摩天轮结构分析以及风荷载下的受力分析
【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】：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*100000000KPa。泊松比为 0.3.材料的屈服极限为2235000kpa. 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摄氏度满载产生应力的2.3倍，所以大风状态要谨慎运行，做好停止运行。
【结语】：本文对摩天轮结构进行了简要介绍，并分析了其稳定性机制与受力特点：摩天轮为高空桁架结构，受风力影响大，为安全起见，当风速大于15M/S时，最好停运。
摩天轮结构分析以及风荷载下的受力分析
【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】：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*100000000KPa。泊松比为 0.3.材料的屈服极限为2235000kpa. 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摄氏度满载产生应力的2.3倍，所以大风状态要谨慎运行，做好停止运行。
【结语】：本文对摩天轮结构进行了简要介绍，并分析了其稳定性机制与受力特点：摩天轮为高空桁架结构，受风力影响大，为安全起见，当风速大于15M/S时，最好停运。