人致荷载的物理随机模型研究

Pedestrian's walking and jumping excitations are very important loads when designing long-span civil structures as footbridge, long-span floor, theatres, sport stadia, structures and factories accommodating vibration-sensitive devices. Investigations on the stochastic model of walking and jumping load, however, are still very limited. This project aims to study the stochastic physical model of walking and jumping load. First, "spring-mass-damper" model (SMD) is established to represent the walking and jumping activity. The frequency response function between the excitation (the biomechanical force inside people) and the response (which is actually the walking load) will be derived for different kinds of SMD models. Applicability of each model will be discussed. Then, walking and jumping test will be conducted on about 150 test subjects using the three-dimensional motion capture technology and insole pressure measurement technology. The experimental data, together with those collected before, will form a good database. The modal parameters of SMD can be identified using the database and their probability distribution property can be investigated. The database will also be employed to study the proper mathematical form for the biomechanical force. Finally, the power spectral model for walking and jumping load can be established. The spectral can be used to simulate walking and jumping time history by numerical simulation method. The proposed stochastic model can be directly used in human-induced structural vibration analysis, vibration control and reliability assessment. Results of this project will lay a sound base for improvement of certain design code.

步行和跳跃激励是人行桥、大跨楼盖及体育看台等多种工程结构的重要设计荷载，其随机荷载模型的研究国内外极少。本课题研究步行及跳跃两种典型人致荷载的随机物理模型。首先建立单人步行及跳跃荷载的"质量-弹簧-阻尼器"动力学模型并引入生物力反映运动的物理机制，推导各种典型模型的生物力（激励）与加速度响应（人致荷载）间的频响函数的理论表达式，探讨各模型的适用条件。利用三维动作捕捉和测力鞋垫技术开展步行和跳跃荷载的实验，与已有实验数据一同构建具有代表性的数据库。采用复合反演方法由实验数据识别动力学模型中的参数并研究其概率分布形式。基于实验数据研究生物力的时频域表达形式及控制变量，最终获得步行及跳跃荷载的功率谱表达式，并结合数值模拟技术实现人致荷载的随机模拟。项目研究突破了现象学的研究范式，所提出的功率谱模型可为大跨结构的人致振动舒适度分析、振动控制和可靠性分析等提供荷载基础，为相关设计规范的修订提供依据。

人致振动问题伴随建筑物更高、更长、更轻的发展趋势而日益严重。传统的人致荷载研究采用确定的现象学研究方式，忽略了荷载的随机性及其产生的物理机制。对此，本项目研究针对步行荷载，通过建立人的“spring-mass-damper" (SMD)模型并引入内驱生物力来反映荷载物理机制，同时研究模型参数的概率分布特性来反映荷载的随机特征。首先通过基于三维动作捕捉技术的实验获得了SMD模型的参数以及内驱生物力的数学模型和系数。通过数值模拟表明采用带内驱生物力的SMD模型的合理性和必要性。进而，针对两类典型的大跨结构（楼板和人行桥），集中开展了模型实验验证。通过将理论计算结果与实验结果进行对比，分别从结构响应、界面力、质心轨迹等三个方面验证了本文所建议的含生物力的SMD模型的适用性。将SMD模型与结构模型相结合，可以建立考虑人-结相互作用的结构振动舒适度问题的耦合分析系统，从而显著提高分析的精度和可靠性。理论分析和实验结果均表明，对于较柔的结构，若不考虑人-结相互作用，则计算结果与实测结果的偏差很大。采用包含内驱力的SMD模型描述行人的步行荷载，是本研究首次提出。本项目共发表期刊研究论文22篇，其中sci收录13篇，EI收录9篇，成为近五年国内在人致振动方向上发表论文最多的学者，出版国内第一本关于人致荷载和人致结构振动的学术专著，被国际振动监测学会副主席评价为”振动舒适度中国最活跃的研究者“，受邀作为中国区唯一代表参加振动舒适度国际路线图的编制委员会。项目研究培养硕士研究生5人。