覆冰荷載對柔性巨型摩天輪結(jié)構(gòu)的影響

王詩柔，徐　偉，侯　娜，王文靜，孫　麗

（1.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧 大連116023；2.大連慧昌海洋工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連116019）

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覆冰荷載對柔性巨型摩天輪結(jié)構(gòu)的影響

王詩柔1，徐偉1，侯娜2，王文靜1，孫麗1

（1.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧 大連116023；2.大連慧昌海洋工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連116019）

摘要：摩天輪冬季運(yùn)行時結(jié)構(gòu)經(jīng)常會出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，考慮到覆冰荷載對結(jié)構(gòu)的影響，對柔性巨型摩天輪結(jié)構(gòu)體系在覆冰荷載不同組合工況下采用非線性靜力分析計算。采用ANSYS有限元軟件對摩天輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分析驗算結(jié)構(gòu)表明結(jié)構(gòu)在覆冰荷載作用下的強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求，具有較好的參考價值。

關(guān)鍵詞：柔性巨型摩天輪；覆冰荷載；有限元分析

摩天輪又稱巨型觀覽車，是一種大型轉(zhuǎn)輪狀的機(jī)械建筑設(shè)施，乘客可以坐在轉(zhuǎn)盤周邊的座箱內(nèi)，隨座艙繞水平軸慢速回轉(zhuǎn)從高處俯瞰四周景色。自從1893年在美國芝加哥建成第一座摩天輪后，世界范圍內(nèi)便掀起了摩天輪的建造高潮，結(jié)構(gòu)型式經(jīng)歷了全桁架剛性體系—剛?cè)峄旌现С薪Y(jié)構(gòu)體系—柔性輪輻索支承結(jié)構(gòu)體系[1]。目前高度超過100 m的摩天輪以轉(zhuǎn)盤輪輻索應(yīng)用鋼索體系為主，如正在運(yùn)營的135 m直徑的“倫敦眼”摩天輪、110 m直徑天津慈海橋摩天輪、163 m直徑新加坡“飛行者”摩天輪及167 m直徑美國拉斯維加斯“豪客”等摩天輪結(jié)構(gòu)。此種柔性巨型摩天輪冬季是否可以運(yùn)行以及在不同厚度覆冰荷載下的影響如何是此次計算分析的目的，通過對覆冰荷載不同組合工況下進(jìn)行非線性靜力分析計算，得出結(jié)構(gòu)在覆冰荷載作用下的強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性，從而判斷在適當(dāng)厚度的覆冰載荷作用下可以冬季正常運(yùn)行摩天輪。

1　結(jié)構(gòu)體系

本文所計算的摩天輪高190 m，回轉(zhuǎn)直徑180 m，主要由支承柱系統(tǒng)、輪軸系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤、56個座艙及驅(qū)動和導(dǎo)向系統(tǒng)組成。荷載包括永久荷載、覆冰荷載、鋼索預(yù)應(yīng)力、風(fēng)荷載、雪荷載及乘客活荷載等[2]，由輪緣通過輪盤的輪輻索傳遞至輪軸系統(tǒng)，經(jīng)支承柱傳遞至基礎(chǔ)，摩天輪的運(yùn)轉(zhuǎn)由驅(qū)動和導(dǎo)向系統(tǒng)控制。由于摩天輪結(jié)構(gòu)和載荷形式十分復(fù)雜，難以用解析法計算其力學(xué)性能，為保證設(shè)計方案滿足行業(yè)規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)，本文使用ANSYS對摩天輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了6種工況的模擬分析，使設(shè)計方案盡量節(jié)約材料，同時又能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的安全系數(shù)。

2　荷載計算及荷載工況

根據(jù)游樂設(shè)施安全規(guī)范[2]，應(yīng)考慮的載荷有：永久荷載-自重、活荷載-乘客、驅(qū)動力、風(fēng)荷載。根據(jù)觀覽車類游藝機(jī)通用技術(shù)條件[3]可知，直徑不小于80 m超大型觀覽車，整機(jī)構(gòu)件的活荷載計算應(yīng)適當(dāng)考慮覆冰荷載。

根據(jù)高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[4]，基本覆冰厚度根據(jù)當(dāng)?shù)仉x地10 m高度處的觀測資料，取統(tǒng)計50年一遇的最大覆冰厚度為標(biāo)準(zhǔn)。高聳塔架類似結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件覆冰后引起的荷載及擋風(fēng)面積增大的影響，此次計算覆冰厚度保守取值10 mm.

2.1圓截面覆冰荷載

根據(jù)高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[3]，圓截面單位長度上的覆冰荷載為：

式中：ql為單位長度上的覆冰荷載（kN/m2）；b為基本覆冰厚度（mm），取值10 mm；d為圓截面的構(gòu)件的直徑（mm）；α1為與構(gòu)件直徑有關(guān)的覆冰厚度修正系數(shù)；α2為覆冰厚度的高度遞增系數(shù)。

對覆冰厚度的高度遞增系數(shù)離地面高度10~100 m數(shù)據(jù)做二次多項式回歸：

式中：h為離地面高度（m）；γ為覆冰重度，取值9 kN/m3.

2.2非圓截面覆冰荷載

摩天輪除圓截面構(gòu)件外，還包括座艙等非圓截面構(gòu)件。參考高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[3]，非圓截面構(gòu)件的覆冰荷載qa的計算公式：

式中：qa為單位面積上的覆冰荷載（kN/m2）。

3　覆冰載荷結(jié)構(gòu)分析

3.1單元信息

本次分析中根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類型分別采用不同的單元類型，支承柱采用Shell 181單元，轉(zhuǎn)盤桁架采用Beam 188，座艙質(zhì)量采用Mass 21，輪軸采用Shell 181/Link 188，輪輻鋼索采用Link 188，驅(qū)動和制動裝置采用Combination14 mm.

3.2計算分析方法

柔性摩天輪結(jié)構(gòu)屬于游藝設(shè)施，應(yīng)分別按照正常運(yùn)行狀態(tài)和非工作狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算[5]。在非線性靜力分析、初始狀態(tài)張拉分析和幾何非線性屈曲分析中，假定材料為彈性，只計及幾何非線性和支承條件變化引起的狀態(tài)非線性。在進(jìn)行彈塑性極限承載力分析時，考慮幾何、材料以及支承條件變化引起的所有非線性因素。

3.3荷載施加方法

永久荷載在有限元中施加的方式是加速度的方式，在原有模型的重量基礎(chǔ)上均布增加到實際重量，即改變各部件的加速度以使各部件的重量與實際重量相符，方向為數(shù)值向下。

活荷載在有限元中施加的方式是以集中力的形式加在座艙中心位置，然后均布在四個回轉(zhuǎn)艙支撐桿上，方向為豎直向下。驅(qū)動力和制動力用彈簧元的模擬來施加到有限元的模型上，根據(jù)驅(qū)動力的大小設(shè)計彈簧元的剛度，使驅(qū)動力與實際一致，方向為沿轉(zhuǎn)盤外沿切線方向。風(fēng)載荷以力的方式根據(jù)不同高度風(fēng)載荷大小施加在每段高度的所有零部件上，方向分為X向，X異向和Z向。覆冰荷載以力的形式加載在有限元中的各個零部件上，方向為豎直向下。

3.4邊界條件

整體計算時將主支承柱底端施加3個位移，3個旋轉(zhuǎn)共6個自由度方向的全約束，同樣側(cè)支承柱底端施加3個位移，3個旋轉(zhuǎn)共6個自由度方向的全約束。在轉(zhuǎn)盤支承軸和支承柱之間采用剛性區(qū)域的方式連接。

3.5不同厚度冰荷載工況分析

3.5.11/4滿載+Z向風(fēng)載 +10 mm冰荷載工況應(yīng)力分析[4]

鋼索施加初始預(yù)應(yīng)力939 kN，計算結(jié)果如圖1 （a）所示，最大應(yīng)力為131.0 MPa，位置在側(cè)支承柱底端，主支承柱的最大應(yīng)力為102.8 MPa，位置在主支承柱頂端，如圖1（b）所示，轉(zhuǎn)盤最大應(yīng)力為118.0 MPa，轉(zhuǎn)盤整體受力如圖1（c）所示。最大位移為419 mm，位置在側(cè)支承柱中間位置，整體變形圖如1（d）所示。

圖1　1/4滿載+Z向風(fēng)載+覆冰載荷工況下應(yīng)力云圖及變形圖

3.5.21/4滿載+Z向風(fēng)載 +30 mm冰荷載工況應(yīng)力分析[4]

鋼索施加初始預(yù)應(yīng)力939 kN，計算結(jié)果如圖2 （a）所示，最大應(yīng)力為139.7 MPa，位置在側(cè)支承柱底端，其最大應(yīng)力位置如圖2（b），主支承柱的最大應(yīng)力為110 MPa，位置在主支承柱頂端，如圖2（b）所示，轉(zhuǎn)盤最大應(yīng)力為124 MPa，轉(zhuǎn)盤整體受力如圖2（c）所示。最大位移為422 mm，位置在轉(zhuǎn)盤上加偏載的位置，整體變形圖如2（d）所示。

圖2　1/4滿載+Z向風(fēng)載工況下應(yīng)力云圖及變形圖

4　摩天輪結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)，施加相同的初始預(yù)應(yīng)力939 kN和各種工況組合驗算各部件結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。限于篇幅，僅列出部分主要結(jié)果，見表1控制載荷組合下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

表1　控制載荷組合下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

5　結(jié)束語

通過鋼索施加相同的初始預(yù)應(yīng)力對摩天輪非覆冰載荷和不同厚度覆冰載荷的計算分析，能夠看出30 mm的覆冰載荷對結(jié)構(gòu)的影響更大，此時側(cè)支承柱強(qiáng)度的安全系數(shù)已不滿足游樂設(shè)施安全規(guī)范的要求，解決方法為進(jìn)一步提高鋼索的初始預(yù)應(yīng)力來提高轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的剛度，從而使各部件的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足要求。除此工況，從輪輻索的受力到摩天輪鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及剛度分析來看，變化范圍在5%以內(nèi)，屬于工程范圍內(nèi)的可以忽略的范圍值，因此適當(dāng)厚度的覆冰載荷作用下可以正常運(yùn)行摩天輪。

參考文獻(xiàn)：

[1]王小盾，石永久，王云清.摩天輪結(jié)構(gòu)及其工程應(yīng)用研究[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2005，22（3）:30.

[2]GB8408-2008，游樂設(shè)施安全規(guī)范[S].

[3]GB18164-2008，觀覽車類游藝機(jī)通用技術(shù)條件[S].

[4]GB50135-2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

中圖分類號:TU312.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0040-03

收稿日期：2016-01-05

作者簡介：王詩柔（1977-），女，遼寧鞍山人，碩士研究生，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計。

Ice Load Effects on Flexible Giant Ferris Wheel Structure

WANG Shi-rou1，XU Wei1，HOU Na2，WANG Weng-jing1，SUN Li1
（1.DaLian YILIYA Construction Machinery Co.，Ltd，Dalian Liaoning 116023，China；2.Dalian Huichang Marine Engineering Technology Co.，Ltd，Dalian Liaoning 116019，China）

Abstract：Ferris wheel structure often takes with ice phenomenon in running in winter，considering the influence of ice load on structures，the general situation，the flexible giant ferris wheel structure system under ice load case and different combination conditions are presented using nonlinear static analysis and calculation in this paper.The structure model was built with ANSYS finite element software and analysis of the structure calculation show that the strength of the structure under ice load，deformation and stability of all conform to the requirements of the specification，The result has good reference value.

Key words：flexible giant ferris wheel；ice load finite；element analysis