無軸式摩天輪轎廂本質(zhì)安全設(shè)計分析與研究

馬建寧，余　沛，孫旭平，王志遠(yuǎn)

(1.濰坊濱海經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)交通運(yùn)輸局，山東 濰坊 262737；

2.商丘工學(xué)院,河南 商丘 476000；3.中建六局土木工程有限公司，天津 300451)

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無軸式摩天輪轎廂本質(zhì)安全設(shè)計分析與研究

馬建寧1，余沛2，孫旭平3，王志遠(yuǎn)3

(1.濰坊濱海經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)交通運(yùn)輸局，山東 濰坊 262737；

2.商丘工學(xué)院,河南 商丘 476000；3.中建六局土木工程有限公司，天津 300451)

摘要：以濰坊白浪河大橋為背景，對無軸式摩天輪的轎廂進(jìn)行了研究，分析了在建的自行式超大型摩天輪轎廂的設(shè)計理念，與傳統(tǒng)的摩天輪轎廂相比，自行式超大型摩天輪轎廂在安全與舒適程度上都比一般的轎廂較為合理，率先采用大型豪華轎廂，提出了一種超高無軸式摩天輪轎廂的本質(zhì)安全設(shè)計方法，為類似工程提供理論參考。

關(guān)鍵詞：無軸式；超大型摩天輪；轎廂；本質(zhì)安全

0引言

自從1893年世界上第一座現(xiàn)代摩天輪——芝加哥摩天輪(Ferris Wheel)建造以來，日本、英國等發(fā)達(dá)國家相繼建造了多座具有代表性的摩天輪，其中以英國的“倫敦之眼”(直徑135 m)最為著名。目前，中國也已建造了數(shù)個大型摩天輪結(jié)構(gòu)，如2004年在長沙建成了高120 m，直徑99 m的巨型摩天輪；2008年在天津建成的直徑110 m的慈海橋摩天輪；2009年建成的北京朝天輪高208 m，直徑193 m，是世界上摩天輪中直徑最大的。另外，2011年建成的常州紫荊公園“時來運(yùn)轉(zhuǎn)”摩天輪高89 m，鋼結(jié)構(gòu)總重約3 000 t，是當(dāng)時“世界最大、國內(nèi)唯一”的無軸式摩天輪。可見，摩天輪正朝著高度更高、直徑更大、形式更新穎的方向發(fā)展[1-3]。

1工程概況

濰坊濱海新區(qū)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)圍繞“母親河”——白浪河兩側(cè)重點打造公共空間與大型服務(wù)設(shè)施，形成一條景觀帶。這個項目是白浪河基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃的橋梁中最重要的一座橋梁，是開發(fā)區(qū)東西向溝通的紐帶，是景觀帶的核心，項目位置極其重要，它的建設(shè)是該地區(qū)整體規(guī)劃中不可分割的一部分。摩天輪特殊的結(jié)構(gòu)形式，使其施工技術(shù)和方法也具有特殊性和挑戰(zhàn)性，根據(jù)特定結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行具體分析是本工程必須面對的難題。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，國內(nèi)關(guān)于無軸式摩天輪結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和施工技術(shù)方面的研究較少。

工程由長540 m的跨河大橋和橋中央高138 m的無軸式摩天輪組成，創(chuàng)下了兩個世界第一，無軸式摩天輪中的世界第一高和“輪橋合一”中橋梁跨度最大、摩天輪最高的世界第一高度135 m，直徑125 m，橢圓十字節(jié)點989個，鋼結(jié)構(gòu)桿件2 961個，總用鋼量5 122 t。如圖1所示；超過世界著名的“倫敦眼”摩天輪(135 m)，高度在世界同類摩天輪中排名第一，是世界上最大的無軸式摩天輪[4-6]，摩天輪設(shè)置36個大型豪華轎廂，廂內(nèi)面積近8m2，12個乘客可以在艙內(nèi)隨意走動觀光，如圖2所示。

圖1　摩天輪效果圖

圖2　本質(zhì)安全轎廂

2轎廂設(shè)計理念

濰坊白浪河大橋摩天輪轎廂的面積(7.59 m2)較之“天津之眼”摩天輪(3.55 m2)、“南昌之星”摩天輪(3.55 m2)增大了一倍多，比“上海大轉(zhuǎn)盤”摩天輪(1.76 m2)更是增大了3倍還有余，這標(biāo)志著中國游樂業(yè)也開始裝備以高端大型轎廂為主要特征的高端巨型摩天輪，對中國游樂業(yè)而言，這是具有里程碑意義的重要事件。

為保證轎廂乘坐的舒適度，轎廂采用了目前世界上最先進(jìn)的伺服驅(qū)動技術(shù)，利用高精度的傳感器，不斷檢測轎廂地面的水平狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)誤差后即向計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出偏差信號，計算機(jī)系統(tǒng)收到偏差信號后，立即同時向二臺伺服電動機(jī)發(fā)出糾偏指令，二臺伺服電機(jī)隨即按指令要求，同步動作，對轎廂輸出糾偏扭力，如此循環(huán)往復(fù)，保證了轎廂地面在摩天輪整個運(yùn)動過程中，始終處與高水平的水平穩(wěn)定狀態(tài)。對乘客而言，完全是“如履平地”的感覺。這樣的乘坐感受，使濰坊摩天輪的乘坐舒適度達(dá)到了國際一流水準(zhǔn)。

摩天輪轎廂內(nèi)還采用了電動開啟自動門。電動門除具有很好的安全性外，還具有防夾緊等性能，是目前摩天輪轎廂中較為先進(jìn)的類型。

轎廂中還將設(shè)置冷暖空調(diào)設(shè)備，以保證乘客不管外部環(huán)境如何變化，都可以在適宜的溫度環(huán)境中乘坐摩天輪觀光游樂。轎廂中的基本設(shè)施還有：音響、視頻播放系統(tǒng)、對講機(jī)系統(tǒng)、滅火器等設(shè)備。具有卓越端面及徑向補(bǔ)償功能的多點驅(qū)動及控制技術(shù)；摩天輪的36個大型轎廂及相應(yīng)的輪系總共數(shù)百噸運(yùn)動荷載由總數(shù)達(dá)20套相互獨立的驅(qū)動單元驅(qū)動；每套驅(qū)動單元由變頻電動機(jī)直接帶動殼轉(zhuǎn)行星減速機(jī)及實芯摩擦輪組成，并配備了自動恒壓壓緊裝置；驅(qū)動系統(tǒng)對摩天輪運(yùn)動系統(tǒng)可能產(chǎn)生的誤差具有卓越的端面及徑向補(bǔ)償功能。

轎廂與驅(qū)動系統(tǒng):與傳統(tǒng)摩天輪結(jié)構(gòu)不同，白浪河摩天輪轎廂采用自驅(qū)系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)提供轎廂在固定的圓環(huán)鋼架上運(yùn)轉(zhuǎn)的推動力，初步考慮采用齒輪齒條傳動，基本做法是：在鋼環(huán)上敷設(shè)兩條軌道，軌道上帶齒條，轎廂上的驅(qū)動裝置的齒輪與軌道齒條嚙合，產(chǎn)生驅(qū)動力。

這種驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、傳動比精確、可靠性好、效率高、壽命長、功率大等特點。不足之處是嚙合傳動會產(chǎn)生噪聲，需要采取一定的減噪措施。 驅(qū)動采用分散動力方式，每個轎廂自帶獨立的動力裝置，在軌道上前后獨自運(yùn)行。方案結(jié)構(gòu)受力均勻、可靈活控制運(yùn)行。

驅(qū)動系統(tǒng)可按摩天輪不同狀態(tài)，靈活配置進(jìn)入工作狀態(tài)驅(qū)動單元的數(shù)量，所有驅(qū)動單元可以有計劃的實行輪流工作制，處于休閑狀態(tài)的驅(qū)動單元可進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，而不影響摩天輪的正常營運(yùn)。

轎廂采用懸掛式轎廂，在運(yùn)行過程中靠自身的重力保持平衡，并裝置伺服機(jī)構(gòu)使轎廂保持平穩(wěn)(天津摩天輪已經(jīng)成功應(yīng)用)。按目前方案的尺寸，每轎廂可承載約 10 人，乘客可在內(nèi)略微走動。根據(jù)需要轎廂橫斷面還可設(shè)計為圓形、橢圓形等。

3本質(zhì)安全設(shè)計

濰坊摩天輪轎廂設(shè)計的懸掛式與“倫敦眼”摩天輪的環(huán)抱式轎廂相比，除了具有明顯優(yōu)越的性價比外，還具有更加安全可靠的技術(shù)性能。這是因為本轎廂在伺服驅(qū)動系統(tǒng)失效的情況下，會自動恢復(fù)為懸掛狀態(tài)，不存在整個轎廂傾覆的危險,從基本原理上看屬“本質(zhì)安全型”，勝出“倫敦眼”的保障安全型一籌。

圖3　本質(zhì)安全轎廂

“倫敦眼”摩天輪轎廂屬環(huán)抱式支撐結(jié)構(gòu)，依靠伺服驅(qū)動系統(tǒng)保持轎廂地面的水平狀態(tài)，若驅(qū)動系統(tǒng)失靈轎廂地面將會發(fā)生傾斜甚至完全傾覆。屬依靠技術(shù)措施保證的“保障安全”型轎廂。而濰坊摩天輪轎廂設(shè)計的懸掛式轎廂在伺服驅(qū)動系統(tǒng)失效的情況下，會自動恢復(fù)為懸掛狀態(tài)，不存在整個轎廂傾覆的危險，從基本原理上看屬“本質(zhì)安全”型轎廂，如圖3所示。軌道、驅(qū)動裝置的安裝涉及到高空作業(yè)，精度控制困難，安裝難度大，如何保證每節(jié)軌道的完美貼合是施工的難點。轎廂需要安裝內(nèi)部空調(diào)、電液伺服自平衡系統(tǒng)和大面積的玻璃鋼。轎廂采用工廠加工后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，安裝時將軌道轉(zhuǎn)至最下面，每節(jié)轎廂在摩天輪底部安裝。軌道、驅(qū)動裝置及轎廂還應(yīng)做避雷處理，保證雷擊后摩天輪仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、保障乘客安全是一項技術(shù)難題。

4結(jié)束語

無軸式摩天輪的安全是保證36個大型轎廂，500多乘客，數(shù)百噸的運(yùn)動載荷，在一個直徑為125 m的垂直聳立的圓形鋼結(jié)構(gòu)軌道上，安全平穩(wěn)運(yùn)行，并且保證不會發(fā)生停止運(yùn)行，讓乘客滯留在高空的安全性是設(shè)計的主題。利用現(xiàn)有的設(shè)計理念，對濰坊摩天輪進(jìn)行本質(zhì)安全設(shè)計，在一定程度上保障了自行式超大型摩天輪轎廂安全性和舒適性，對后期類似工程設(shè)計提供一定的理論與實踐參考。

參考文獻(xiàn)

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[2]沈之容，王之宏. 上海之星摩天輪結(jié)構(gòu)方案分析[J]. 特種結(jié)構(gòu)，2006(23)：42-43.

[3]王小盾,石永久,王元清.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(3):30-35.

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[6]袁銀書，余沛，孫旭平,等.無軸式摩天輪安裝施工技術(shù)模擬分析研究[J]土木建筑與環(huán)境工程，2015.37:10-14.

Analysis and Research of no Shaft Wheel Capsules Intrinsically Safe Design

MA Jian-ning1,YU Pei2，YUAN Yin-shu3,SUN Xu-ping3

(1.Weifang Binhai Economic and technological Development Zone of Traffic Transport, Weifang 262737, Shandong Province, China; 2. Shangqiu Institute of Technology, Shangqiu 476000, Henan Province, China; 3. China Construction 6th Engineering Bureau Civil Engineering Co.,Ltd, Tianjin 300451, China)

Abstract:To weifang whitewater river bridge as the background, without shaft wheel capsules was studied, and analyzed the construction of the design concept of self-propelled super-large capsules on the wheel, compared with the traditional capsules on the wheel, self-propelled giant ferris wheel capsules on the degree of safety and comfort are better than ordinary capsules is relatively reasonable, pioneered in large luxury capsules, this paper proposes a high ferris wheel capsules without shaft type of intrinsically safe design method, to provide theoretical reference for similar projects.

Key words:No shaft; Very large wheel; Capsules. Intrinsically safe

中圖分類號：X924.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1009-3230(2016)03-0012-03

作者簡介：馬建寧(1978-)，男，工程師，從事道路、橋梁及水利相關(guān)方面的管理工作研究。

基金項目：商丘工學(xué)院青年基金項目(2015QKLX08)；住房城鄉(xiāng)建設(shè)部綠色施工科技示范工程(S42015026)

收稿日期：2016-01-18

修訂日期：2016-02-28

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.03.003