張雅文

（中國煤炭科工集團(tuán)上海有限公司，上海 200030）

觀覽車類游藝機(jī)是目前國內(nèi)最高的大型游樂設(shè)施，是發(fā)達(dá)工業(yè)社會中美學(xué)與技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，兼具了高層建筑和游樂設(shè)施的身份，既是游樂園的標(biāo)志設(shè)備，也常常作為城市地標(biāo)美化城市的天際線。區(qū)別于傳統(tǒng)地面建造觀覽車結(jié)構(gòu)，建立在建筑屋頂?shù)挠^覽車結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計要求，特別是在建筑與觀覽車相互作用領(lǐng)域。本文根據(jù)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(fēng)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(jié)構(gòu)響應(yīng)，歸納出屋頂小型觀覽車應(yīng)對不同載荷的敏感程度，為該類結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)全部采用Q355 鋼材。圖1 給出了觀覽車整體結(jié)構(gòu)平面圖。

圖1 觀覽車結(jié)構(gòu)平面與立面圖

觀覽車驅(qū)動滾道直徑為22.95m，轉(zhuǎn)盤外環(huán)為轎廂支撐架，采用三角形斷面鋼管結(jié)構(gòu)。滾道盤與主軸軸承通過5 根支撐梁和20 根徑向布置的預(yù)應(yīng)力輪輻索相連接。立架采用雙邊四立柱，作為輪盤的支撐結(jié)構(gòu)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(chǔ)。輪盤的驅(qū)動系統(tǒng)布置于單側(cè)單根立柱邊腿底側(cè)靠近驅(qū)動滾道處，驅(qū)動系統(tǒng)對輪盤提供順輪盤向約束。正常運行時在環(huán)向輪盤不受約束，當(dāng)橫向載荷對輪盤作用時，驅(qū)動限位裝置可對輪盤提供側(cè)向約束，表1 給出了觀覽車結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，采用索單元模擬輪輻索，采用彈性連接模擬驅(qū)動結(jié)構(gòu)作用力，結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用剛性連接模擬連接關(guān)系。圖2 給出了觀覽車有限元模型。

圖2 觀覽車結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，拉索預(yù)應(yīng)力是形成輪盤結(jié)構(gòu)整體剛度和維持結(jié)合形態(tài)穩(wěn)定性的重要條件。在組合輪盤結(jié)構(gòu)中，應(yīng)謹(jǐn)慎調(diào)整輪輻索的預(yù)應(yīng)力大小，以免輪輻索和支撐梁因剛性不同，對內(nèi)緣滾道產(chǎn)生相互對抗的作用力。

觀覽車設(shè)計基準(zhǔn)為100 年，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式進(jìn)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(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為62.81MPa，最大應(yīng)力位于最高點轎廂軸處，計算安全系數(shù)為7.48，最大應(yīng)力比為0.2 ＜1。在地震組合工況下，觀覽車最大應(yīng)力為103.25MPa，最大應(yīng)力位置在最高點轎廂軸處，最大應(yīng)力比為0.249。溫度荷載包絡(luò)工況下，觀覽車最大應(yīng)力為155.38MPa，最大應(yīng)力位置在轎廂軸處，計算安全系數(shù)為1.1，應(yīng)力比為0.511。覆冰荷載包絡(luò)工況下，觀覽車最大應(yīng)力為156.93MPa，最大應(yīng)力位置在轎廂軸處，安全系數(shù)為1.1，應(yīng)力比為0.504。因輪盤缺乏平面外支撐，風(fēng)荷載作用易造成結(jié)構(gòu)平面穩(wěn)定問題，故對觀覽車有限元模型進(jìn)行屈曲分析，以研究結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限。

表2 給出了極限工況下結(jié)構(gòu)前四階穩(wěn)定系數(shù)。觀覽車在極限工況下前4 階模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)均大于2，結(jié)構(gòu)變形為平面外失穩(wěn)，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

表2 極限工況下結(jié)構(gòu)前四階穩(wěn)定系數(shù)

表3、表4 分別給出了觀覽車結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)與零件疲勞計算統(tǒng)計。該觀覽車結(jié)構(gòu)最大位移小于結(jié)構(gòu)總高度的1/75，整體結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求；重量零件疲勞安全系數(shù)均小于1.3，滿足疲勞容許要求。

表3 觀覽車結(jié)構(gòu)最大位移匯總表

表4 觀覽車結(jié)構(gòu)主要零件疲勞計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 結(jié)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(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，研究了各荷載工況下有限元模型的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并對其進(jìn)行穩(wěn)定性與疲勞分析以確保結(jié)構(gòu)安全性。主要結(jié)論如下：（1）屋頂觀覽車受底部建筑物高度影響，風(fēng)荷載高度變化系數(shù)與地面建造觀覽車相比取值更大，結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載影響更為明顯；考慮鞭梢效應(yīng)，建議將地震荷載放大3 倍作用于觀覽車結(jié)構(gòu)。（2）觀覽車與建筑通過立架、立柱相連接，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮兩者相互作用，建議適當(dāng)放大設(shè)計安全系數(shù)，并采用增加構(gòu)件尺寸等方式降低極限工況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)。（3）本文有限元分析方法可為屋頂觀覽車結(jié)構(gòu)計算提供參考。