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.

行走人群-结构相互作用模型研究

人群中每个行人简化为一个集中质量和两个弹簧阻尼器腿的模型,利用拉格拉日方程建立了多人行走状态下的人群-结构相互作用模型。首先利用该模型研究了人群引起结构的响应和人群-结构系统的模态特性改变,然后分析了结构响应和系统模态随着人群数量的变化而改变,最后比较了在队列和并排两种不同行走状态下人群结构系统的响应和模态特性的变化。数值分析表明结构的响应和模态特性随着人群数目增加而变化增大,然而行人在结构上分布较为均匀的纵向行走方式能够有效降低结构的响应,为减轻结构的剧烈波动,在人行桥设计时建议采用窄的截面宽度或者在桥面上设置纵向疏导设施以避免人流集中对结构的不利影响。

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%.

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%.

半主动调谐质量阻尼器对随机人群荷载振动控制

为提高人行桥的舒适度,提出了一种可变质量与阻尼的半主动调谐质量阻尼器(STMD)。该STMD不但能通过水泵和电磁阀等驱动装置实时调节质量以重调频率来适应人行桥动力特性的变化,而且能实时改变电涡流阻尼的磁导间距来调节阻尼系数以提高耗能效果。首先介绍了STMD变质量及变阻尼的算法及模型试验,然后进行基于人群激励概率性随机模型的案例分析。对比研究了无控结构、优化设计的被动TMD、变质量STMD、变阻尼STMD及变质量变阻尼STMD在随机协同人群荷载下的100次加速度响应,通过这100组加速度的最大值、均方根(RMS)值及最大1-s RMS值共3个舒适度评估指标的最大值、平均值和标准差,分析了不同TMD的减振效果及鲁棒性。研究结果表明,由于人群荷载和人体参数的随机性,结构的动力响应有较大的差异。整体而言,可同时变质量变阻尼的STMD具有最佳的减振效果,且其标准差也最小,即具有最好的鲁棒性。

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.

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。