直立人體與結(jié)構(gòu)側(cè)向相互作用模態(tài)參數(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將附加于結(jié)構(gòu)上的人體簡(jiǎn)單的等效成一個(gè)質(zhì)量塊，然而隨著建筑材料性能的不斷提高，結(jié)構(gòu)朝著更加細(xì)長(zhǎng)、輕質(zhì)、大跨方向發(fā)展，近年來(lái)，頻現(xiàn)人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)事故的發(fā)生，比較典型的是英國(guó)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(guò)大的側(cè)向晃動(dòng)，被迫關(guān)閉，之后不得不花費(fèi)大量的金錢(qián)進(jìn)行維修。行人致使結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的安全隱患主要是由于在設(shè)計(jì)之初，將人體模型簡(jiǎn)單的模擬為一個(gè)質(zhì)量塊，忽略了人與結(jié)構(gòu)之間的相互耦合作用。特別是結(jié)構(gòu)的固有頻率

2、較低時(shí)，人或人群與結(jié)構(gòu)的耦合作用更加明顯，簡(jiǎn)單的將人體等效成一個(gè)附加質(zhì)量已無(wú)法滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。因此，必須提出合理準(zhǔn)確的人體動(dòng)力學(xué)模型，以滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。試驗(yàn)研究表明，人體的動(dòng)力學(xué)模型并非傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的“質(zhì)量塊”模型，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的簡(jiǎn)化力學(xué)模型，但人體的動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)至今仍未有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
　　目前人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的研究主要集中在豎向領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也提出了不同自由度數(shù)的人體動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，然

3、而人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)側(cè)向振動(dòng)模型參數(shù)的研究剛剛起步，相關(guān)理論模型還不成熟，豎直方向的人體振動(dòng)模型能否直接應(yīng)用于人體側(cè)向振動(dòng)模型仍未可知。但隨著人-結(jié)構(gòu)側(cè)向振動(dòng)耦合系統(tǒng)事故的頻發(fā)，國(guó)內(nèi)外研究人員越來(lái)越重視人或人群致使結(jié)構(gòu)的側(cè)向振動(dòng)問(wèn)題，但遺憾的是，由于人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，至今仍未提出有效的人體側(cè)向振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，也沒(méi)有比較的標(biāo)準(zhǔn)，而且缺乏大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。
　　本文參考豎直方向人體振動(dòng)模型的研究成果，將人體的側(cè)向振動(dòng)模型簡(jiǎn)化為梁

4、（一端固定、一端自由）的彎曲振動(dòng)模型。分析了人體的不同模態(tài)參數(shù)對(duì)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力特性的影響，推導(dǎo)出耦合系統(tǒng)的加速度反應(yīng)譜。設(shè)計(jì)、自制了一個(gè)水平振動(dòng)平臺(tái)，實(shí)測(cè)得到人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的兩階峰值頻率。將人體等效成一個(gè)單自由度的質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，實(shí)測(cè)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(shí)別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。以簡(jiǎn)單的兩自由度模型為例，推導(dǎo)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(guān)系，通過(guò)最小二乘法擬合的導(dǎo)納圓，可以直觀

5、地看出耦合系統(tǒng)的多模態(tài)動(dòng)力特性。
　　本文創(chuàng)新點(diǎn)在于確定了人體側(cè)向振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)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(duì)大跨、細(xì)長(zhǎng)，固有頻率很低的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)意義。根據(jù)人-結(jié)構(gòu)側(cè)向振動(dòng)耦合系統(tǒng)試驗(yàn)研究，得到以下主要結(jié)論:
　　(1)人體側(cè)向振動(dòng)模型的動(dòng)力特性不能僅僅用一個(gè)質(zhì)量體表示，而是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng);
　　(2)人體立于平臺(tái)之上，結(jié)構(gòu)水平方向振動(dòng)的固有頻率沒(méi)有顯著減?。瘩詈舷到y(tǒng)一階模態(tài)頻

6、率略低于結(jié)構(gòu)的固有頻率），耦合系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)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(shì)對(duì)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力特性有顯著的影響，同時(shí)亦影響著人體本身的動(dòng)力特性;
　　(4)振幅對(duì)耦合系統(tǒng)人體模型參數(shù)（主要影響模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度）有顯著影響;
　　(5)實(shí)際測(cè)量得到的人體振型與彎曲振動(dòng)模型理論振型存在很大差異，主要是由于人的主觀能動(dòng)性所致，在振動(dòng)過(guò)程中總會(huì)無(wú)意識(shí)的使自己保持直立，讓身體各部分組織器官