人群行走激励的数值模拟及动力耦合作用研究

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1、第棽椄卷第棻期暋计算力学学报暋斨旓旍棶棽椄棳斘旓棶棻棽棸棻棻年棽月斆旇旈旑斿旙斿斒旓旛旘旑斸旍旓旀斆旓旐旔旛旚斸旚旈旓旑斸旍斖斿斻旇斸旑旈斻旙斊斿斺旘旛斸旘旟棽棸棻棻文章编号椇棻棸棸椃灢棿椃棸椄棬棽棸棻棻棭棸棻灢棸棸椀棾灢棸椂人群行走激励的数值模拟及动力耦合作用研究何浩祥灣棻棳暋纪金豹棻棳暋孔丹丹棽棬棻棶北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室棳北京棻棸棸棸棽棽椈棽棶河北工业大学土木工程学院棳天津棾棸棸棻棾棽棭摘暋要椇大跨轻柔结构需要考虑人群行走激励下的结构振动响应以及人体的舒适度暎根据单步落足曲线棳

2、结合影响人群行走效应的因素如人群分布暍行走频率及个体生理特征等棳采用随机方法模拟人群行走激励暎对不同的人群倍增因子计算方法进行了比较并提出改进建议暎将人群等效为具有主体部分和耦合均布质量的时变动力模型棳建立了梁板结构与移动人体相耦合的动力平衡方程及其解析表达式暎按随机模拟法和耦合均布质量法确定人群荷载棳采用逐步积分法对人群与结构的动力响应进行了研究和比较暎结果表明本文提出的分析方法准确有效暎关键词椇人行激励椈梁板结构椈人体动力模型椈耦合运动方程椈人群倍增因子中图分类号椇斣斦椆椃棾暋暋暋文献标志码椇斄下人体简

3、化成不同自由度的质量暍刚度暍阻尼模型棳棻暋引言椲棻灢棾椵研究人体和结构的耦合作用暎随着城市建设的迅猛发展以及轻质高强的建目前世界范围内的相关结构设计指南和规范筑材料的使用棳现代建筑结构形式不断向大跨暍轻仅采用等效静力方法或稳态响应方法棳忽略了人体柔和低阻尼方向发展暎结构在人群激励作用下的的行走冲击效应棳不能全面考虑结构与人体共振的动力效应是不容忽视的棳需要进行深入研究暎如果真实情况棳有待进一步修正暎文献椲棿椵在振型分解设计不当棳结构会在人的行走暍运动和使用过程中算法基础上提出了将人体竖向作用力作为输入的出现

4、较大的振动响应棳从而引发人体的不适反应棳单自由度结构动力反应分析方法棳文献椲椀椵在此基甚至导致结构的安全性和使用性下降暎早在棻椄棾棻础上研究了梁板结构振动的最大加速度响应谱暎年棳军队步行过桥所产生的振动导致铸铁桥倒塌的但上述方法没有考虑人体及人群的动力特性及其事故就使人们认识到人体振动对结构的影响暎近和结构的耦合作用棳并不能获得人体的动力响应棳年来棳在世界范围内也出现了为数不少的由人行激也有改进的必要暎励导致的桥梁振动明显加剧的事例棳例如棽棸棸棸年伦敦千禧桥在开放的第三天就因为过桥人数过多棽暋人群行走荷载随

5、机模拟发生严重的摇摆而被迫临时关闭暎人群行走荷载是由单人行走荷载组合而成棳单传统的与人相关的结构动力学模型棳大多忽略人行走时的激振荷载一般根据单步落足曲线确定暎作为人这一重要因素棳因此所得结果不但可能有偏单步落足曲线是人行走时所接触的地面在单步落差棳而且不能研究人体对振动的反应和舒适度暎足时间内的实测竖向作用力棳为便于分析和比较棳实际上人体由许多不同种类的组织构成棳是一个非把竖向作用力除以人在静止时候的体重得到名义常复杂的结构棳并且其振动特性随着环境暍姿势和单步落足曲线椲椂棳椃椵暎大量的实验结果表明常速行心

6、理的变化而变化暎近年来棳人们开始把振动环境走下的落足曲线一般有两个峰值棳这是由于人体单收稿日期椇棽棸棸椆灢棸椀灢棽棸椈修改稿收到日期椇棽棸棸椆灢棻棽灢棽棿灡步落足过程中触地暍屈膝暍摆腿暍蹬地和离地等步骤基金项目椇北京市自然科学基金棬椄棸椆棾棸棾棻棭椈北京市教委科技造成了人体重心的上下起伏和作用力的变化暎一计划棬斔斖棽棸棻棸棻棸棸棸椀棸棽棽棭资助项目灡作者简介椇何浩祥灣棬棻椆椃椄灢棭棳男棳博士棳副研究员般情况下棳人体在走动时存在双足同时着地的时间棬斉灢旐斸旈旍椇旇旇旞椃椄椀椂椑棻椂棾棶斻旓旐棭椈段棳因此连续两

7、段单步落足曲线在时间上有一定的纪金豹棬棻椆椃棿灢棭棳男棳博士棳高级实验师椈椲椂灢椄椵孔丹丹棬棻椆椃椃灢棭棳女棳博士棳副教授棶重叠暎重叠时间殼与单步落足曲线总时间和椀棿计算力学学报暋第棽椄卷暋群倍增因子大约为棸棶棽暎实际上棳影响人群行走效应的因素众多棳主要包括人群分布暍行走频率及个体的自然特征等暎由于人体个体的差异性和随机性棳结构所受激励也呈现随机性暎根据人体的统计特征和数量生成大量不同个体的行走激励棳对这些激励进行叠加可以模拟出人群行走对结构的总体激励棳对动力系统进行计算分析可得到结构的动力时程响应棳进而可

8、以通过统计分析获得不同人数和结构形式下的振动规律暎图棻暋常速行走下的人体激振力时程曲线本文认为棳个体行走的随机性可以根据下面的斊旈旂棶棻暋斎旈旙旚旓旘旟旓旀旇旛旐斸旑斿旞斻旈旚斸旚旈旓旑旛旑斾斿旘旑旓旘旐斸旍旜斿旍旓斻旈旚旟步频存在关系椇殼椊棴棻棷暎假设人体步幅和随机变量及其概率分布规律来模拟暎棬棻棭人在结构人身高满足关系椇椊棸棶棿椀棳这样根据单步落上的位置椇对一跨度为的结构棳一般情况下人在足曲线和步幅以及行走长