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%.

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。

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.

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%.

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。

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。

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。

考虑三种静立人体模型的单人-简支梁耦合系统竖向动力特性对比分析

为获得具有广泛适用性的人-结构竖向相互作用静立人体模型,开展了基于不同静立人体模型的单人-简支梁耦合系统竖向动力特性对比研究。首先基于M-SD,2M-SD与D-MSD三种静立人体模型分别建立了单人-简支梁耦合系统运动方程,数值分析了单人留驻不同位置时耦合系统的竖向动力特性,对比评估了三种模型的模拟精度与适用性。结果表明:基于三种模型建立的单人-简支梁耦合系统运动方程形式基本相同,但质量矩阵的人体振动质量、模态质量,以及刚度矩阵和阻尼矩阵的模态质量取值存在差异;人-结构质量比适中时,三种人体静立模型均能准确地反映结构模态特性的变化规律,各模型计算得到的一阶竖向振动频率均与试验值整体吻合较好,但阻尼比计算值与试验值误差相对较大;M-SD模型整体计算精度相对较高、稳定性好、简单适用,建议优先选用。

行人动力学参数对大跨简支人行桥人致振动的影响分析

为研究行人动力学参数对大跨结构人致振动的影响,采用等效人体模型参数识别试验研究了人体模型的自振频率和阻尼比,编程求解了考虑人-结构竖向相互作用的人行桥人致振动方程,讨论了人体质量、人体刚度、人体阻尼及人行荷载等行人动力学参数对人行桥动力特性及人致振动响应的影响规律.结果表明,人行荷载模型中人体质量可取中国男性居民平均质量66.2 kg.等效人体模型的自振频率和阻尼比分别取为5.15 Hz和35.62%.人行荷载作用下,人行桥一阶瞬时频率先减小后增大,一阶瞬时阻尼比先增大后减小.随着人体质量或人体等效阻尼的减小,瞬时阻尼比和频率的变化幅度均有所减小,但随着人体等效刚度的减小,两者的变化幅度均有所增大.人行桥跨中均方根加速度响应随着人体质量或人体等效刚度的增大也相应增大,而人体等效阻尼对人行桥加速度响应的影响较小.采用不同人行荷载模型计算的人行桥均方根加速度最大值是最小值的1.83倍.

基于实测数据的行人上下楼梯人体动力学模型

为研究考虑人-楼梯相互作用时,大跨度柔性楼梯在人行激励作用下的振动舒适度,建立了单自由度动力响应数学模型,得到了加速度频响函数。以楼梯上的行人为研究对象,通过实测数据,建立行人上下楼梯的生物力学模型。将该模型等效含有参数的三元非线性方程组,通过试验测试得到大量试验者在楼梯上行走时的竖向加速度时程,结合快速傅里叶变换提取了耦合系统中的输入参数,采用最小二乘法求解耦合系统等效的非线性方程组得到了耦合系统的质量、刚度、阻尼等输出参数,对其参数进行相关性分析,统计得到了其分布规律,对三个输出参数进行了二次曲面拟合,得到了各参数的公式,建立了行人上下楼梯的单自由度人体动力学模型。

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.

基于人体动力学模型钢楼梯振动舒适度及其控制研究

基于人体动力学模型研究钢楼梯人致振动舒适度问题,并利用TMD对其振动进行控制。采用移动质量-弹簧-阻尼的单自由度体系模拟人体动力学模型,将模型施加在钢楼梯有限元模型上,运用完全时程方法得到钢楼梯在人-结构动力相互作用下的动力响应,并对比分析不考虑人-结构动力相互作用时的动力响应,以峰值加速度为指标评估该楼梯的振动舒适度;对振动过大的钢楼梯,采用3种不同优化模型的TMD进行振动控制。结果表明：行人步频的倍频与结构自振频率相近时,考虑人-结构动力相互作用时结构加速度峰值多则会减小20%以上;3种不同优化模型的TMD都能够有效减小楼梯的振动响应,建议优先选用Warburton参数优化模型。

人-板耦合系统动力特性研究

基于单自由度的人体模型,将分布人群简化成均匀连续分布的质量-弹簧-阻尼系统,并考虑楼板的阻尼,建立了有阻尼的分布人群-薄板耦合系统模型。分析了薄板与人体的频率比及人板质量比等参数对耦合系统动力特性的影响。以四边简支的均质矩形薄板为例,用有限元方法对该文结论进行了验证。研究成果可为人与结构相互作用及结构的人致振动分析提供参考。

随机人群行走下大跨楼盖的动力特性参数及加速度响应的变化规律

依据人在行走过程中变步长、变步频和变步速的关系,建立了一种随机人群步行荷载模型.基于薄板振动理论,推导了考虑人-结构相互作用的人群-大跨楼盖耦合动力方程,并通过编程计算,分析了随机人群作用下大跨楼盖动力特性参数与加速度响应的变化规律.结果表明:人群随机行走下,大跨楼盖瞬时频率先减小、后增大,瞬时阻尼比先增大、后减小;随着行走人数增多,大跨楼盖瞬时频率最小值显著降低,瞬时阻尼比最大值大幅增加,瞬时加速度和均方根加速度均呈先增后减的趋势;不同行走人数下,考虑与不考虑行人随机性时结构的加速度响应差异较大,其中瞬时加速度最大差异率可达到53.90%,均方根加速度最大差异率可达到61.57%.