的作用。本文分析并論述了摩天輪的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：摩天輪；纜索驅(qū)動(dòng)；支承；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摩天輪，又稱觀景輪或觀覽車，主要是由一個(gè)豎立的帶有轎廂的旋轉(zhuǎn)輪盤及其支承結(jié)構(gòu)等組成。根據(jù)輪盤的結(jié)構(gòu)形式來(lái)分，摩天輪結(jié)構(gòu)主要分為剛性、剛?cè)峤Y(jié)合和柔性三大類。早期摩天輪多為剛性結(jié)構(gòu)形式，輪盤全部采用桁架結(jié)構(gòu)體系，但全桁架重量大的缺點(diǎn)也限制了摩天輪高度的進(jìn)一步發(fā)展；隨著科技水平的發(fā)展，逐漸開始用一定數(shù)量的柔性纜索或拉條代替剛性結(jié)構(gòu)形式中桁架，形成了剛?cè)嵯嘟Y(jié)合形式；當(dāng)柔性纜索進(jìn)一步將輪盤中所有的輪輻構(gòu)件替代，僅剩下輪盤邊緣一圈的剛性桁架結(jié)構(gòu)，大幅度地減輕輪盤自重之后，形成了現(xiàn)在多數(shù)巨型摩天輪所采用的柔性形式，使得建設(shè)更高更大的摩天輪成為可能。

一、摩天輪的結(jié)構(gòu)體系

1、輪盤鋼結(jié)構(gòu)初始位形的確定

輪盤鋼結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位形（設(shè)計(jì)位形）通常由設(shè)計(jì)單位確定，其初設(shè)圖也是基于目標(biāo)位形給出的。顯然，目標(biāo)位形并不是結(jié)構(gòu)加工與制作的初始安裝位形，這就要求制作和施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的目標(biāo)位形，對(duì)輪盤鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行找形分析，最終確定滿足安裝精度要求的初始形狀，即加工和安裝位形?？紤]到輪盤鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度較大，可通過有限元逆裝迭代法、正裝迭代法、倒拆迭代法和無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法等確定其初始位形。

2、支承結(jié)構(gòu)

美國(guó)芝加哥的觀覽車的支承結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)鐵塔組成，每個(gè)鐵塔由4根柱子及斜撐組成。一個(gè)長(zhǎng)13.7m、直徑0.81m、質(zhì)量45t的輪軸把兩個(gè)鐵塔連接起來(lái)，觀覽車就支承在這個(gè)輪軸上，如圖1所示。

以后建造的摩天輪多數(shù)沿襲了世界上第一座摩天輪的支承結(jié)構(gòu)，但也有一些摩天輪采用了新的支承結(jié)構(gòu)。英國(guó)"倫敦眼"的主支承結(jié)構(gòu)是一個(gè)倒V型塔，由兩根底部鉸接的柱子組成，同時(shí)設(shè)置纜索從一側(cè)拉住摩天輪，防止其向一個(gè)方向傾斜，如圖2所示。

2005年建成的天津慈海橋工程中的摩天輪的支承結(jié)構(gòu)有機(jī)地和斜拉橋的橋塔結(jié)合起來(lái)，在兩個(gè)倒Y型塔架間設(shè)置橫梁，摩天輪就支承在這個(gè)橫梁上，從而使橋塔發(fā)揮了兩種功能。如圖3所示。

3、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

世界上第一座摩天輪是通過電氣驅(qū)動(dòng)的，早期建造的摩天輪多采用電氣驅(qū)動(dòng)。在英國(guó)"倫敦眼"中采用了先進(jìn)的液壓驅(qū)動(dòng)摩擦輪傳動(dòng)裝置，并設(shè)置了減速機(jī)構(gòu)，這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、維護(hù)保養(yǎng)方便、能耗省、運(yùn)行成本低、設(shè)備安全、可靠性高等特點(diǎn)，現(xiàn)階段建造的摩天輪多采用這種驅(qū)動(dòng)方式。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摩天輪是永久性的游樂設(shè)施，設(shè)計(jì)時(shí)不僅需遵守建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范，還需遵守游樂設(shè)施相關(guān)規(guī)范。下面以某大型摩天輪為例進(jìn)行分析：

1、規(guī)范要求

根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定，風(fēng)速小于15m/s時(shí)，摩天輪可以正常運(yùn)營(yíng)，應(yīng)按正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法采用容許應(yīng)力法，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，對(duì)于重要軸、銷軸及重要焊縫取大于等于6，其他部分取大于等于4；根據(jù)文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，該狀態(tài)下可動(dòng)部分結(jié)構(gòu)需考慮動(dòng)載系數(shù)1.3。風(fēng)速大于15m/s時(shí)，摩天輪關(guān)閉運(yùn)營(yíng)，需按極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和其他有關(guān)現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定設(shè)計(jì)。3）摩天輪設(shè)計(jì)基本參數(shù)見表1。摩天輪建造地的極限最大風(fēng)速為31m/s（百年一遇）；抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震構(gòu)造措施按8度進(jìn)行設(shè)計(jì)，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

2、結(jié)構(gòu)分析

作為一個(gè)非常規(guī)的建筑，永樂橋摩天尚輪需進(jìn)行除常規(guī)建筑以外的特別分析：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析分兩類情況：正常運(yùn)行情況與極限情況。正常運(yùn)行情況考慮輪盤運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力系數(shù)，對(duì)各種可能荷載工況進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)組合，按容許應(yīng)力法進(jìn)行構(gòu)件校核。極限情況下采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力校核。摩天輪輪盤為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，受拉索中預(yù)應(yīng)力影響，輪箍處于受壓狀態(tài)。決定輪盤狀態(tài)的控制因素是拉索的預(yù)應(yīng)力，輪盤的穩(wěn)定決定了輪盤設(shè)計(jì)的可行性。

結(jié)語(yǔ)：

摩天輪結(jié)構(gòu)既區(qū)別于一般的空間鋼結(jié)構(gòu)，又不同于普通的高聳結(jié)構(gòu)，是一種較為特殊的結(jié)構(gòu)形式。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于摩天輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)方面的報(bào)道較少，具有特殊性和挑戰(zhàn)性。對(duì)于巨型柔性摩天輪而言，它一方面能夠與某些超高層建筑的高度相比肩，另一方面輪盤的直徑又達(dá)到了大跨度結(jié)構(gòu)的尺度。面對(duì)這一綜合了超高層和大跨度結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)，卻又要求能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的新穎結(jié)構(gòu)，其分析設(shè)計(jì)方法的慎重選取、分析過程中的細(xì)致認(rèn)真以及結(jié)果的真實(shí)可靠等顯得尤為重要。

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