基于社会力模型人群-大跨度隔震楼板结构非线性动力相互作用研究

The nonlinear dynamic interaction of the crowd- large span isolation floor is a multidisciplinary frontier research，as the pedestrian is an independent dynamic system with feedback mechanism. At present, the seismic isolation technique has already applied into the large-span space structures at home and abroad. No matter what kinds of seismic isolation system is adopted, all of them set the seismic isolation device between the bottom structure and the super structure, so that it reduces the natural vibration frequency both in the vertical and lateral direction of the seismic isolation floor, which will lead the structure more sensitive to the movement of the crowd. Based on the measured walking data of many pedestrians, this project establishes 3D bipedal model of time-varying rigidity and time-varying damping. Based on the multi-particle self-driving system framework of the discrete element theory and social force model, it establishes a crowd movement model that takes the surrounding environment and structure vibration influence into account. Based on Hamilton’s energy variation principle, it establishes the non-linear dynamic interaction control equation of the crowd- large span isolation floor. Besides, it makes the full use of the empirical research through the finite element differential quadrature mix amount to calculate and model test is carried out, then discusses the influence of seismic isolation device parameters, floor parameters, and crowd movement parameters on the structure vibration comfort level and lateral dynamic instability, as well as the essential problems about the reaction between the crowd and structure. Moreover, the research on the dynamic reaction between the crowd and seismic isolation floor will provide technical support for the promotion of the seismic isolation technology.

由于行人本身是具有反馈机制的独立动力体系，人群-大跨度隔震楼板非线性动力相互作用是多学科交叉的前沿课题。目前国内外已将隔震技术应用于大跨度空间结构，无论选用何种隔震体系，都是在下部结构与上部结构之间设置隔震装置，从而使隔震楼板侧向与竖向自振频率降低，与人群荷载固有频率或倍频接近，进而对人群荷载变得更为敏感。基于大量行走实测数据，建立时变刚度和阻尼的三维双足行走模型；基于离散元理论多粒子自驱动系统结合社会力模型，建立考虑周边环境和结构振动影响的人群运动模型；基于哈密顿能量变分原理，建立人群-大跨度隔震楼板非线性动力相互作用控制方程。采用有限元-微分求积混合数值计算及模型试验验证，探讨隔震装置参数、楼板参数、人群运动参数等对大跨度隔震楼板振动舒适度和侧向动力失稳的影响以及人群-结构非线性动力相互作用的本质问题。开展人群-大跨度隔震楼板非线性动力相互作用相关研究，将为隔震技术的推广提供科技支撑。

人群与低频轻柔结构动力相互作用为工程实用性很强的研究课题，受到了学术界的高度关注。依托该项目建立人致振动试验平台，该平台由长10m、宽2m玻璃人行桥以及相应的数据采集与分析系统组成；已发表和录用SCI/EI检索论文9篇，CSCD核心库论文6篇，中文核心论文2篇，国内外会议论文5篇；已与科学出版社签订出版相关研究专著1部；培养研究生中，一人获得省级优秀硕士学位论文、一人获得校级优秀学位论文；获得第26届全国结构工程会议优秀论文一等奖、第19届全国系统仿真会议优秀论文。具体成果如下：1）在大量行人行走试验测试数据的基础上，基于现象学分别建立了行人在楼板上以及行人上下楼梯的傅里叶荷载模型和具有质量-刚度-阻尼的单自由度行人生物力学模型；2）在人行桥人致振动舒适度评估方面，定量化评估不同行走步速下人行桥的振动舒适度；研究了人-桥竖向动力相互作用，得到人-桥耦合系统时变频率和阻尼比，对于人行桥的过量振动又利用3中不同的TMD模型对其进行了振动控制；基于社会力模拟人群随机移动，建立人群-结构耦合振动方程，利用DQ-IQ混合法进行求解，得到了耦合系统的时变动力参数以及振动响应；3）在轻质柔性楼梯人致振动舒适评估方面，利用ANSYS软件建立有限元分析，分别了以峰值加速度、均方根加速度和振动加速度级等三种指标对该楼梯进行了舒适度分析，并利用TMD模型对其进行了振动控制；4）分别以甘肃省科技馆悬挑-钢筋桁架楼承板和甘肃体育馆比赛馆悬挑结构为背景，采用 ANSYS有限元软件仿真模拟人群-结构的耦合振动，对其人致振动舒适度进行了评估，其中针对甘肃体育馆比赛馆悬挑结构还进行了现场模态测试分析与人致振动影响与TMD控制效果的现场测试；5）建立了行人-结构-感知者全过程的振动控制方程，以装配式轻质楼盖为例，初步进行了全路径人致振动舒适度评估。依托本项目取的成果，已成功应用甘肃体育馆悬挑楼盖结构人致振动舒适评估与控制，并为安全舒适地使用大跨结构提供了科技支撑。