無軸式摩天輪轎廂本質安全設計分析與研究

馬建寧，余　沛，孫旭平，王志遠

(1.濰坊濱海經濟技術開發區交通運輸局，山東 濰坊 262737；

2.商丘工學院,河南 商丘 476000；3.中建六局土木工程有限公司，天津 300451)

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無軸式摩天輪轎廂本質安全設計分析與研究

馬建寧1，余沛2，孫旭平3，王志遠3

(1.濰坊濱海經濟技術開發區交通運輸局，山東 濰坊 262737；

2.商丘工學院,河南 商丘 476000；3.中建六局土木工程有限公司，天津 300451)

摘要：以濰坊白浪河大橋為背景，對無軸式摩天輪的轎廂進行了研究，分析了在建的自行式超大型摩天輪轎廂的設計理念，與傳統的摩天輪轎廂相比，自行式超大型摩天輪轎廂在安全與舒適程度上都比一般的轎廂較為合理，率先采用大型豪華轎廂，提出了一種超高無軸式摩天輪轎廂的本質安全設計方法，為類似工程提供理論參考。

關鍵詞：無軸式；超大型摩天輪；轎廂；本質安全

0引言

自從1893年世界上第一座現代摩天輪——芝加哥摩天輪(Ferris Wheel)建造以來，日本、英國等發達國家相繼建造了多座具有代表性的摩天輪，其中以英國的“倫敦之眼”(直徑135 m)最為著名。目前，中國也已建造了數個大型摩天輪結構，如2004年在長沙建成了高120 m，直徑99 m的巨型摩天輪；2008年在天津建成的直徑110 m的慈海橋摩天輪；2009年建成的北京朝天輪高208 m，直徑193 m，是世界上摩天輪中直徑最大的。另外，2011年建成的常州紫荊公園“時來運轉”摩天輪高89 m，鋼結構總重約3 000 t，是當時“世界最大、國內唯一”的無軸式摩天輪。可見，摩天輪正朝著高度更高、直徑更大、形式更新穎的方向發展[1-3]。

1工程概況

濰坊濱海新區經濟技術開發區圍繞“母親河”——白浪河兩側重點打造公共空間與大型服務設施，形成一條景觀帶。這個項目是白浪河基礎設施建設規劃的橋梁中最重要的一座橋梁，是開發區東西向溝通的紐帶，是景觀帶的核心，項目位置極其重要，它的建設是該地區整體規劃中不可分割的一部分。摩天輪特殊的結構形式，使其施工技術和方法也具有特殊性和挑戰性，根據特定結構形式進行具體分析是本工程必須面對的難題。摩天輪結構既區別于一般的空間鋼結構，又不同于普通的高聳結構，是一種較為特殊的結構形式。目前，國內關于無軸式摩天輪結構設計方法和施工技術方面的研究較少。

工程由長540 m的跨河大橋和橋中央高138 m的無軸式摩天輪組成，創下了兩個世界第一，無軸式摩天輪中的世界第一高和“輪橋合一”中橋梁跨度最大、摩天輪最高的世界第一高度135 m，直徑125 m，橢圓十字節點989個，鋼結構桿件2 961個，總用鋼量5 122 t。如圖1所示；超過世界著名的“倫敦眼”摩天輪(135 m)，高度在世界同類摩天輪中排名第一，是世界上最大的無軸式摩天輪[4-6]，摩天輪設置36個大型豪華轎廂，廂內面積近8m2，12個乘客可以在艙內隨意走動觀光，如圖2所示。

圖1　摩天輪效果圖

圖2　本質安全轎廂

2轎廂設計理念

濰坊白浪河大橋摩天輪轎廂的面積(7.59 m2)較之“天津之眼”摩天輪(3.55 m2)、“南昌之星”摩天輪(3.55 m2)增大了一倍多，比“上海大轉盤”摩天輪(1.76 m2)更是增大了3倍還有余，這標志著中國游樂業也開始裝備以高端大型轎廂為主要特征的高端巨型摩天輪，對中國游樂業而言，這是具有里程碑意義的重要事件。

為保證轎廂乘坐的舒適度，轎廂采用了目前世界上最先進的伺服驅動技術，利用高精度的傳感器，不斷檢測轎廂地面的水平狀態，發現誤差后即向計算機系統發出偏差信號，計算機系統收到偏差信號后，立即同時向二臺伺服電動機發出糾偏指令，二臺伺服電機隨即按指令要求，同步動作，對轎廂輸出糾偏扭力，如此循環往復，保證了轎廂地面在摩天輪整個運動過程中，始終處與高水平的水平穩定狀態。對乘客而言，完全是“如履平地”的感覺。這樣的乘坐感受，使濰坊摩天輪的乘坐舒適度達到了國際一流水準。

摩天輪轎廂內還采用了電動開啟自動門。電動門除具有很好的安全性外，還具有防夾緊等性能，是目前摩天輪轎廂中較為先進的類型。

轎廂中還將設置冷暖空調設備，以保證乘客不管外部環境如何變化，都可以在適宜的溫度環境中乘坐摩天輪觀光游樂。轎廂中的基本設施還有：音響、視頻播放系統、對講機系統、滅火器等設備。具有卓越端面及徑向補償功能的多點驅動及控制技術；摩天輪的36個大型轎廂及相應的輪系總共數百噸運動荷載由總數達20套相互獨立的驅動單元驅動；每套驅動單元由變頻電動機直接帶動殼轉行星減速機及實芯摩擦輪組成，并配備了自動恒壓壓緊裝置；驅動系統對摩天輪運動系統可能產生的誤差具有卓越的端面及徑向補償功能。

轎廂與驅動系統:與傳統摩天輪結構不同，白浪河摩天輪轎廂采用自驅系統，驅動系統提供轎廂在固定的圓環鋼架上運轉的推動力，初步考慮采用齒輪齒條傳動，基本做法是：在鋼環上敷設兩條軌道，軌道上帶齒條，轎廂上的驅動裝置的齒輪與軌道齒條嚙合，產生驅動力。

這種驅動方式具有結構緊湊、傳動平穩、傳動比精確、可靠性好、效率高、壽命長、功率大等特點。不足之處是嚙合傳動會產生噪聲，需要采取一定的減噪措施。 驅動采用分散動力方式，每個轎廂自帶獨立的動力裝置，在軌道上前后獨自運行。方案結構受力均勻、可靈活控制運行。

驅動系統可按摩天輪不同狀態，靈活配置進入工作狀態驅動單元的數量，所有驅動單元可以有計劃的實行輪流工作制，處于休閑狀態的驅動單元可進行維護保養，而不影響摩天輪的正常營運。

轎廂采用懸掛式轎廂，在運行過程中靠自身的重力保持平衡，并裝置伺服機構使轎廂保持平穩(天津摩天輪已經成功應用)。按目前方案的尺寸，每轎廂可承載約 10 人，乘客可在內略微走動。根據需要轎廂橫斷面還可設計為圓形、橢圓形等。

3本質安全設計

濰坊摩天輪轎廂設計的懸掛式與“倫敦眼”摩天輪的環抱式轎廂相比，除了具有明顯優越的性價比外，還具有更加安全可靠的技術性能。這是因為本轎廂在伺服驅動系統失效的情況下，會自動恢復為懸掛狀態，不存在整個轎廂傾覆的危險,從基本原理上看屬“本質安全型”，勝出“倫敦眼”的保障安全型一籌。

圖3　本質安全轎廂

“倫敦眼”摩天輪轎廂屬環抱式支撐結構，依靠伺服驅動系統保持轎廂地面的水平狀態，若驅動系統失靈轎廂地面將會發生傾斜甚至完全傾覆。屬依靠技術措施保證的“保障安全”型轎廂。而濰坊摩天輪轎廂設計的懸掛式轎廂在伺服驅動系統失效的情況下，會自動恢復為懸掛狀態，不存在整個轎廂傾覆的危險，從基本原理上看屬“本質安全”型轎廂，如圖3所示。軌道、驅動裝置的安裝涉及到高空作業，精度控制困難，安裝難度大，如何保證每節軌道的完美貼合是施工的難點。轎廂需要安裝內部空調、電液伺服自平衡系統和大面積的玻璃鋼。轎廂采用工廠加工后運輸到現場，安裝時將軌道轉至最下面，每節轎廂在摩天輪底部安裝。軌道、驅動裝置及轎廂還應做避雷處理，保證雷擊后摩天輪仍能正常運轉、保障乘客安全是一項技術難題。

4結束語

無軸式摩天輪的安全是保證36個大型轎廂，500多乘客，數百噸的運動載荷，在一個直徑為125 m的垂直聳立的圓形鋼結構軌道上，安全平穩運行，并且保證不會發生停止運行，讓乘客滯留在高空的安全性是設計的主題。利用現有的設計理念，對濰坊摩天輪進行本質安全設計，在一定程度上保障了自行式超大型摩天輪轎廂安全性和舒適性，對后期類似工程設計提供一定的理論與實踐參考。

參考文獻

[1]閆翔宇.新型斜拉橋和摩天輪組合結構研究[D].天津：天津大學，2004.

[2]沈之容，王之宏. 上海之星摩天輪結構方案分析[J]. 特種結構，2006(23)：42-43.

[3]王小盾,石永久,王元清.摩天輪結構及其工程應用研究[J].建筑科學與工程學報,2005(3):30-35.

[4]馬建寧.余沛,孫旭平. 白浪河大橋鋼桁架結構可行性分析研究[J]河北工程大學學報，2015.32(1):27-29.

[5]朱瑞泉.余沛.白浪河大橋摩天輪結構方案分析研究[J]施工技術，2014.43(2):208-210.

[6]袁銀書，余沛，孫旭平,等.無軸式摩天輪安裝施工技術模擬分析研究[J]土木建筑與環境工程，2015.37:10-14.

Analysis and Research of no Shaft Wheel Capsules Intrinsically Safe Design

MA Jian-ning1,YU Pei2，YUAN Yin-shu3,SUN Xu-ping3

(1.Weifang Binhai Economic and technological Development Zone of Traffic Transport, Weifang 262737, Shandong Province, China; 2. Shangqiu Institute of Technology, Shangqiu 476000, Henan Province, China; 3. China Construction 6th Engineering Bureau Civil Engineering Co.,Ltd, Tianjin 300451, China)

Abstract:To weifang whitewater river bridge as the background, without shaft wheel capsules was studied, and analyzed the construction of the design concept of self-propelled super-large capsules on the wheel, compared with the traditional capsules on the wheel, self-propelled giant ferris wheel capsules on the degree of safety and comfort are better than ordinary capsules is relatively reasonable, pioneered in large luxury capsules, this paper proposes a high ferris wheel capsules without shaft type of intrinsically safe design method, to provide theoretical reference for similar projects.

Key words:No shaft; Very large wheel; Capsules. Intrinsically safe

中圖分類號：X924.2

文獻標志碼：B

文章編號：1009-3230(2016)03-0012-03

作者簡介：馬建寧(1978-)，男，工程師，從事道路、橋梁及水利相關方面的管理工作研究。

基金項目：商丘工學院青年基金項目(2015QKLX08)；住房城鄉建設部綠色施工科技示范工程(S42015026)

收稿日期：2016-01-18

修訂日期：2016-02-28

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.03.003