摩天轮临时结构设计及风荷载分析范文

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［摘要］根据结构形式和现场条件，地处入海口处的桥上摩天轮施工时，建立格构式支撑架作为临时结构。因体量大且结构重，对临时结构进行详细设计。支撑架为钢结构形式，结构较高，对风荷载较敏感，着重分析风荷载体型系数。

［关键词］钢结构;无轴式摩天轮;临时结构;设计;有限元分析

1工程概况

本工程为入海口附近的桥上无轴式摩天轮，为世界上首次采用编织网格形式的摩天轮(见图1)。轮盘外圆直径125m，内圆直径90m，非同心圆，建成后将是世界上直径最大的无轴式摩天轮，也将是“轮桥合一”形式综合体的最高摩天轮。该摩天轮轮盘由外圆2道弦杆、内圆1道弦杆及之间的网格钢管填充而成。两端支座为龙骨式多点支撑。为保证面外稳定性，在3个高度共设12根预应力拉索。钢结构总重约4485t，主体材质为Q345D。本工程摩天轮结构形式新颖，建筑高度大，尤其是轮盘断面上大下小，结构上重下轻，同时考虑施工现场条件不利环境因素，为保证摩天轮安全、顺利建成，对临时结构进行设计分析，并重点考虑风荷载的分析计算。

2临时结构设计

本工程摩天轮未合龙前会产生复杂的应力和变形，增加施工风险和施工难度，因此，为满足安装精度和保证安装质量，应对临时支撑体系进行设计，并对施工过程进行仿真分析。

2.1材料

因钢材施工快捷、成本低、质量较易保证，临时结构通常采用钢材。本工程临时结构的主要功能是支撑摩天轮、定位杆件和作为操作平台。采用钢结构加工规格统一、易于安装、质量可靠，施工完成后，材料可回收利用，降低施工成本。

2.2选型与结构布置

临时结构应选择经济、合理、传力简捷、易于现场施工的结构形式。对于大型复杂的永久结构，在临时结构设计初期，通常还需进行方案比选，确定合适的结构形式。结构布置应根据体系特征、荷载分布情况及性质等综合确定，宜刚度均匀、力学模型清晰。本工程在3种临时结构形式(见图2)中进行优选，同时考虑施工顺序和便捷性。1)方案1利用支撑架承重，落地式脚手架作为操作平台，该方案在施工过程中对摩天轮的支撑较少，杆件定位精度不易控制。2)方案2利用支撑架承重，提升脚手架作为操作平台，由于摩天轮上重下轻，该方案需较强的动力提升系统，且提升过程稳定性不易控制。3)方案3分段拼装，格构式支撑不仅起到弦杆定位的作用，保证安装精度，而且对未合龙的结构起到支撑作用，减小累计变形，保证后续拼装精度。支撑架为施工电梯和附着式塔式起重机提供支撑，实现多用途化，提高利用率。方案3施工精度容易控制、安装风险最小、技术成熟、施工简便，因此本工程采用将支撑架作为拼装胎架的临时结构形式进行施工。考虑杆件定位和安装精度，临时结构选择刚度较大的结构形式，支撑架长120.2m、宽22.7m、高138m。支撑架由竖向支撑、横向支撑、纵向支撑、斜支撑和缆风绳组成(见图3)，材质Q345B。主受力支撑为格构式，受力合理，工厂加工成标准单元便于现场快速拼装。24道缆风绳沿轴线对称布置于支撑架44，80，116m3个高度。考虑对杆件的支撑和定位作用、施工方便性及在安全的前提下降低临时结构的造价，对临时支撑格构柱优化设计，包括结构形式、剪刀撑位置、局部加强和杆件截面形式等。图3支撑架平面Fig．3Theplanofsupport

2.3节点设计

节点设计是钢结构设计的重要内容之一，结构分析前应确定节点形式，正确模拟。本工程支撑架杆件之间为焊接连接，竖向支撑应避免在纵、横支撑交接处连接，以减少热影响区重叠。

2.4结构分析

临时结构可单独建立模型，只需考虑永久结构传递来的荷载，进行分析验算。但对于形式复杂的结构，为更好地分析永久结构和临时结构之间的相互作用，通常建立整体模型，共同受荷，分析验算。本工程建立摩天轮和支撑体系的整体模型，采用MIDAS/Gen软件进行结构分析，杆件均采用梁单元模拟。整体模型的约束要按照施工时的实际情况考虑，本工程摩天轮约束按设计采用的约束考虑，支撑架根据柱脚设计，取三向水平约束。永久结构和临时结构的连接可在满足要求的前提下适当简化，本工程使用较大截面的杆件代替千斤顶，模拟连接。在临时结构设计的荷载分析中，应考虑施工过程相较于结构使用寿命的短时性，如基本风压由于设计年限不同而取值不同;施工过程中可能出现永久结构设计时没有考虑的荷载，如塔式起重机附着等。本工程在整体建模的基础上，取结构自重系数－1.2;活荷载2.0kN/m2(操作平台);基本风压0.4kN/m2;温度±30℃;施工电梯每隔10m在支撑架上附着1道，每道水平荷载38.6kN;塔式起重机在支撑架上附着4道，设备方提供各道附着点反力。需要说明的是，潍坊地区设计年限为10年的基本风压为0.3kN/m2，但考虑结构高度较大、工程重要性、地处入海口等环境条件异常复杂，对风荷载较敏感，同时为更好地控制安装精度，本工程仍取设计年限为50年的基本风压0.4kN/m2。

2.5结果判断

软件运行后应对输出结果进行判断，可修改模型重新计算，也可按结构的重要程度和施工周期等因素修正计算结果。

3风荷载分析

对于一些较柔的高层建筑，风荷载是结构设计的控制因素。随着建筑物高度的增加，风荷载的影响逐渐增大。高层建筑中除地震作用的水平力外，主要的侧向荷载为风荷载，在荷载组合时起控制作用。本工程永久结构和临时结构均为钢结构，支撑架高138m，工程处于入海口附近，对风荷载较敏感，在结构分析时应重点计算风荷载。本工程临时支撑架结构的风荷载标准值计算时，基本风压和风压高度变化系数按照GB50009—2012《建筑结构荷载规范》(以下简称“荷载规范”)查表可得。风振系数可按照高层建筑的形式按荷载规范相应公式进行计算。体型系数应按荷载规范表8.3.1选取。本工程为格构式柱和纵横梁，前后2榀。如不考虑格构形式，支撑架类似于敞开式脚手架模式，在JGJ130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中规定可按照荷载规范表8.3.1的桁架形式计算体型系数。如仅考虑单独的格构柱，又类似于起重机模式，在GB/T3811—2008《起重机设计规范》中体型系数的计算类似于荷载规范的桁架形式，因此，本工程临时支撑架结构按照桁架形式计算体型系数。本文按照2种方法计算体型系数，支撑架的外轮廓面积为总面积，不同之处在于挡风面积的计算和桁架榀数:①方法1将格构柱考虑成1根杆件，格构柱的外轮廓面积为挡风面积，整个支撑架考虑为2榀桁架;②方法2将每根杆件的面积汇总为挡风面积，整个支撑架考虑为4榀桁架。2种方法计算的体型系数如表1所示，差别不大，方法1没有考虑格构柱的镂空，计算结果偏大，方法2中4榀桁架并非等间距，综合考虑，本工程采用方法2的计算结果。本工程摩天轮的风荷载体型系数按照单根杆件1.3考虑，如支撑架也按此方法考虑体型系数，计算出的整体风荷载结果偏大。而对于临时结构，在满足安全性的前提下还需考虑经济性，实际上永久结构和临时结构整体建模分析时，应按联合体的体型系数考虑，鉴于本工程结构形式复杂，本文在这方面并未做进一步研究。为利用永久结构基础，支撑架两端内收，如图3所示，因此支撑架迎风面并非一个平面，本文近似按平面考虑并加载。

4结语

临时结构的设计首先应满足安全性，同时也应兼顾经济性、适用性和施工可操作性。综合考虑实际情况和施工周期等各因素，优选合适的结构形式，合理确定荷载作用和组合，正确模拟进行设计分析，做出合适的工程判断。本文以某摩天轮工程为例，阐述了临时结构的设计步骤。鉴于本工程的重要性，在实际施工过程中应加强监控，根据现场情况，必要时调整临时结构布置，进行过程仿真分析。较柔的高层结构对风荷载较敏感，设计时应重点分析。本文在考虑临时结构的风荷载时，分析比较了体型系数的计算，并进行一定简化，能为同类结构的风荷载体型系数计算提供一定参考。

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作者：张倩 余流 李娟 杜澎泉 单位：中国建筑第六工程局有限公司