随机人群荷载的模拟及大跨楼盖人致振动响应分析

发布时间：2020-10-31 19:39

　　 对于大跨楼盖、人行天桥、空中连廊、体育场看台、长悬臂结构、柔性楼梯等结构,人致结构振动舒适度问题日益突出,在结构设计中不容忽视。人致振动问题首要研究的是人行荷载模型。而单人步行荷载是研究人群荷载、构建人群荷载的基础,了解单人步行荷载的特征非常关键。目前获得步行荷载实测曲线的方法主要有直接测试法和间接测试法两大类,但国内对这两类方法得到的步行荷载的对比研究较少,国内外学者对步行荷载参数,如步频、步长、动力荷载因子、相位等的研究较多,但大多数学者认为这些参数服从正态分布,对这些参数的细致分析较少。本文采用基于传统测力板的直接测试法和基于加速度传感器的间接测试法两种方法同时开展步行荷载试验,利用试验数据建立单步荷载模型及单人连续步行荷载模型,对比分析两种方法得到的步行荷载差异,并以大跨钢-混凝土组合楼板结构和某人行桥结构为载体,分析人行荷载作用下的结构响应。本文主要研究工作和成果如下:1.采用三块测力板直接测试与新型MEMS AH100B型惯性传感器间接测试相结合的方式,同时采集单人步行荷载。对66名健康成年人进行了自由行走工况及四种固定频率行走工况(1.5Hz、1.8Hz、2.0Hz和2.3Hz)的测试,共得到2444组有效加速度时程曲线及7332条有效单步荷载曲线。2.通过分析试验得到的单步荷载曲线,得到了步态时空参数(步频、单步时长、重叠时间、重叠时间占单步时间的比例、步长、单步荷载特征力、特征时间点、单步力冲量、单步等效力)的统计特性及相互间的关系。构建了考虑前五阶谐波的单步荷载傅里叶级数模型,详细分析了各阶动载因子及相位角的统计特性和分布规律。第一、二阶动载因子用步频的线性函数表述,其余阶动载因子用常数表示;相位角离散性大,用均值表示。利用常用的六种分布类型细致分析了各参数的分布。与文献中已有模型对比分析发现,不同荷载模型因为试验对象及样本数据的不同存在一定差异,本文模型能够反映行人步行时单步荷载的基本变化规律,可用于行人步行荷载作用下结构振动分析。3.利用测力板采集的试验数据,按照单步拓展方法和复步拓展方法分别得到连续步行荷载时程曲线,建立了基于测力板直接测试力数据的单步拓展连续步行荷载模型(模型Ⅰ)、复步拓展连续步行荷载模型(模型Ⅱ);利用人体质心加速度时程数据建立了基于间接惯性测量加速度数据的连续步行荷载模型(模型Ⅲ);详细分析了三种模型各参数的特点和分布规律。通过对比上述三种连续步行荷载模型的差异,得出结论:单步拓展连续步行荷载模型考虑了每个单步的特点,计算得到的步频范围较大;基于加速度的连续步行荷载模型考察的是一段真实的连续步行,能够反映人真实连续步行荷载每步之间的“差异性”;复步拓展的连续步行荷载模型与基于加速度的连续步行荷载模型较接近。用基于加速度的连续步行荷载模型(模型Ⅲ)表示单人连续步行荷载更加合理可靠。相位角的离散性非常大,很难做有效的对比分析,由于实际结构模态复杂,不同荷载模型由于相位角取值不同,对结构产生的响应也一定会有差异。4.以某典型的大跨钢-混凝土组合试验楼板为例,分析人群自由行走情况下结构的加速度响应。利用ANSYS软件建立结构模型,考虑自由行走状态下步频、相位角、动载因子的随机性,施加随机人群步行荷载,采用蒙特卡罗法进行计算。通过分析可知,利用单人步行荷载构建随机人群荷载时,步态参数的随机性越大,则计算得到的结构响应的随机性越大;人群自由行走状态下,结构的最大加速度基本服从正态分布。5.采用有限元计算和现场测试相结合的方法研究了南京首座桅杆斜拉人行天桥的人致振动舒适度问题。利用ANSYS软件建立全桥有限元模型进行模态分析,并对该桥进行环境激励下的模态测试,得到结构竖向基频均小于3Hz,处于人活动敏感频率范围内,需要计算振动响应,同时采用TMD控制振动。对该桥进行移动人群荷载下的动力响应测试,得到减振前后不同工况下的振动响应,评估实际减振效果,同时对该桥有限元模型施加本文按照不同方法得到的三种连续步行荷载模型,通过对比模拟结果与实测结果,发现利用基于加速度得到的步行荷载模型(模型Ⅲ)计算结构响应更加合理。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU311.3
【部分图文】：

1步行特点[8]

其测试进度显然不如直接方法理想[9]。类间接测试方法是采用录像分析、三维动作捕捉、惯性传感器甚取运动时人体的步态特征，经过相应处理得到步行荷载。[31]、陈政清[32]、罗鹏[33]等均通过录像方式获得了行人步频的分布学的陈隽课题组[9]利用医院领域常用的光学式运动捕捉技术（M，MCT）并结合测力板等设备，开展了三维步态分析试验，获得程中的一系列时空参数。试验中需要在测试者身体关键部位布置，然后利用多个高速摄像机进行运动捕捉。与传统的仅采用测力新手段可以比较全面的获得行人运动信息，可显著提升荷载模型en 等[34]以及 Bocian 等[35]采用惯性传感器记录人体加速度，采用。兰州理工大学杜永峰课题组[36,37]也利用类似的加速度传感器测上行走时的三向荷载时程，该种传感器需要佩戴在人体质心位置ek 等[38]还研究了利用加速度计采集的人行走原始加速度数据得到处理方法。领域，众多学者利用各种不同的传感器系统测量人体步态参数，不同传感器系统测量的人体步态参数的差异[39,43]。图 1.2.2 为文献测试者腰部（接近人体质心位置）的加速度传感器测得的不同运下的加速度时程。

2006 年的《法国指南》[73]与 2007 年的德国 EN03 规范[74]提出的人群荷载模型的规定基本相同，该模型常用于工程结构分析中，下面给出该模型的规定，并对该模型的实际应用做一些简单思考。1）规定法国指南规定了低密度（人群密度<1 人/m2）和高密度（人群密度≥1 人/m2）人群下的等效同步人数，其中，低密度下的等效同步人数与结构阻尼比有关。设人群密度为d，加载面积为 A ，结构阻尼比为 ，则加载人数为n = d A，不同人群密度下的等效同步人数pN 计算公式如下：10.8 1.01.85 1.0pn dNn d = (1-2)在进行结构舒适度相关设计时，通常在加载区域施加均布面荷载形式的等效人群荷载，则等效面均布荷载系数 /pCoef = N A。2）思考与讨论下面简单探讨等效面均布荷载系数与加载面积、阻尼比及人群密度的关系。假定加载面积在 10-500m2之间变化，考察人群密度分别为 0.2、0.5、0.8、1.0、1.2 及 1.5 人/m2，结构阻尼比分别为 0.01、0.03 及 0.05 时，等效面均布荷载系数的变化情况。
【参考文献】

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本文编号：2864415