摩天輪結(jié)構(gòu)分析以及風(fēng)荷載下的受力分析

1、摩天輪結(jié)構(gòu)分析以及風(fēng)荷載下的受力分析【摘要】：以摩天輪為例，建立力學(xué)受力模型 ，分析摩天輪各部分受力以及強(qiáng)度條件對材料的選擇，以及在幾種風(fēng)速作用下對摩天輪的受力分析，判斷停運風(fēng)速?！娟P(guān)鍵詞】：摩天輪 結(jié)構(gòu)分析 風(fēng)荷載 穩(wěn)定性1. 摩天輪的簡單介紹：摩天輪是一種大型轉(zhuǎn)輪狀的機(jī)械建筑設(shè)施。摩天輪游藝機(jī)是目前國內(nèi)外最高大，最壯觀的超大型游樂設(shè)施。通常也是游樂場所的標(biāo)志性設(shè)備，作為繞水平軸旋轉(zhuǎn)的觀賞車類游藝機(jī)，其設(shè)備機(jī)體龐大，結(jié)構(gòu)宏偉造型美觀舒適，并具有集觀賞及美化觀景和游人乘坐于一體的功能，目前世界上著名的摩天輪有“倫敦眼”、“南昌之星”。圖1 倫敦眼圖2 南昌之星2. 摩天輪的主要結(jié)構(gòu)（以本文所采

2、用的北京朝陽公園摩天輪為例）：摩天輪結(jié)構(gòu)主要由輪緣，輪輻鎖，輪軸，輪轂，A型塔架已經(jīng)拱形桁架組成。整個結(jié)構(gòu)示意如圖3所示：輪緣分內(nèi)外兩層，內(nèi)輪緣桿件為130*20鋼管。外輪緣桿件為圓管與方鋼管組合截面660*30+HW400*400，內(nèi)外輪緣之間為 空間三角桁架，48個座艙通過支撐連接在外輪緣。內(nèi)輪與輪轂之間通過鋼索盤由四十根140鋼索交錯連接。輪軸為2250*300的鑄鋼件。整個摩天輪由A型支架支撐另有2*4根120穩(wěn)定索作為摩天輪的穩(wěn)定支撐。桁架拱為摩天輪提供側(cè)向支撐，支撐驅(qū)動和導(dǎo)向系統(tǒng)以及作為防暴風(fēng)固定裝置。構(gòu)件截面型號以及材料如表1.引用自北京摩天輪設(shè)計驗算與分析輪盤主要形式有剛性，柔

3、性和剛?cè)嵯嘟Y(jié)合等形式。剛性結(jié)構(gòu)形式是指輪盤全部采用桁架結(jié)構(gòu)體系；柔性結(jié)構(gòu)是指輪盤采用鋼纜索體系；剛?cè)嵯嘟Y(jié)合體系是指輪盤結(jié)構(gòu)以纜索為主并設(shè)置一定數(shù)量的桁架。隨著高強(qiáng)度纜索的發(fā)展與應(yīng)用，為了使結(jié)構(gòu)外觀輕盈，現(xiàn)多采用剛纜索體系以及纜索和桁架相結(jié)合的體系，例如“倫敦眼”和“新加坡飛輪”等摩天輪。柔性巨型摩天輪中剛性輪緣和柔性輪輻索的主要優(yōu)勢在于張緊的輪輻索為輪緣提供連續(xù)支撐構(gòu)成一個自平衡的體系，而索內(nèi)的拉力被轉(zhuǎn)化為圓形輪緣內(nèi)的環(huán)形拉力，充分發(fā)揮了拉鎖材料高強(qiáng)抗拉的優(yōu)點和圓形輪緣結(jié)構(gòu)環(huán)向受壓的特點。在柔性巨型摩天輪的結(jié)構(gòu)中，豎向荷載包括恒載，活載，由輪緣通過輪盤下垂方向一定范圍內(nèi)的輪輻索傳遞至軸套，這些

4、荷載再經(jīng)由軸套的下軸承船只軸芯，并由支撐軸芯的鋼架柱傳遞至基礎(chǔ)。輪緣為空間三角桁架結(jié)構(gòu)，主要包括一根內(nèi)輪緣弦桿，兩根外輪緣弦桿，輪緣間斜腹桿，外輪緣橫撐桿和外輪緣斜撐桿，矯廂支架與輪緣相連接，柔性巨型摩天輪的結(jié)構(gòu)圖如圖3圖3預(yù)應(yīng)力拉索的引入使得柔性巨型摩天輪結(jié)構(gòu)具有明顯的非線性特征，初始態(tài)預(yù)應(yīng)力決定了結(jié)構(gòu)受力性，又輻射狀拉索和立體桁架組成的輪盤機(jī)構(gòu)提供了強(qiáng)大的抗側(cè)和抗扭鋼度，柔性巨型摩天輪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能良好，塑性發(fā)展機(jī)制理想，最終破壞表現(xiàn)為強(qiáng)度破壞，彈塑性極限 承載能力比較大，能滿足摩天輪正常運行和暴風(fēng)狀態(tài)的要求。3 摩天輪的結(jié)構(gòu)分析對于桁架部分采用架單元，由于輻條只承受軸向拉伸，因此采用桿單

5、元進(jìn)行模擬，輪轂采用殼單元將所有單元看做彈塑性材料，彈性模量為 206*100000000KPa。泊松比為 0.3.材料的屈服極限為2235000kpa.影響 整體穩(wěn)定穩(wěn)定性的因素主要有預(yù)應(yīng)力，恒載荷次之，風(fēng)載荷和其他形式的活載荷。當(dāng)結(jié)構(gòu)開始加載時輪輻索和 穩(wěn)定索軸力較小 剛性較低，但剛性結(jié)構(gòu)的剛度大，結(jié)構(gòu)整體剛度也大。4：纜索預(yù)應(yīng)力分析摩天輪的自重導(dǎo)致上半部分輪輻索拉力減少，下半部分輪輻索拉力增加；風(fēng)荷載導(dǎo)致迎風(fēng)面的輪輻索拉力 增加，背風(fēng)面的輪輻索拉力減少，在僅考慮初始預(yù)應(yīng)力的作用下輪輻索中的拉力均勻的增加到初始態(tài)張拉值。因此正常狀態(tài)下，輪輻索的內(nèi)力分布大體上是從0度 到 180度 逐漸增大

6、。輪輻索和 輪緣構(gòu)件的受力 形態(tài)如圖 4所示。圖中t表示拉力c表示壓力。圖 45 各種荷載的影響5.1恒荷載(DL)摩天輪結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算，約7 700 t；節(jié)點板與減震器重量簡化為節(jié)點荷載，外輪96×15 t=144 t，內(nèi)輪48×125 t=60 t；客艙自重48×18 t=864 t。 5.2活荷載(LL)客艙乘客自重075 kN人，40人客艙。5.3預(yù)應(yīng)力(PS)輪輻拉索3 800 kN，平衡拉索3 000 kN。5.4風(fēng)荷載(WL)北京地區(qū)100年一遇基本風(fēng)壓W。=0.5kNm2，作用于摩天輪的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為Wk=BuuWo將風(fēng)壓按結(jié)構(gòu)高度分為4個

7、區(qū)間(區(qū)問劃分如圖5)，每個區(qū)間按最高處計算得到的基本風(fēng)壓值施加于結(jié)構(gòu)。摩天輪正常工作極限風(fēng)速為V=15 ms，對應(yīng)的風(fēng)壓為W。，=014 kNm2，考慮到結(jié)構(gòu)的重要性和特殊性，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為W。=018 kNm2，用于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)結(jié)構(gòu)的位移驗算，分別按0。，90。和450風(fēng)向角計算。圖5在有X向風(fēng)荷載時，結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在摩天輪的頂端，將使摩天輪本身受X向水平荷載作用發(fā)生相對 于軸部的位移和輪軸本身的水平荷載作用下的位移。同時按照國家規(guī)定，游藝系統(tǒng)運行的最大風(fēng)速為15m/s，相當(dāng)于基本風(fēng)壓0.141KN/m。運行時的風(fēng)壓與基本風(fēng)壓的比值為0.282。90度方向的風(fēng)荷載即垂直于大輪面的風(fēng)。計算結(jié)果表明，0攝氏度大風(fēng)產(chǎn)生的應(yīng)力是0攝