激励—传播—感知全路径人行桥振动舒适度评估与振动控制

发布时间：2020-08-19 17:44

【摘要】：近年来,伴随着旅游资源开发项目在各地兴起,许多名胜景点修建了越来越多更大跨度、更为轻质、更为纤细和更为美观的人行桥,此类人行桥结构具有较低的自振频率和较小的阻尼,更易受到人致振动的影响。而作用在结构上的人作为引起结构振动的主要因素,其作为一个独立的动力系统,具有自身的动力特性,其与结构可能发生的相互作用会不同程度地改变结构的动力特性,导致结构的动力响应被高估,进而影响振动舒适评估的准确性。因此,为了考虑人-人行桥相互作用,选择合理的人行荷载模型在大跨轻柔人行桥的人致振动舒适度评估过程中显得至关重要。当人行桥因行人的作用发生振动时,此时作用在人行桥上的人才是对振动最主要、最直接和最明显的感知者,但不同性别、不同年龄、不同姿势的人对结构不同方向振动的敏感度差异很大。而在现有的规范中,大都是以激励-传播下结构的峰值加速度响应限值作为间接评价人的振动舒适度标准,而对人的舒适度感知水平没有直接的定义,其存在较大的主观性,导致人行桥振动舒适度评估值与人的实际感知水平不一致。此外,多数研究者仅通过对比类共振情况下结构的峰值加速度响应这一单一确定值与规范规定的加速度上限值来评估人行桥的振动舒适度。但事实上,由于行人步频的随机性,以及作为人行桥振动感知者分布的随机性,舒适度评估结果应以行人步频范围内出现振动舒适度的概率显示,而不是以类共振情况下人行桥某特定位置的确定性评估结果显示。对人行桥发生的过量振动问题,目前大都通过在结构上安装某些减振控制装置,进而达到改善结构力学性能、抵御外界荷载的目的,其中调频质量阻尼器作为一种常用被动控制装置在土木工程领域得到了广泛的应用,其能对自振频率分布较分散的结构在共振频率附近较窄频带内的结构动力响应进行有效地控制。但是,目前鲜有研究者在人行桥的设计阶段通过在不同结构的支座处设置不同的半刚性控制装置进而调节结构基频,使其尽可能远离行人的步频范围,避免人激共振现象的发生,达到控制结构过量振动的目的。因此,本文在研究上述问题的过程中,选取合理的行人荷载模型,考虑人-人行桥相互作用,采用概率的形式,展开了基于“激励-传播-感知”全路径的振动舒适度评估研究,对过量振动分别采用调谐质量阻尼器和半刚性装置进行减振控制,并对两种方式的减振效果进行对比分析。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)建立行人激励下的梁式结构的振动控制方程,采用小波微分求积-积分求积(WDQ-IQ)法对控制方程进行离散化,然后通过对比分析该方法和振型叠加法计算所得到的加速度响应,验证WDQ-IQ法在求解微分控制方程时的精确性和可靠性。(2)建立铰接边界条下行人-人行桥耦合系统的控制方程,利用WDQ-IQ法对控制方程进行离散化,采用Newmark法求解考虑行人-结构相互作用下结构的动力响应,并与行人激励下结构的动力响应进行对比,进一步说明在进行人致振动舒适度评估时,考虑行人-结构相互作用的重要性和必要性。此外,探讨在行人步频范围内考虑人-结构相互作用对结构动力响应的影响,并通过累计概率的方法对振动舒适度进行综合评估;(3)将不同工况下计算得到的结构峰值加速度响应和选取的规范所规定的峰值加速度限值进行对比,对不满足舒适度限值要求的工况采用TMD进行减振控制,并评判TMD在类共振条件下的减振效果。最后,通过累计概率的形式表明TMD对行人步频范围内的整体减振效果;(4)采用半刚性装置对结构进行减振控制。建立半刚性边界条件下行人-人行桥耦合系统控制方程,进而求解不同刚度比对应的结构动力响应,并与铰接、规范限值及TMD控制下的动力响应进行对比,说明半刚性边界条件中的刚度比对结构动力响应的影响,并对其减振效果进行评估;(5)首先建立基于激励-传播-感知全路径的耦合系统的控制方程,利用WDQ-IQ法对控制方程进行处理,采用Newmark法求解结构和感知者(跨中站立人)的动力响应,在将二者进行比较的同时与规范规定的振动舒适度的加速度限值进行对比,对不满舒适度要求的,进行TMD控制和半刚性控制,并将不同减振方式下结构和感知者的动力响应与不采用减振控制措施的进行对比,综合评价减振效果。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U448.11
【图文】：

第 1 章 绪 论1.1 课题的研究背景及意义1.1.1 课题的研究背景随着我国城市交通基础设施建设的快速发展，城市交通流量也在不断增多，在城市交通中普遍采用人行天桥作为一种基础设施，来减缓逐年不断增长的城市交通运行负担，来保证人群和车辆双方的通畅与安全，使得城市交通趋向于立体化和人车分流[1-2]。近年来，伴随着旅游资源开发项目在全国各地的兴起，在许多名胜景点都修建了大量的人行桥。图 1.1 为位于沂蒙山旅游区世界第一跨度人行悬索桥；如图 1.2 为主跨 130m 的张家界大峡谷玻璃人行桥；图 1.3 为刘家峡太极桥。由此可见，此类柔性大跨人行桥以其强大的跨越能力，独特的造型，与景区环境的协调等优点，目前已得到了广泛青睐与应用。

第 1 章 绪 论1.1 课题的研究背景及意义1.1.1 课题的研究背景随着我国城市交通基础设施建设的快速发展，城市交通流量也在不断增多，在城市交通中普遍采用人行天桥作为一种基础设施，来减缓逐年不断增长的城市交通运行负担，来保证人群和车辆双方的通畅与安全，使得城市交通趋向于立体化和人车分流[1-2]。近年来，伴随着旅游资源开发项目在全国各地的兴起，在许多名胜景点都修建了大量的人行桥。图 1.1 为位于沂蒙山旅游区世界第一跨度人行悬索桥；如图 1.2 为主跨 130m 的张家界大峡谷玻璃人行桥；图 1.3 为刘家峡太极桥。由此可见，此类柔性大跨人行桥以其强大的跨越能力，独特的造型，与景区环境的协调等优点，目前已得到了广泛青睐与应用。

第 1 章 绪 论1.1 课题的研究背景及意义1.1.1 课题的研究背景随着我国城市交通基础设施建设的快速发展，城市交通流量也在不断增多，在城市交通中普遍采用人行天桥作为一种基础设施，来减缓逐年不断增长的城市交通运行负担，来保证人群和车辆双方的通畅与安全，使得城市交通趋向于立体化和人车分流[1-2]。近年来，伴随着旅游资源开发项目在全国各地的兴起，在许多名胜景点都修建了大量的人行桥。图 1.1 为位于沂蒙山旅游区世界第一跨度人行悬索桥；如图 1.2 为主跨 130m 的张家界大峡谷玻璃人行桥；图 1.3 为刘家峡太极桥。由此可见，此类柔性大跨人行桥以其强大的跨越能力，独特的造型，与景区环境的协调等优点，目前已得到了广泛青睐与应用。

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本文编号：2797384