北京摩天轮的设计分析与思考.docx

北京摩天轮的设计分析与思考朱震宇 1120109166一、工程及结构概况北京朝天轮建于北京朝阳公园内，该摩天轮高208m，大轮由183 m，大轮轮辐采用钢索，为柔性轮辐，结构通透，外观新颖，是目前世界上最高的摩天轮。大轮上安装48个轿舱，每个轿舱设计载客40人，总设计载客1 920人。轿舱外型呈橄榄球形，为全封闭结构，舱内设备成独立系统，与主控室连接，轿舱随大轮同步逆向自转，以保证大轮转动时舱内地板始终水平。大轮运转速度为20分钟转，通过同步运行平台，保证大轮运转情况下游客登下舱。因此，该摩天轮也是世界上最先进的摩天轮。二、结构主要部件摩天轮由A架、斜拉索、轮轴、轮辐索、轮缘组成主体结构，整个摩天轮钢结构总重约6500t。A架：由4根双向倾斜的巨型圆管立柱组成，单根立柱直径5 m，上下两端成锥体收缩；单根立柱总长约115 m，重约750 。立柱底部采用球铰支座，顶部与轮轴采用销轴连接。斜拉索：为确保垂直于轮面的结构稳定，在A架两侧各设置了4根斜拉的稳定索，上下分别固定于A架顶部和地面锚墩上。轮轴：位于标高10825 m处，长约28 m，由轴心、轴承和轴套组成。轮轴两端支承于A架上，并设有供轮辐索连接的索盘，索盘外包直径达到6300mm。整个轮轴总重约800t左右。轮辐索：轮缘与轮轴之间采用了柔性的轮辐索体系，共设48根，每根索长约90m。轮缘：呈倒三角形桁架，截面高7.5m，宽9m，整个轮缘总重约2000t。三、设计分析与思考巨型摩天轮结构主要由轮盘、支撑系统和驱动系统等3部分组成。轮盘结构形式主要有刚性、柔性和刚柔相结合等形式。刚性结构形式是指轮盘全部采用桁架结构体系；柔性结构形式是指轮盘采用钢缆索体系；刚柔相结合形式是指轮盘结构以缆索为主并设置一定数量的桁架。北京摩天轮采用的就是柔性结构形式。柔性巨型摩天轮中刚性轮缘和柔性轮辐索的主要优势在于张紧的轮辐索为轮缘提供连续支撑，构成一个自平衡的体系而索内的拉力被转化为圆形轮缘内的环形压力，充分发挥了拉索材料高强抗拉的优点和圆形轮缘结构环向受压的特点在柔性巨型摩天轮结构中，竖向荷载包括恒载，活载，由轮缘通过轮盘下垂方向一定范围内的轮辐索传递至轴套；侧向荷载包括风载由全轮盘截面范围内受拉一侧的拉索传递至轴套这些荷载再经由辅套下的轴承传至轴芯，并由支撑轴芯的钢架柱传递至基础。在柔性巨型摩天轮结构中，竖向荷载包括轮箍和轿厢恒荷载、轿厢活荷载等，由轮缘通过轮盘下垂方向一定范围内的轮辐索传递至轴套，侧向荷载包括风荷载，由与轮盘面倾斜的全轮盘面轮辐索传递至轴套，其中绝大部分的风荷载由轮盘面迎风受拉一侧的轮辐索传递，这些荷载再经由轴套下的轴承传递轴心，并由支撑轴心的钢架柱传递至基础。轮盘结构作为一个自平衡的体系，可以简化为由三部分组成：承压的轮缘、预张拉的轮辐索、被径向张拉并承担扭矩的轴套。在预应力工况下，轮辐索中产生径向的均匀拉力，使封闭的轮缘圆环内均匀受压；在重力恒载和活载等竖向荷载的工况下，轮缘发生整体向下的位移，导致轮盘上半部分的轮辐索呈现“受压”状态，下半部分的轮辐索“受拉”；在垂直于轮盘方向的风荷载作用工况下，风荷载使得轮盘迎风面一侧的轮辐索“受拉”，背风面一侧的索“受压”，相应地，轮缘中的压力出现规律的增减。受垂直轮面的风荷载作用下，柔性巨型摩天轮轮盘的受力特性如下：轮缘总体受压，压力从上至下逐渐增加，而轮辐索的拉力也相应地从上至下逐渐变大。由于轮辐由高预拉力的轮辐索组成，预拉力抵消了重力和风荷载产生的压缩作用，有效地控制了轮盘的位移和变形，柔性轮盘的轮辐索在工作状态下总是处于受拉状态，极限状态下轮辐索会松弛失效，影响轮盘的受力性能。如果把轮辐索的预应力当做轮缘的外荷载，则轮缘结构即为承受均匀分布的径向荷载的圆弧拱，处于单纯受压状态，并且大小沿圆环相同。施加预应力和竖向自重恒载后，轮盘整体向下挠曲，由于顶部轮辐索索力最小，索对轮缘的支承较弱，底部索力最大，索对轮缘的支承较强，因此与轮盘结构的零状态相比，上半部轮缘下挠显著。轮缘主要处于受压状态，轮缘的次弯矩和跨中弯矩均很小，竖向恒载只是改变了轮缘中的压力变化规律，使得轮缘由均匀纯压状态转变为顶部受压小逐渐至底部受压大的规律变化受压状态。由索力变化规律可知，施加初始预拉力后的轮盘继续承受轮盘自身竖向恒荷载作用下，轮辐索的索力将呈正弦或余弦函数形式沿轮盘周期地变化，索力的平均值为初始预拉力。因此假设变化后的轮辐索索力为索力，为轮辐索的预拉力，为轮辐索与上半轮盘0竖直线的夹角g为轮缘隔离体的重力恒荷载，k为常数。轮缘隔离体去各计算轮辐索附近的一节轮缘。 ，代入上式求得k=2按照北京摩天轮的轮辐索布置方案，摩天轮结构自重约7700t；节点板与减震器重量简化为节点荷载，外轮961.5t=144t，内轮481.25t=60t；客舱自重481.8t=86.4t。取初始预拉力=3300kN，轮辐索数n=48，弧度角为/24的轮缘隔离体重量g=1632kN。计算得到，施加预拉力和自重荷载作用下，轮盘顶部和底部的轮辐索索力分别为32kN，6564kN。最大应力为707Nmm2，仍小于极限应力1670Nmm2，设计满足要求。当刹车力产生作用时，外轮缘直接把外轮缘直接把刹车力传给组成轮缘刚性桁架结构的其他构件。由于轮腹杆的截面尺寸较小，因此轮腹杆对刹车力的变化最敏感。所以刹车力变化时，轮腹杆的安全系数降低最多，其次为轮辐索，外轮缘的安全系数下降幅度较小。轮辐索分析表明：索的预应力大小分布直接影响到轮缘的变形、受力特性和结构整体性能，而轮辐索的内力又受到轮缘刚度影响并且沿轮缘周边变化；索采用的预应力水平应保证索