新型摩天轮结构形式研究与应用.pdf

1、马马 明明新型摩天轮结构形式研究与应用新型摩天轮结构形式研究与应用山东潍坊白浪河大桥摩天轮设计山东潍坊白浪河大桥摩天轮设计l 摩天轮简介摩天轮简介3摩天轮简介摩天轮简介摩天轮出现很早。世界上第一座现代观览车是1893年在美国芝加哥建造的FERRIS wheel，是美国桥梁和隧道工程师FERRIS George W设计，高度约80.47m，直径约76.2m，共36个轿厢，每个轿厢可乘坐60人，可乘坐2160人。Ferris wheel vsObservation wheel4摩天轮简介摩天轮简介5摩天轮简介摩天轮简介Vienna Giant Wheel1897年，高64.75m目前还在使用 Gr

2、ande Roue de Paris1900年，高100m一战时损伤拆除横滨宇宙时钟21大摩天轮建于1989年，高107.5m1997年重建，高112.5m摩天轮简介摩天轮简介摩天轮简介摩天轮简介伦敦眼/London Eye直径121m高135m2000年南昌之星直径153m高160m2006年飞行者/Singapore Flyer直径150m高165m2008年豪客/High Roller直径158.5m高167.6m2013年摩天轮简介摩天轮简介迪拜摩天轮直径250m高260m2021年10月l 传统摩天轮设计：以天津眼摩天轮为例传统摩天轮设计：以天津眼摩天轮为例传统传统摩天轮摩天轮结构设

3、计结构设计轮盘结构形式主要有刚性、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;柔性结构形式是指转盘采用钢缆索体系;刚柔相结合形式是指转盘结构以缆索为主并设置一定数量的桁架。刚性轮盘刚柔结合轮盘柔性轮盘传统传统摩天轮摩天轮结构设计结构设计系统构成：结构结构 驱动驱动/制动系统制动系统 轿舱 电气系统 控制系统 登舱站台 附属设施传统传统摩天轮摩天轮结构设计结构设计驱动/制动系统l液压驱动或电动，提供连续匀速运转的驱动力l驱动装置只需要克服不平衡荷载和摩擦力，即能带动轿舱转动。天津永乐桥天津永乐桥摩天轮摩天轮结构设计结构设计天津永乐桥（慈海桥）摩天轮，2008年建成运营尺寸结

4、构形式塔架高度转速轿舱形式轿舱线速度 轿舱数轿舱容量乘载能力驱动方式驱动功率轮辐索数量主轴直径主轴承直径高度120m、直径110m人字架支承轮辐索式65m30分钟一周悬挂式、伺服阻尼平衡装置0.2m/s488人每小时768乘客液压摩擦驱动45kw48径向、16轮毂切向2.8m3.6m天津永乐桥天津永乐桥摩天轮摩天轮结构设计结构设计索785(直径87mm)主轴2800塔腿4000350040天津永乐桥天津永乐桥摩天轮摩天轮结构设计结构设计 设计关键问题：整体稳定分析 大截面构件等效分析 偶然碰撞工况分析 施工可行性分析天津永乐桥天津永乐桥摩天轮摩天轮结构设计结构设计拉索支承式轮箍在其全使用寿命期

5、内均处于受压状态，因此需要对轮箍的整体稳定性问题进行研究。稳定分析主要进行了线性屈曲分析和考虑初始缺陷的几何非线性稳定性计算，分析工况包括：工况一：满载+Y方向15m/s风速下风荷载；工况二：满载；工况三：Y方向极限风速31m/s下风荷载+恒荷载；天津永乐桥天津永乐桥摩天轮摩天轮结构设计结构设计人字架箱形截面的尺寸为400035004040(mm)，纵横加劲板厚度为16mm，横向加劲板间隔2.2m。研究等效刚度及强度分析的影响：等效截面400035004545天津永乐桥天津永乐桥摩天轮摩天轮结构设计结构设计径向索破坏分析：径向索破坏是一种偶然荷载工况，分析时主要考虑正常工作工况（1）工况1：1

6、.3恒荷载1.3活载（2）工况2：1.3恒荷载1.3活载15m/s风荷载作用考虑到修复被破坏的径向索需较长一段时间，为防止摩天轮轮盘在这一情况下出现失稳破坏情况，还针对径向索连续三根失效状态进行了屈曲分析，工况1荷载组合作用于结构时，非线性稳定系数为4.5，工况2荷载组合作用下，非线性稳定系数为4.2，均满足稳定要求。天津永乐桥天津永乐桥摩天轮摩天轮结构设计结构设计施工过程拼装胎架拼装胎架拼装胎架拼装胎架拼装胎架拼装胎架(1)安装第1根支杆(2)旋转轮盘，安装第2根支杆(3)旋转轮盘，安装第3根支杆(4)旋转轮盘，安装第4根支杆(5)旋转轮盘，安装第5根支杆(6)安装第6根支杆(7)轮盘合拢提

7、出水平牵引立式安装方法，进行安装全过程模拟施工指导设计l 新型摩天轮建筑设计思路的演变新型摩天轮建筑设计思路的演变21新摩天轮设计要求新摩天轮设计要求白浪河大桥工程位于潍坊市滨海经济开发区央子镇以北，省道222东侧，港营路上跨白浪河处。n工程定位1）交通定位港营路是整个新区东西向内部交通干道的中轴线。2）景观定位“白浪河生态景观带”的核心区域，滨海新区景观的点睛之笔。设计理念1）以超前的设计理念彰显区域定位2）选择摩天轮作为标志性建筑。传统传统摩天轮的问题摩天轮的问题建筑形式创新的难度增大！建筑形式创新的难度增大！23传统传统摩天轮的问题摩天轮的问题伦敦眼摩天轮回转支撑天津眼摩天轮回转支撑D=

8、3.44m回转支撑是传统摩天轮的关键构件，是精密机械构件，需要较高的加工精度与很好的可维护性，是传统摩天轮的控制构件，只有少数工厂可以生产。随着摩天轮越来越大，回转支承也越来越大，加工难度进一步提高。24摩天轮形式新思考摩天轮形式新思考无轴式摩天轮设计思路创新：1、从游乐设施的功能出发进行研究，保持轮盘外形不变，使轿舱沿循环轨迹运行，实现同样的观光功能。2、将轮盘设计成固定的结构，取消复杂的机械构件，采用成熟的空间结构形式，建筑造型多样化。提前进行轨道系统的研究，结构设备一起设计。需要满足建筑、游艺两个行业的设计要求。摩天轮形式新思考摩天轮形式新思考方案一 A字架摩天轮-桥组合方案二 门架式摩

9、天轮-桥组合方案三 固定轮盘式摩天轮-桥组合摩天轮形式新思考摩天轮形式新思考目前这一区别于传统轮盘转动的摩天轮结构已经已经收录入最新的观览车类游乐设施通用技术条件 GB/T18164-2020l 白浪河大桥摩天轮设计概况白浪河大桥摩天轮设计概况总体布置总体布置功能：集交通、商业、游艺与一体的综合体摩天轮：固定轮盘、斜交编织网格、建于主桥正中桥方案：连续钢桁架桥，（45+50+50+45）m、上层机动车，下层人行和商业空间轮桥共建：摩天轮整体都布置在两幅桥的中间，轮桥共用基础设计总体布置总体布置轮盘缆风索轿厢自带独立的动力装置斜柱主要设计参数主要设计参数潍坊滨海新区白浪河大桥摩天轮（2017年1

10、2月5日进行了验收，2018年投入运营）高度 圆环直径结构形式转速轿舱形式轿舱线速度 轿舱数轿舱容量乘载能力驱动方式145m125m无轴编织网壳、固定式钢环30分钟一周悬挂式0.22m/s3610人每小时720乘客分散动力驱动结构布置结构布置轮盘为外径125m的变直径圆环，采用菱形斜交网格形式的单层网壳结构形式，杆件采用圆钢管轮盘通过两侧设置的12根斜柱支撑于摩天轮与桥梁的共用基础，斜柱间净间距4.8m，以保障轿舱通过设置12根稳定索保持轮盘平面外的稳定性，稳定索基础采用桩基础，建于主桥两侧人工岛在斜柱、拉索与轮盘连接处设有结构加劲环斜柱顶部节点采用铸钢节点31网格形成网格形成特点：（1）外轮

11、廓是一个整圆；（2）从圆心出发的射线剖轮盘得到的断面为圆形；（3）可以通过数学变换解析得到，以上过程由程序实现。结构布置结构布置轮盘网格构件采用圆钢管截面，根据受力不同，直径从351mm914mm。外弦杆直径630mm轮盘内侧布置通长的内弦杆以增加结构刚度，内弦杆直径914mm。结构布置结构布置(4)斜柱 斜柱直径1.5m，斜柱1壁厚70mm，斜柱2壁厚45mm。斜柱沿中心线对称布置，对应的斜柱净间距4.9m。斜柱可采用直缝焊接钢管。(5)稳定索每侧轮盘两侧布置有12根略向内张拉的拉索，拉索抗拉强度1670Mpa。拉索根部设有减振阻尼器。结构布置结构布置结构布置结构布置轮盘斜柱稳定索轿厢白浪河

12、大桥主桥人工岛斜柱基础拉索基础GT1轨道NT2轨道l 白浪河大桥摩天轮结构设计分析与关键问题研究白浪河大桥摩天轮结构设计分析与关键问题研究设计参数与设计方法设计参数与设计方法设计方法：1）极限状态下结构的设计计算采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，按建筑结构相关设计规范进行设计；2）运行状态下结构的设计计算采用容许应力法，按游乐设施相关设计规范进行设计；3）在运行状态下，最大允许风速为15米/秒，当超过该值时，设备停止载客运行。4）采用容许应力法进行计算时，对于重要的轴、销轴及重要构件和焊缝，安全系数应安全系数应5 5，对于一般构件安全系数应，对于一般构件安全系数应3.53.5。荷载与作用

13、：恒载：结构自重+附属构件+轿厢活荷载：7.5kN/轿厢风荷载：基本风压按照100年一遇，取值为0.65kN/m2乙类，抗震设防烈度7度（0.15g），场地类别III类，第二组，中震弹性设计。温度作用：+60/-30状态分类计算类型计算内容极限状态承载能力极限状态（100年重现期风荷载）静力计算强度地震分析(中震)强度正常使用极限状态静力计算位移地震分析(中震)位移稳定计算结构整体稳定罕遇地震状态地震分析(大震)位移性能目标运行状态静力计算位移强度地震分析(小震)强度参数化全过程设计参数化全过程设计参数化生成结构网格生成结构模型变形强度验算抗震整体稳定抗连续倒塌节点详图节点实体模型节点分析节点

14、生成计算结构分析设计要求与设计验算设计要求与设计验算设计方法：1）运营状态设计：根据游乐设施规范，采用容许应力法进行设计，风速M3绕Y轴弯矩承载力My=3706336kN.mM2顶部截面：当轴力保持不变时，绕X轴弯矩承载力Mx=2534025kN.mM3绕Y轴弯矩承载力My=2859756kN.mM2上述验算可以看出，斜柱截面承载力大于构件罕遇地震下的内力，可以保证结构在罕遇地震下的安全。关键节点设计研究关键节点设计研究p拉索锚固分析p锚固承台分析1MNMX File:2014.1.17 -73.494-21.95829.57981.115132.651184.187235.723287.25

15、9338.796MAR 4 201410:27:42NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1S1 (AVG)DMX=.392E-03SMN=-73.494SMX=338.796p风锚基础比选分析 除应力集中位置外，大部分区域等效应力均在250MPa以内。锚固基础和承台整体受力合理，应力水平较低，基础顶面的拉应力最大值为1.79MPa。最终确定的8桩承台最为合理，桩基布置方式为3+2+3预应力钢筋关键节点设计研究关键节点设计研究1 File:2014.1.19 MAR 4 201410:47:19ELEMENTSUROTCEACEL1 File:2014.1.19 -.10

16、9E+08-.988E+07-.885E+07-.783E+07-.681E+07-.579E+07-.476E+07-.374E+07-.272E+07-.170E+07MAR 4 201418:43:33LINE STRESSSTEP=1SUB=1TIME=1NI NJMIN=-.109E+08ELEM=616159MAX=-.170E+07ELEM=616760p静力及地震桩基受力研究 单元与实体单元之间采用刚性连接，桩基础底部的杆系单元节点为固结。经比选，确定方案一为最佳方案。1 File:2014.1.19 -.117E+08-.105E+08-.923E+07-.799E+07-.

17、674E+07-.550E+07-.426E+07-.302E+07-.177E+07-531066MAR 4 201418:47:33LINE STRESSSTEP=1SUB=1TIME=1NI NJMIN=-.117E+08ELEM=616144MAX=-531066ELEM=6167601 File:2014.1.19 -.123E+08-.110E+08-.978E+07-.853E+07-.727E+07-.602E+07-.477E+07-.351E+07-.226E+07-.101E+07MAR 4 201418:35:49LINE STRESSSTEP=1SUB=1TIME=1

18、NI NJMIN=-.123E+08ELEM=616159MAX=-.101E+07ELEM=6167001 File:2014.1.19 -.116E+08-.105E+08-.944E+07-.837E+07-.731E+07-.624E+07-.518E+07-.411E+07-.304E+07-.198E+07MAR 4 201418:42:03LINE STRESSSTEP=1SUB=1TIME=1NI NJMIN=-.116E+08ELEM=616159MAX=-.198E+07ELEM=616760 极限静力荷载与地震荷载：桩顶压力最大12000KN，最小530KN1 File:

19、2014.1.19 MAR 4 201412:39:43ELEMENTS1XYZ File:2014.1.27 MAR 4 201412:37:20ELEMENTSp基础优化设计研究p基础加载模型检修楼梯检修楼梯轿厢轿厢轿舱采用悬挂式，在运行过程中靠自身的重力保持平衡施工过程仿真施工过程仿真编织网格拼装单元划分研究施工现场拼装单元组装施工过程仿真模拟发展探讨发展探讨发展探讨发展探讨1.1.更高更大更高更大发展探讨发展探讨2.2.大轿厢大轿厢发展探讨发展探讨3.3.减振减振轮缘阻尼器TMD拉索Stockbridge减振器粘滞阻尼器发展探讨发展探讨4.4.风荷载研究风荷载研究发展探讨发展探讨5.5.轮建一体轮建一体发展探讨发展探讨6.6.建筑创意建筑创意