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摘要:观览车在中国的发展起步于20世纪80年代,从高度、直径以及载客量上看都比较小,而且都是游乐园设施的一部分。伴随着世界范围内第三次建造摩天轮的高潮,中国的摩天轮事业也获得了巨大的发展。为促进摩天轮的发展和应用,对摩天轮的结构体系设计进行研究具有十分重要的作用。本文分析并论述了摩天轮的驱动系统和支承结构的设计。
关键词: 摩天轮缆索驱动支承结构设计
中图分类号：S611文献标识码： A
摩天轮,又称观景轮或观览车,主要是由一个竖立的带有轿厢的旋转轮盘及其支承结构等组成。根据轮盘的结构形式来分,摩天轮结构主要分为刚性、刚柔结合和柔性三大类。早期摩天轮多为刚性结构形式,轮盘全部采用桁架结构体系,但全桁架重量大的缺点也限制了摩天轮高度的进一步发展;随着科技水平的发展,逐渐开始用一定数量的柔性缆索或拉条代替刚性结构形式中桁架,形成了刚柔相结合形式;当柔性缆索进一步将轮盘中所有的轮辐构件替代,仅剩下轮盘边缘一圈的刚性桁架结构,大幅度地减轻轮盘自重之后,形成了现在多数巨型摩天轮所采用的柔性形式,使得建设更高更大的摩天轮成为可能。
一、摩天轮的结构体系
1、轮盘钢结构初始位形的确定
轮盘钢结构的目标位形（设计位形）通常由设计单位确定，其初设图也是基于目标位形给出的。 显然，目标位形并不是结构加工与制作的初始安装位形， 这就要求制作和施工单位根据设计单位提供的目标位形，对轮盘钢结构进行找形分析， 最终确定满足安装精度要求的初始形状，即加工和安装位形。考虑到轮盘钢结构设计刚度较大，可通过有限元逆装迭代法、正装迭代法、倒拆迭代法和无应力状态法等确定其初始位形。
2、支承结构
美国芝加哥的观览车的支承结构是由两个铁塔组成,每个铁塔由4根柱子及斜撑组成。一个长13.7 m、直径0.81 m、质量45 t的轮轴把两个铁塔连接起来,观览车就支承在这个轮轴上,如图1所示。
以后建造的摩天轮多数沿袭了世界上第一座摩天轮的支承结构,但也有一些摩天轮采用了新的支承结构。英国“伦敦眼”的主支承结构是一个倒V型塔,由两根底部铰接的柱子组成,同时设置缆索从一侧拉住摩天轮,防止其向一个方向倾斜,如图2所示。
05年建成的天津慈海桥工程中的摩天轮的支承结构有机地和斜拉桥的桥塔结合起来,在两个倒Y型塔架间设置横梁,摩天轮就支承在这个横梁上,从而使桥
塔发挥了两种功能。如图3所示：
图1图2 图3
3、驱动系统
世界上第一座摩天轮是通过电气驱动的,早期建造的摩天轮多采用电气驱动。在英国“伦敦眼”中采用了先进的液压驱动摩擦轮传动装置,并设置了减速机构,这种驱动系统具有体积小、质量轻、维护保养方便、能耗省、运行成本低、设备安全、可靠性高等特点,现阶段建造的摩天轮多采用这种驱动方式。
二、 结构设计
摩天轮是永久性的游乐设施，设计时不仅需遵守建筑结构相关规范，还需遵守游乐设施相关规范。下面以某大型摩天轮为例进行分析：
1、规范要求
根据文献［1］规定，风速小于 15m/s 时，摩天轮可以正常运营，应按正常运营状态进行设计，设计方法采用容许应力法，结构的安全系数，对于重要轴、销轴及重要焊缝取大于等于 6，其他部分取大于等于 4; 根据文献［1］的规定，该状态下可动部分结构需考虑动载系数 1. 3。风速大于 15m/s 时，摩天轮关闭运营，需按极限状态进行设计。极限状态下结构设计按照 GB50017—2003《钢结构设计规范》［2］和其他有关现行规范的规定设计。 3) 摩天轮设计基本参数见表 1。摩天轮建造地的极限最大风速为 31m/s( 百年一遇) ; 抗震设防烈度 7 度，设计基本地震加速度值为0. 15g，设计地震分组为第一组，抗震构造措施按 8度进行设计，场地类别为Ⅲ类。
2、结构分析
作为一个非常规的建筑，永乐桥摩天尚轮需进行除常规建筑以外的特别分析:结构强度分析分两类情况: 正常运行情况与极限情况。正常运行情况考虑轮盘运行时的动力系数，对各种可能荷载工况进行标准组合，按容许应力法进行构件校核。极限情况下采用极限状态设计方法进行结构受力校核。摩天轮轮盘为预应力结构，受拉索中预应力影响，轮箍处于受压状态。决定轮盘状态的控制因素是拉索的预应力，轮盘的稳定决定了轮盘设计的可行性。
结语:
摩天轮结构既区别于一般的空间钢结构， 又不同于普通的高耸结构， 是一种较为特殊的结构形式。 目前， 国内关于摩天轮结构设计方法和施工技术方面的报道较少,具有特殊性和挑战性。对于巨型柔性摩天轮而言,它一方面能够与某些超高层建筑的高度相比肩,另一方面輪盘的直径又达到了大跨度结构的尺度。面对这一综合了超高层和大跨度结构的难点,却又要求能够实现平稳旋转的新颖结构,其分析设计方法的慎重选取、分析过程中的细致认真以及结果的真实可靠等显得尤为重要。
参考文献:
[1]李海锋,郭小农,罗永峰,陈晓明,沈祖炎. 摩天轮结构的缺陷敏感性分析[J]. 结构工程师,2010,02:24-30.
[2]丁洁民,冯峰,杨晖柱. 巨型柔性摩天轮结构分析与研究[J]. 建筑结构,2010,10:66-70+106.
[3]马明,王卫东,宋涛,张玉林,符龙彪,朱礼敏,张宏. 天津永乐桥摩天轮结构设计[J]. 建筑结构学报,2010,11:78-82+110.
[4]王小盾,石永久,王元清. 摩天轮结构及其工程应用研究[J]. 建筑科学与工程学报,2005,03:30-35.
[5]沈之容,王之宏. 上海之星摩天轮结构方案分析[J]. 特种结构,2006,01:42-43.
关键词: 摩天轮缆索驱动支承结构设计
中图分类号：S611文献标识码： A
摩天轮,又称观景轮或观览车,主要是由一个竖立的带有轿厢的旋转轮盘及其支承结构等组成。根据轮盘的结构形式来分,摩天轮结构主要分为刚性、刚柔结合和柔性三大类。早期摩天轮多为刚性结构形式,轮盘全部采用桁架结构体系,但全桁架重量大的缺点也限制了摩天轮高度的进一步发展;随着科技水平的发展,逐渐开始用一定数量的柔性缆索或拉条代替刚性结构形式中桁架,形成了刚柔相结合形式;当柔性缆索进一步将轮盘中所有的轮辐构件替代,仅剩下轮盘边缘一圈的刚性桁架结构,大幅度地减轻轮盘自重之后,形成了现在多数巨型摩天轮所采用的柔性形式,使得建设更高更大的摩天轮成为可能。
一、摩天轮的结构体系
1、轮盘钢结构初始位形的确定
轮盘钢结构的目标位形（设计位形）通常由设计单位确定，其初设图也是基于目标位形给出的。 显然，目标位形并不是结构加工与制作的初始安装位形， 这就要求制作和施工单位根据设计单位提供的目标位形，对轮盘钢结构进行找形分析， 最终确定满足安装精度要求的初始形状，即加工和安装位形。考虑到轮盘钢结构设计刚度较大，可通过有限元逆装迭代法、正装迭代法、倒拆迭代法和无应力状态法等确定其初始位形。
2、支承结构
美国芝加哥的观览车的支承结构是由两个铁塔组成,每个铁塔由4根柱子及斜撑组成。一个长13.7 m、直径0.81 m、质量45 t的轮轴把两个铁塔连接起来,观览车就支承在这个轮轴上,如图1所示。
以后建造的摩天轮多数沿袭了世界上第一座摩天轮的支承结构,但也有一些摩天轮采用了新的支承结构。英国“伦敦眼”的主支承结构是一个倒V型塔,由两根底部铰接的柱子组成,同时设置缆索从一侧拉住摩天轮,防止其向一个方向倾斜,如图2所示。
05年建成的天津慈海桥工程中的摩天轮的支承结构有机地和斜拉桥的桥塔结合起来,在两个倒Y型塔架间设置横梁,摩天轮就支承在这个横梁上,从而使桥
塔发挥了两种功能。如图3所示：
图1图2 图3
3、驱动系统
世界上第一座摩天轮是通过电气驱动的,早期建造的摩天轮多采用电气驱动。在英国“伦敦眼”中采用了先进的液压驱动摩擦轮传动装置,并设置了减速机构,这种驱动系统具有体积小、质量轻、维护保养方便、能耗省、运行成本低、设备安全、可靠性高等特点,现阶段建造的摩天轮多采用这种驱动方式。
二、 结构设计
摩天轮是永久性的游乐设施，设计时不仅需遵守建筑结构相关规范，还需遵守游乐设施相关规范。下面以某大型摩天轮为例进行分析：
1、规范要求
根据文献［1］规定，风速小于 15m/s 时，摩天轮可以正常运营，应按正常运营状态进行设计，设计方法采用容许应力法，结构的安全系数，对于重要轴、销轴及重要焊缝取大于等于 6，其他部分取大于等于 4; 根据文献［1］的规定，该状态下可动部分结构需考虑动载系数 1. 3。风速大于 15m/s 时，摩天轮关闭运营，需按极限状态进行设计。极限状态下结构设计按照 GB50017—2003《钢结构设计规范》［2］和其他有关现行规范的规定设计。 3) 摩天轮设计基本参数见表 1。摩天轮建造地的极限最大风速为 31m/s( 百年一遇) ; 抗震设防烈度 7 度，设计基本地震加速度值为0. 15g，设计地震分组为第一组，抗震构造措施按 8度进行设计，场地类别为Ⅲ类。
2、结构分析
作为一个非常规的建筑，永乐桥摩天尚轮需进行除常规建筑以外的特别分析:结构强度分析分两类情况: 正常运行情况与极限情况。正常运行情况考虑轮盘运行时的动力系数，对各种可能荷载工况进行标准组合，按容许应力法进行构件校核。极限情况下采用极限状态设计方法进行结构受力校核。摩天轮轮盘为预应力结构，受拉索中预应力影响，轮箍处于受压状态。决定轮盘状态的控制因素是拉索的预应力，轮盘的稳定决定了轮盘设计的可行性。
结语:
摩天轮结构既区别于一般的空间钢结构， 又不同于普通的高耸结构， 是一种较为特殊的结构形式。 目前， 国内关于摩天轮结构设计方法和施工技术方面的报道较少,具有特殊性和挑战性。对于巨型柔性摩天轮而言,它一方面能够与某些超高层建筑的高度相比肩,另一方面輪盘的直径又达到了大跨度结构的尺度。面对这一综合了超高层和大跨度结构的难点,却又要求能够实现平稳旋转的新颖结构,其分析设计方法的慎重选取、分析过程中的细致认真以及结果的真实可靠等显得尤为重要。
参考文献:
[1]李海锋,郭小农,罗永峰,陈晓明,沈祖炎. 摩天轮结构的缺陷敏感性分析[J]. 结构工程师,2010,02:24-30.
[2]丁洁民,冯峰,杨晖柱. 巨型柔性摩天轮结构分析与研究[J]. 建筑结构,2010,10:66-70+106.
[3]马明,王卫东,宋涛,张玉林,符龙彪,朱礼敏,张宏. 天津永乐桥摩天轮结构设计[J]. 建筑结构学报,2010,11:78-82+110.
[4]王小盾,石永久,王元清. 摩天轮结构及其工程应用研究[J]. 建筑科学与工程学报,2005,03:30-35.
[5]沈之容,王之宏. 上海之星摩天轮结构方案分析[J]. 特种结构,2006,01:42-43.