摘 要

潍坊市白浪河摩天轮是国内首个采用编织网格式的无轴式摩天轮，其结构形 式新颖，受力复杂。此外，作为重要的游艺设施，结构的安全性能和舒适度要求 较高。因此，有必要对此类新型复杂摩天轮结构的抗震和抗风性能进行分析，为 今后类似结构的设计提供建议和参考。本文主要研究内容如下：

（1）采用 ANSYS 有限元软件建立了白浪河摩天轮结构的有限元模型，对结 构进行了动力特性分析。结果表明：结构基频较低而且高阶振型的频率比较密集； 振型以 Y 向弯曲振型为主，结构 Y 向抗侧刚度较弱。

（2）采用振型分解反应谱法和时程分析法计算了结构在多遇地震作用下的 地震响应，并比较了两种方法的计算结果；采用弹塑性动力时程分析法计算了结 构在罕遇地震作用下的地震响应。分析结果表明：多遇和罕遇地震作用下，杆件 均处于弹性状态，位移满足规范要求，结构抗震性能良好。

（3）基于 AR 线性滤波法采用 MATLAB 程序编写了生成脉动风速时程的程 序，模拟了白浪河摩天轮结构空间节点的脉动风速时程，模拟结果表明 AR 线性 滤波法可以较好的模拟摩天轮空间节点的脉动风速时程。

（4）将风速时程转化为风荷载时程输入结构 ANSYS 有限元模型，对结构分 别进行了极限状态和运营状态下的风振响应分析，分析结果表明：结构满足风振 下的安全性和舒适度要求。最后，计算了不同风向角下结构的位移风振系数，对 该类结构的风振系数取值提出了建议。 关键词： 无轴式摩天轮，动力特性，抗震性能，风振响应，风振系数

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ABSTRACT

Weifang Bailanghe Ferris Wheel is the first no-shaft Ferris wheel in China with the use of grid style. Its structure is new and complex, and the distribution of the inertial forces is complicated. In addition, as an important recreational facility, the requirements of safety performance and comfort degree are higher. Therefore, it is necessary to analyze the aseismic and wind-resistant properties of this Ferris wheel, and provide suggestions and references for the design of similar structures in the future. The main contents are presented as follows:

(1) The finite element model of the Ferris wheel was established by using the finite element software ANSYS, and the dynamic characteristics of the Ferris wheel was studied. The results showed that the basic frequency of the structure was lower and its frequency spectrum was concentrated. The main modal shapes reflected vibration in y direction, which means the stiffness of the structure in y direction was smaller.

(2) The responses of the structure under frequently occurred earthquake were analyzed with both the response spectrum method and the time-history analysis method, and the results obtained by the two methods are compared. The responses of the structure under rare earthquake were studied using the dynamic elastic-plastic time-history method. Under the frequently occurred earthquake and rare earthquake, all the structural members were in the elastic stage and the deformation of the structure met the requirement of Chinese code, and the seismic performance of the structures was good.

(3) Based on the AR linear filter method, the program of generating the fluctuating wind speed time-history was written by MATLAB platform. Then, the fluctuating wind speed time-history of the spatial node of the Ferris wheel structure was simulated. The simulation results showed that the AR linear filter method could simulate the wind speed time-history very well.

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(4) The wind speed time history was transformed into the wind load time history and input into the ANSYS finite element model, then the wind-induced response of the structure was analyzed under ultimate state and operation state respectively. The results showed that the structure satisfies the safety and comfort degree requirements. At last, the displacement wind vibration coefficient of the structure under different wind direction angle was calculated, and the wind vibration coefficient of this kind of structure was proposed.

KEY WORDS: No-shaft Ferris wheel, Dynamic characteristics, Seismic behavior, Wind-induced response, Wind vibration coefficient

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目 录

摘 要**..................................................................................................................... I**
ABSTRACT ........................................................................................................ III
第1 章 绪论**........................................................................................................... 1**
1.1课题背景和研究意义.............................................................................. 1
1.1.1工程概况....................................................................................... 1
1.1.2研究意义....................................................................................... 2
1.2摩天轮结构发展现状.............................................................................. 3
1.3结构抗震分析理论概述.......................................................................... 5
1.3.1静力法........................................................................................... 5
1.3.2动力反应谱法............................................................................... 5
1.3.3时程分析法................................................................................... 6
1.4结构风荷载研究方法.............................................................................. 7
1.4.1现场实测....................................................................................... 7
1.4.2风洞试验....................................................................................... 7
1.4.3数值模拟法................................................................................... 8
1.5摩天轮结构抗震抗风研究现状.............................................................. 8
1.6本文的工作内容...................................................................................... 9
第2 章 摩天轮结构动力特性分析**..................................................................... 11**
2.1引言........................................................................................................ 11
2.2模态分析理论........................................................................................ 11
2.2.1 ANSYS模态分析提取方法........................................................ 12
2.2.2振型参与系数............................................................................. 12
2.3摩天轮结构有限元计算模型................................................................ 13
2.4摩天轮模态分析结果............................................................................ 14
2.5本章小结................................................................................................ 17
第3 章 摩天轮结构抗震性能分析**..................................................................... 19**
3.1引言........................................................................................................ 19
3.2振型分解反应谱分析............................................................................ 19
3.2.1地震作用基本参数..................................................................... 19

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3.2.2振型数目确定............................................................................ 20
3.2.3反应谱分析结果........................................................................ 20
3.3多遇地震下弹性时程分析................................................................... 23
3.3.1地震波的选择与调整................................................................ 23
3.3.2阻尼矩阵.................................................................................... 26
3.3.3弹性时程分析结果.................................................................... 26
3.3.4结果比较.................................................................................... 28
3.4罕遇地震下弹塑性时程分析............................................................... 30
3.4.1钢材塑性性能............................................................................ 30
3.4.2弹塑性时程分析结果................................................................ 31
3.5本章小结............................................................................................... 34
第4 章 摩天轮结构抗风特性分析**.................................................................... 35**
4.1引言....................................................................................................... 35
4.2风的基本特性....................................................................................... 35
4.2.1平均风........................................................................................ 36
4.2.2脉动风........................................................................................ 36
4.3基于AR法的风速时程模拟................................................................ 38
4.3.1 AR模型....................................................................................... 38
4.3.2风速时程模拟过程.................................................................... 39
4.3.3风速与风压的转换.................................................................... 43
4.4摩天轮结构风振响应分析................................................................... 43
4.4.1摩天轮脉动风速时程模拟........................................................ 43
4.4.2极限状态下的风振响应分析结果............................................ 49
4.4.3运营状态下的风振响应舒适度分析........................................ 52
4.4.4摩天轮结构风振系数分析........................................................ 53
4.5本章小结............................................................................................... 58
第5 章 结论与展望**............................................................................................ 59**
5.1结论....................................................................................................... 59
5.2展望....................................................................................................... 60
参考文献**.............................................................................................................. 61**
发表论文和参加科研情况说明**.......................................................................... 65**
致 谢**.............................................................................................................. 67**

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第 1 章 绪论

第 1 章 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.1.1 工程概况

潍坊白浪河摩天轮，又名“渤海眼”，坐落于山东省潍坊市滨海经济开发区 央子镇北面，省道 222 东侧，港营路上跨白浪河处，所在位置河面宽度为 500m。 白浪河摩天轮位于白浪河大桥中央，形成了轮桥合一的建筑风格。摩天轮在结构 上突破了传统摩天轮的辐条形式，采用了创新的固定圆环的结构形式。轮盘钢环 采用流线型的外观造型，体现出建筑本体的优美质感。轿舱沿着设置在固定轮盘 上的轨道旋转，实现了观光轮功能。白浪河摩天轮在建成之后将成为滨海新区的 地标性建筑，起到丰富市民生活、提升景观形象、拉动商业发展、升华城市品质 等重要作用。摩天轮的建筑效果图如图 1-1 所示。

图 1-1 摩天轮建筑效果图

摩天轮结构与桥梁结构使用同一个基础，彼此之间互相独立。摩天轮的轮盘 结构是一个由网状编织的钢结构所形成的空间圆环，正立面外轮廓是一个直径为 125m 的圆。轮盘上部结构横截面是一个直径为 15m 的圆，下部结构横截面是一 个直径为 5m 的圆，以这 2 个圆为基准，沿空间轮盘外轮廓线渐变形成轮盘面^[1] 。 轮盘通过两侧斜柱墩台，形成竖向支撑体系与平行于轮盘方向的水平支撑体系。 每侧墩台有 6 根斜柱，共计 12 根斜柱。轮盘两侧张拉有 12 根拉索，构成了垂直

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第 1 章 绪论

于轮盘方向的水平支撑体系。轮盘跨中布置有水平约束框架，以减少轮盘变形。 斜柱、拉索与轮盘连接区设有结构加劲环。斜柱间的净间距为 4.9m，以保障轿 厢通过。摩天轮拉索设有减振阻尼器，防止风振引起的过大变形。摩天轮轿厢带 有动力装置，沿轨道绕摩天轮转动，轿厢轨道通过连接件固定于摩天轮轮盘结构。 摩天轮运营设计风速为 15m/s，当风速大于 15m/s 时停止运营。基础墩台上设永 久性观测点。摩天轮结构如图 1-2 所示。

轮面杆件
外弦
内弦
拉索
斜腿
水平约束框架
图 1-2 摩天轮结构图

1.1.2 研究意义

潍坊市白浪河摩天轮是国内首个采用编织网格式的无轴式摩天轮，建成后将 成为全国直径最大的无轴式摩天轮。该摩天轮结构复杂，形式新颖，社会和经济 效益显著，具有较高的安全需求和功能要求。目前国内尚无此类采用编制网格形 式的无轴式摩天轮，可参考的相关工程经验很少。

摩天轮结构属于高耸结构，但与一般的高耸结构（如电视塔，烟囱，通信塔 等）存在较大差别，其跨度相对于一般高耸结构更大，结构的安全性能要求更高。 此外，作为游艺设施，需要满足人体舒适度要求。摩天轮结构作为高耸结构，自 振周期较大，对风荷载比较敏感，在设计过程中往往只将风荷载作为静荷载考虑，

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第 1 章 绪论

未考虑风致振动可能导致的结构主体破坏。在现行建筑结构荷载规范中，关于此 类摩天轮结构的风荷载的取值也无明确规定。

综上所述，有必要对此类新型复杂摩天轮结构的抗震和抗风性能进行分析， 保证结构的抗震和抗风安全性以及舒适度满足要求，并在此基础上研究此类摩天 轮结构的抗震和抗风特性，为工程设计与建设提供建议和理论依据。

1.2 摩天轮结构发展现状

摩天轮是一种大型可旋转的观光游乐设施，随着经济的发展和人们生活水平 的提高，世界各地建造了越来越多的摩天轮。作为一种观光游乐设施，摩天轮一 方面给人们提供了一种新的休闲娱乐方式，另一方面也能给所在地带来巨大的经 济效应，体现出建造地的经济实力和建设水平。1893 年由美国桥梁建造师 George Ferris 为芝加哥世博会建造的摩天轮是世界上第一座真正意义的现代摩天轮。这 座摩天轮直径约为 76.2m，圆周长约为 251.46m，拥有 36 个座舱，一次可容纳 2160 个人。芝加哥摩天轮开创了现代摩天轮的先河，从此以后摩天轮这类游乐 设施在世界范围内风靡了起来，摩天轮进入了快速的发展时期。

国外摩天轮的发展大致分为三个阶段^[2-4] ：（1）19 世纪末到 20 世纪初是摩 天轮的第一个建设高潮期。在此期间英国和日本都分别建造了自己的摩天轮，此 时摩天轮的高度都在 100m 以内。（2）由于第二次世界大战的爆发，导致摩天 轮的发展停滞了近半个世纪，直到 20 世纪 70 年代，摩天轮迎来了第二个建设高 潮期。其中最著名的是英国为了庆祝新千年而建造的“伦敦眼”（London Eye） 摩天轮，“伦敦眼”直径约为 135m，有 32 个座舱，一次可容纳 800 人，建成之 后成为了当时世界上最高的摩天轮。在这一阶段日本也陆续建造了很多高度在 100m 以上的摩天轮。（3）20 世纪末至今是摩天轮建设的第三个高潮期。在这 一阶段，由于拥有更高的建造水平和更强的经济实力，摩天轮的高度不断被刷新， 结构形式和外观也更多样化，摩天轮被赋予了更多的时代意义。2004 年在俄罗 斯莫斯科建成并开放的麻雀山摩天轮高达 170m。2014 年，在美国内华达州拉斯 维加斯大道上建造的“豪客”（High Roller）摩天轮，高达 550 英尺（约 167.6m）。

20 世纪 80 年代开始，随着我国经济和技术的不断发展，我国也进入了摩天 轮的建造阶段。1992 年在吉林长春建造的直径 32m 的摩天轮，是我国第一座摩 天轮。2002 年在上海锦江乐园建造的 108m 高的摩天轮是我国第一个高度超过百 米的摩天轮。从此之后我国的摩天轮建设进入了百米时代^[5] 。2003 年在哈尔滨建 成了 110m 高的“哈尔滨大转盘”。2004 年，长沙新世纪体育文化中心城市东广

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第 1 章 绪论

场建造了高 120m、直径 99m 的位于巨型屋顶上的摩天轮。2008 在天津建成的高 达 120m 的“天津之眼”摩天轮是首个轮桥合一的摩天轮。2010 年在江苏常州建 成的东经 120 摩天轮景观塔是世界首个无轴式摩天轮^[6] 。

摩天轮主要由轮盘结构、驱动系统和支承结构组成^[3] 。其中轮盘的结构形式 分为三种：第一种是刚性结构形式，整体采用桁架结构体系；第二种是柔性结构 形式，采用钢索张拉的形式；第三种是刚柔混合体系，以钢索为主并设置一定数 量的桁架。最初的轮盘结构多为刚性形式，后来才逐渐发展形成柔性形式，现在 已经建成的摩天轮的轮盘结构大多数都是采用柔性形式。柔性形式在视觉上更为 轻盈、优雅，拥有更好的视觉效果和建筑美感。从摩天轮的形态上看，摩天轮可 以分为有轴式摩天轮和无轴式摩天轮两种形式，目前国内大部分的摩天轮都属于 有轴式摩天轮，无轴式摩天轮除了本文的白浪河摩天轮外，还有位于江苏常州的 东经 120 摩天轮。

无轴式摩天轮和有轴式摩天轮主要包含以下几方面的差异：（1）在建筑美 学方面，无轴式摩天轮建筑形式更为新颖，独树一帜，轮盘中空具有更好的透视 效果。（2）在整体重量方面，有轴式摩天轮重量更小，结构更为轻巧；无轴式 摩天轮为了保证座舱运转的稳定性，刚度更大导致结构重量上升。（3）在结构 稳定性方面，由于有轴式摩天轮的刚度更小，而且轮盘拉索的张力会加剧结构的 振动和位移，因此有轴式摩天轮的整体稳定性比无轴式摩天轮更差。（4）在使 用舒适度方面，无轴式摩天轮结构的刚度更大，因此比有轴式摩天轮结构更容易 满足舒适度的要求。（5）在构件制作方面，有轴式摩天轮的轮轴及其转动轮毂 需要耐磨的铸钢，制作的技术和精度要求很高；无轴式摩天轮的轨道和轿厢轮相 对而言制作更为简单，但是安装的精度要求很高，否则无法保证轿厢沿固定在轮 盘外沿的轨道平稳运转。（6）在施工方法方面，有轴式摩天轮可采用立面旋转 法和中心旋转法，一般柔性有轴式摩天轮结构体系常采用立面旋转法，刚性有轴 式摩天轮结构体系常采用中心旋转法，两种方法的吊装难度均较大；无轴式摩天 轮采用分段拼装法安装，建立格构柱式支撑架作为拼装胎架^[7] 。由于结构节点构 件较多，有大量的高空焊接作业，具有更高的难度和危险性，但是随着支撑架的 搭设，结构更为稳定，后期的相关处理比有轴式摩天轮更容易。

综上所述，两种摩天轮形式有各自的优势和缺点，其中有轴式摩天轮目前拥 有更多可参考的工程实例，技术相对成熟，而无轴式摩天轮结构形式更为新颖， 可参考的实例少，需要克服的技术难题更多。本文研究的新型复杂摩天轮结构属 于无轴式摩天轮。

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第 1 章 绪论

1.3 结构抗震分析理论概述

结构的抗震分析一直是国内外学者非常重视的研究课题之一。目前结构抗震 分析理论的发展主要经历了三个阶段：20 世纪 1040 年代是静力理论阶段，1900 年，日本大房森吉提出了静力法的概念，假设结构物的各个部分和地面具有相同 的振动；20 世纪 4060 年代是反应谱理论阶段，该理论是美国加州理工学院的 一些学者对地震动加速度记录的特性进行分析后所取得的一项重要研究成果；20 世纪 70~80 年代是动力时程分析理论阶段，近些年来，工程设计人员普遍采用时 程分析方法对结构进行抗震计算分析^[8] 。

1.3.1 静力法

式中， W 为结构的重力； K 为地震动峰值加速度与重力加速度的比值。但 是，由于结构的动力性质被忽略，仅仅把地震加速度作为结构的破坏指标具有很 大的局限性。只有当地面运动周期和结构自身周期存在较大差异时，结构才可以 被近似当成刚体，此时静力法可以比较有效地应用于抗震分析计算。

1.3.2 动力反应谱法

20 世纪 40 年代，相关学者提出了反应谱理论，这一理论在之后的 20 年被 世界各国的抗震设计规范逐渐吸收采纳。反应谱法也称为动静法，因为反应谱法 一方面可以较好地考虑了地震荷载的概念，另一方面也体现了场地运动和结构各 项动力特征之间的特征关系，相比静力法具有很大进步。

（1）单质点结构体系的最大地震力计算

工程设计人员普遍比较关心结构在地震作用下各个反应的最大值，针对单质 点体系的最大地震力的表达式如下：

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