主题乐园游艺设施的土建结构设计

主题公园中除了包含大型假山、漂流水道等构筑物外，一般还会设置较多的游乐设施，如过山车、雪国列车和旋转木马等。这些游乐设施及支撑游乐设施的结构构架一般由游乐设施厂家完成设计，但游乐设施的一些土建配套通常由主体设计单位设计，其中包括混凝土基础、部分机房等。

1.游乐设施基础结构设计原则

游乐设备基础的设计，主要依据规范有：《游乐设施安全规范》（GB 8408—2008）、《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）、《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）、《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）等。

与GB 50010—2010采用的以概率理论为基础的极限状态设计法不同，GB 8408—2008采用容许应力设计法进行构件的强度设计，即

式中　σb——材料的极限应力；

　　　σmax——设计计算最大应力；

　　　[n] ——许用安全系数，一般构件取3.5，重要构件取5.0。

同时，在荷载取值上，GB 50009—2012采用的是以概率理论为基础的极限状态设计法对应的分项系数设计表达式；GB 8408—2008在对构件进行强度设计时，采用的是没有分项系数的标准值组合：

式中　P1——组合后的荷载；

　　　K——冲击系数；

　　　Gk——永久荷载；

　　　Q1——活荷载；

　　　Q2～Q6——支承和约束反力、驱动力和制动力、摩擦力、惯性力以及碰撞力；

　　　Q7——风荷载（取风速≤15 m/s）。

这也与GB 50007—2011中按承载能力极限状态下作用的基本组合确定基础配筋或验算材料强度的规定不同。

由于GB 8408—2008中未明确基础按GB 50007—2011规范进行设计后，其构件强度是否需要满足式（5-1）的要求，这给设计人员在实际设计时带来了一定的困难。这里推荐一种解决思路，计算构件的相当安全系数，与式（5-1）比较确定是否需要对荷载效应进行适当放大并重新设计，计算方法如下所述。

依据GB 50010—2010，结构构件承载能力极限状态设计表达式：

不妨令

其中

可得，相当安全系数

式中　γ0——结构重要性系数；

　　　S——基本组合的效应设计值；

　　　R——结构构件抗力设计值；

　　　fc，fs——混凝土、钢筋的强度设计值；

　　　ak——几何参数的标准值；

　　　γRd——结构模型的抗力模型不定性系数；

　　　KS——相当荷载系数；

　　　KR——相当抗力系数；

　　　Sk——标准值组合下的荷载效应；

　　　Ru——结构构件抗力极限值；

　　　fck——混凝土强度标准值；

　　　fstk——钢筋强度极限值；

　　　γc——混凝土材料分项系数，取1.40；

　　　γst——钢筋强度极限值与强度设计值的比值，fstk/fs；

　　　K——相当安全系数。

需要注意的是，按照GB 50009—2012的规定，当基础需要动力计算时，荷载计算时应考虑动力放大系数。

对于国外厂商设计的游乐设备，设备本身由厂家自行设计，但是相关设备基础一般需要由主体设计单位设计。由于国外厂家无法提供依据国内规范进行计算所得的基础顶荷载组合效应，仅能提供依据国外规范计算所得的单工况标准值下的基础顶荷载效应，不能直接应用于基础结构设计，必须经过一定的转换和修正。

比如，国外厂家提供的活荷载标准值Q1 产生的荷载效应为S1。国内规范同类活荷载标准值为Q2，基于结构内力计算采用弹性分析的基础，其荷载效应修正为Q2 S1/Q1，按照GB 50009—2012进行组合后方可用于基础结构设计。

如果国内规范没有对应的活荷载标准值进行比照，那么对于标准值Q1 修正需要专门研究以满足我国对结构构件设计的可靠度要求。依据GB 50009—2012的要求，修正后的标准值Q2 为设计基准期此类荷载最大值分布的某一个分位值，应尽量使其取值在保证率上与同性质的荷载相同；对于Q2 的分项系数可以通过试算的方法得到其可靠度指标并与目标可靠度指标进行比较，在总体误差最小为原则后选定。

2.游乐设施基础结构设计需求

主体结构设计单位进行游乐设备基础设计的前提，是游乐设备厂家提供可以进行基础设计的资料，具体要求如下。(www.xing528.com)

（1）提供每个柱位对应的柱截面，及不同柱截面在基础连接的节点详图。详图中需要标注基础的最小构造厚度和平面尺寸，以满足设备埋件锚栓的长度和埋件大小的要求，该部分由设备设计单位确定。基础设计时会在此基础上进行放大，以满足基础受力要求。

（2）基础本身存在一定的沉降，如对基础的沉降值有要求，需予以明确允许的基础沉降值。

（3）当基础上的混凝土柱墩较高，设备对柱墩的水平变形有要求，亦需明确允许的水平变形值。

（4）上部游乐设备结构的柱子传于基础面的反力（含各工况标准值、标准组合值、基本组合值和最大组合值），这些组合需要满足国家和地方基础设计规范的要求。

（5）提资格式要求：图纸文件应有CAD文件；由于游乐设备的立柱较多，这些立柱的位置和相关荷载若以表格的形式提供时，包含这些信息的资料需要提供相应的Excel表格或其他可用于编辑的文本形式，以便于后续图纸中定位和荷载计算。

（6）提资文件应有明确的中文翻译，以免出现误解。通常情况下，各单体结构基础绝对沉降值和沉降差按规范值进行控制。对于部分游艺设施，根据使用要求对沉降较为敏感，对绝对沉降和沉降差有更严的控制要求，其沉降控制值需由专业游艺单位提供设计时需考虑沉降的控制要求。在桩型选择上，需采用适合的桩型，必要时需增加桩长，严格控制竖向变形。

3.游乐设施对主体结构的影响及附加要求

对于游乐设备直接落在主体建筑上的情况，由于部分游艺设施会产生一定的振动影响，直接承受动力荷载重复作用，当动力荷载作用到主体结构时，对混凝土结构、钢结构均会产生疲劳作用。设计中需进行疲劳验算，控制应力幅，解决疲劳问题。对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。游艺荷载需由专业游艺设施单位提供。

有较大振动影响的游艺设施，应尽量与主体结构分开，避免互为影响，确保结构安全，减少噪声的影响。

如主体结构与游乐设备无法分开，应考虑以下游乐设备对主体结构的附加要求：

（1）主体结构变形。主体结构中结构变形受制于基础变形和上部结构构件变形两部分。若游艺设备悬挂于主体结构上，是否需要控制悬挂点处的最终变形值，主体结构设计单位需综合考虑该要求用于主体结构和基础设计。

（2）基础沉降。当游艺设备通过游艺柱直接落于地面，需控制该沉降变形值，用于该处基础设计。

（3）隔声要求。若游艺设备对主体结构的隔声有要求，主体结构需在设计时对板厚等结构构件进行另外控制，以满足隔声要求。

4.游乐设备基础结构设计实例

1）典型游乐设备厂家提资

厂家提供的游乐设备布置示意图如图5-32所示，主体结构设计单位在此基础上确定结构基础的平面位置及基础标高。对于类似大型过山车，空中缆车这类占地面积大、难以使用轴线定位、柱底标高参差不齐的游乐设备，在结构设计时还需要解决复杂结构的空间定位问题。

游乐设备厂家，依据国内规范要求（表5-10），提供传于基础面的柱底最大反力组合值，如表5-11所示。

2）设计思路

由于设备厂家提供的荷载是6 个分量的最大最小值，为便于设计，可以通过SRSS法（平方和开方）处理为最大水平合力、最大弯矩合力，如表5-12所示。

图5-32　设备布置示意

表5-10　计算工况组合

表5-11　柱底最大反力组合值

表5-12　合力标准值组合

在进行混凝土柱墩设计时，需要考虑钢柱底部水平力在混凝土柱墩底部引起的附加弯矩。同时，柱墩截面与柱墩高度需要满足厂家预埋件的最小尺寸要求，如图5-33所示。

图5-33　柱墩详图

在进行基础设计时，与常规结构不同，游乐设备基础所受的弯矩荷载与水平力荷载比重较大。从经济性和结构受力合理的角度出发，基础布置需要特别考虑弯矩影响。当水平力荷载起控制且水平力方向固定时，可以使用斜桩方案来减少所需桩数。

3）典型设计成果

以某过山车项目为例，基础结构施工图包括桩编号图、桩坐标、承台编号图，柱墩编号图，柱墩详图等（图5-34）。

图5-34　过山车基础结构施工图

5.国外游乐设备荷载转换设计实例

国内设备厂家在游乐设备设计时，通常采用国内规范进行荷载组合。而国外厂家仅能提供依据当地规范单工况标准值下的荷载效应，且按中国规范组合后的荷载效应与原始提供数值往往有较大的区别，因此有必要进行转换。

表5-13为某国外游乐设备厂家提供的单工况标准值下的荷载效应。

表5-13　单工况标准值下荷载效应

依据国内规范进行调整后得到标准组合和基本组合下的荷载效应包络值，如表5-14、表5-15所示。

表5-14　标准组合下荷载效应

表5-15　基本组合下荷载效应

由该实例可以发现，按照国内规范转换后的荷载效应与国外厂家原始提供的荷载效应有很大的区别，需要在配合设计时重点关注。