覆冰载荷对柔性摩天轮结构的影响

覆冰荷载对柔性巨型摩天轮结构的影响摘要：摩天轮冬季运行时结构经常会出现覆冰现象，考虑到覆冰荷载对结构的影响，本文对柔性巨型摩天轮结构体系在覆冰荷载不同组合工况下采用非线性静力分析计算。采用ANSYS有限元软件对摩天轮结构进行的分析验算结构表明结构在覆冰荷载作用下的强度、变形及稳定性均符合规范要求，具有较好的参考价值。关键词：柔性巨型摩天轮；覆冰荷载，有限元分析IceloadeffectsonflexiblegiantferriswheelstructureAbstract：Ferriswheelstructureoftentakeswithicephenomenoninrunninginwinter,consideringtheinfluenceoficeloadonstructures,Thegeneralsituation,thefflexiblegiantferriswheelstructuresystemundericeloadcaseanddifferentcombinationconditionsarepresentedusingnonlinearstaticanalysisandcalculationinthispaper,.ThestructuremodelwasbuiltwithANSYSfiniteelementsoftwareandanalysisofthestructurecalculationshowthatthestrengthofthestructureundericeload,deformationandstabilityofallconformtotherequirementsofthespecification,Theresulthasgoodreferencevalue.Keywords:flexiblegiantFerriswheel；iceloadfiniteelementanalysis1引言摩天轮又称巨型观览车，是一种大型转轮状的机械建筑设施，乘客可以坐在转盘周边的座箱内，随座舱绕水平轴慢速回转从高处俯瞰四周景色。自从1893年在美国芝加哥建成第一座摩天轮后，世界范围内便掀起了摩天轮的建造高潮，结构型式经历了全桁架刚性体系一刚柔混合支承结构体系一柔性轮辐索支承结构体系⑴。目前高度超过100m的摩天轮以转盘轮辐索应用钢索体系为主，如正在运营的135m直径的“伦敦眼”摩天轮、110m直径天津慈海桥摩天轮、163m直径新加坡“飞行者”摩天轮及167m直径美国拉斯维加斯“豪客”等摩天轮结构。2结构体系本文所计算的摩天轮高190m，回转直径180m，主要由支承柱系统、轮轴系统、转盘、56个座舱及驱动和导向系统组成。荷载包括永久荷载、覆冰荷载、钢索预应力、风荷载、雪荷载及乘客活荷载等⑵，由轮缘通过轮盘的轮辐索传递至轮轴系统，经支承柱传递至基础，摩天轮的运转由驱动和导向系统控制。由于摩天轮结构和载荷形式十分复杂，难以用解析法计算其力学性能，为保证设计方案满足行业规定的安全标准，本文使用ANSYS对摩天轮结构进行了6种工况的模拟分析，使设计方案尽量节约材料，同时又能满足行业标准所要求的安全系数。3荷载计算及荷载工况根据游乐设施安全规范⑵，应考虑的载荷有：永久荷载-自重、活荷载-乘客、驱动力、风荷载。根据观览车类游艺机通用技术条件［4］可知，直径不小于80m超大型观览车，整机构件的活荷载计算应适当考虑覆冰荷载。根据高耸结构设计规范⑶，基本覆冰厚度根据当地离地10m高度处的观测资料，取统计50年一遇的最大覆冰厚度为标准。高耸塔架类似结构设计时，应考虑结构构件覆冰后引起的荷载及挡风面积增大的影响，此次计算覆冰厚度保守取值10mm。3.1圆截面覆冰荷载根据高耸结构设计规范⑶，圆截面单位长度上的覆冰荷载为：qt=7ibara2{d+ba^^y-10-6式中：错误！未找到引用源。一一单位长度上的覆冰荷载（错误！未找到引用源。）；b 基本覆冰厚度（mm），取值10mm；d——圆截面的构件的直径（mm）；错误！未找到引用源。一一与构件直径有关的覆冰厚度修正系数错误！未找到引用源。——覆冰厚度的高度递增系数；对覆冰厚度的高度递增系数离地面高度10〜100m数据做二次多项式回归：a2=-7.778XIO-5Xh2+0.01967X万+0.8111式中：h 离地面高度（m）。错误！未找到引用源。一一覆冰重度，取值错误！未找到引用源。。3.2非圆截面覆冰荷载摩天轮除圆截面构件外，还包括座舱等非圆截面构件。参考高耸结构设计规范⑶，非圆截面构件的覆冰荷载错误！未找到引用源。的计算公式：qa=0.6ba2y-10-3式中：错误！未找到引用源。——单位面积上的覆冰荷载（错误！未找到引用源。）。4覆冰载荷结构分析4.1单元信息本次分析中根据不同的结构类型分别采用不同的单元类型，支承柱采用Shell181单元，转盘桁架采用Beam188，座舱质量采用Mass21，轮轴采用Shell181/Link188，轮辐钢索采用Link188，驱动和制动装置采用Combination14mm。整体模型如图4-1所示，转盘局部模型如4-2所示。图4-1摩天轮整体模型 图4-2转盘局部模型4.2计算分析方法柔性摩天轮结构属于游艺设施，应分别按照正常运行状态和非工作状态进行结构分析计算⑸。在非线性静力分析、初始状态张拉分析和几何非线性屈曲分析中，假定材料为弹性，只计及几何非线性和支承条件变化引起的状态非线性。在进行弹塑性极限承载力分析时，考虑几何、材料以及支承条件变化引起的所有非线性因素。4.3荷载施加方法永久荷载在有限元中施加的方式是加速度的方式，在原有模型的重量基础上均布增加到实际重量，即改变各部件的加速度以使各部件的重量与实际重量相符，方向为数值向下。活荷载在有限元中施加的方式是以集中力的形式加在座舱中心位置，然后均布在四个回转舱支撑杆上，方向为竖直向下。驱动力和制动力与弹簧元的模拟来施加到有限元的模型上，根据驱动力的大小设计弹簧元的刚度，使驱动力与实际一致，方向为沿转盘外沿切线方向。风载荷以力的方式根据不同高度风载荷大小施加在每段高度的所有零部件上，方向分为x向，x异向和z向。覆冰荷载以力的形式加载在有限元中的各个零部件上，方向为竖直向下。

4.4边界条件整体计算时将主支承柱底端施加3个位移，3个旋转共6个自由度方向的全约束，同样侧支承柱底端施加3个位移，3个旋转共6个自由度方向的全约束。在转盘支承轴和支承柱之间采用刚性区域的方式连接。4.5不同厚度冰荷载工况分析4.5.1 1/4满载+Z向风载+10mm冰荷载工况应力分析[4]钢索施加初始预应力939kN，计算结果如图4-3（a）所示，最大应力为131.0Mpa，位置在侧支承柱底端，主支承柱的最大应力为102.8Mpa，位置在主支承柱顶端，如图4-3（b）所示，转盘最大应力为118.0Mpa，转盘整体受力如图4-3（c）所示。最大位移为419mm，位置在侧支承柱中间位置，整体变形图如4-3（d）所示。（b）支承柱应力云图（a（b）支承柱应力云图（a）整体应力云图（c）转盘应力云图（d）整体变形图图4-31/4满载+z向风载+覆冰载荷工况下应力云图及变形图4.5.21/4满载+Z向风载+30mm冰荷载工况应力分析囹钢索施加初始预应力939kN，计算结果如图4-4（a）所示，最大应力为139.7Mpa，位置

在侧支承柱底端，其最大应力位置如图4-4（b）,主支承柱的最大应力为110Mpa,位置在主支承柱顶端，如图4-3（b）所示，转盘最大应力为124Mpa，转盘整体受力如图4-3（c）所示。最大位移为422mm，位置在转盘上加偏载的位置，整体变形图如4-3（d）所示。（a）整体应力云图（b（a）整体应力云图（b）支承柱应力云图（c）转盘应力云图（e）整体变形图图4-31/4满载+z向风载工况下应力云图及变形图5摩天轮结构计算结果根据结构正常使用极限状态，施加相同的初始预应力939kN和各种工况组合验算各部件结构安全系数。限于篇幅,仅列出部分主要结果，见表5-1控制载荷组合下结构安全系数。表5-1控制载荷组合下结构安全系数控制荷载组合钢索索力/kN轮辐索安全系数主支承柱强度安全系数侧支承柱强度安全系数转盘强度安全系数许用安全系数冈U度许用刚度满载+Z向风89311.24.83.74.00.111/75满载+Z向风+10mm冰荷91311.04.63.64.03.50.115/751/75载1/4满载+Z向风89011.34.83.74.10.162/751/4满载+Z向风+10mm冰荷载1/4满载+Z向91011.04.63.64.00.165/75风+30mm冰荷载95611.04.33.43.80.222/75注：z向风为垂直转盘的风荷载。6结论通过钢索施加相同的初始预应力对摩天轮非覆冰载荷和不同厚度覆冰载荷的计算分析，能够看出30mm的覆冰载荷对结构的影响更大，此时侧支承柱强度的安全系数已不满足游乐设施安全规范的要求，解决方法为进一步提高钢索的初始预应力来提高转盘结构的刚度，从而使各部件的结构安全系数满足要求。除此工况，从轮辐索的受力到摩天轮钢结构的应力以及刚度分析来看，变化范围在5%以内，属于工程范围内的可以忽略的