直立人體與結構側向相互作用模態(tài)參數(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)結構設計中將附加于結構上的人體簡單的等效成一個質量塊，然而隨著建筑材料性能的不斷提高，結構朝著更加細長、輕質、大跨方向發(fā)展，近年來，頻現(xiàn)人-結構耦合系統(tǒng)事故的發(fā)生，比較典型的是英國倫敦千禧橋人-橋耦合事故。由于大量行人的涌入，使該橋產(chǎn)生過大的側向晃動，被迫關閉，之后不得不花費大量的金錢進行維修。行人致使結構振動產(chǎn)生的安全隱患主要是由于在設計之初，將人體模型簡單的模擬為一個質量塊，忽略了人與結構之間的相互耦合作用。特別是結構的固有頻率

2、較低時，人或人群與結構的耦合作用更加明顯，簡單的將人體等效成一個附加質量已無法滿足現(xiàn)代結構設計要求。因此，必須提出合理準確的人體動力學模型，以滿足現(xiàn)代結構設計的需要。試驗研究表明，人體的動力學模型并非傳統(tǒng)設計中的“質量塊”模型，因此，國內(nèi)外學者提出了不同的簡化力學模型，但人體的動力學模型參數(shù)至今仍未有統(tǒng)一的國際標準。
　　目前人-結構耦合系統(tǒng)動力學特性的研究主要集中在豎向領域，國內(nèi)外學者也提出了不同自由度數(shù)的人體動力學模型參數(shù)，然

3、而人-結構耦合系統(tǒng)側向振動模型參數(shù)的研究剛剛起步，相關理論模型還不成熟，豎直方向的人體振動模型能否直接應用于人體側向振動模型仍未可知。但隨著人-結構側向振動耦合系統(tǒng)事故的頻發(fā)，國內(nèi)外研究人員越來越重視人或人群致使結構的側向振動問題，但遺憾的是，由于人體結構的復雜性，至今仍未提出有效的人體側向振動的動力學模型參數(shù)，也沒有比較的標準，而且缺乏大量的實驗數(shù)據(jù)驗證。
　　本文參考豎直方向人體振動模型的研究成果，將人體的側向振動模型簡化為梁

4、（一端固定、一端自由）的彎曲振動模型。分析了人體的不同模態(tài)參數(shù)對耦合系統(tǒng)的動力特性的影響，推導出耦合系統(tǒng)的加速度反應譜。設計、自制了一個水平振動平臺，實測得到人-結構耦合系統(tǒng)的兩階峰值頻率。將人體等效成一個單自由度的質量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，實測耦合系統(tǒng)的頻響函數(shù)，最小二乘法擬合耦合系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，根據(jù)傳遞函數(shù)識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。以簡單的兩自由度模型為例，推導出耦合系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)與傳遞函數(shù)之間解析式的關系，通過最小二乘法擬合的導納圓，可以直觀

5、地看出耦合系統(tǒng)的多模態(tài)動力特性。
　　本文創(chuàng)新點在于確定了人體側向振動的動力學模型參數(shù)，并將單自由度的人體模型參數(shù)推廣到人群模型參數(shù)，對大跨、細長，固有頻率很低的結構設計有很好的指導意義。根據(jù)人-結構側向振動耦合系統(tǒng)試驗研究，得到以下主要結論:
　　(1)人體側向振動模型的動力特性不能僅僅用一個質量體表示，而是一個復雜的動力系統(tǒng);
　　(2)人體立于平臺之上，結構水平方向振動的固有頻率沒有顯著減?。瘩詈舷到y(tǒng)一階模態(tài)頻

6、率略低于結構的固有頻率），耦合系統(tǒng)中結構的頻響函數(shù)反而出現(xiàn)了二階模態(tài)頻率（幅值小、帶寬大）;
　　(3)人體不同姿勢對耦合系統(tǒng)的動力特性有顯著的影響，同時亦影響著人體本身的動力特性;
　　(4)振幅對耦合系統(tǒng)人體模型參數(shù)（主要影響模態(tài)質量、模態(tài)剛度）有顯著影響;
　　(5)實際測量得到的人體振型與彎曲振動模型理論振型存在很大差異，主要是由于人的主觀能動性所致，在振動過程中總會無意識的使自己保持直立，讓身體各部分組織器官