步行力驱动的人群-桥梁系统耦合横向振动模拟研究

针对大跨径、细长、轻型化人行桥在运动人群荷载激励下异常振动问题,以简支梁作为桥梁基本模型,以社会力模型作为行人基本模型,描述行人步行速度和动态步行频率特征,建立考虑行人步行力驱动的人群-桥梁耦合振动模型,分析行人和人行桥相关参数对系统耦合横向振动的影响机制。研究结果表明:桥上行人数量超过一定规模后,会出现人群-桥梁系统同步及人行桥大幅度横向振动现象;同步过程可通过行人相位变化率判定,序参量R下限值为0.6时,系统达到同步状态;行人到达率增大,引发共振的临界人数逐渐下降,达到同步的时间趋于增加;行人到达率不变时,行人对人行桥振动的敏感度C值增加使系统达到同步时间降低;人行桥基本参数比例一定时,长度变化会对临界人数产生显著影响;阻尼比增加,结构产生大幅度横向振动的时间延长,达到一定值时,人群-桥梁系统不会发生同步。

静态人群-结构相互作用人行桥模态参数试验

针对静态人群-结构相互作用下人行桥模态参数影响进行试验研究,以实验室钢结构玻璃人行桥为研究平台.研究内容如下:测试环境激励下人行桥动力参数;测试静态人群作用在人行桥不同位置、不同姿势下结构的动力参数变化.结果表明:静态人群-结构相互作用下,随着作用人数增加,结构自振频率逐渐降低,阻尼比逐渐增大.坐姿对结构频率影响最大;四人作用下结构自振频率由空载时的4.381 Hz减小至3.643 Hz,降低了16.8%;半蹲姿势对阻尼比影响最大,四人作用下结构阻尼比由0.660%增加至4.888%,增加了640.6%.静态人群位于某阶振型峰值点处时,对应此阶模态结构频率最小,阻尼比最大.

人群简化模型与人行桥TMD参数设计研究

用两段连续弹性杆模拟静立人体,建立人群-人行桥-调谐质量阻尼器(TMD)振动系统。将静立人群简化建模为单个的广义人体,研究广义人体-人行桥-调谐质量阻尼器振动系统的动力特性及TMD参数设计。运用最小二乘原理确定广义人体的相关参数,通过与已有的实验数据对比,验证了将静立人群简化为广义人体模型的正确性。以均方根加速度作为人体舒适度的优化准则,分析了人行桥TMD的最优频率比和最优阻尼比。

随机人群行走下人行桥动力特性参数及加速度响应

为考虑随机行走人群中个体间差异性和个体内随机性,提出了基于步长的随机人群行走构建方法,推导了考虑人-结构竖向相互作用的动力方程,建立了随机人群行走下人行桥振动响应分析方法,并分析了人行桥结构动力特性参数的变化规律.结果表明,考虑人-结构竖向相互作用时,人群行走会显著影响结构的阻尼比和频率.随着人流密度的提高,人行桥瞬时阻尼比明显增大,瞬时频率大幅降低.当人群密度恒定而行人分布不断拥挤时,人行桥瞬时阻尼比先增大后减小,瞬时频率先减小后增大.随着人流密度的提高,人行桥竖向峰值加速度和均方根值加速度响应均先增大后减小,人流密度为0. 5人/m^2时,人行桥竖向加速度响应最大.

基于社会力模型的人群-桥梁竖向动力耦合效应研究

针对越来越多的轻质柔性人行桥在随机人群荷载作用下的结构振动问题,为了能够获得更为真实、精细的振动响应,建立考虑人群-结构相互作用的随机人群荷载模型尤为重要。首先利用移动弹簧-质量-阻尼模型模拟单人的动力学行为,并基于社会力模型,建立人群的随机运动模型,进而建立考虑人群-结构耦合振动的随机人群荷载模型。根据任意时刻人行桥和随机人群动力平衡,建立随机人群-人行桥耦合振动的控制方程。利用状态空间法求解人行桥动力参数随随机人群运动的变化情况,利用振型分解法求解耦合振动控制方程,探讨考虑人群-结构耦合振动的随机人群荷载对人行桥模态以及振动响应的影响。分析结果表明耦合系统模态变化量随着人数增加而增加。行人随机性与人群-结构相互作用对轻质结构的竖向动力响应影响很大,故在计算轻质结构振动响应时不可忽略。相比于加速度峰值,均方根加速度能够弱化随机波动的干扰作用,因此也采用了1-s均方根加速度更合理地衡量了结构的振动响应。

人-桥耦合系统的动力分析

人行桥的人致振动的传统算法没有考虑人-桥耦合效应(Human-bridge coupling effect,HBCE)的影响.目前,已有学者将行人等效成弹簧-质量-阻尼(Spring-Mass-Damping,SMD)模型.在此基础上,本文将SMD模型加入到人行桥的运动方程中,推导了人-桥耦合系统的竖向振动方程,并用MATLAB编制了计算程序,对人-桥耦合系统的动力特性和竖向人致振动进行了初步分析.研究结果表明:(1)在考虑人-桥耦合效应后,系统频率会降低,而系统阻尼会增大,即人-桥耦合效应对人行桥的动力特性的影响显著;(2)当步频接近人行桥的频率时,不考虑人-桥耦合效应的竖向人致振动会被过分地放大,而当步频远离人行桥的频率时,考虑人-桥耦合效应的竖向人致振动则偏于保守;(3)人行桥越轻或行人越多,考虑和不考虑人-桥耦合效应的计算结果的差异越大.

行人SMD模型参数对人群-结构耦合动力特性的影响

分析行人单自由度弹簧-质量-阻尼器系统中模型参数的随机特性,建立步行人群-结构耦合自由振动方程,采用复模态法求解得到结构的固有频率和阻尼比。研究行人频率、阻尼比和弹性质量对结构基频和阻尼比变化率的影响;应用Monte-Carlo仿真,得到不同频率结构在不同的人群与结构质量比下的基频和阻尼比的95%及5%分位点。分析表明,当空载结构与行人的频率比约为1.1时,结构基频和阻尼比的变化率最大;空载结构基频离行人频率范围较近时,质量比增大会使结构基频和阻尼比的随机散布增大。