某鋼結(jié)構(gòu)游樂設(shè)施有限元分析研究

張守麗，鄭國足

（1.甘肅省人民醫(yī)院，甘肅 蘭州730000；2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

某鋼結(jié)構(gòu)游樂設(shè)施有限元分析研究

張守麗1，鄭國足2

（1.甘肅省人民醫(yī)院，甘肅 蘭州730000；2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

游樂設(shè)施設(shè)計是否可靠直接關(guān)系到游客的生命安全，國內(nèi)外因游樂設(shè)施破壞而導(dǎo)致游客喪生的例子也不少見，因此，對游樂設(shè)施進(jìn)行細(xì)致而精確的分析就顯得尤為必要。利用通用有限元軟件ANSYS對蘭州市西部歡樂園TL60跳樓機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)整體分析。利用空間結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件MST統(tǒng)計了迎風(fēng)面桿件表面積的大小，以此較為精確地考慮了塔架結(jié)構(gòu)實(shí)際所受風(fēng)荷載的大小，為其他類似的工程設(shè)計提供了參考。針對該塔架結(jié)構(gòu)考慮了六種荷載工況，在每一種荷載工況下對結(jié)構(gòu)的可靠性都進(jìn)行了評價。經(jīng)分析，每一種荷載工況下該塔架均能滿足《游樂設(shè)施安全規(guī)范》中關(guān)于重要構(gòu)件安全系數(shù)應(yīng)大于5，一般構(gòu)件安全系數(shù)應(yīng)大于3.5的要求。

建筑科學(xué)；游樂設(shè)施；跳樓機(jī)；ANSYS；MST；有限元分析

游樂設(shè)施由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及社會游樂發(fā)展方向的需求，使得大型游樂設(shè)施不斷涌進(jìn)，結(jié)構(gòu)也不斷推陳出新[1]。最初我國游樂設(shè)施多為簡單地模仿國外設(shè)備、生產(chǎn)中小型設(shè)備，而現(xiàn)在更多發(fā)展為獨(dú)立自主的研發(fā)大型、超大型設(shè)備。游樂設(shè)施也朝更快、更高、技術(shù)更先進(jìn)、運(yùn)動形式更刺激、結(jié)構(gòu)形式更復(fù)雜方向發(fā)展。目前過山車最大速度已超過100km/h，觀覽車的高度已達(dá)208m。隨著游樂設(shè)施的快速發(fā)展，其所帶來的危險也成倍增長，游樂設(shè)施安全事故頻繁發(fā)生，造成極壞的社會影響[2]。例如：2007年12月31日，蕪湖某公園的過山車在運(yùn)行過程中突然懸停在半空中；2007年 “五一”期間，日本某公園發(fā)生一起過山車事故，造成一死21人受傷；2007年8月“環(huán)球嘉年華”摩天輪在韓發(fā)生事故造成5人死亡；2007年8月4日，法國巴黎某游樂場發(fā)生大型游樂設(shè)施事故。一部正在高速旋轉(zhuǎn)的大型游樂設(shè)施的機(jī)械臂突然斷裂，導(dǎo)致鋼臂末端的車廂甩向空中，砸向地面，造成兩人死亡[3]。

據(jù)統(tǒng)計自2004年以來，國內(nèi)外大型游樂設(shè)施運(yùn)營過程中發(fā)生安全事故高達(dá)169起，其中國內(nèi)事故42起、國外事故127起[4]。

可見，游樂設(shè)施的設(shè)計是否可靠直接威脅到游客的生命安全，因此，對游樂設(shè)施進(jìn)行細(xì)致而精確的分析就顯得尤為必要。

1 工程概況

TL60跳樓機(jī)屬于蘭州市西部歡樂園內(nèi)的一種大型游樂設(shè)備。該跳樓機(jī)結(jié)構(gòu)總高60m，由四根立柱及橫向聯(lián)系桿件組成。設(shè)備基礎(chǔ)外形尺寸為9m× 9m，吊艙外形尺寸3m×3m,吊艙的最大加速度4g(含吊艙及乘客自重)，每乘客人數(shù)16人，每小時最大乘客人數(shù)192人，每天最大乘客人數(shù)1920人，按每天10小時運(yùn)行計算），機(jī)容量約75千瓦。

該跳樓機(jī)塔架，是萬德沃公司生產(chǎn)的游樂設(shè)備。由于該設(shè)備關(guān)系到游客的人身安全，所以為確保該設(shè)備質(zhì)量及使用的可靠性，對TL60跳樓機(jī)塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體有限元分析。

2 荷載工況

根據(jù)相關(guān)設(shè)計技術(shù)資料和參數(shù)，嚴(yán)格按照《游樂設(shè)施安全規(guī)范》[5]、《飛行塔類設(shè)備通用技術(shù)條件》[6]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[9]的要求進(jìn)行計算，采用的荷載工況[10]見表1。

表1 荷載工況

3 結(jié)構(gòu)模型的建立

塔架的靜力計算模型，可簡化為空間剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。

3.1 單元類型

利用ANSYS進(jìn)行分析時單元選用BEAM188單元。BEAM188適用于分析細(xì)長的梁，是基于Timoshenko梁理論的。具有扭切變形效果。BEAM188是一個二節(jié)點(diǎn)的三維線性梁。BEAM188在每個節(jié)點(diǎn)上有6或7個自由度，（自由度）數(shù)目的變化是由KEYOPT(1)來控制的。當(dāng)KEYOPT(1)=0時(默認(rèn)),每節(jié)點(diǎn)有6個自由度。分別是沿x,y,z的位移及繞其的轉(zhuǎn)動。當(dāng)KEYOPT(1)=1時,會添加第七個自由度(翹曲量)。此元素能很好的應(yīng)用于線性（分析），大偏轉(zhuǎn)，大應(yīng)力的非線性（分析）。

3.2 材料性質(zhì)

取鋼材彈性模量E=2.06×105N/mm2（2.06E11N/m2），鋼材密度為 7850kg/m3（7.85×10-9t/mm3），泊松比為 0.3。

4 施加荷載

4.1 恒載

恒載為塔架自重，可通過輸入材料密度、定義重力加速度使程序計算時自動考慮。鋼材密度為：7.85×10-9t/mm3，重力加速度為：9810mm/s2。

4.2 活載

根據(jù)甲方提供的資料：吊艙重量為13800N，最大乘客人數(shù)為16人。按照《GB8408-2008游樂設(shè)施安全規(guī)范》中的規(guī)定，每個乘客按照700N計算，則最大乘客載荷為∶。則設(shè)計最大活載荷為：13800＋11200=25000N（25KN），考慮豎向最大加速度為4g，按照《GB 8408-2008 游樂設(shè)施安全規(guī)范》中的規(guī)定，考慮沖擊系數(shù)為2.0。則放大后的活載為：2.0×4× 25000=200000N（200kN）。

吊艙和乘客總的荷載是通過四根鋼絲繩傳至滑輪的，每根鋼絲繩承受的荷載是50KN。吊艙和乘客的活載通過滑輪傳給結(jié)構(gòu)的荷載分別如圖1，2所示。

圖1 塔架頂部豎向活載

圖2 塔架頂部水平活載

4.3 風(fēng)荷載

根據(jù) 《游樂設(shè)施安全規(guī)范》GB8408-2008中的規(guī)定，風(fēng)荷載計算分為工作狀態(tài)載荷和非工作狀態(tài)載荷。游樂設(shè)施的設(shè)計，按最大運(yùn)行風(fēng)速15m/s2計算工作狀態(tài)下的風(fēng)荷載，在靜止?fàn)顟B(tài)下（非工作狀態(tài)）應(yīng)能承受當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)提供的風(fēng)荷載。風(fēng)荷載的取值及計算方法參照GB5009中的規(guī)定執(zhí)行。在風(fēng)荷載計算中將分別考慮90°和45°風(fēng)荷載。

1)工作狀態(tài)下90°方向的風(fēng)荷載。根據(jù)《建筑結(jié)荷載規(guī)范》GB5009-2012，計算得到作用在塔架上的風(fēng)荷載為：

迎風(fēng)面：

背風(fēng)面：

由ANSYS統(tǒng)計得，20m高度處迎風(fēng)面和背風(fēng)面各有129個節(jié)點(diǎn)，20～40m高度處迎風(fēng)面和背風(fēng)面各有127個節(jié)點(diǎn)，40～60m高度處各有132個節(jié)點(diǎn)。將風(fēng)荷載平均加在每個節(jié)點(diǎn)上。則每個節(jié)點(diǎn)上所受集中力為：

迎風(fēng)面：

背風(fēng)面：

由于此處風(fēng)荷載是按整個迎風(fēng)、背風(fēng)面的面積

求出的，而實(shí)際結(jié)構(gòu)是鏤空的，所以，風(fēng)荷載計算值過大，與實(shí)際不符。為了使計算更接近實(shí)際結(jié)果，將風(fēng)荷載進(jìn)行折減。這里先將塔架用MST進(jìn)行建模，并賦予設(shè)計所采用的材料屬性。進(jìn)而進(jìn)行各鋼管的表面積統(tǒng)計。經(jīng)統(tǒng)計，所有桿件的表面積為507.6m2。則迎風(fēng)面桿件的表面積為：507.6/8=63.45m2。塔架迎風(fēng)面面積為：60×2.2=132m2。所以折減系數(shù)為：63.45/ 132=0.48。

折減后每個節(jié)點(diǎn)上所受集中力為：

迎風(fēng)面：

背風(fēng)面：

2)工作狀態(tài)下450方向的風(fēng)荷載。采用同樣的方法計算出每個節(jié)點(diǎn)所受風(fēng)荷載大小為：

由前面計算取折減系數(shù)為：63.45/132=0.48

折減后每個節(jié)點(diǎn)上所受集中力為：

工作狀態(tài)下900風(fēng)荷載如圖3所示。

圖3 工作狀態(tài)下900方向風(fēng)荷載

圖4 工作狀態(tài)下450方向風(fēng)荷載

3)非工作狀態(tài)下的風(fēng)荷載。非工作狀態(tài)下900和450方向風(fēng)荷載的計算方法同上，這里不再贅述。

4.4 地震作用

由水平地震影響系數(shù)公式αmax=amax/g，得到水平地震最大加速度amax=αmaxg，

考慮到地震動力放大系數(shù)后，得到水平地震最大加速度為：αmax=2.5×1569.6=3924mm/s2，采用峰值加速度的方法將最大加速度對應(yīng)的慣性力施加于結(jié)構(gòu)之上。

5 可靠性分析

各工況下結(jié)構(gòu)各桿件的最大應(yīng)力、最大位移及安全系數(shù)見表2。

表2 各工況下桿件最大應(yīng)力、位移及安全系數(shù)

由表2可以看出：工況5、6下，結(jié)構(gòu)的位移較大，主要桿件的應(yīng)力也較大，但是均滿足《游樂設(shè)施安全規(guī)范》中關(guān)于重要構(gòu)件安全系數(shù)應(yīng)大于5，一般構(gòu)件安全系數(shù)應(yīng)大于3.5的要求。因此，整個結(jié)構(gòu)的可靠性滿足要求。

工況5、6下塔架的變形圖和應(yīng)力圖分別如圖5～8所示。

圖5 工況5下結(jié)構(gòu)變形

圖6 工況5下結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖7 工況6下結(jié)構(gòu)變形

圖8 工況6下結(jié)構(gòu)應(yīng)力

6 疲勞分析

該跳樓機(jī)運(yùn)行15年，每年52周，每周運(yùn)行2天，每天運(yùn)行10h，每小時運(yùn)行12次，每次兩個來回，則總的運(yùn)行次數(shù)為：15×52×2×10×12×2=374400> 5×104，故需要驗(yàn)算疲勞。

進(jìn)行疲勞計算首先需計算出構(gòu)件的應(yīng)力幅。計算應(yīng)力幅需建立合理的塔架及底座的靜力模型，確定載荷工況，然后計算出構(gòu)件及連接的最大應(yīng)力σmax和最小應(yīng)力σmin，確定應(yīng)力幅Δσ=σmax-σmin。

分別取無連接處的桿件主體金屬、對接焊縫連接處附近的桿件主體金屬以及角焊縫附近桿件主體金屬進(jìn)行驗(yàn)算。

6.1 無連接處桿件疲勞驗(yàn)算

根據(jù)整體分析得無連接處桿件金屬最大應(yīng)力幅為[Δσ]=93.68MPa，安全系數(shù)為，滿足規(guī)范要求。

6.2 對接焊縫連接處桿件疲勞驗(yàn)算

構(gòu)件和連接分類按2類?。篶=8.61×1014，m=4，，則：

根據(jù)節(jié)點(diǎn)分析得有焊縫連接附近桿件金屬最大應(yīng)力幅為[Δσ]=93.68MPa，安全系數(shù)為，滿足規(guī)范要求。

6.3 角焊縫連接處桿件疲勞驗(yàn)算

對焊接金屬和桿件端部金屬按7類?。篶=6.46× 1011，m=3，

根據(jù)節(jié)點(diǎn)分析得有焊縫最大應(yīng)力幅為 [Δσ]= 73.9MPa，安全系數(shù)為，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，結(jié)構(gòu)的疲勞驗(yàn)算滿足設(shè)計規(guī)范要求。鑒于疲勞計算的安全系數(shù)不大，因此建議施工中確保焊接質(zhì)量。

7 結(jié)論

1）游樂設(shè)備的設(shè)計分析不同于一般的建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計時不僅要滿足建筑行業(yè)的相關(guān)規(guī)范，還應(yīng)滿足游樂設(shè)施的相關(guān)規(guī)范。

2）對于表面鏤空的結(jié)構(gòu)，受風(fēng)面積的計算可通過利用空間結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件MST統(tǒng)計迎風(fēng)面桿件表面積的大小來考慮，以此可以較為精確地計算結(jié)構(gòu)實(shí)際所受風(fēng)荷載的大小，是一種較好的方法，為其他類似的工程設(shè)計提供了參考。

3）游樂設(shè)施一般運(yùn)行次數(shù)較多，結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生疲勞破壞。因此，一定要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗疲勞驗(yàn)算。

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