摩天轮结构分析以及风荷载下的受力分析

摩天轮结构分析以及风荷载下的受力分析摩天轮结构分析以及风荷载下的受力分析 摘要摘要 以摩天轮为例 建立力学受力模型 分析摩天轮各部分受力以及强 度条件对材料的选择 以及在几种风速作用下对摩天轮的受力分析 判断停运 风速 关键词关键词 摩天轮 结构分析 风荷载 稳定性 1 摩天轮的简单介绍 摩天轮是一种大型转轮状的机械建筑设施 摩天轮游艺机是目前国内外最 高大 最壮观的超大型游乐设施 通常也是游乐场所的标志性设备 作为绕水 平轴旋转的观赏车类游艺机 其设备机体庞大 结构宏伟造型美观舒适 并具 有集观赏及美化观景和游人乘坐于一体的功能 目前世界上著名的摩天轮有 伦敦眼 南昌之星 图 1 伦敦眼 图 2 南昌之星 2 摩天轮的主要结构 以本文所采用的北京朝阳公园摩天轮为例 摩天轮结构主要由轮缘 轮辐锁 轮轴 轮毂 A 型塔架已经拱形桁架组 成 整个结构示意如图 3 所示 轮缘分内外两层 内轮缘杆件为 130 20 钢管 外轮缘杆件为圆管与方钢管组合截面 660 30 HW400 400 内外轮缘之间为 空 间三角桁架 48 个座舱通过支撑连接在外轮缘 内轮与轮毂之间通过钢索盘由 四十根 140 钢索交错连接 轮轴为 2250 300 的铸钢件 整个摩天轮由 A 型支架 支撑另有 2 4 根 120 稳定索作为摩天轮的稳定支撑 桁架拱为摩天轮提供侧向 支撑 支撑驱动和导向系统以及作为防暴风固定装置 构件截面型号以及材料 如表 1 引用自 北京摩天轮设计验算与分析 轮盘主要形式有刚性 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 柔性结构是指轮盘采用钢缆索体系 刚柔相结合体系 是指轮盘结构以缆索为主并设置一定数量的桁架 随着高强度缆索的发展与应用 为了使结构外观轻盈 现多采用刚缆索体 系以及缆索和桁架相结合的体系 例如 伦敦眼 和 新加坡飞轮 等摩天轮 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 形拉力 充分发挥了拉锁材料高强抗拉的优点和圆形轮缘结构环向受压的特点 在柔性巨型摩天轮的结构中 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 这些荷载再经由轴套的下轴承船只 轴芯 并由支撑轴芯的钢架柱传递至基础 轮缘为空间三角桁架结构 主要包 括一根内轮缘弦杆 两根外轮缘弦杆 轮缘间斜腹杆 外轮缘横撑杆和外轮缘 斜撑杆 矫厢支架与轮缘相连接 柔性巨型摩天轮的结构图如图 3 图 3 预应力拉索的引入使得柔性巨型摩天轮结构具有明显的非线性特征 初始 态预应力决定了结构受力性 又辐射状拉索和立体桁架组成的轮盘机构提供了 强大的抗侧和抗扭钢度 柔性巨型摩天轮结构稳定 性能良好 塑性发展机制 理想 最终破坏表现为强度破坏 弹塑性极限 承载能力比较大 能满足摩天轮 正常运行和暴风状态的要求 3 摩天轮的结构分析 对于桁架部分采用架单元 由于辐条只承受轴向拉伸 因此采用杆单元进 行模拟 轮毂采用壳单元将所有单元看做弹塑性材料 弹性模量为 206 KPa 泊松比为 0 3 材料的屈服极限为 kpa 影响 整体稳定稳定性的因素主要有预应 力 恒载荷次之 风载荷和其他形式的活载荷 当结构开始加载时轮辐索和 稳 定索轴力较小 刚性较低 但刚性结构的刚度大 结构整体刚度也大 4 缆索预应力分析 摩天轮的自重导致上半部分轮辐索拉力减少 下半部分轮辐索拉力增加 风荷载导致迎风面的轮辐索拉力 增加 背风面的轮辐索拉力减少 在仅考虑初 始预应力的作用下轮辐索中的拉力均匀的增加到初始态张拉值 因此正常状态 下 轮辐索的内力分布大体上是从 0 度 到 180 度 逐渐增大 轮辐索和 轮缘 构件的受力 形态如图 4 所示 图中 t 表示拉力 c 表示压力 图 4 5 各种荷载的影响 5 1恒荷载 DL 摩天轮结构自重由程序自动计算 约7 700 t 节点板与减震器重量简化为节点荷载 外轮96 1 5 t 144 t 内轮48 1 25 t 60 t 客舱自重48 1 8 t 86 4 t 5 2活荷载 LL 客舱乘客自重0 75 kN 人 40人 客舱 5 3预应力 PS 轮辐拉索3 800 kN 平衡拉索3 000 kN 5 4风荷载 WL 北京地区 100 年一遇基本风压 W 0 5kN m2 作用于摩天轮的风荷载标准值为 Wk BuuWo 将风压按结构高度分为4个区间 区问划分如图5 每个区间按最高处计算 得到的基本风压值施加于结构 摩天轮正常工作极限风速为V 15 m s 对应的 风压为W 0 14 kN m2 考虑到结构的重要性和特殊性 风荷载标准值取 为W 0 18 kN m2 用于正常运转状态结构的位移验算 分别按0 90 和 450风向角计算 图 5 在有 X 向风荷载时 结构最大位移出现在摩天轮的顶端 将使摩天轮本身 受 X 向水平荷载作用发生相对 于轴部的位移和轮轴本身的水平荷载作用下的位 移 同时按照国家规定 游艺系统运行的最大风速为 15m s 相当于基本风压 0 141KN m 运行时的风压与基本风压的比值为 0 282 90 度方向的风荷载即垂 直于大轮面的风 计算结果表明 0 摄氏度大风产生的应力是 0