摩天輪雪載荷影響分析

徐　偉，王文靜，王詩柔，姜海波，王盼盼

（1.大連益利亞工程機械有限公司，遼寧大連116023；2.大連益網科技有限公司，遼寧大連116023）

摩天輪雪載荷影響分析

徐偉1，王文靜1，王詩柔1，姜海波1，王盼盼2

（1.大連益利亞工程機械有限公司，遼寧大連116023；2.大連益網科技有限公司，遼寧大連116023）

通常情況下積雪存在的時候是不允許運行摩天輪的，但積雪對運行摩天輪的影響并不清楚。針對這一現象進行積雪載荷的影響分析，通過ansys仿真模擬運行與非運行摩天輪時的對比，并根據積雪帶來的其它影響進行分析，確定積雪時候仍然可以運行摩天輪。

摩天輪；積雪載荷；ansys仿真分析

摩天輪［1］一般是-10℃～40℃應用，在北方的冬天，這個溫度下經常會有積雪，積雪情況下，要求摩天輪停止運行，需積雪清除后方可繼續運行。實際上，由于運營商購買摩天輪成本很高，現在存在的大部分出名的摩天輪的基本購買價格都上億，所以運營商很想在不影響結構、安全的情況下盡量讓摩天輪運行。

本文采用ansys軟件對積雪載荷對摩天輪結構的影響進行對比分析后，又通過積雪融化后的裹冰載荷進行分析，確定積雪載荷對摩天輪結構的實際影響。

1　積雪載荷計算

根據文獻［2］規定，在靜止狀態下應能承受雪載荷，積雪厚度不超過80mm時，施加在游樂設施總體表面上的雪載荷，按照0.2 kN/m2的雪壓進行計算。如果積雪厚度超過80mm，其載荷計算方法參照文獻［3］規定執行。根據文獻［3］表E.5和圖E.6.1數據［4］，新疆、西藏的高海拔山區和山口地區除外，內蒙古及西藏牧場地區除外，我國中東部個別高海拔山峰除外，我國內陸地區50年一遇積雪的雪壓小于0.8 kN/m2.

雪載荷標準值按下式計算：

Sk=μrSO

式中：

Sk為雪載荷標準值（kN/m2）；

μr為積雪分布系數；

SO為基本雪壓，取0.8 kN/m2；

因此圓管的雪載荷標準值為：

Skg=μrSO=1×0.8＝0.8 kN/m2

由于有限元中模型都是梁單元建立管，所以不同管的直徑其線載荷也不一樣，根據下式計算積雪尺寸

r=0.866 R

式中：R為圓管的外直徑。

根據不同管的直徑可以計算出各管承受的線載荷如表1所示。

表1　各圓管結構承受的雪載荷

計算時還包括其它載荷：結構自重、乘客的重量以及驅動力。

2　摩天輪積雪載荷ansys分析

（1）摩天輪有限元基本模型如圖1（a），尺寸如圖1（b），應用軟件ansys14.5，支承柱采用Shell 181板殼單元建立，轉盤采用Beam 188梁單元建立，輪輻索采用Link 188桿單元建立，轉盤支承軸采用Shell 181、Beam 188混合單元建立，驅動和制動采用Combination14單元建立。

圖1　摩天輪有限元模型與二維尺寸圖

（2）積雪情況下不運行摩天輪

空載工況下雪載荷計算結果如圖2（a）所示，最大應力為137.3 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105.6 MPa，位置在主支承柱頂端，如圖2（c）所示，轉盤最大應力為119.7 MPa，轉盤整體受力如圖2（d）所示，最大鋼絲繩拉力為910.4 kN.

圖2　50年一遇雪載荷非運行工況下應力云圖及變形圖

（3）積雪情況下運行摩天輪

偏載工況下雪載荷計算結果如圖3（a）所示，最大應力為137.3 MPa，位置在側支承柱底端，其最大應力位置如圖3（d），主支承柱的最大應力為105.2 MPa，位置在主支承柱頂端，如圖3（c）所示，轉盤最大應力為119.3 MPa，轉盤整體受力如圖3（d）所示，最大鋼絲繩拉力為914.8 kN．

圖3　50年一遇雪載荷運行工況下應力云圖及變形圖

通過上述兩個典型工況計算可以看出，在積雪存在的情況下有乘客和沒有乘客，其應力基本等于沒有變化，變形基本沒有變化，鋼絲繩力增加了0.5%，因此認為如果積雪情況下無乘客符合《游樂設施安全規范》工作時的安全要求，那么摩天輪可以工作。

3　后續計算

雖然積雪情況下可以進行工作，但是如果積雪不進行清掃直接進行運行會有后續的情況發生，即當氣溫升高，積雪融化，沒有及時清理就會出現裹冰，在這種情況下，對摩天輪進行計算。

由于圖3中計算的積雪載荷按厚度計算認為是320 mm的積雪，那么化成冰，認為裹冰載荷為10 mm，則計算結果如圖4（a）所示，最大應力為130.9 MPa，位置在側支承柱底端，其最大應力位置如圖4（b），主支承柱的最大應力為104.4 MPa，位置在主支承柱頂端，如圖4（c）所示，轉盤最大應力為121.4 MPa，轉盤整體受力如圖4（d）所示，最大鋼絲繩拉力為923.2 kN.

圖4　滿載加冰載荷工況下應力云圖及變形圖

將計算結果匯總至表2所示，從表中可以看出冰載荷情況下，轉盤的應力比雪載荷情況下的大1.4%，鋼絲繩最大拉力大1.4%，從工程上看這些差值是可以忽略的。

表2　計算結果對比表

4　結束語

根據計算可以得出，如果在無人乘坐的摩天輪上積雪產生的應力、位移以及鋼絲繩的拉力符合工作狀態下的安全要求，滿足安全系數，那么在此積雪情況下可以進行人員乘坐，同時即使積雪在氣溫高的情況下融化，那么融化后的裹冰載荷仍然滿足工作條件，所以摩天輪可以運行。

本論文采用的比較大的積雪載荷進行計算，并且此計算不能適合任何摩天輪，因此在針對不同的摩天輪應針對實際情況限制積雪載荷的厚度，不能無限制運行。

［1］GB18164-2008，《觀覽車類游藝機通用技術條件》［S］.

［2］GB8408-2008，游樂設施安全規范［S］.

［3］GB50009-2012，建筑結構載荷規范［S］.

［4］GB50135-2006，高聳結構設計規范［S］.

Effects Analysis of Snow Load on Ferris Wheel

XUWei1，WANGWeng-jing1，WANG Shi-rou1，JANG Hai-bo1，WANG Pan-pan2
（1.DaLian YILIYA Construction Machinery Co..ltd，Dalian Liaoning 116023，China；2.DalianYiWang Technology Co..ltd，Dalian Liaoning 116023，China）

Usually it is not allowed to run the ferris wheel in snowy day.But how much effect does the snow load has on running ferris wheel.In this article it is analyzed about snow load in view of this phenomenon.The comparison between the running of the wheel and the non-running wheel ismade by ANSYS simulation.And it is analyzed according to the other effects of the snow.Ferriswheel can still run when there is snow load.

ferriswheel；snow load；ansys simulation analysis

TU312.1

A

1672-545X（2016）05-0086-03

2016-02-02

徐偉（1984-），男，遼寧鞍山人，本科，工程師，研究方向：機械設計及優化分析。