人行桥行人荷载的动力特性及作用模型分析.pdf

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1、研究与探讨广东建材2010年第1期人行桥行人荷载的动力特性及作用模型分析欧家富1周云开2(1广东工业大学土木与交通工程学院)(2广州市宏伟工程承包有限公司)摘要：大跨度人行桥普遍存在着人致桥梁振动的问题，对行人激励荷载的动力特性及作用模型分析是研究人桥耦合振动的基础。行人随机激励荷载模型选取的好坏将会直接影响到采取的减振措施的质量。本文在国内外文献和技术资料的查l’剜的基础上叙述了人行荷载的特征，同时，对各国规范和学者提出的行人激励荷载模犁进行了分析比较。这对大跨度人行桥的振动设计具有参考借鉴意义。关键词：人行桥；大跨度；动力特征；行人激励荷载模型；人致振动目前，随着各种新型

2、结构材料的应用、桥梁计算理论的迅速发展，人行桥的建设正朝着美观、纤曩细、大跨度和结构复杂的方向发展。同时，随着桥梁蓄一14一(a)竖向(b)侧向(c)纵向图1单人步行荷栽典型时程速度的增加而增加。这个试验说明了人行动力荷载的复杂性以及对很多因素的依赖性。对步伐频率，行进速度或者步长的其中某一个变量进行控制，都会产，圭该变量与其他变量之间不同的关系。而且，随着行进速度的增加，竖向力和侧向力的可变性会增大。在正常的行进速度下，纵向力的变化最小。在连续行走的过程中，会出现短时间双脚着地，因此，力的时程曲线就会有重叠。Andriacchi等人试验得到的人行荷载在三个方向的时程曲线如图

3、2所示。^●O孑加R0差‘加—柚(a)竖向卜／、八c1、，叮r、～、玎．∥婚0’：”状人搿1面om薹8：-go-埘(b)侧向1爿卅．o乎¨．℃旷¨＼。i(c)纵向图2三个方向周期性步行力时程广东建材2010年第1期研究与探讨(a)慢走1．51．O芒It．O．5(b)正常行走(c)较快行走(d)快速行走(e)慢跑(f)奔跑图3行人不同步速下激励荷栽曲线图表1不同学者提出的单人荷载因子T学者荷载谐波因子步伐类型备注及荷载方向B1anchardetalal-0．257步行一竖向Bachmannanr硫annal=0．4～O．5，az=a3=O．1步行一竖向步频在2／2．4Hz范围a

4、l=0．37，a2-O．1，a3_0．12，a4=O．04，as=O．08步行一蝼向SchulZO步频为2Hzal-0．039，az=O．01，a3=O．043，a4=0．012，as=O．015步行一侧向Allenal=0．5，az=O．2，a3=0．1，a4=O．05步行一竖向步频1．6／2．4Hz范围al=O．4／0．5，a产a3=O．1步行一晦向步频为2．0Hz／2．4Hzal=az=a3=O．1步行一侧向Bachamnnetal步频为2Hzal／2=0．1，al-O．2，az=O．1步行一纵向al=1．6，az=O．7，a3=O．3跑步一竖向正常跳跃，步频为2Hz／

5、3Hzal=O．37ff-O．95)≤O．5，a2=O．054+0．0088f步行一竖向傅里叶级数平均值Younga3=O．026+0．015f，a。=0．01+0．0204fWheeler总结了其他学者关于行人不同步伐状态下激励力测试研究工作，并就人桥动力相互作用下所产生的激励力进行了全面的研究。图3为Wheeler测试所得的不同步伐状态下单脚的荷载激励力曲线，图中的怪向坐标为冲击力F与白重W的比值。由图示可知，荷载力峰值随着速度的增加而增加。行人正常行走时产牛的竖向激励力含有两个峰值和一个最低值，而跑步时产生只有一个最大值。2人行荷载激励模型由于人的行走由连续的步子形成，

6、具有周期性，所以这种周期性激励在竖向和侧向都可以用傅立叶级数的形式表示，但基频的大小在竖向和侧向不同。湖南大学对校内学生步频平均值进行研究，认为行人的正常行走步频平均值大约是1．82Hz，呈正态分布，且标准差为0．22左右，离散性比较小。竖向振动由人行走时重心的上下起伏对桥面产生的垂直方向上的动力荷载引起，其基频为步频，大约是2Hz。侧向振动比较复杂，是由于人行走时重心做s状晃动，如图4所示，当人左脚站立迈lm图4人体重心侧向运动示意图出右脚时，这个力由左向右，左右脚各跨出一步后完成一个循环。所以，侧向步行频率总是步频的一半，大约为1Hz。基于步行力的周期性，竖向人行动力荷载

7、可以用傅立叶级数的形式表示为：kFp，(t)：G+G∑a。，sin(2n丌fpvt+由。，)(式1)n31而侧向人行动力荷载仅是波动的周期分量，可以用傅立叶级数的形式表示为：kFpl(t)=G艺Q。1sin(2nⅡfplt+由。1)(式2)n=1式中：G为单个行人体重，一般取700N=f。为竖向步频；fo。为侧向步频，一般取竖向步频的一半；Q。和a。。分别为第n阶谐波竖向和侧向振动动载因子；由。和由m分别为竖向和侧向振动第rl阶谐波相位角；t为时间；rl为谐波阶数；k为对荷载贡献的总谐波数。对于竖向振动