随机行人荷载下结构动力可靠度分析

基于概率密度演化理论(PDEM),提出一种通过动力可靠度对简支梁在随机行人荷载下的响应进行评估的方法。选取步频、步长、体重以及各行人的到达时间为随机变量,确定性结构动力响应由显式Newmark法计算给出,通过PDEM理论可以方便地计算出行人通过简支梁时任意时刻响应的概率信息,以及不同舒适度阈值水平下跨中加速度的动力可靠度。算例验证表明,简谐荷载下分布参数体系的概率密度演化分析结果与统计结果吻合良好。通过对单人以及多人荷载下响应随机演化过程的分析表明,行人荷载随机性对结构响应具有显著影响,建议利用动力可靠度对结构进行振动响应分析以及人致振动舒适度评价。     

上海虹桥车站人行走廊人致振动分析

采用模态综合与模态叠加理论、应用通用有限元软件与自编程序相结合的方法对上海虹桥站人行走廊的人致振动问题进行分析。考虑BS5400荷载、有序排列人群荷载和随机人群荷载三种荷载模式下的结构响应,指出在步频与结构频率相差较远时,可以采用BS5400荷载模式计算人致振动响应,而当人群荷载频率与结构频率相近时,可根据人群荷载同步调概率的高低选用有序人群荷载模型或随机人群荷载模型。并指出在人行荷载的各个参数中,步频对结构的加速度响应影响最大,其次是动载因子与人群荷载的同步调概率,最后才是人群荷载的集度;最后采用ISO10137标准对人行走廊的振动舒适性进行评价,结果显示接近结构基频的"步行"及"跑动"工况下,其振动舒适性较差。     

单斜面索拱支承曲梁人行桥人致振动控制研究

进行了一种单斜面索拱支承曲梁人行桥的人致振动控制研究。在人行桥的初始状态及静动力特性基础上,模拟了随机人群荷载作用下人行桥的振动响应,参数化地研究了调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)的减振作用,考虑了TMD不同质量比、刚度、阻尼参数以及布置方式的影响。在TMD装置安装前后对人行桥进行实地动力测试,测试了结构减振前后的模态特性以及在单人、多人和人群荷载工况下的振动响应,讨论了TMD装置对该类型人行桥的减振效果。结果表明:减振后结构关键模态阻尼增大为减振前的4.14倍;单人步行和跑动工况下,通过设置TMD,结构加速度峰值下降31.1%～55.9%,加速度均方根下降36.4%～52.0%;多种人群步行工况下,结构竖向加速度峰值最大为0.41 m/s~2。研究结果表明单斜面索拱支承曲梁人行桥刚度较柔,TMD对控制该类型人行桥结构人致振动具有很好的效果。     

基于人群-结构耦合作用甘肃省体育馆悬挂结构振动舒适度评估及控制

为研究大跨楼板结构在人行激励作用下的振动舒适度,以甘肃省体育馆悬挂结构为例,借助有限元软件ANSYS,在傅里叶荷载模型的基础上,将人体等效为具有刚度-质量-阻尼的单自由度体系生物力学模型,考虑定点加载、单人行走以及人群同步等工况下行人-结构的耦合振动前后结构的加速度响应。以峰值加速度为指标评估该悬挂结构的振动舒适度,并分别利用单自由度TMD和3-DOF TMD对结构的过量振动进行控制,对比了单自由度TMD与3-DOF TMD减振效果。结果表明:对大跨楼板结构进行人致振动控制时,3自由度TMD对大跨楼板结构具有很好的控制效果。     

车站结构人行荷载特性研究

大跨度结构的人致振动问题近年来逐渐受到人们的重视。对车站结构中各种可能人行活动下的荷载模式及荷载特性进行了研究。基于候车厅行人在行走、候车、检票进站等情况下的活动特点,对单人行走、座椅起立、下蹲-起立、高处跳下等工况进行了步行力测试,并对测试结果进行了统计分析,得到了各工况下的荷载特性描述。结果表明:1) 实测中国人步行力的动载因子小于欧美学者的建议取值,即基于欧美人群步行测试结果的人行荷载取值偏于保守;2) 座椅起立时,单人竖向动荷载幅值可达静态体重的2倍,因此,对于大跨轻柔结构,人群集体座椅起立时可能会引起结构的较大振动。研究成果可为人行荷载特性研究和结构的人致振动研究提供参考。     

一种基于均方比值的人致结构振动加速度响应信号筛选方法

提出了一种基于人致楼板振动响应的加速度均方根值参数,该参数是结构振动响应信号均方根值和加权均方根值的比值,该参数能够快速判断采集到的人致楼板构振动信号数据是否异常。通过人致楼板振动响应均方根值的理论推导得到了该参数的具体表达式,同时通过建立施加不同工况的人群荷载有限元楼板模型,和不同工况人群作用下楼板振动现场试验,对该参数的性质进行了论证,该参数受人群荷载的参数影响小,与结构自身的基本性质相关性大,在处理大量数据信号时,可以通过该参数对数据进行快速筛选。     

基于社会力模型的人群-桥梁竖向动力耦合效应研究

针对越来越多的轻质柔性人行桥在随机人群荷载作用下的结构振动问题,为了能够获得更为真实、精细的振动响应,建立考虑人群-结构相互作用的随机人群荷载模型尤为重要。首先利用移动弹簧-质量-阻尼模型模拟单人的动力学行为,并基于社会力模型,建立人群的随机运动模型,进而建立考虑人群-结构耦合振动的随机人群荷载模型。根据任意时刻人行桥和随机人群动力平衡,建立随机人群-人行桥耦合振动的控制方程。利用状态空间法求解人行桥动力参数随随机人群运动的变化情况,利用振型分解法求解耦合振动控制方程,探讨考虑人群-结构耦合振动的随机人群荷载对人行桥模态以及振动响应的影响。分析结果表明耦合系统模态变化量随着人数增加而增加。行人随机性与人群-结构相互作用对轻质结构的竖向动力响应影响很大,故在计算轻质结构振动响应时不可忽略。相比于加速度峰值,均方根加速度能够弱化随机波动的干扰作用,因此也采用了1-s均方根加速度更合理地衡量了结构的振动响应。     

真实步伐荷载作用下人行桥振动及共振加速分析

人行振动荷载的准确模拟为精确计算人行桥人致振动响应的关键。为真实模拟单人行走过程对结构的作用,将考虑左、右脚空间交替前行的实测脚步步伐力作为人行振动荷载,提出真实步伐荷载作用下人行桥竖向振动响应计算方法,并通过一实际人行桥人致振动试验验证了该法的准确性;进一步将二阶超谐共振时简支人行桥跨中加速度峰值与各国规范、文献计算结果进行对比分析。计算结果表明,所提出的计算方法精度良好,可为人行桥振动舒适性评价提供精确人行振动荷载模型;由于人行振动荷载简化方法不同,根据不同规范、文献计算得到的二阶超谐共振时竖向加速度峰值相差较大,在人行桥设计中应予以关注。     

考虑人体舒适度的大跨度悬挂结构振动控制研究

大跨度悬挂结构动力特性复杂,悬挂楼板在人行荷载激励下容易产生较大振动.在研究某大跨度悬挂结构自振特性的基础上,针对大跨度悬挂结构在不同工况人行荷载激励下楼板的竖向振动,提出了在悬挂楼板上布置多组不同参数TMD(MTMD)的振动控制方法.根据大跨悬挂结构的动力特性,对减振系统的布置位置以及参数设置提出了实用的设计方法,其中各TMD的自振频率需要结合结构竖向自振频率以及人行荷载的激励频率来确定.工程实例的减振分析结果表明,设置MTMD系统并合理选取其参数后,快、慢走激励下楼板的竖向振动均可以得到较好的抑制,平均减振效果可以达到20%,从而使结构在使用时满足人体舒适度的要求.在实际工程应用前需要对实际结构进行动力特性测试来减小各种因素可能带来的误差.     

随机人行激励模型改进及其应用

为准确描述行人间人行激励的差异性和单人激励各相似周期的差异性，基于Zivanovic模型提取样板周期曲线，通过非线性最小二乘拟合，并考虑单人激励各周期、幅值和冲量的随机特性，提出一种改进的随机人行激励模型；与已有常用人行激励模型比较表明，改进模型能更有效地模拟人行激励的时频域特性，与实测时程更加吻合。以天津西站站房结构为例，将人体等效为双自由度质量弹簧阻尼系统，建立人—结构耦合动力平衡方程，采用逐步积分法分析进行随机人行激励下的结构振动响应分析；结果表明：采用改进随机人行激励模型分析的结构振动响应频域分布更宽，且激励中高频成分对结构振动有一定贡献；考虑人—结构耦合作用，将减小结构振动响应，但影响较小。     

踮脚和跳跃荷载下全装配式RC楼盖振动特性试验研究

为研究分布式连接全装配RC楼盖(DCPCD)在人致激励下的动力特性和振动响应,进行了6个足尺DCPCD试件和1个现浇对比试件的锤击法试验和在踮脚、单人跳跃荷载下的人致激励试验,研究了板缝和连接件布置对DCPCD振动特性的影响。结果表明:DCPCD与现浇楼盖的低阶振型基本相同,但自振频率略低;DCPCD与现浇楼盖有相同的振动传递机制;相同激励下DCPCD的振动响应略大于现浇楼盖,现浇楼盖的加速度峰值出现在跨中的边缘,DCPCD的加速度峰值出现在近跨中板缝的边缘;DCPCD的自振频率随连接件的增加而提高,随板缝的增加降低,连接件对频率的影响大于板缝的影响;提出了两对边简支条件下DCPCD横板向竖向自振频率与加速度计算方法,并以试验验证了所提方法的准确性。     

分布式连接全装配RC楼盖人行荷载试验与振动舒适度分析

为研究分布式连接全装配RC楼盖(DCPCD)动力特性与人致激励响应规律,进行了2个DCPCD试件和1个现浇楼盖试件在四边简支条件下的振动特性试验,并施加多种人行激励工况,分析了步频、行走路线、行人数量和荷载分布等对楼盖振动响应的影响。结果表明:板缝降低了DCPCD的弯曲刚度,使阻尼比增大,第二阶和第三阶振型分别沿横板向和顺板向反向对称;增加连接件数量可有效提高DCPCD自振频率、降低楼盖振动响应;峰值加速度随步频和人数的增加而增大;沿DCPCD横板向行走比沿顺板向和对角线方向行走时的峰值加速度大;荷载分布密集度越大峰值加速度越大,荷载分布越靠近楼盖中心则峰值加速度越大;DCPCD试件的基频可满足规范要求,但加速度在不同的边界支承条件下差别明显;提出了标准单步落足荷载下DCPCD的峰值加速度计算方法,计算值与实测值吻合良好;基于DCPCD竖向振动舒适度,楼盖的横板向与顺板向刚度比建议在0.3~0.75。     

多人-桥竖向动力相互作用研究

基于弹簧-质量-阻尼行人动力模型及欧拉梁人行桥模型建立人行桥-多人耦合系统相互作用模型。通过实验室一低频型钢混凝土人行桥模型开展多人行走试验,验证了相互作用模型的有效性和适用性。采用状态空间法求解行人过桥时系统的瞬时模态,分析了不同人群密度下人群随机行走对人行桥动力特性的影响。对人群随机行走,还分析了不同人群密度和随机步态参数(步频、上桥时距和起步相位)对结构动力响应的影响。结果表明:考虑人群-人行桥相互作用,随着桥上行人密度的增大,人行桥基频略有降低,阻尼比显著增大;结构响应并不是逐渐递增的,其中考虑步频的随机性对响应均值的影响最大。     

冷弯薄壁型钢组合楼盖振动性能及静力挠度研究

对冷弯薄壁型钢-压型钢板楼盖和冷弯薄壁型钢—石膏基自流平砂浆组合楼盖足尺模型进行了人行荷载和激励锤冲击下的振动试验以及1 kN集中荷载作用下的静载试验,研究楼面板形式以及钢丝网布置对组合楼盖自振频率、阻尼比以及跨中竖向挠度的影响。研究表明:在压型钢板上浇筑石膏基自流平砂浆会降低组合楼盖的自振频率、阻尼比以及跨中竖向挠度,而在石膏基自流平砂浆中加入钢丝网并不会显著增加楼盖的动力特性以及减小楼盖的竖向挠度。采用ABAQUS有限元软件对试验模型进行模态分析,并对验证后的有限元模型进行了变参数分析,研究表明:增大楼盖梁腹板高度、楼盖梁板厚以及楼盖面板厚度,加强楼盖端部约束会提高冷弯薄壁型钢组合楼盖的基频、减小楼盖跨中挠度。理论计算时,可将楼盖等效为具有均匀质量和刚度的简支梁模型用于预测冷弯薄壁型钢组合楼盖的基频;推荐使用加拿大木楼盖挠度计算公式用于预测冷弯薄壁型钢组合楼盖在1 kN集中荷载作用下的跨中挠度。     

人-桥竖向耦合振动计算方法

为了分析轻质人行桥的人-桥竖向耦合振动,建立了基于双脚支撑人体计算模型的人-桥耦合振动方程。根据行人在刚性地面行走时的步伐荷载计算结果与文献给出的步伐荷载时程曲线对比,验证了双脚支撑人体计算模型能较好模拟行人的脚步力特性。以一座跨度22.8m、第一阶竖弯自振频率7.23Hz的铝合金人行桥为例,运用Monte Carlo法模拟人群的步行参数,形成不同密度人群过桥的随机工况,并用直接积分法计算了考虑人群-桥竖向耦合振动的铝合金人行桥动力响应。计算结果表明,当人群密度较大时,考虑人桥耦合的人致振动卓越频率趋于分散,其振动响应明显小于不考虑耦合影响的计算结果。     

考虑人-结构相互作用的楼盖振动控制研究

探讨了采用多重调谐质量阻尼器(MTMD)系统对楼盖考虑和不考虑人-结构相互作用时的振动控制。每个静止的人和调谐质量阻尼器(TMD)都作为单自由度动力系统附加在楼盖控制模态上,得出了人-楼盖-MTMD系统耦合振动方程,通过对该方程的傅里叶变换和静力缩聚法,得到了以无量纲参数表示的楼盖加速度响应。运用遗传算法,以楼盖的加速度响应最小为条件对MTMD系统进行优化,得出了对应不同MTMD系统质量比和楼盖阻尼比的无量纲设计参数(频率比和阻尼比)。通过对不考虑和考虑人-楼盖相互作用的楼盖减振控制效果进行对比,提出了考虑人-楼盖相互作用的楼盖MTMD系统的设计建议。另外,对MTMD系统由于楼盖模态质量、自振频率以及MTMD阻尼的变化所导致的去谐效应进行了讨论。最后总结了考虑去谐效应的MTMD系统的设计方法。