小型屋顶观览车有限元分析研究

张雅文

（中国煤炭科工集团上海有限公司，上海 200030）

观览车类游艺机是目前国内最高的大型游乐设施，是发达工业社会中美学与技术的结合产物，兼具了高层建筑和游乐设施的身份，既是游乐园的标志设备，也常常作为城市地标美化城市的天际线。区别于传统地面建造观览车结构，建立在建筑屋顶的观览车结构在建筑结构设计、观览车选型与计算、主体制造与安装方面均需要更高的设计要求，特别是在建筑与观览车相互作用领域。本文根据某小型屋顶观览车工程实例建立Midas Gen 有限元模型，通过极限风荷载、地震荷载、温度荷载、雪荷载等多种工况下有限元分析研究观览车的结构响应，归纳出屋顶小型观览车应对不同载荷的敏感程度，为该类结构设计提供参考。

1 小型屋顶观览车模型

某小型屋顶观览车建于27m 高的建筑顶部，采用双边刚性立架支承体系、柔性轮辐、刚性支撑梁及滚道组合结构，共有15 个轿厢。观览车高度为29.8m，最高点高度为56.8m，主体结构全部采用Q355 钢材。图1 给出了观览车整体结构平面图。

图1 观览车结构平面与立面图

观览车驱动滚道直径为22.95m，转盘外环为轿厢支撑架，采用三角形断面钢管结构。滚道盘与主轴轴承通过5 根支撑梁和20 根径向布置的预应力轮辐索相连接。立架采用双边四立柱，作为轮盘的支撑结构传递轮盘水平与竖向荷载，并通过底部立柱将荷载传递至建筑基础。轮盘的驱动系统布置于单侧单根立柱边腿底侧靠近驱动滚道处，驱动系统对轮盘提供顺轮盘向约束。正常运行时在环向轮盘不受约束，当横向载荷对轮盘作用时，驱动限位装置可对轮盘提供侧向约束，表1 给出了观览车结构杆件选型。有限元模型采用Midas Gen 软件建模，采用梁单元模拟立架、支撑梁和滚道的刚性结构，采用索单元模拟轮辐索，采用弹性连接模拟驱动结构作用力，结构构件采用刚性连接模拟连接关系。图2 给出了观览车有限元模型。

图2 观览车结构有限元模型

表1 结构杆件选型

2 小型屋顶观览车荷载分析

本工程观览车轮盘采用柔性轮辐索和刚性支撑梁、滚道的组合结构，拉索预应力是形成轮盘结构整体刚度和维持结合形态稳定性的重要条件。在组合轮盘结构中，应谨慎调整轮辐索的预应力大小，以免轮辐索和支撑梁因刚性不同，对内缘滚道产生相互对抗的作用力。

观览车设计基准为100 年，风荷载标准值按下式进行计算：

3 小型屋顶观览车模型有限元分析

在正常运行荷载组合下，观览车结构最大应力为62.81MPa，最大应力位于最高点轿厢轴处，计算安全系数为7.48，最大应力比为0.2 ＜1。在地震组合工况下，观览车最大应力为103.25MPa，最大应力位置在最高点轿厢轴处，最大应力比为0.249。温度荷载包络工况下，观览车最大应力为155.38MPa，最大应力位置在轿厢轴处，计算安全系数为1.1，应力比为0.511。覆冰荷载包络工况下，观览车最大应力为156.93MPa，最大应力位置在轿厢轴处，安全系数为1.1，应力比为0.504。因轮盘缺乏平面外支撑，风荷载作用易造成结构平面稳定问题，故对观览车有限元模型进行屈曲分析，以研究结构稳定与结构强度极限。

表2 给出了极限工况下结构前四阶稳定系数。观览车在极限工况下前4 阶模态稳定系数均大于2，结构变形为平面外失稳，满足结构稳定性要求。

表2 极限工况下结构前四阶稳定系数

表3、表4 分别给出了观览车结构位移响应与零件疲劳计算统计。该观览车结构最大位移小于结构总高度的1/75，整体结构刚度满足设计要求；重量零件疲劳安全系数均小于1.3，满足疲劳容许要求。

表3 观览车结构最大位移汇总表

表4 观览车结构主要零件疲劳计算数据统计

4 结语

本文基于某小型屋顶观览车，建立Midas Gen 有限元模型对其进行结构分析，研究了各荷载工况下有限元模型的结构响应，并对其进行稳定性与疲劳分析以确保结构安全性。主要结论如下：（1）屋顶观览车受底部建筑物高度影响，风荷载高度变化系数与地面建造观览车相比取值更大，结构受风荷载影响更为明显；考虑鞭梢效应，建议将地震荷载放大3 倍作用于观览车结构。（2）观览车与建筑通过立架、立柱相连接，结构设计时应考虑两者相互作用，建议适当放大设计安全系数，并采用增加构件尺寸等方式降低极限工况下结构响应。（3）本文有限元分析方法可为屋顶观览车结构计算提供参考。