考虑人-结构耦合作用的组合楼盖人致振动舒适度研究

Long-span and lightweight composite floors have recently gained wider applications in buildings and infrastructures, bringing a growing concern on human-induced vibration serviceability and increasing the related research. However, the interaction between human and structure (i.e., human-structure interaction or HSI) being an important vibration serviceability issue has not been fully studied. An extensive theoretical, numerical, and experimental research will be conducted to study the human-induced vibration serviceability considering the HSI and to achieve the following objectives: 1) To establish and decouple the HIS governing equations based on the inverted-pendulum model and perturbation method, respectively, thereby deriving the analytical solutions of the governing equations; 2) To study the HSI mechanism thoroughly and systematically to reveal the nature of HIS and further to determine the main influencing factors of HIS; 3) To establish a unified walking load using the modified dynamic amplification coefficients for the simple harmonic load model, which can be applied to cases with and without considering HSI; 4) To propose a practical method for assessing human-induced vibration serviceability of composite floors, making up for the lacking HSI in the current serviceability evaluation criteria. It is anticipated that the research outcome will have important significance and impact on the serviceability design and practice of composite floors.

近年来，由于大跨轻质组合楼盖在建筑和基础设施中的广泛应用，组合楼盖人致振动舒适度问题日益突出，相关的研究也逐渐增多。而在振动舒适度研究中，人-结构耦合作用是一个重要但未深入系统解决的问题。本项目将对考虑人-结构耦合作用的组合楼盖人致振动舒适度进行研究，采用理论分析、有限元数值模拟与试验研究相结合的方法，基于倒立摆模型和摄动法分别建立和解耦人-结构耦合控制方程，推导耦合控制方程的解析解；深入系统地研究人-楼盖耦合作用机理，揭示人与组合楼盖耦合的本质，确定耦合作用的主要影响因素；借鉴简谐荷载模型，通过修正动力放大系数，建立适用于考虑耦合或非耦合作用的统一行走荷载理论模型；提出考虑人-结构耦合作用的组合楼盖人致振动舒适度分析与设计方法，以弥补目前舒适度评价标准未考虑耦合作用的不足。项目研究成果对于组合楼盖的舒适度设计理论发展和组合楼盖更广泛的工程应用具有重要的价值。

近20年来，随着国民经济的持续快速发展，我国在城市建筑与基础设施方面取得了令人瞩目的建设成就，组合结构大量应用于公共建筑，包括博览建筑、体育场馆、会展中心、交通建筑、商业建筑、办公建筑、医院和学校等。我国建筑行业的迅速发展，给人们的生活和工作提供了更加舒适的环境和空间，但与此同时人们对建筑的使用功能也提出了更好的要求。对于公共建筑，人民常希望楼盖的跨度更大，楼盖梁的高度更小，从而得到跨度和净高均较大的使用空间。但随着楼盖跨度的增大，组合楼盖人致振动舒适度问题日益突出，相关的研究也逐渐增多。而在振动舒适度研究中，人-结构耦合作用是一个重要但未深入系统解决的问题。本项目采用理论分析、有限元数值模拟与试验研究相结合的方法，提出了步行荷载试验和理论模型，开展了3块组合楼盖步行荷载作用下振动舒适度研究，建立了考虑考虑耦合作用下组合楼盖振动控制方程，采用摄动法推导出考虑耦合作用下组合楼盖的频率和加速度理论计算公式，通过与试验结果比较，验证了理论公式的有效性，通过大量的参数分析，明确了人-结构耦合作用机理，确定了组合楼盖耦合强弱影响因素；建立了考虑人-结构耦合作用人行天桥人致振动耦合控制方程，推导出其考虑耦合作用时人行天桥频率和加速度理论公式，通过与试验比较验证了理论公式的有效性；为便于设计人员验算人行天桥的加速度，提出了简化验算公式，弥补了目前规范未考虑耦合作用的不足。. 研究成果应用于长江灯塔、精品砂石智能信息指挥中心等多个项目，取得了良好的经济效益和综合效益。依托项目获得中国钢结构协会科学技术特等奖、中国建筑学会科技进步奖三等奖、黑龙江省科学技术二等奖和黑龙江省城乡建设科学技术一等奖各一项。