小型屋頂觀覽車有限元分析研究

張雅文

（中國煤炭科工集團上海有限公司，上海 200030）

觀覽車類游藝機是目前國內最高的大型游樂設施，是發達工業社會中美學與技術的結合產物，兼具了高層建筑和游樂設施的身份，既是游樂園的標志設備，也常常作為城市地標美化城市的天際線。區別于傳統地面建造觀覽車結構，建立在建筑屋頂的觀覽車結構在建筑結構設計、觀覽車選型與計算、主體制造與安裝方面均需要更高的設計要求，特別是在建筑與觀覽車相互作用領域。本文根據某小型屋頂觀覽車工程實例建立Midas Gen 有限元模型，通過極限風荷載、地震荷載、溫度荷載、雪荷載等多種工況下有限元分析研究觀覽車的結構響應，歸納出屋頂小型觀覽車應對不同載荷的敏感程度，為該類結構設計提供參考。

1 小型屋頂觀覽車模型

某小型屋頂觀覽車建于27m 高的建筑頂部，采用雙邊剛性立架支承體系、柔性輪輻、剛性支撐梁及滾道組合結構，共有15 個轎廂。觀覽車高度為29.8m，最高點高度為56.8m，主體結構全部采用Q355 鋼材。圖1 給出了觀覽車整體結構平面圖。

圖1 觀覽車結構平面與立面圖

觀覽車驅動滾道直徑為22.95m，轉盤外環為轎廂支撐架，采用三角形斷面鋼管結構。滾道盤與主軸軸承通過5 根支撐梁和20 根徑向布置的預應力輪輻索相連接。立架采用雙邊四立柱，作為輪盤的支撐結構傳遞輪盤水平與豎向荷載，并通過底部立柱將荷載傳遞至建筑基礎。輪盤的驅動系統布置于單側單根立柱邊腿底側靠近驅動滾道處，驅動系統對輪盤提供順輪盤向約束。正常運行時在環向輪盤不受約束，當橫向載荷對輪盤作用時，驅動限位裝置可對輪盤提供側向約束，表1 給出了觀覽車結構桿件選型。有限元模型采用Midas Gen 軟件建模，采用梁單元模擬立架、支撐梁和滾道的剛性結構，采用索單元模擬輪輻索，采用彈性連接模擬驅動結構作用力，結構構件采用剛性連接模擬連接關系。圖2 給出了觀覽車有限元模型。

圖2 觀覽車結構有限元模型

表1 結構桿件選型

2 小型屋頂觀覽車荷載分析

本工程觀覽車輪盤采用柔性輪輻索和剛性支撐梁、滾道的組合結構，拉索預應力是形成輪盤結構整體剛度和維持結合形態穩定性的重要條件。在組合輪盤結構中，應謹慎調整輪輻索的預應力大小，以免輪輻索和支撐梁因剛性不同，對內緣滾道產生相互對抗的作用力。

觀覽車設計基準為100 年，風荷載標準值按下式進行計算：

3 小型屋頂觀覽車模型有限元分析

在正常運行荷載組合下，觀覽車結構最大應力為62.81MPa，最大應力位于最高點轎廂軸處，計算安全系數為7.48，最大應力比為0.2 ＜1。在地震組合工況下，觀覽車最大應力為103.25MPa，最大應力位置在最高點轎廂軸處，最大應力比為0.249。溫度荷載包絡工況下，觀覽車最大應力為155.38MPa，最大應力位置在轎廂軸處，計算安全系數為1.1，應力比為0.511。覆冰荷載包絡工況下，觀覽車最大應力為156.93MPa，最大應力位置在轎廂軸處，安全系數為1.1，應力比為0.504。因輪盤缺乏平面外支撐，風荷載作用易造成結構平面穩定問題，故對觀覽車有限元模型進行屈曲分析，以研究結構穩定與結構強度極限。

表2 給出了極限工況下結構前四階穩定系數。觀覽車在極限工況下前4 階模態穩定系數均大于2，結構變形為平面外失穩，滿足結構穩定性要求。

表2 極限工況下結構前四階穩定系數

表3、表4 分別給出了觀覽車結構位移響應與零件疲勞計算統計。該觀覽車結構最大位移小于結構總高度的1/75，整體結構剛度滿足設計要求；重量零件疲勞安全系數均小于1.3，滿足疲勞容許要求。

表3 觀覽車結構最大位移匯總表

表4 觀覽車結構主要零件疲勞計算數據統計

4 結語

本文基于某小型屋頂觀覽車，建立Midas Gen 有限元模型對其進行結構分析，研究了各荷載工況下有限元模型的結構響應，并對其進行穩定性與疲勞分析以確保結構安全性。主要結論如下：（1）屋頂觀覽車受底部建筑物高度影響，風荷載高度變化系數與地面建造觀覽車相比取值更大，結構受風荷載影響更為明顯；考慮鞭梢效應，建議將地震荷載放大3 倍作用于觀覽車結構。（2）觀覽車與建筑通過立架、立柱相連接，結構設計時應考慮兩者相互作用，建議適當放大設計安全系數，并采用增加構件尺寸等方式降低極限工況下結構響應。（3）本文有限元分析方法可為屋頂觀覽車結構計算提供參考。