基于圆弧足底倒立摆模型的人-桥动力竖向相互作用研究

基于新型圆弧足底倒立摆模型,研究了人-桥竖向相互作用。将行人简化为集中质量和两条带有圆弧足底的支撑腿,利用Lagrange方程建立人与桥相互作用动力方程,采用变步长的四阶-五阶龙格库塔法进行数值求解;对比分析了行人通过刚性地面和振动桥面时竖向步行力、动载因子和质心位移的变化原因,并探讨了行人步频与动载因子、自激力之间的关系。研究结果表明:该双足模型能够准确的捕捉到行人质心和步态变化规律;行人通过振动桥面上时动载因子随着行人步频增大而增大;由于人-桥之间的相互作用导致竖向步行力具有一定的自激力性质,并且在不同的行人步频下自激力大小不同。     

步行荷载的两阶段遗传算法识别

以测力板直接测试结果为基础的步行荷载建模方式,存在有不能准确反映结构上行人真实步态的疑问。为此,利用遗传算法,研究由结构响应识别步行荷载的反问题建模方式。首先在傅里叶级数荷载模型基础上,考虑步行的双支撑特征,分别以结构位移响应功率谱及位移时程一致为目标函数,建立了两阶段遗传算法识别步行荷载参数的方法。进而通过荷载模型和实测荷载的识别分别检验了算法的准确性和适用性,识别结果表明前5阶动载因子、相位以及步行频率等十一个控制参数的识别效果较好,算法具有鲁棒性。     

跑步荷载模型试验建模与实测对比

利用高精度无线测力鞋垫,完成了7种不同频率下跑步荷载试验,获得345条连续跑步荷载曲线,据此建立了单人跑步荷载的傅里叶级数模型,提出了前5阶动载因子(DLF)和相位角的取值建议。通过模型计算值与工程实例在跑步荷载下实测响应的对比,说明了所提出的跑步荷载模型的可行性,表明该模型可用于考虑跑步激励导致工程结构的振动问题的设计与分析。     

考虑不同踏步高宽比的行人上下楼梯荷载试验研究

为获得上下楼梯人致荷载模型，研究楼梯踏步高宽比对人行荷载的影响。在3种不同踏步高宽比(1∶1.6,1∶2.0和1∶2.3)的楼梯上，利用无线惯性测量装置开展了人致荷载观测，获得了27名被测者在1.6～4.4 Hz步频内上下楼梯的1 500条荷载时程；通过快速傅里叶变换得到相应荷载频谱，统计分析动载因子(dynamic load factors, DLF)随步频的分布规律及特征，进一步计算了3种楼梯动载因子的相对偏差。结合上述分析，给出了上行和下行楼梯时人致荷载各阶动载因子的统计模型并重构荷载时程的相位角，发现楼梯踏步高宽比不同导致的动载因子偏差在30%内。     

单人Bounce荷载的实验建模研究

Bounce指音乐会或体育比赛中常见的观众双脚不离地的身体有节奏的上下往复运动。利用测力板以及无线测力鞋垫,开展了单人在不同频率下的Bounce荷载的测试试验,共得到了109人次822条有效单人Bounce荷载记录。在此基础上,建立了Bounce荷载的傅里叶级数模型,给出了四阶动载因子和相位角的建议值,并与国外已有模型进行了对比分析。本文模型所模拟的Bounce荷载与实测荷载的时域特性相同,所引起的结构响应幅值一致,可供工程设计参考使用。     

行走激励的傅里叶级数模型及其参数的实验研究

利用三维动作捕捉技术结合三向测力板,开展了7种不同步行频率下行走激励的动力特性实验,得到73人次5 004条有效单足落步荷载曲线。利用实测的双足重合的准确时间点将单足落步荷载曲线拓展成连续时程曲线,进而得到行走激励竖向及横向分量的傅里叶级数模型的前5阶系数及相位角值。与其它国家现有模型的比较反映出了不同人群特性的差异,所建议模型可用于大跨工程结构考虑行走作用的振动舒适度问题的设计与分析。     

载荷辨识方法用于脉冲风洞模型阻力测量研究

对载荷辨识方法用于脉冲燃烧风洞模型阻力测量的可行性进行了研究。设计了钝头锥模型阻力测量试验系统,通过突然卸载的方式对系统进行了动态标定,辨识得到了系统结构动力学参数,建立了系统动力学模型。基于脉冲风洞的工作特性,采用斜坡阶跃函数与傅里叶级数之和描述模型的载荷历程,将载荷辨识问题转化为函数参数辨识问题,采取先辨识斜坡阶跃函数参数再用最小二乘方法求傅里叶级数系数的求解策略。通过使理论计算输出在低频段逼近实测输出来确定傅里叶级数的项数。首先通过数值仿真检验了方法的有效性,然后在脉冲燃烧风洞进行了两车试验,基于天平输出对模型阻力进行了辨识,结果与CFD预测值吻合良好。     

轴向载荷条件下弹性边界约束梁结构振动特性分析

采用改进傅里叶级数展开建立了轴向载荷条件下弹性边界约束梁结构振动分析模型。通过在梁结构两端引入平动和旋转位移约束弹簧,相应设置约束弹簧刚度系数可以实现对任意边界条件及其组合的模拟。梁结构振动系统位移场采用傅里叶级数附加边界光滑函数进行构建,利用能量原理建立轴向载荷作用下梁结构总动能、总势能和外力做功项,并结合瑞利-里兹步骤获得系统特征矩阵方程。通过数值算例,验证了该模型对不同边界条件、轴向载荷作用下梁结构振动特性分析的正确性与可靠性。在此基础上,研究了边界约束弹簧横向刚度、旋转刚度、轴向载荷等系统参数及激振力对梁结构振动特性的影响。该模型具有高效、高精度等特点,为研究轴向载荷作用下复杂边界条件梁结构振动行为提供了有效分析手段。     

不同行走步速下人行桥振动舒适度定量化评估

定量化评估不同行走步速下人行桥的振动舒适度,评估结果以概率的形式给出。建立了考虑步行参数个体变异性和动载因子群体变异性不同步速的时域随机行人荷载。选取?ivanovi?建议的在行人荷载作用下以第一阶竖向振动为主的人行桥基准模型为研究对象。施加不同步速的时域随机人行荷载到基准模型上,得到不同步速下人行桥的加速度峰值并对结果进行修正,得到修正后特定加速度峰值对应的概率值以及小于或等于某个特定峰值累计概率值。结果表明当步行频率与人行桥的频率一致时,峰值达到极值并随着步行速度增大而线性增大;慢速通过时,振动舒适度程度最高,快速时次之,中速时最低。     

基于AHRS与PDR融合的个人室内自定位方法研究

针对个人室内自定位问题,本文提出了基于航姿系统(AHRS)与行人航位推算(PDR)融合的自定位方法。该方法分为4部分:在步频测量中通过加速度计数据变化反映行人步行状态,在步长估计中利用模糊决策的方式获得较为合理的计算步长,在姿态估计中使用AHRS来得到低动态下个人相对精确的姿态信息,在位姿计算中结合步长和姿态数据最终计算得到个人的位姿信息。进行了不同室内环境下的实验以及与PDR方法的仿真对比,实验结果证明了该方法的可行性,仿真对比结果表明了该方法的有效性,室内定位误差不超过0. 5m。     

单人三向连续步行荷载相关性及建模研究

大跨度轻柔结构在步行荷载作用下容易出现振动舒适度问题,研究步行荷载的特性并建立合理的荷载模型是准确预测人致结构振动的前提。首先收集了刚性表面上单人三向连续步行荷载的实测时程数据,相关分析表明步行荷载三向分量之间的相关性较弱。据此,在周期性假定的基础上分别建立了步行荷载三个方向上的傅里叶级数模型,由实测数据统计分析获得了模型参数与步行频率、步行速度间的函数关系。与各单向上的已有荷载模型的对比表明,不同模型间表现出一定的差异,建议模型可供工程结构人致振动分析参考使用。     

任意边界条件弹性杆结构扭转振动特性分析

采用改进傅里叶级数方法建立了任意边界条件弹性杆扭转振动特性预报模型。针对传统傅里叶级数在扭振边界处存在的位移导数不连续问题,通过改进傅里叶级数的方法改善解的收敛性和准确性。弹性杆结构扭振微分方程与任意边界条件方程进行联合求解,得到弹性杆扭振问题的特征矩阵方程。数值算例分析结果充分验证了本文模型的可行性与正确性。     

不同密度人群行走作用下结构竖向振动响应分析

行人密度的增加会引起步行速度、步行力的基频和一阶分量降低,从而导致结构振动响应随人数增长的规律发生改变。针对该问题,考虑了不同人群密度下步行速度的变化,引入已有经验关系获得相应步行速度下的步频,进一步结合相关试验结果确定相应的步行力频谱参数,在此基础上导出人员密度影响系数的计算表达式。结果表明:在人群密度不超过0.3人/m~2时,结构振动响应按人数平方根倍关系增长;在人群密度超过0.3人/m~2后,增长倍数按步行力频率与结构频率比的大小,可划分为非共振区和诱发共振区,在非共振区,增长倍数低于人数的平方根倍,在诱发共振区,步频改变可能诱发共振,从而导致增长倍数高于人数的平方根倍。     

行人荷载随机性对楼盖振动响应的影响研究

首先基于大量实验数据构建了行人单步步行荷载模型,并利用频率拓展方法获得了连续步行荷载时程,通过引入步频变异系数反映个体内随机性,引入体重及均值步频的变化反映个体间随机性。采用概率密度演化方法对一典型大跨楼盖实例进行了行人作用下的振动响应分析,与蒙特卡洛模拟结果的对比说明了概率密度演化方法中所采用的代表点能够合理反映出所选随机参数的主要概率信息。在此基础上,采用极值概率密度演化方法获得了楼盖10s均方根加速度的概率分布,并给出了具有95%和75%保证水平的反应谱曲线。与不考虑荷载随机性的楼盖振动响应结果对比发现,对于95%保证水平,行人荷载随机性放大效应最大可超过4倍,对于75%保证水平最大也接近2.5倍。结果表明,行人荷载随机性对楼盖的振动响应具有显著的影响,在楼盖的舒适度评估中需要考虑行人荷载的随机性。     

基于傅里叶级数的缠绕复合材料刚度预测方法

采用傅里叶级数有关理论,根据缠绕复合材料内部细观结构的特点,建立了缠绕复合材料刚度预测模型。该模型将缠绕复合材料特征单元的刚度作为一个刚度场,利用二维傅里叶级数展开得到描述该刚度场的函数。算例的结果表明,本文中所建立的模型可以预测缠绕复合材料整体刚度特性,同时通过傅里叶级数各阶展开项的叠加可以反映材料内部细观结构对缠绕复合材料刚度特性的影响。      

单位冲激抽样序列频谱与傅里叶级数收敛性分析

由傅里叶变换的时移和频移特性,单位冲激抽样序列有两种频谱函数:周期型频谱和级数型频谱,其中周期型频谱函数的推导并不严谨,缺少傅里叶级数收敛性分析。对此提出通过证明两频谱函数等价来验证周期冲激信号傅里叶级数的收敛性。根据脉冲函数定义,运用极限和积分思想,利用抽样函数性质,证明了级数型频谱函数本质是强度和周期均为圆频率的频域冲激序列,验证了冲激抽样序列傅里叶级数的收敛性,周期型频谱函数的傅里叶级数与级数型频谱函数的分析也再次验证了级数的收敛性,但不能验证冲激点不存在吉布斯现象的观点。     

非结构因素对钢-朱前坤玻璃组合人行结构模态参数的影响

基于模型现场试验测试,研究了环境温度与运营环境状态（附加质量、行人步行频率）等非结构因素对钢?玻璃组合人行结构模态参数的影响;建立了温度与结构模态参数之间的数学模型,分析了附加质量与行人步行频率对结构模态参数的影响规律。结果表明：一天内温度变化引起的结构模态频率变化可达2.17%,阻尼比变化达87.1%,同时给出了前3 阶竖向模态频率关于温度变化的一次线性拟合表达式;附加质量作用下由结构端部到跨中,结构模态频率逐渐减小,阻尼比逐渐增加,且随着附加质量的增加模态频率降低,阻尼比显著增大;由大量试验数据统计规律可知行人作用下步频对结构模态频率影响较小,结构频率略有减小,模态阻尼比显著增加。因此分析非结构因素对结构模态参数的影响对结构健康检测和损伤识别具有重要意义。     

人行桥人致横向振动的新型模型—IP-K模型

目前关于人行桥人致横向振动机理仍不明确,在这个领域依旧存在争议和不足。有两种主要模型被用于解释人行桥人致大幅横向振动：同步锁定模型和倒摆模型。同步锁定模型认为桥上人群会受桥梁振动影响而逐渐调整步频和桥梁发生同步现象,导致桥梁发生大幅横向振动。而倒摆模型却认为人群调整步频产生的同步现象并不是桥梁大幅横向振动产生的前提条件,认为：即使行人不进行步频调整,其人-桥相互作用引起的自激力同样足够引起振动失稳。目前倒摆模型被认为更具普适性,但仍存在一个质疑：采用倒摆模型得到的行人正常步频下的速度同相自激力分量系数c_p远小于实测值。产生这个问题的原因极有可能是倒摆模型忽视了实际中真实存在的同步效应。鉴于此,该研究提出了一种新型的人行桥人致横向振动模型：IP-K（inverted pendulumKuramoto）模型。其主要原理为：以倒摆模型为核心框架,同时,将Kuramoto生物同步模型引入倒摆模型,使其能考虑人群和桥梁振动之间的同步效应,以此使倒摆模型更合理、更接近实际。所提模型被应用于千禧桥北跨,验证了其有效性;同时,讨论了行人步频分布参数、行人数量、行人对桥梁振幅的敏感...     

含不平衡质量弹性边界约束旋转梁结构振动特性分析

采用改进傅里叶级数方法建立了含不平衡集中质量、轴向载荷的弹性边界约束条件Rayleigh旋转梁横向振动特性分析模型。首先列出转轴-支承系统的动能、势能矩阵方程组,再通过第二类拉格朗日方程推导出转轴系统的运动方程组,最后以改进傅里叶级数作为方程的假设形态进行计算求解。研究了转轴两端支承平动刚度、旋转刚度以及轴向载荷对转轴正反向涡动临界转速的影响,分析了转轴中存在的不平衡集中质量对转轴正反向涡动频率以及正反向临界转速的影响,探究了转轴幅频特性曲线随不平衡集中质量大小、轴向作用位置以及转轴两端支承刚度变化的特性。     

基于自激励人体模型的人-结构竖向相互作用研究

基于自激励人体模型,建立了考虑人-结构竖向相互作用下行人过桥运动方程,提出了考虑步频主谐和亚谐分量的单人步行力模型,并通过单人过桥试验对该模型进行了验证;分析了人-桥竖向相互作用的变化规律及影响因素。结果表明,人体步频亚谐可能与结构的基频相近,从而引起较大的结构响应;结构固有频率和人/结构质量比对人-结构相互作用影响较大,当结构频率与步频及其主谐波分量频率接近时,耦合效应最显著,其对人体足底力影响最大。随着人/结构质量比的增加,人-结构相互作用逐渐增强。