摩天轮钢索预紧力的分析方法与流程

本发明属于摩天轮结构辅助设计与建设
技术领域：
，涉及一种摩天轮钢索预紧力的分析方法。
背景技术：
：摩天轮作为一个非常规的建筑，户外大型摩天轮的设计需要进行常规建筑以外的特别分析，其结构强度分析包括正常运行情况与极限情况。正常运行情况考虑轮盘运行时的动力系数，对各种可能荷载工况进行标准组合，按容许应力进行构件校核。极限情况下采用极限状态设计进行结构受力校核。摩天轮轮盘为预应力结构，受钢索(拉索)中预紧力(预应力)影响，轮箍处于受压状态。决定轮盘状态的控制因素是钢索的预紧力，轮盘的稳定决定了轮盘设计的可行性。因此在摩天轮的结构辅助设计与建设中，摩天轮钢索预紧力的确定对于摩天轮的荷载工况的影响十分重要，同时会影响所建成的摩天轮使用的安全性。一般来说，摩天轮钢索预紧力的确定都是利用ansys软件，通过ansys软件进行结构与力学分析，进行求解得到。专利号201310731506.5的专利文件公开了一种摩天轮轮辐索预紧力的计算方法，包括如下步骤：一、将摩天轮轮辐索结构采取固化建模，即将轮辐索结构按拉压杆单元进行建模，摩天轮轮辐索固化结构不施加初始预紧力作用，在摩天轮仅承受外荷载的作用下，对摩天轮结构的各个工况进行结构变形、构件应力和固化轮辐索结构中的内力的分析计算，求出轮辐索固化结构的最大压力n1；二、再将轮辐索固化结构采用link10绳索单元重新建模，在不施加任何外荷载条件下将n1作为初始预紧力以预变形(预变形量δ＝n1/k)形式施加到轮辐索单元上，求出由于轮毂在收缩变形后link10单元内部的实际最大拉力为的n2(小于n1)，所述k为轮辐索采用杆单元来分析后，杆单元沿长度方向所受预紧力与杆单元受预紧力后沿长度方向变化的比值；三、按以下比例公式:求得的x即为对与绳索等效的link10预紧力单元所需的预紧拉力，对应的预变形为：这时link10等效轮辐索内部最大拉力即为实际预紧力等于n1；四、有预紧力的结构实际工况分析：将轮辐索固化结构的普通杆单元代替为link10单元，施加预紧力；五、检验：轮辐索结构的最小拉力值应为0并且不存在压力；轮辐索结构的实际拉力不超过极限拉力。该方法所得到的钢索预紧力精度有限。技术实现要素：为了提高摩天轮钢索预紧力的精度，本发明提供了另外一种采用二力杆抽象物理模型和弹簧模型相结合的摩天轮钢索预紧力的分析方法，包含以下步骤：步骤一：将钢索抽象为不承受压力、弯矩及扭力，只承受拉力的二力杆，以弹簧模型简化钢索的二力杆模型，确定弹簧发生二力杆相同变形时的弹簧刚度系数k：将钢索抽象为不承受压力、弯矩及扭力，只承受拉力的二力杆模型，对于二力杆模型，其所受拉力f应满足f＝σ·a(1)其中f为拉力；σ为正应力；a为钢索的截面积；而对于正应力σ，则有σ＝eε(2)其中：e为弹性模量；ε为应变；且对应变ε，有其中：x为变形量；l为钢索长度；综合公式(1)、(2)及(3)，可得公式(4)即为摩天轮钢索抽象的二力杆模型，为了简化模型，把该二力杆视为不承受压力、弯矩及扭力而只承受拉力，大大方便了对摩天轮钢索的分析与计算。以弹簧模型简化钢索的二力杆模型，以保证弹簧发生二力杆相同变形时，提供同样大的拉力，确定弹簧刚度系数k，根据胡克定律f＝k·x(5)由上述公式(5)结合公式(4)，可得到弹簧刚度系数k通过以弹簧模型对二力杆物理模型做进一步的简化，以胡克定律的变换，得到弹簧模型的弹簧刚度系数k。步骤二：通过建立摩天轮有限元模型，采用弹簧接触的方式模拟摩天轮钢索，弹簧既能受拉力也能受压力，不施加预紧力，仅考虑重力和其他外荷载的作用下，分别模拟各种工况，以步骤一中得到的刚度系数k值，分析得出钢索各工况下不施加预紧力时的最大压力；摩天轮有限元模型的建立可以采用功能软件，例如ansysworkbench软件；步骤三：以弹簧接触的方式模拟摩天轮钢索，选取并给弹簧模型施加一个大于步骤二中最大压力的预紧力，保持步骤二中的各工况其他条件不变，获得各工况下钢索施加预紧力时所受压力和最大拉力；步骤四：检查步骤三模拟钢索预紧力所获得的各工况下钢索施加预紧力时所受压力和最大拉力结果，若钢索不存在压力，且各工况下钢索施加预紧力时的最大拉力满足轮辐索安全系数kc的要求，即：其中：fmax为各工况下钢索施加预紧力时的最大拉力；fd为使钢索破断的临界拉力；kc为轮辐索安全系数；则步骤三选取的预紧力符合要求；否则，重复步骤三，调整选取并给弹簧模型施加的预紧力，以取得符合要求的预紧力。优选地，所述工况包括不同荷载情况的工况、不同气候条件工况、不同地震等级工况以及不同转速工况等各种可能发生的不同条件工况，其中不同气候条件工况重点是不同风力等级工况。本发明具有如下有益效果：在保障摩天轮设计安全的基础上，探索了摩天轮钢索预紧力的分析与设计不同思路，通过本发明提供的方法能够准确的计算出摩天轮钢索的预紧力大小，可用于摩天轮的结构辅助设计与建设中指导摩天轮钢索的设计选择，在保证摩天轮使用安全性的情况下，减少材料的浪费。附图说明图1为本发明的摩天轮钢索预紧力的分析方法的流程图；图2为利用ansysworkbench软件建立的某摩天轮有限元模型示意图；图3-6为某摩天轮不施加预紧力时的不同荷载工况通过ansysworkbench软件模拟计算pmax值的实施例示意图。具体实施方式为了更进一步阐述本发明为解决技术问题所采取的技术手段，以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，但不作为本发明要求的保护范围限定。如图1所示的摩天轮钢索预紧力的分析方法实施例的流程，采用以下步骤进行设计摩天轮钢索预紧力设计：s101：将钢索抽象为不承受压力、弯矩及扭力，只承受拉力的二力杆，以弹簧模型简化钢索的二力杆模型，确定弹簧发生二力杆相同变形时的弹簧刚度系数k：其中：f为拉力；x为变形量；e为弹性模量；a为钢索的截面积；l为钢索长度；s102：通过建立摩天轮有限元模型，采用弹簧接触的方式模拟摩天轮钢索，弹簧既能受拉力也能受压力，不施加预紧力，仅考虑重力和其他外荷载的作用下，分别模拟各种工况，以s101中得到的刚度系数k值，分析得出钢索各工况下不施加预紧力时的最大压力；s103：以弹簧接触的方式模拟摩天轮钢索，选取并给弹簧模型施加一个大于s102中最大压力的预紧力，保持s102中的各工况其他条件不变，获得各工况下钢索施加预紧力时所受压力和最大拉力；s104：检查s103模拟钢索预紧力所获得的各工况下钢索施加预紧力时所受压力和最大拉力结果，若钢索不存在压力，且各工况下钢索施加预紧力时的最大拉力满足轮辐索安全系数kc的要求，即：其中：fmax为各工况下钢索施加预紧力时的最大拉力；fd为使钢索破断的临界拉力；kc为轮辐索安全系数；则s103选取的预紧力符合要求；否则，重复s103，调整选取并给弹簧模型施加的预紧力，以取得符合要求的预紧力。下面以某项目的摩天轮为例，采用ansysworkbench软件建立某摩天轮有限元模型，对本发明的s102-s104步骤做进一步的解释：如图2所示，对于该项目，在s102用ansysworkbench软件建立的某摩天轮有限元模型，钢索采用弹簧接触的方式实现。如图3-6所示的某摩天轮不施加预紧力时的不同荷载工况通过ansysworkbench软件模拟计算pmax值的实施例，在s102中，通过ansysworkbench软件，采用弹簧接触的方式模拟摩天轮钢索，弹簧行为定义为既可受拉也能受压，不施加预紧力，分析摩天轮仅受重力和其他外荷载的作用下，分别计算各种可能工况下钢索的内力，求出弹簧接触的最大压力pmax；在弹簧接触定义为既可受拉且能受压的模型下，考虑所有可能工况，包括不同荷载情况的工况、不同风力等级、不同地震等级工况以及不同转速工况等各种可能发生的不同条件工况，所得出的该摩天轮钢索所受最大压力pmax；这里以不同荷载情况的工况为例分析得出最大压力pmax：如图3所示，在满载情况下，钢索所受最大压力pmax1＝16838牛顿；如图4所示，在3/4偏载情况下，钢索所受最大压力pmax2＝23913牛顿；如图5所示，在1/2偏载情况下，钢索所受最大压力pmax3＝37416牛顿；如图6所示，在1/4偏载情况下，钢索所受最大压力pmax4＝22917牛顿；综合以上工况，在1/2偏载工况下，所出现的钢索所受最大压力值为37416牛顿最大，所以考虑各工况的最大压力pmax＝37416牛顿。在s103中，由于pmax＝37419牛顿，在满足预紧力n>pmax的情况下，选取预紧力n＝42000牛顿，保持102中的不同荷载工况的其他条件不变，施加预紧力n，得到各不同荷载工况下钢索所压力和最大拉力情况，见表1：荷载工况钢索是否存在压力钢索最大拉力(牛顿)满载否443273/4偏载否580281/2偏载否747541/4偏载否55491表1在s104，检查上述结果，从表1看fmax＝74754牛顿，钢索不存在压力，本例中钢索破断力fd＝280000牛顿，安全系数kc取3.5，则钢索的最大拉力fmax＝74754牛顿＜80000牛顿，即满足轮辐索安全系数kc的要求，所以该施加的预紧力符合要求，即该摩天轮项目的钢索可取预紧力n＝42000牛顿。注：上述参数都采用国际标准单位制。当前第1页12