游樂設(shè)備地震狀態(tài)下安全性分析的思路與方法

楊松錛

（廣東大新游樂智能科技有限公司廣州分公司，廣東廣州 511400）

0 引言

隨著人民對生活品質(zhì)追求的不斷提升，游玩各類游樂設(shè)施已經(jīng)成為人們?nèi)粘蕵沸蓍e的一種常見方式。市面上有各種類型的的游樂設(shè)施，為了保證參玩游客的人身安全，必須確保設(shè)備的安全性。下面以一款水上游樂設(shè)備大黃蜂滑梯作為案例進(jìn)行分析。

1 分析方法及思路

該滑梯主要由平臺、鋼結(jié)構(gòu)支撐件、玻璃鋼滑槽、供水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)5 個主要部件組成，主要通過水做為潤滑媒介、利用重力勢能，使游客從高處往地面滑行。

采用通用有限元分析法對設(shè)備進(jìn)行分析，所用軟件為韓國Midas 通用有限元軟件（NFX）。在軟件中，采取了一維桿單元對立柱和支撐與二維殼單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似簡化（圖1）。大黃蜂滑梯鋼結(jié)構(gòu)采用的是梁單元，玻璃鋼滑道采用板殼單元。

圖1 簡化模型

1.1 載荷分析

設(shè)備所受載荷有設(shè)備自重載荷Gk、乘員載荷Q1、滑道內(nèi)潤滑水載荷WL、風(fēng)載荷Q7、雪載荷Q8、地震載荷等。

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，乘員載荷Q1和滑道內(nèi)潤滑水載荷WL需要乘以沖擊系數(shù)K=1.5，風(fēng)載荷Q7=0.4 kN/m2，雪載荷Q8=0.5 kN/m2。地震載荷的情況稍為復(fù)雜，計(jì)算抗震設(shè)防烈度取8 度，地震加速度值0.2g，地震分組一組，場地類別二類。根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，考慮了Z 水平方向的最不利地震作用即Rz。

1.2 分析依據(jù)

采用反應(yīng)譜法分析設(shè)備在地震狀態(tài)下的安全性。只要確保設(shè)備處于地震狀態(tài)下不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的破壞，就可以認(rèn)為設(shè)備的安全性是可靠的。

設(shè)備所用材料有2 種，分別是Q235B 和玻璃鋼（表1）。梁柱均采用Q235B 鋼，彈性模量為2.06×105MPa，剪切模量7.9×104MPa，抗拉和抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度375 MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值125 MPa，密度7850 kg/m。滑道采用玻璃鋼，極限應(yīng)力強(qiáng)度147 MPa。

表1 材料的相關(guān)參數(shù)

非運(yùn)行狀態(tài)下荷載組合P=Gk+k（Q1+WL）+Q7+Q8+Rz。

1.3 組合工況位移情況及剛度校核

將上述載荷組合加載至設(shè)備，可以得到玻璃鋼滑槽部分結(jié)構(gòu)的最大變形情況（圖2）。

圖2 玻璃鋼滑槽部分結(jié)構(gòu)的最大變形情況

1.3.1 滑梯玻璃鋼結(jié)構(gòu)剛度校核

根據(jù)以上工況位移圖，最大位移發(fā)生在上圖滑道標(biāo)簽位置，最大值為25.4 mm。該段滑槽的長度為5500 mm。按照國家鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，可以把本結(jié)構(gòu)視作平板結(jié)構(gòu)，撓度限值為l/150。5500/25.4=216.5＞150。結(jié)構(gòu)受力最不利處撓度檢驗(yàn)合格，所以滑梯玻璃鋼的剛度檢驗(yàn)合格。

將上述載荷組合加載至設(shè)備，可以得到鋼結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)的最大變形情況（圖3）。

1.3.2 鋼結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)剛度校核

滑梯立柱產(chǎn)生最大位移在立柱H 處，最大值為14.2 mm。立柱H 長度為l=14 800 mm。按照國空鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，可以把本結(jié)構(gòu)視作桁架結(jié)構(gòu)，撓度限值為l/400。由于14 800/14.2=1042＞400，結(jié)構(gòu)受力最不利處的撓度檢驗(yàn)合格，所以滑梯立柱的剛度檢驗(yàn)合格。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)的最大變形情況

1.4 組合工況應(yīng)力圖及強(qiáng)度校核

將上述載荷組合加載至設(shè)備，可以得到玻璃鋼滑槽結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力情況（圖4）。

1.4.1 滑梯玻璃鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

玻璃鋼件抗彎強(qiáng)度σb=147 MPa，根據(jù)上述工況組合應(yīng)力圖可知最大合成應(yīng)力σ1=15.1 MPa，σb＞σ1，安全系數(shù)n=147/σ1=9.7，而相關(guān)要求“重要零部件安全系數(shù)必須大于3.5”。因此，受應(yīng)力最大的滑槽強(qiáng)度檢驗(yàn)合格，滑梯的強(qiáng)度符合安全使用要求。

將上述載荷組合加載至設(shè)備，可以得到鋼結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力情況（圖5）。

1.4.2 鋼結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

玻璃鋼件抗彎強(qiáng)度σb=375 MPa，根據(jù)上述工況組合應(yīng)力圖可知最大合成應(yīng)力σ2=44.6 MPa，σb＞σ2，安全系數(shù)n=375/σ2=8.4，符合“重要零部件安全系數(shù)必須大于3.5”的要求，因此受應(yīng)力最大的鋼結(jié)構(gòu)立柱強(qiáng)度檢驗(yàn)合格，滑梯的強(qiáng)度符合安全使用要求。

2 結(jié)論

圖4 玻璃鋼滑槽結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力

通過有限元計(jì)算法分析設(shè)備處于地震載荷作用下的安全性分析，是有效的校核分析手段之一。通過有限元分析計(jì)算校核設(shè)備的剛性與強(qiáng)度可知，在地震的狀態(tài)下該設(shè)備處于地震載荷的作用下，并未產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的破壞，設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)也符合國家相關(guān)規(guī)范的要求。