考虑人-结构相互作用的楼盖振动控制研究

探讨了采用多重调谐质量阻尼器(MTMD)系统对楼盖考虑和不考虑人-结构相互作用时的振动控制。每个静止的人和调谐质量阻尼器(TMD)都作为单自由度动力系统附加在楼盖控制模态上,得出了人-楼盖-MTMD系统耦合振动方程,通过对该方程的傅里叶变换和静力缩聚法,得到了以无量纲参数表示的楼盖加速度响应。运用遗传算法,以楼盖的加速度响应最小为条件对MTMD系统进行优化,得出了对应不同MTMD系统质量比和楼盖阻尼比的无量纲设计参数(频率比和阻尼比)。通过对不考虑和考虑人-楼盖相互作用的楼盖减振控制效果进行对比,提出了考虑人-楼盖相互作用的楼盖MTMD系统的设计建议。另外,对MTMD系统由于楼盖模态质量、自振频率以及MTMD阻尼的变化所导致的去谐效应进行了讨论。最后总结了考虑去谐效应的MTMD系统的设计方法。

基于自激励人体模型的人-结构竖向相互作用研究

基于自激励人体模型,建立了考虑人-结构竖向相互作用下行人过桥运动方程,提出了考虑步频主谐和亚谐分量的单人步行力模型,并通过单人过桥试验对该模型进行了验证;分析了人-桥竖向相互作用的变化规律及影响因素。结果表明,人体步频亚谐可能与结构的基频相近,从而引起较大的结构响应;结构固有频率和人/结构质量比对人-结构相互作用影响较大,当结构频率与步频及其主谐波分量频率接近时,耦合效应最显著,其对人体足底力影响最大。随着人/结构质量比的增加,人-结构相互作用逐渐增强。

考虑人-结构动力相互作用螺旋楼梯人致振动舒适度评估

为研究人致激励下大跨柔性钢楼梯的振动舒适度问题,利用有限元软件ANSYS对某360度螺旋钢楼梯进行有限元建模,对该模型进行静力分析.在保证该模型满足强度和变形的前提下,又对其进行振动舒适度分析.在总结舒适度评价方法的基础上,建议使用结构的固有频率和振动峰值加速度来控制结构的整体刚度.通过对结构进行在人行激励作用下的动力时程分析,建议在评估柔性钢楼梯人致振动舒适度时应考虑人-结构动力相互作用.

人-结构相互作用动力学建模研究

尝试建立有限多个人留驻的简支梁即人-梁联合系统的新动力学模型;然后应用该动力学模型,分析1到5个人形成的人群-简支梁联合系统的动态特性,研究人群对被占简支梁动态特性的影响;并将数值模拟计算结果和国外学者的实验结果相比较,进一步验证所建立的人群-简支梁相互作用的新动力学模型的正确性和合理性,可充分有效地展现人和细长结构的相互动力作用。

人-结构耦合系统动态特性分析

研究人对结构动态特性的影响.以木质横梁为研究对象,电子激励器为背景激励;人站立于横梁跨中,并测试人静止和拍手两种情况下结构的加速度响应,通过实测值和理论值之间的互相关性确定结构的模态参数.研究结果表明人静止和活动时,结构的固有频率下降,阻尼增加,而人静止时阻尼增加相对较大.

人-结构竖向相互作用两类简化模型分析

基于质量-刚度-阻尼(mass-spring-damper,MSD)和质量-刚度-阻尼-附加质量(mass-spring-damper-rigid mass,MMSD)两类简化分析模型,采用正则化结构振型函数建立简化的人-结构竖向相互作用动力方程.针对具有非比例阻尼特性的动力方程,采用状态空间法求解耦合系统瞬时频率和阻尼比,讨论两种耦合动力方程的区别以及结构在人行荷载作用下频率和阻尼比的变化规律,分析人-结构耦合状态下结构加速度响应的差异.结果表明:考虑人-结构竖向相互作用时,两类动力方程的结构阻尼比显著增大,结构瞬时频率略有减小,瞬时阻尼比峰值平均提高31.67%,瞬时频率峰值平均仅减小0.29%;结构人致振动分析时应考虑人-结构竖向相互作用;MSD和MMSD两种模型分析情况下,结构动力响应差异很小,均方根加速度值的差异仅为0.34%.

竖向人-结构相互作用体系理论模型研究

随着大跨度和柔性建筑结构的广泛应用,考虑到高密度人群对于结构稳定性及安全性的影响,人-结构相互作用体系的研究显得尤为重要。将串联和并联的两自由度人体模型分别作用于单自由度结构模型,得到三自由度人-结构相互作用体系模型。考虑人体的高阻尼特性,分析人-结构体系的受迫振动运动方程,通过加速度响应函数分析得到体系的共振频率。将模型结果与现有文献报道的试验数据进行对比,结果表明,通过单纯形法对人体参数进行针对性优化后,提出的串联三自由度理论模型可以较为准确地模拟试验结果。

考虑人-结构耦合作用的室内大跨钢连廊振动舒适度分析

大跨钢结构连廊质量小、结构柔、阻尼低,其动力特性及响应易受行人影响,为此围绕人-结构耦合作用对大跨钢连廊振动舒适度的影响开展研究。首先,引入两类单自由度人体动力模型,建立人-结构耦合动力模型,并确定人体模型关键参数。随后,基于课题组前期获取的谐波参数,模拟了单人步行荷载,进一步结合人群密度和步频关系,对大跨钢连廊的人群荷载进行了模拟。最后,以苏州文博中心观光连廊为例,对比分析了人-结构耦合作用对大跨钢连廊结构动力特性和振动响应的影响。结果表明,在考虑人-结构耦合作用后,结构的峰值加速度有一定程度减小,最大可达22.51%;人群的步行频率与结构的第1阶竖向自振频率接近或成倍频关系时易产生共振响应;人群密度的不同将影响行人步频,从而会导致对人-结构耦合作用效果的影响。

人体姿态对人-结构耦合系统竖向动力特性影响试验研究

为明确静态人体与轻柔结构之间的竖向相互作用规律,以自主设计制作的简支人行桥模型(基频3.67 Hz、净跨11.80 m)为试验平台,测试了单人人体静立、下蹲与静坐三种姿态及等重质量块对人-结构耦合系统竖向动力特性的影响规律,并结合典型文献试验结果进行了对比与归纳总结。试验结果表明:人体静立、静坐姿态均会降低结构一阶竖向振动频率,而人体下蹲姿态将提高结构一阶竖向振动频率,其中人体静坐姿态对结构一阶竖向振动频率影响程度最大;三种人体姿态均能提高结构一阶竖向模态阻尼比,其中人体静坐姿态提升效应最为显著;采用等重质量块模拟人体,与人体不同姿态对结构振动频率的影响程度基本相当,但无法有效地模拟结构模态阻尼比的变化。综合比较两种结果可知:导致不同文献中人体姿态对结构竖向振动频率与模态阻尼比的影响结果存在离散性的最主要因素为人-结构质量比,其次为人-结构频率比。

人-结构系统的水平耦合振动特性实验研究

针对人-结构系统问题,建立了人-结构振动实验平台,研究人(静止站立)-结构系统水平振动特性。对比平台结构和质量块-结构系统,表明附加质量块的质量块-结构系统水平自振频率会显著降低;对比平台结构和人(静止站立)-结构,表明人-结构系统的水平自振频率会降低,但与重量相当的质量块-结构系统相比,降低幅度相对较小;对比平台结构和人-结构系统以及质量块-结构系统和人-结构系统的前三阶阻尼比,表明人静止站立在结构上,会对结构产生明显的阻尼效果,并且当考虑结构上人的动态特性作用时,只将人简化为质量块附加在结构上是不正确的。

高阻尼人-结构系统的共振频率研究

基于人体两自由度模型,提出了人-结构相互作用系统的三自由度质量-弹簧-阻尼模型。通过理论推导,得到结构响应的加速度频响函数和体系振动频率与结构频率比值的解析式;并采用Griffin两自由度人体模型的参数,模拟已有的试验成果,反映人-结构系统的动力特性。最后,通过对高阻尼人-结构三自由度模型进行数值分析,探讨了人与结构间的质量比、频率比、阻尼比对人-结构体系共振频率的影响规律。

坐姿状态下人-结构相互作用体系水平振动特性

针对人-结构系统水平振动问题,建立质量轻基频低的试验平台,研究人端坐于试验平台时该人-结构相互作用体系的水平振动特性.试验结果表明:自然端坐状态下,人体的不同朝向对结构的动力特性的影响不同.当人朝x向端坐时,结构多出一个振型频率,而基频恰好分布于两振型中间;而当人朝y向端坐时,结构仅有共振频率高于原结构基频.在研究中,人通常比较成质量块放在结构装置上,而事实上质量块对结构的振型阻尼比影响很小,人体能显著增大结构振型阻尼比.因此,不能将水平向自然端坐的人仅仅看作质量块,而应当成质量-弹簧-阻尼完整的体系.

人-结构体系的竖向动力响应试验研究

因人群荷载作用于低频大跨结构引发的共振事件屡有发生。对人体静止作用于结构平台时的人-结构体系竖向动力响应进行研究,采用"钢板-弹簧"搭建结构平台模型,通过丹麦B&K公司PULSE振动机声学信号采集分析系统,对人体在不同姿势工况(单人竖直站立、单人弯膝站立和两人竖直站立)作用下的加速度时程和共振频率进行分析,获得用于验证理论模型的试验成果,并针对不同的人体姿势和结构尺寸形态进行竖向动力响应分析。

基于人-结构耦合振动试验的等效人体模型

针对由人-结构系统的水平相互作用问题,建造了用于人-结构耦合振动研究的钢框架平台。共六人参加此次试验,并测试了添加混凝土质量时结构的动力特性。研究表明:当人静止站立于平台结构上时,与空平台结构相比,人-结构系统的共振频率会降低,但与重量相当的质量块-结构系统相比,降低幅度相对较小,表明在水平方向,不可以简单地将成人等效为相当重量质量块附加在平台结构上;最后,提出了人体前后向的等效附加质量模型,来模拟人对结构水平振动频率的影响,并通过试验验证了此模型的有效性。

基于人群-结构耦合作用甘肃省体育馆悬挂结构振动舒适度评估及控制

为研究大跨楼板结构在人行激励作用下的振动舒适度,以甘肃省体育馆悬挂结构为例,借助有限元软件ANSYS,在傅里叶荷载模型的基础上,将人体等效为具有刚度-质量-阻尼的单自由度体系生物力学模型,考虑定点加载、单人行走以及人群同步等工况下行人-结构的耦合振动前后结构的加速度响应。以峰值加速度为指标评估该悬挂结构的振动舒适度,并分别利用单自由度TMD和3-DOF TMD对结构的过量振动进行控制,对比了单自由度TMD与3-DOF TMD减振效果。结果表明:对大跨楼板结构进行人致振动控制时,3自由度TMD对大跨楼板结构具有很好的控制效果。

考虑人-结构耦合作用的大悬挑拉索结构舒适度分析

采用计算机建模和分析、预测大跨度和大悬挑结构受到人群活动激励而产生的竖向响应是非常重要的课题。人群荷载激励下结构振动响应过程中,人体不仅是荷载激励也是振动参与者,结构振动具有明显的人-结构耦合特性。考虑人-结构耦合作用,区分不同行人密度、步行频率,并采用随机性人群荷载模型,计算某18m大悬挑拉索结构在人群步行荷载激励下的振动响应。结果表明,在端部悬挑区域内加速度响应均小于标准限值70.00mm/s^2,满足舒适度要求;以质量-弹簧-阻尼模型模拟考虑人-结构耦合作用后,人体阻尼用抑制了结构的竖向振动,结构的振动频率没有改变;人群荷载激励频率对结构振动的影响远大于行人密度、数量。

人体--结构系统的水平振动实验

针对静止状态人对结构水平振动特性的影响,建立实验平台,分别测试并分析了质量块-结构系统、单人-结构系统、多人-结构系统水平自振频率与阻尼比变化规律.给出了两种人-结构系统静态水平耦合模型的比较分析以及人体的水平振动频率估计.结果表明:在分析静止状态下人对结构水平振动特性的影响时,人体不可简单作为质量块或质量-弹簧-阻尼系统,而应看作带人体刚性质量的质量-弹簧-阻尼系统.结合实验测试数据和人-结构系统水平耦合模型,得到人体水平前后向频率范围为0.236～3.748 Hz,人体水平左右向频率范围为0.194～5.32 Hz.

驻留人群-结构耦合体系竖向动力特性

为研究人-结构竖向相互作用中驻留人体模型的适用性,基于质量-弹簧-阻尼(mass-spring-damper,MSD),质量-弹簧-阻尼-附加质量(mass-spring-damper-added mass,MMSD)和刚性质量(rigid mass,MR)三类人体模型,建立了人群-梁耦合体系动力方程,分析了单人作用位置以及人群数量对耦合体系动力特性的影响,以加速度峰值和均方根加速度为指标,评估了三种模型对振动响应的敏感程度。结果表明:MMSD模型和MSD模型对耦合体系动力特性的影响趋势一致,但结果的相对误差会随人群密度的增加而放大;MR模型对体系前两阶频率作用相同,对模态阻尼比的影响可忽略不计,不适用于人-结构相互作用分析;3种简化模型均降低了体系振动水平,合理考虑驻留人体对耦合体系动力特性的影响可提高结构振动分析精度。

随机行走人群-大跨楼盖耦合振动及MTMD减振分析

为研究随机行走人群与大跨楼盖的耦合振动,基于随机人群荷载模型,推导出人群-大跨楼盖-TMD耦合动力方程,开展了随机人群行走下大跨楼盖动力特性参数及加速度响应的不确定性研究.结合遗传算法,建立了考虑人-结构相互作用的MTMD减振优化设计方法,并通过数值计算对比了单个TMD与优化MTMD的减振效果.结果表明,随机人群行走下,随着行走人数的增多,大跨楼盖一阶瞬时阻尼比大幅提高,一阶瞬时频率明显降低,且结构模态质量越小,相同行走人数下楼盖瞬时阻尼比的提升幅度与瞬时频率的下降幅度均越大.大跨楼盖加速度响应随着行走人数的增多先增大后减小,相同行走人数下的结构加速度随模态质量的减小而增大.大跨楼盖MTMD减振优化设计方法能够有效减小人群行走下楼盖的加速度响应,优化MTMD的减振效果明显优于单个TMD,最大提升率为46.36%.

人与结构竖向动力相互作用研究进展及展望

人与结构相互动力作用可以将人的动力特性与结构动力特性耦合,并使耦合体系产生新的动力特性,已成为柔性结构人致振动以及舒适度研究中的一个重要领域。针对人与结构相互作用模型以及相互影响机理,国内外学者开展了一系列试验研究和理论分析。本文首先介绍了相互作用荷载的测量和建模方法,然后针对相互作用人体动力模型、人与结构相互影响的研究进展进行阐述。已有的研究结果表明,人作为重阻尼动力系统能够增加结构阻尼,改变结构频率;结构振动能够影响人的运动方式,从而改变人致荷载,同时,不同幅值、频率的振动使人体动力参数在一定范围内变化。最后,从人致荷载测量、人与结构相互作用耦合系统和结构振动对人的影响3个方面展望了人与结构相互作用的研究方向。