基于人群密度的随机人群荷载模型研究

人群同步率与行走步频对人行桥的结构振动响应影响较大,但既有随机人群荷载模型仅由单人荷载模型组合而成,并未考虑人群密度对结构振动的影响,建立可描述人群行走特征的随机人群荷载模型尤为重要。以某钢桁架人行桥为研究对象,采用现场振动测试试验与数值模拟的方法,研究人群密度对人行桥振动响应的影响规律,在既有随机人群荷载模型的基础上,提出一种考虑人群同步率与行走步频随人群密度变化而改变的随机人群荷载模型,并采用其他学者的相关试验数据对本文建立随机人群荷载模型的正确性进行了验证。研究结果表明:人群同步率和行走步频都会随人群密度的变化而改变;当人群密度小于1人/m^(2)时,人行桥振动响应与人群密度呈正相关,当人群密度超过1人/m^(2),人行桥振动响应随人群密度呈负相关;基于人群密度的荷载模型所得到计算值与试验值的相对误差为5.0%~12.2%,这证明本文建立的随机人群荷载模型能够较好模拟人群行走所产生的荷载效应。

人群集度荷载模型及人致振动模拟分析

针对大跨度楼板的人致振动问题,选取北京南站二层候车厅大跨度楼板作为研究对象.基于理想数学模型条件设定假设和等效荷载模型,改进并完善了2种适用于大跨度楼盖的人群荷载模型:人体步态参数服从概率分布的随机概率分布人群荷载模型,以及与交通学和生物学研究成果紧密结合的具有预测性的人群集度荷载模型.通过对比分析北京南站候车厅大跨度楼板在3种人群荷载模型作用下的结构振动响应情况,确定各荷载模型的适用范围并分析各自优缺点.结果表明:人群集度荷载模型对结构在人群荷载作用下加速度响应具有预测性,适用工况范围广.与传统的等效荷载模型相比,采用随机概率分布荷载模型作为结构激励荷载适合用来模拟人群自由行走工况.运用等效荷载模型及人群集度荷载模型模拟人群排队进站荷载工况得到的分析响应结果较为合理.

人群行走荷载作用下的人致结构振动

以生物力学和交通领域相关研究成果为基础,提出了一种精细化的随机人群荷载作用下的人致结构振动分析方法.首先以生物力学试验数据为基础,拟合了人步行速度与步频之间的关系式;然后借助交通领域的人流集度与人流速度关系模型,结合目前结构领域关于单人荷载模型的研究成果,建立了精细化的随机人群荷载模型,推导了该人群荷载模型下的结构动力平衡方程,并采用自编程序对该方程进行求解,得出了结构的人致响应;最后通过ISO2031标准对文中建立的荷载模型下结构的人致振动舒适性进行评价,并与BS5400荷载模型进行了比较.结果表明,文中所建立的荷载模型较好地考虑了人群荷载对结构的作用,避免了目前人群荷载作用下人致振动分析参数取值的盲目性.

紧急疏散工况下大跨度候车厅的人致振动响应分析

以高铁北京南站高架大跨度候车厅为对象,分析紧急疏散工况下的人群集体流动特征和可能的疏散路线;根据统计确定单人步态参数,并结合单人行走荷载,分别构建等效人群荷载模型、随机概率分布人群荷载模型和人群集度荷载模型;基于交通运输学领域的人群到达模型,结合北京南站实际的京沪高铁列车时刻表,确定人群荷载分布。运用ANSYS软件构建大跨度候车厅结构的有限元模型,针对紧急疏散不同时期的情况,施加相应的人群荷载激励时程,进行大跨度候车厅结构的人致振动响应分析。结果表明:在紧急疏散过程中,随着人群步频的加大和人群集度的增加,结构人致振动加速度响应显著增大,自由行走区的人致振动大于主候车区的人致振动,自由行走区和主候车区的人致振动加速度响应分别是疏散前的9.3倍和1.5倍;候车厅的人致振动加速度响应比疏散前大的结构面积达30.6%。因此,为保证大跨度候车厅结构的振动舒适性和安全性,在设计时需要考虑人群紧急疏散效应。

某轻钢人行桥的力学特性研究及舒适度评价

在通过足尺静力试验校核MIDAS Civil有限元模型的基础上,对一座轻钢人行桥进行动力特性分析,并采用规范ISO 10137∶2007(E)提出的单人行走荷载模型,结合用同步行走人群代替随机行走人群的方法,计算不同工况下结构峰值加速度响应。此外,考虑人群质量对人桥系统总基频的影响,将人群质量逐级折算入人桥系统总质量,分析人群行走工况下的结构加速度响应。研究认为,该桥满足现有规范对于基频的要求,同时峰值加速度基本处于德国规范EN 03规定的舒适区间,但折算78%满载人群质量计算人桥系统基频时,峰值加速度相比不折算人群质量的情况明显增大,表明人群质量可以对系统基频产生显著影响,可能造成人桥系统基频落入行人步频范围内,导致人桥共振现象的发生。

外倾单肋曲线人行钢拱桥振动舒适度评价

现代人行桥为追求美观,其设计多采用大跨轻柔的复杂结构形式。基频过低的人行桥易受行人荷载激励产生共振,从而影响行人通行舒适性。为探究人桥共振的舒适度评价机制,该文以外倾单肋曲线人行钢拱桥为研究对象,基于Midas/Civil平台对结构进行振型分析;结合德国规范EN03建立了不同人流密度下的人群荷载模型,通过时程分析和单自由度方法对比了桥梁振动峰值加速度,两者差值不超过2%;根据舒适度指标,对桥梁进行综合评价。结果表明:多人荷载数学模型仍需改善;人致振动加速度与行人密度正相关,但行人过密难以走动会引起动力效应的衰减;桥梁在正常运营状态下的振动舒适度满足要求。

人群跳跃荷载中的协同性因子试验研究与应用

采用三维动作捕捉技术,开展了73人次4种跳跃频率下的单人跳跃荷载的试验,将节拍器时刻与跳跃落地时刻的时间差作为有节奏跳跃时的协同性因子。试验数据的统计分析表明,协同性因子的概率分布特性可描述为均匀分布与贝塔分布的组合,分别对应于跳跃人群中个体的随机跳跃和协同跳跃两个成份。利用试验结果确定协同性因子概率分布函数的参数。将协同性因子与单人跳跃的随机荷载模型相结合,可实现对人群跳跃荷载的模拟,实例应用表明了模拟方法的合理性。