基于人群—桥梁耦合振动理论的人行悬索桥振动研究及参数分析

发布时间：2017-08-19 03:07

  本文关键词：基于人群—桥梁耦合振动理论的人行悬索桥振动研究及参数分析

  更多相关文章： 人行悬索桥 耦合振动 人体动力模型 参数分析 舒适度评价

【摘要】：随着人行桥不断向大跨、轻质和低阻尼的方向发展,其自振频率也随之逐渐减小,这使得结构在人群作用下更易发生明显的振动,出现振动舒适性乃至使用安全性问题。因此,分析行走人群作用下的人行桥振动响应已成为目前亟待解决的问题。然而,一方面,目前的研究通常以荷载模型模拟人群作用,忽略了人群与结构之间的相互影响；另一方面,虽然人体模型的研究成果比较多,但大多用于分析静止人群作用下的结构动力特性,而很少用于分析行走人群对结构振动响应的影响,基于人群-桥梁耦合振动理论的参数分析更是少见。针对以上问题,本文主要进行了以下几个方面的研究：(1)结合人行荷载模型和人体模型的研究成果,提出由时不变的主体质量、主体刚度、主体阻尼和时变的耦合质量组成的人体动力模型,同时以傅立叶级数模型表示人行侧向荷载；分析行人与桥梁分别所受的荷载,建立人体动力平衡方程,并通过对比线性加速度法、Wilson-9法和Newmark法确定人体动力平衡方程的解法。(2)分析行人与桥梁之间位移和力的协调关系,提出基于协调关系并通过分别采用Newmark法求解人体动力平衡方程和完全法瞬态分析求解桥梁动力平衡方程来实现人桥耦合振动分析的方法；通过弹簧质量系统、人体动力模型匀速通过简支梁两个算例验证本文方法的可行性,并分析时间步长、荷载子步数和荷载施加方式对计算精度和求解效率的影响。(3)以某大跨度人行悬索桥为例,通过模态分析得到结构的自振频率,并通过对比各国规范的规定确定合理的阻尼比；根据本文提出的方法,结合频谱分析,研究步频、人群行走模式和人群密度等参数对耦合系统振动响应的影响；通过对比各国规范对人行桥振动舒适度评价指标及其限值的规定确定合理的舒适度评价方法,从而实现容许上桥人数的估计。研究结果表明：本文提出的分析方法具有一定的可行性,且当时间步长为0.01s、荷载子步数为1时,该方法的计算精度和求解效率比较令人满意；桥梁跨中的振动响应受到步频、人群行走模式和人群密度等因素中的两种或三种的综合影响,竖向和侧向振动响应的变化规律也有所区别；在对人行桥进行舒适度评价时,应采用均方根加速度作为舒适度评价指标,并应采用总乘坐值来考虑结构竖向和侧向耦合振动的情况,且总乘坐值应小于0.5m/s2。
【关键词】：人行悬索桥 耦合振动 人体动力模型 参数分析 舒适度评价
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441.3;U448.25
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 人行悬索桥发展概述13-14
• 1.3 研究现状14-18
• 1.3.1 人行桥人致振动理论研究14-15
• 1.3.2 人与结构相互作用研究15-16
• 1.3.3 人体模型研究16-18
• 1.4 本文的主要研究内容及技术路线18-19
• 第2章 人体动力模型的提出与方程的建立19-40
• 2.1 人行荷载模型19-30
• 2.1.1 人行荷载特性19-22
• 2.1.2 单步落足荷载模型22-24
• 2.1.3 连续行走荷载模型24-29
• 2.1.4 人群荷载模型29-30
• 2.2 人体模型30-34
• 2.2.1 生物力学模型30-31
• 2.2.2 动力学模型31-33
• 2.2.3 本文提出的模型33-34
• 2.3 人体动力平衡方程及求解方法34-39
• 2.3.1 人体动力平衡方程34-35
• 2.3.2 桥梁所受荷载35-36
• 2.3.3 动力平衡方程的解法36-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第3章 人桥耦合振动的分析原理与方法40-58
• 3.1 位移与力的协调关系40-41
• 3.1.1 位移协调关系40-41
• 3.1.2 力的协调关系41
• 3.2 节点荷载及位移的转换41-44
• 3.2.1 节点荷载的转换42
• 3.2.2 节点位移的转换42-43
• 3.2.3 坐标系的转换43-44
• 3.3 人桥耦合振动的分析方法44-57
• 3.3.1 分析方法44-46
• 3.3.2 算法验证46-52
• 3.3.3 时间步长的影响52-54
• 3.3.4 荷载子步数和荷载施加方式的影响54-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第4章 人群-桥梁耦合系统振动响应研究及参数分析58-81
• 4.1 人行悬索桥模型58-64
• 4.1.1 工程概况58-59
• 4.1.2 模态分析59-61
• 4.1.3 阻尼比的取值61-64
• 4.2 影响参数及计算工况64-67
• 4.2.1 影响参数及取值64-66
• 4.2.2 计算工况66-67
• 4.3 振动响应研究及影响参数分析67-73
• 4.3.1 振动响应研究67-71
• 4.3.2 影响参数分析71-73
• 4.4 容许上桥人数分析73-80
• 4.4.1 人行桥振动舒适度评价73-76
• 4.4.2 舒适度评价方法的比较76-78
• 4.4.3 本文采用的舒适度评价方法78
• 4.4.4 容许上桥人数分析78-80
• 4.5 本章小结80-81
• 结论与展望81-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-91
• 攻读硕士期间参与科研实践项目91

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本文编号：698286