基于智能手机测试的人群荷载协同性因子研究

Human-induced vibration serviceability problems are becoming more and more serious in practical engineering due to the rapid development of long-span footbridges, long-span floors and cantilever structures. Dynamic properties of crowd walking and jumping loads are crucial for proper structural design of such structures and are very important for design of vibration control device. Though load models for individual load are well established, experimental and theoretical investigations on crowd loads are very limited. The synchronization factor is the key link between individual load and crowd load. In view of this, this project aims to adopt smartphones for measuring crowd-induced walking and jumping load and to investigate the synchronization factor. First, small scale shaking table tests will be conducted on selected types of smartphones and applications (Apps) to study their vibration measurement accuracy. Then, three key techniques for crowd-loading measurements will be addressed, which are: coordination transform of smartphones’ records, synchronization of multiple smartphones and parameter identification of rigid-body model for human movement. After that, a series experiments will be conducted on crowd jumping and walking in order to establish a database consisting of high-quality data and covering different scenario. Probability distribution function of the synchronization factor will be analyzed and modeled based on the database. Finally a crowd-load reduction factor will be proposed which can be directly applied to engineering design. The research project is a cross-discipline one in which experimental techniques and analysis method in human movement science are adopted to resolve difficulties in structural engineering. The project aims to provide load model for human-induced vibration serviceability analysis and solid reference for revision of related design codes.

大跨度人行桥、楼盖和长悬臂等结构的大量兴建，使得人致结构振动问题日益突出。人群荷载取值是人致结构振动分析、设计和振动控制的重要基础。尽管单人荷载的研究已基本成熟，针对人群荷载的基础性实验和理论研究仍相当薄弱，人群荷载的协同性因子是关联单人和人群荷载的关键。研究采用智能手机进行规模人群的同步荷载实验。首先对可用于人群荷载测试的智能手机软硬件系统进行选型研究，随后研究坐标转换、多机同步和人体力学模型识别三个关键技术，进而开展实际情形、规模人群的步行和跳跃荷载实验，建立包含密度、频率、外部引导等多要素的高质量人群荷载数据库，通过对实验数据的统计分析最终建立人群荷载协同性因子的概率模型以及用于工程设计的人群等效折减系数。项目研究充分发挥多学科交叉创新的优势，在实验方法以及建模思想上有创新。理论研究成果将为大跨工程结构人致振动问题的分析和计算提供荷载取值标准，同时为相关设计规范的修订提供科学依据。

随着材料性能的提升以及设计方法的进步，大跨楼盖、悬臂看台以及大跨人行桥等工程结构越来越普及。人群荷载取值是大跨工程结构人致振动安全性和舒适性设计的控制因素。人群中不同单人之间的协同性是人致荷载建模研究的关键科学问题，协同性定义的模糊以及实验手段的匮乏是主要的瓶颈问题。本项目成功解决了测试技术和建模方法两个问题。首先，提出了采用智能手机作为大规模人群荷载的测试工具。项目研究通过大量的实验证明，利用智能手机自带的芯片和陀螺仪可以获得人体的姿态以及质心处的加速度，再结合人体的动力学模型，可实现人致荷载的测试。此外，智能手机的普及性和便携性质，可以解决大规模人群测试的成本及可行性问题。进一步，首次给出了人群荷载协同性因子的定义：人群中总荷载的动载因子除以人群中各单人动载因子的总和。该因子在[0-1]之间变化，复合设计人员的习惯，也便于理解。在协同性定义基础上，研究工作首次给出了人群跳跃、步行的互谱模型，可以直接用于人致结构的随机振动分析。项目研究共获得了1111条单人屈伸律动荷载以及75人次近500条单人跳跃荷载数据，同时完成了9人、16人、48人步行、跳跃和屈伸的测力板和智能手机荷载测试。利用上述试验结果构建了国际上第一个免费、开放的人致荷载数据库，在权威期刊上发表了本领域第一篇Data paper，并支撑了“人致荷载生成器”软件的开发。项目组组织召开了国内第一届工程结构振动舒适度学术会议，近200位国内外代表参加，覆盖科研、设计和工程单位。项目负责人入选2020、2021全球前2%科学家，共发表标注论文18篇，培养研究生3名。项目成果的科学意义主要体现在三点：（1）首次给出了人群荷载协同性的定义和计算方法；（2）提出并验证了基于智能手机的人群荷载测试新技术；（3）建立了首个开放、免费的人致荷载数据库，实质性推动本领域的数据共享。