淺析大型摩天輪結構設計

劉波

摘要：觀覽車在中國的發展起步于20世紀80年代，從高度、直徑以及載客量上看都比較小，而且都是游樂園設施的一部分。伴隨著世界范圍內第三次建造摩天輪的高潮，中國的摩天輪事業也獲得了巨大的發展。為促進摩天輪的發展和應用，對摩天輪的結構體系設計進行研究具有十分重要的作用。本文分析并論述了摩天輪的驅動系統和支承結構的設計。

關鍵詞：摩天輪；纜索驅動；支承；結構設計

摩天輪，又稱觀景輪或觀覽車，主要是由一個豎立的帶有轎廂的旋轉輪盤及其支承結構等組成。根據輪盤的結構形式來分，摩天輪結構主要分為剛性、剛柔結合和柔性三大類。早期摩天輪多為剛性結構形式，輪盤全部采用桁架結構體系，但全桁架重量大的缺點也限制了摩天輪高度的進一步發展；隨著科技水平的發展，逐漸開始用一定數量的柔性纜索或拉條代替剛性結構形式中桁架，形成了剛柔相結合形式；當柔性纜索進一步將輪盤中所有的輪輻構件替代，僅剩下輪盤邊緣一圈的剛性桁架結構，大幅度地減輕輪盤自重之后，形成了現在多數巨型摩天輪所采用的柔性形式，使得建設更高更大的摩天輪成為可能。

一、摩天輪的結構體系

1、輪盤鋼結構初始位形的確定

輪盤鋼結構的目標位形（設計位形）通常由設計單位確定，其初設圖也是基于目標位形給出的。顯然，目標位形并不是結構加工與制作的初始安裝位形，這就要求制作和施工單位根據設計單位提供的目標位形，對輪盤鋼結構進行找形分析，最終確定滿足安裝精度要求的初始形狀，即加工和安裝位形。考慮到輪盤鋼結構設計剛度較大，可通過有限元逆裝迭代法、正裝迭代法、倒拆迭代法和無應力狀態法等確定其初始位形。

2、支承結構

美國芝加哥的觀覽車的支承結構是由兩個鐵塔組成，每個鐵塔由4根柱子及斜撐組成。一個長13.7m、直徑0.81m、質量45t的輪軸把兩個鐵塔連接起來，觀覽車就支承在這個輪軸上，如圖1所示。

以后建造的摩天輪多數沿襲了世界上第一座摩天輪的支承結構，但也有一些摩天輪采用了新的支承結構。英國"倫敦眼"的主支承結構是一個倒V型塔，由兩根底部鉸接的柱子組成，同時設置纜索從一側拉住摩天輪，防止其向一個方向傾斜，如圖2所示。

2005年建成的天津慈海橋工程中的摩天輪的支承結構有機地和斜拉橋的橋塔結合起來，在兩個倒Y型塔架間設置橫梁，摩天輪就支承在這個橫梁上，從而使橋塔發揮了兩種功能。如圖3所示。

3、驅動系統

世界上第一座摩天輪是通過電氣驅動的，早期建造的摩天輪多采用電氣驅動。在英國"倫敦眼"中采用了先進的液壓驅動摩擦輪傳動裝置，并設置了減速機構，這種驅動系統具有體積小、質量輕、維護保養方便、能耗省、運行成本低、設備安全、可靠性高等特點，現階段建造的摩天輪多采用這種驅動方式。

二、結構設計

摩天輪是永久性的游樂設施，設計時不僅需遵守建筑結構相關規范，還需遵守游樂設施相關規范。下面以某大型摩天輪為例進行分析：

1、規范要求

根據文獻[1]規定，風速小于15m/s時，摩天輪可以正常運營，應按正常運營狀態進行設計，設計方法采用容許應力法，結構的安全系數，對于重要軸、銷軸及重要焊縫取大于等于6，其他部分取大于等于4；根據文獻[1]的規定，該狀態下可動部分結構需考慮動載系數1.3。風速大于15m/s時，摩天輪關閉運營，需按極限狀態進行設計。極限狀態下結構設計按照GB50017-2003《鋼結構設計規范》[2]和其他有關現行規范的規定設計。3）摩天輪設計基本參數見表1。摩天輪建造地的極限最大風速為31m/s（百年一遇）；抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第一組，抗震構造措施按8度進行設計，場地類別為Ⅲ類。

2、結構分析

作為一個非常規的建筑，永樂橋摩天尚輪需進行除常規建筑以外的特別分析：結構強度分析分兩類情況：正常運行情況與極限情況。正常運行情況考慮輪盤運行時的動力系數，對各種可能荷載工況進行標準組合，按容許應力法進行構件校核。極限情況下采用極限狀態設計方法進行結構受力校核。摩天輪輪盤為預應力結構，受拉索中預應力影響，輪箍處于受壓狀態。決定輪盤狀態的控制因素是拉索的預應力，輪盤的穩定決定了輪盤設計的可行性。

結語：

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，國內關于摩天輪結構設計方法和施工技術方面的報道較少，具有特殊性和挑戰性。對于巨型柔性摩天輪而言，它一方面能夠與某些超高層建筑的高度相比肩，另一方面輪盤的直徑又達到了大跨度結構的尺度。面對這一綜合了超高層和大跨度結構的難點，卻又要求能夠實現平穩旋轉的新穎結構，其分析設計方法的慎重選取、分析過程中的細致認真以及結果的真實可靠等顯得尤為重要。

參考文獻：

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[3]馬明，王衛東，宋濤，張玉林，符龍彪，朱禮敏，張宏.天津永樂橋摩天輪結構設計[J].建筑結構學報，2010，11：78-82+110.

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