中国特种设备检测研究院 北京 100029
摘要：为保证三环过山车整体结构在地震时的强度、刚度和稳定性，采用反应谱法对三环过山车整体结构进行抗震分析，计算其在地震作用下的动态响应及其抗震特性，验证三环过山车在地震作用下的安全性，探索出过山车抗震分析的实用方法。
关键词：三环过山车；整体结构；抗震；反应谱法
0 前言
过山车是一种常见的大型游乐设施。《GB8408-2008游乐设施安全规范》中规定：对于大型高耸结构的游乐设施，在设计时应考虑地震对其的影响。要求过山车在多遇地震作用下主要结构位移符合国家标准要求，主要结构强度应满足 
（1）。为了能够准确地反映过山车在承受地震载荷时的结构动态响应，保证过山车安全可靠的工作，本文采用反应谱法对过山车整体结构进行抗震特性分析研究，为过山车抗震分析提供探索经验和借鉴。
1 力学建模
三环过山车轨道总长498m，轨道高度24m，采用立柱支撑。轨道主要由支撑管、轨道管和轨枕组成。应用solidworks建立力学模型，过山车的主体结构选用梁单元为基本单元进行计算，立柱间的可调拉杆选用抗弯模量较小的梁单元模拟。如图1所示。
2 静力分析
三环过山车轨道复杂，通过运动学和动力学仿真，得到运载小车的自重载荷（含乘客）、惯性载荷、冲击载荷作用在轨道某点最大值进行静力分析和动力分析。抗震分析时可仅考虑过山车结构的自重载荷由于三环过山车结构复杂，在进行抗震分析前，对过山车整体进行静力分析可以得到三环过山车力学模型整体强度与位移值。经计算可知，在自重工况下过山车最大应力为28.1MPa，最大位移10.1 mm。
3 动力分析
在进行地震分析前需获取过山车结构的动力特性，其主要包括过山车结构的自振频率、振型和阻尼等。地震反应是各阶振型的迭代，由于高阶振型参与较少，因此可只考虑低阶自振频率对抗震分析的影响。自振频率分析结果是否合适取决与质量参与因子。质量参与因子可以指明一个分析中是否包括足够数量的模式，推荐数值为0.8。在自振频率分析中既要使质量参与因子不低于0.8，又要避免过多高阶自振频率参与。通过计算，当过山车的自振频率超过138.8HZ时，质量参与因子不低于0.8。又根据《GB50011-2010建筑抗震设计规范》，钢结构高度不大于50m时，阻尼比取0.04（2）。
4 计算结果
《GB50011-2010建筑抗震设计规范》将地震作用分为水平地震作用（X、Y方向）和竖向地震作用（Z方向）（2）。在计算时，结合阻尼比确定过山车所处地区地震反应谱，得到各方向地震作用下的结构动态响应。然而结构在地震作用下的动态响应最大值并不等于各振型地震作用之和，需要进行振型组合。考虑到三环过山车整体结构的耦合关联关系，采用CQC法，按式（1）进行振型组合（3）：
通过计算得到X向、Y向、Z向各自地震载荷作用的结构动态响应。X、Y、Z各向应力最大值分别为：52.9Mpa，101.3Mpa，65.1Mpa；各向位移最大值分别为：23.71mm，31.29mm，11.56mm。
5 结果分析
采用SRSS法对X向和Y向地震响应的最大值进行方向组合（4），按式（2）、式（3）中的较大值确定：
得出过山车在水平地震作用下应力最大值为110.8Mpa，位移最大值为37.2mm；竖向地震作用下，应力最大值为65.1Mpa，位移为11.56mm。
因此可得三环过山车结构最大总应力值 
=110.8MPa，最大水平地震作用位移值 
=37.2186mm。
三环过山车钢结构材料为Q235A，
=175MPa，可知：
。
根据《GB50011-2011建筑抗震设计规范》抗震位移验算公式：
6 结论
从分析结果可以看出，三环过山车在多遇地震作用下整体结构的最大应力小于材料的许用应力；整体结构的各向最大变形均出现在轨道位置较高处，立柱的变形相对较小，最大位移小于结构最大高度的1/300。分析结果可以较好地反映出过山车在承受地震载荷时的结构动态响应，各项响应值均满足《GB50011-2011建筑抗震设计规范》中关于钢结构抗震设计的相关要求。
参考文献：
[1] GB 8408-2008 游乐设施安全规范[S].北京：中国标准出版社，2008
[2] GB 50011-2011建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011
[3] 彭俊生，罗永坤，彭地.结构动力学、抗震计算与SAP2000应用[M].成都：西南交通大学出版社，2007
[4] 柳春光.桥梁结构地震响应与抗震性能分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2009
作者简介：
刘鹏霄（1985.4-）男，山西吕梁，工程师，硕士研究生，研究方向：车辆工程，中国特种设备检测研究院。
吕梦南（1987.10-）男，陕西西安，工程师，硕士研究生，研究方向：材料工程，中国特种设备检测研究院。
论文作者:刘鹏霄, 吕梦南
论文发表刊物:《基层建设》2016年1期
论文发表时间:2016/5/21
标签：过山车论文; 结构论文; 三环论文; 位移论文; 载荷论文; 应力论文; 最大值论文; 《基层建设》2016年1期论文;