摩天轮雪载荷影响分析

徐　伟，王文静，王诗柔，姜海波，王盼盼

（1.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连116023；2.大连益网科技有限公司，辽宁大连116023）

摩天轮雪载荷影响分析

徐伟1，王文静1，王诗柔1，姜海波1，王盼盼2

（1.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连116023；2.大连益网科技有限公司，辽宁大连116023）

通常情况下积雪存在的时候是不允许运行摩天轮的，但积雪对运行摩天轮的影响并不清楚。针对这一现象进行积雪载荷的影响分析，通过ansys仿真模拟运行与非运行摩天轮时的对比，并根据积雪带来的其它影响进行分析，确定积雪时候仍然可以运行摩天轮。

摩天轮；积雪载荷；ansys仿真分析

摩天轮［1］一般是-10℃～40℃应用，在北方的冬天，这个温度下经常会有积雪，积雪情况下，要求摩天轮停止运行，需积雪清除后方可继续运行。实际上，由于运营商购买摩天轮成本很高，现在存在的大部分出名的摩天轮的基本购买价格都上亿，所以运营商很想在不影响结构、安全的情况下尽量让摩天轮运行。

本文采用ansys软件对积雪载荷对摩天轮结构的影响进行对比分析后，又通过积雪融化后的裹冰载荷进行分析，确定积雪载荷对摩天轮结构的实际影响。

1　积雪载荷计算

根据文献［2］规定，在静止状态下应能承受雪载荷，积雪厚度不超过80mm时，施加在游乐设施总体表面上的雪载荷，按照0.2 kN/m2的雪压进行计算。如果积雪厚度超过80mm，其载荷计算方法参照文献［3］规定执行。根据文献［3］表E.5和图E.6.1数据［4］，新疆、西藏的高海拔山区和山口地区除外，内蒙古及西藏牧场地区除外，我国中东部个别高海拔山峰除外，我国内陆地区50年一遇积雪的雪压小于0.8 kN/m2.

雪载荷标准值按下式计算：

Sk=μrSO

式中：

Sk为雪载荷标准值（kN/m2）；

μr为积雪分布系数；

SO为基本雪压，取0.8 kN/m2；

因此圆管的雪载荷标准值为：

Skg=μrSO=1×0.8＝0.8 kN/m2

由于有限元中模型都是梁单元建立管，所以不同管的直径其线载荷也不一样，根据下式计算积雪尺寸

r=0.866 R

式中：R为圆管的外直径。

根据不同管的直径可以计算出各管承受的线载荷如表1所示。

表1　各圆管结构承受的雪载荷

计算时还包括其它载荷：结构自重、乘客的重量以及驱动力。

2　摩天轮积雪载荷ansys分析

（1）摩天轮有限元基本模型如图1（a），尺寸如图1（b），应用软件ansys14.5，支承柱采用Shell 181板壳单元建立，转盘采用Beam 188梁单元建立，轮辐索采用Link 188杆单元建立，转盘支承轴采用Shell 181、Beam 188混合单元建立，驱动和制动采用Combination14单元建立。

图1　摩天轮有限元模型与二维尺寸图

（2）积雪情况下不运行摩天轮

空载工况下雪载荷计算结果如图2（a）所示，最大应力为137.3 MPa，位置在侧支承柱底端，其最大应力位置如图2（b），主支承柱的最大应力为105.6 MPa，位置在主支承柱顶端，如图2（c）所示，转盘最大应力为119.7 MPa，转盘整体受力如图2（d）所示，最大钢丝绳拉力为910.4 kN.

图2　50年一遇雪载荷非运行工况下应力云图及变形图

（3）积雪情况下运行摩天轮

偏载工况下雪载荷计算结果如图3（a）所示，最大应力为137.3 MPa，位置在侧支承柱底端，其最大应力位置如图3（d），主支承柱的最大应力为105.2 MPa，位置在主支承柱顶端，如图3（c）所示，转盘最大应力为119.3 MPa，转盘整体受力如图3（d）所示，最大钢丝绳拉力为914.8 kN．

图3　50年一遇雪载荷运行工况下应力云图及变形图

通过上述两个典型工况计算可以看出，在积雪存在的情况下有乘客和没有乘客，其应力基本等于没有变化，变形基本没有变化，钢丝绳力增加了0.5%，因此认为如果积雪情况下无乘客符合《游乐设施安全规范》工作时的安全要求，那么摩天轮可以工作。

3　后续计算

虽然积雪情况下可以进行工作，但是如果积雪不进行清扫直接进行运行会有后续的情况发生，即当气温升高，积雪融化，没有及时清理就会出现裹冰，在这种情况下，对摩天轮进行计算。

由于图3中计算的积雪载荷按厚度计算认为是320 mm的积雪，那么化成冰，认为裹冰载荷为10 mm，则计算结果如图4（a）所示，最大应力为130.9 MPa，位置在侧支承柱底端，其最大应力位置如图4（b），主支承柱的最大应力为104.4 MPa，位置在主支承柱顶端，如图4（c）所示，转盘最大应力为121.4 MPa，转盘整体受力如图4（d）所示，最大钢丝绳拉力为923.2 kN.

图4　满载加冰载荷工况下应力云图及变形图

将计算结果汇总至表2所示，从表中可以看出冰载荷情况下，转盘的应力比雪载荷情况下的大1.4%，钢丝绳最大拉力大1.4%，从工程上看这些差值是可以忽略的。

表2　计算结果对比表

4　结束语

根据计算可以得出，如果在无人乘坐的摩天轮上积雪产生的应力、位移以及钢丝绳的拉力符合工作状态下的安全要求，满足安全系数，那么在此积雪情况下可以进行人员乘坐，同时即使积雪在气温高的情况下融化，那么融化后的裹冰载荷仍然满足工作条件，所以摩天轮可以运行。

本论文采用的比较大的积雪载荷进行计算，并且此计算不能适合任何摩天轮，因此在针对不同的摩天轮应针对实际情况限制积雪载荷的厚度，不能无限制运行。

［1］GB18164-2008，《观览车类游艺机通用技术条件》［S］.

［2］GB8408-2008，游乐设施安全规范［S］.

［3］GB50009-2012，建筑结构载荷规范［S］.

［4］GB50135-2006，高耸结构设计规范［S］.

Effects Analysis of Snow Load on Ferris Wheel

XUWei1，WANGWeng-jing1，WANG Shi-rou1，JANG Hai-bo1，WANG Pan-pan2
（1.DaLian YILIYA Construction Machinery Co..ltd，Dalian Liaoning 116023，China；2.DalianYiWang Technology Co..ltd，Dalian Liaoning 116023，China）

Usually it is not allowed to run the ferris wheel in snowy day.But how much effect does the snow load has on running ferris wheel.In this article it is analyzed about snow load in view of this phenomenon.The comparison between the running of the wheel and the non-running wheel ismade by ANSYS simulation.And it is analyzed according to the other effects of the snow.Ferriswheel can still run when there is snow load.

ferriswheel；snow load；ansys simulation analysis

TU312.1

A

1672-545X（2016）05-0086-03

2016-02-02

徐伟（1984-），男，辽宁鞍山人，本科，工程师，研究方向：机械设计及优化分析。