人与结构动力相互作用建模研究

This project studies the dynamic interacion of human body and structures. The theoretical analysis is combined with the experimental study. A new and reasonable integration model of human-structure interaction is developed, which can be used for the security and comfortability assessment of manned structures with large span and light weight. The human-body is considered as the multi-segment bars with continuous mass, stiffness and damping distributions. The new model of standing body and structure interaction is presented and compared to the conventional ones. The reasonability of the new model is analyzed. Based on these analyses, the relationship of human-body dynamic parameters and walking speed is further investigated. The model of human-structure interaction when the people walkes on the elastic structure is finally developed. Using the experimental resuts of people standing on vibrator and people standing on elastic structures, the mass coefficient, stiffness coefficient and damping coefficient of satnding body and the parameters when the body is coupled with the structure are obatined by means of the identifying and inverting techniques. The foot forces of a walking people on rigid and elastic structures are experimentally measured.The unknown mechanical parameters in the dynamic model of the walking people, which is concerned with the walking speed, are identified from the experimental data. The wood bridge with biggest length in the world, built in Xujiang river of Suzhou, is taken as the application example, which is simultaneously subjected to standing and walking peoples, the security of structure and the comfortability of human-body on it are assessed by analyzing the coupled dynamic properties of human-body and bridge and comparing to the experimental results.

研究人体与结构的动力相互作用，将理论分析与实验研究相结合，建立合理的人体－结构耦合动力学新模型，并将其应用于大跨轻质载人结构的安全性和舒适度评定。 将人体考虑为具有分布质量、分布刚度和分布阻尼的多段弹性杆，建立一体化的人体与结构动力相互作用新模型，与已有的人体-结构模型作比较分析其合理性。在此基础上，进一步研究人体动力学参数与行走速度之间的关系，创建行走时人体与结构耦合的动力学新模型。 利用静立人体的振动台实验数据以及静立人体与结构耦合振动的实验结果，反演识别静立人体的质量系数、刚度系数、阻尼系数以及与结构相耦合的人体动力学参数。用实验手段测量和识别人体在刚性和弹性结构上行走的脚步力，进而反演出人体动力学模型中与行走速度相关的未知力学参量。 以同时承受静立人群和行走人群的苏州胥江大跨人行木桥为对象，分析人群与结构的耦合动力学特性并与实测结果作比较，对结构的安全性和人体的舒适度作科学评定。

随着城市的超大型化及科学技术的不断进步，现代建筑结构大跨、纤柔的特性日益明显，结构更易受人群活动影响产生激振。当振动超过一定限度时，会严重影响行人的舒适度甚至是结构的安全性，因此人致振动问题对结构设计与性能评价越发重要，深入研究人群与结构耦合作用是实现精准预测结构响应和和可靠性的重要着手点。. 本项目首先建立了人体–结构竖向相互作用的耦合新模型，从不同角度比较了人体与结构一体化和传统分离建模方式的差异性，验证了一体化耦合模型的准确性。在此基础上分析了不同的人体直杆模型、人体–结构质量比和频率比对耦合系统动力特性的影响。.由于人体本身是复杂的振动系统，驻留人群和行走人群对结构的影响并不相同。静立人群会改变结构的动力学特性而行走人群会激发结构产生振动。通过由5人参与的振动台实验研究，采用最小二乘法识别了结构竖向振动时耦合系统的力学参数，反演了人体阻尼比和人体两段模型力学参数。将该模型分别应用到人–梁耦合系统和人–板耦合系统，深入讨论了人的站立位置和人数对耦合系统动力特性的影响。基于由38人参与的振动台竖向振动实验研究，提出了预测人体加速度的方法，对结构可靠性的确定起到了重要作用。. 提出了与人行桥耦合的双向行走人群的步行荷载模型，假定人体相速度围绕稳态频率自动调节，采用模态展开法消除空间坐标得到以时间为变量的非线性动力方程组。将该模型应用于伦敦千禧桥北跨，详细分析了人体步长、上桥方式、桥频率和阻尼比对桥面任意位置的动力响应的影响。结果表明，当桥阻尼比达到6%时即可避免桥侧向大幅晃动，与实际工程中安装大量阻尼器后的20%相比，节约经济成本显著。. 由于目前使用的调谐质量阻尼器（TMD）减振设计规范忽略了人体弹性对结构动力性能的影响，本项目将静立人体模拟为两段连续弹性杆附加到结构上，研究了广义人体–结构–TMD耦合系统的动力学特性。结果表明，当结构基频与人体基频接近时，广义人体–结构–TMD系统与结构–TMD系统的动力特性差异显著。在此基础上建立了人群–人行桥–TMD系统，将人群简化为单个广义人体，以均方根加速度作为人体舒适度的优化准则，对TMD进行参数优化。