覆冰荷載對柔性巨型摩天輪結構的影響

王詩柔，徐　偉，侯　娜，王文靜，孫　麗

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

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覆冰荷載對柔性巨型摩天輪結構的影響

王詩柔1，徐偉1，侯娜2，王文靜1，孫麗1

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

摘要：摩天輪冬季運行時結構經常會出現覆冰現象，考慮到覆冰荷載對結構的影響，對柔性巨型摩天輪結構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構進行的分析驗算結構表明結構在覆冰荷載作用下的強度、變形及穩定性均符合規范要求，具有較好的參考價值。

關鍵詞：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，是一種大型轉輪狀的機械建筑設施，乘客可以坐在轉盤周邊的座箱內，隨座艙繞水平軸慢速回轉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，世界范圍內便掀起了摩天輪的建造高潮，結構型式經歷了全桁架剛性體系—剛柔混合支承結構體系—柔性輪輻索支承結構體系[1]。目前高度超過100 m的摩天輪以轉盤輪輻索應用鋼索體系為主，如正在運營的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”等摩天輪結構。此種柔性巨型摩天輪冬季是否可以運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行非線性靜力分析計算，得出結構在覆冰荷載作用下的強度、變形及穩定性，從而判斷在適當厚度的覆冰載荷作用下可以冬季正常運行摩天輪。

1　結構體系

本文所計算的摩天輪高190 m，回轉直徑180 m，主要由支承柱系統、輪軸系統、轉盤、56個座艙及驅動和導向系統組成。荷載包括永久荷載、覆冰荷載、鋼索預應力、風荷載、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，經支承柱傳遞至基礎，摩天輪的運轉由驅動和導向系統控制。由于摩天輪結構和載荷形式十分復雜，難以用解析法計算其力學性能，為保證設計方案滿足行業規定的安全標準，本文使用ANSYS對摩天輪結構進行了6種工況的模擬分析，使設計方案盡量節約材料，同時又能滿足行業標準所要求的安全系數。

2　荷載計算及荷載工況

根據游樂設施安全規范[2]，應考慮的載荷有：永久荷載-自重、活荷載-乘客、驅動力、風荷載。根據觀覽車類游藝機通用技術條件[3]可知，直徑不小于80 m超大型觀覽車，整機構件的活荷載計算應適當考慮覆冰荷載。

根據高聳結構設計規范[4]，基本覆冰厚度根據當地離地10 m高度處的觀測資料，取統計50年一遇的最大覆冰厚度為標準。高聳塔架類似結構設計時，應考慮結構構件覆冰后引起的荷載及擋風面積增大的影響，此次計算覆冰厚度保守取值10 mm.

2.1圓截面覆冰荷載

根據高聳結構設計規范[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為圓截面的構件的直徑（mm）；α1為與構件直徑有關的覆冰厚度修正系數；α2為覆冰厚度的高度遞增系數。

對覆冰厚度的高度遞增系數離地面高度10~100 m數據做二次多項式回歸：

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

摩天輪除圓截面構件外，還包括座艙等非圓截面構件。參考高聳結構設計規范[3]，非圓截面構件的覆冰荷載qa的計算公式：

式中：qa為單位面積上的覆冰荷載（kN/m2）。

3　覆冰載荷結構分析

3.1單元信息

本次分析中根據不同的結構類型分別采用不同的單元類型，支承柱采用Shell 181單元，轉盤桁架采用Beam 188，座艙質量采用Mass 21，輪軸采用Shell 181/Link 188，輪輻鋼索采用Link 188，驅動和制動裝置采用Combination14 mm.

3.2計算分析方法

柔性摩天輪結構屬于游藝設施，應分別按照正常運行狀態和非工作狀態進行結構分析計算[5]。在非線性靜力分析、初始狀態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非線性。在進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艙支撐桿上，方向為豎直向下。驅動力和制動力用彈簧元的模擬來施加到有限元的模型上，根據驅動力的大小設計彈簧元的剛度，使驅動力與實際一致，方向為沿轉盤外沿切線方向。風載荷以力的方式根據不同高度風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個旋轉共6個自由度方向的全約束，同樣側支承柱底端施加3個位移，3個旋轉共6個自由度方向的全約束。在轉盤支承軸和支承柱之間采用剛性區域的方式連接。

3.5不同厚度冰荷載工況分析

3.5.11/4滿載+Z向風載 +10 mm冰荷載工況應力分析[4]

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

圖1　1/4滿載+Z向風載+覆冰載荷工況下應力云圖及變形圖

3.5.21/4滿載+Z向風載 +30 mm冰荷載工況應力分析[4]

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

圖2　1/4滿載+Z向風載工況下應力云圖及變形圖

4　摩天輪結構計算結果

根據結構正常使用極限狀態，施加相同的初始預應力939 kN和各種工況組合驗算各部件結構安全系數。限于篇幅，僅列出部分主要結果，見表1控制載荷組合下結構安全系數。

表1　控制載荷組合下結構安全系數

5　結束語

通過鋼索施加相同的初始預應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的覆冰載荷對結構的影響更大，此時側支承柱強度的安全系數已不滿足游樂設施安全規范的要求，解決方法為進一步提高鋼索的初始預應力來提高轉盤結構的剛度，從而使各部件的結構安全系數滿足要求。除此工況，從輪輻索的受力到摩天輪鋼結構的應力以及剛度分析來看，變化范圍在5%以內，屬于工程范圍內的可以忽略的范圍值，因此適當厚度的覆冰載荷作用下可以正常運行摩天輪。

參考文獻：

[1]王小盾，石永久，王云清.摩天輪結構及其工程應用研究[J].建筑科學與工程學報，2005，22（3）:30.

[2]GB8408-2008，游樂設施安全規范[S].

[3]GB18164-2008，觀覽車類游藝機通用技術條件[S].

[4]GB50135-2006，高聳結構設計規范[S].

中圖分類號:TU312.1

文獻標識碼：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：結構分析及優化設計。

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