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人行桥人致振动特性研究

作　者: 袁旭斌
导　师: 孙利民
学　校: 同济大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 人行桥人致振动人-桥相互作用步行力测试动载因子同步调舒适度评价
分类号: U441.3
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

随着高强轻质材料使用的增多和对结构形式美学要求的提高，现代人行桥变得越来越轻柔、大跨、低阻尼化。近年来，一些人行桥发生了由行人激起的大幅度侧向振动，严重影响到桥上行人行走舒适性甚至结构安全性。人行桥人致振动问题受到桥梁工程界的关注。对现有研究成果的总结表明，目前对人行侧向荷载特性的认识还存在很大不足，现有的人行桥人致振动分析方法的较多简化和假设与实际规律有较大差异。因此本文对行人引起的人行桥振动问题中的人行侧向荷载特性、人致振动机理以及振动舒适度评价方法等进行了研究，成果主要如下：1．采用振动台试验和单自由度结构模型试验，对振动影响下的单人步行力进行了系统的测试研究。在各级振动频率和振幅下对步行力进行测试，并记录步行的同步调状态。研究表明，侧向振动对步行竖向力的影响不大，而对侧向力具有显著的影响。当步行与侧向振动同步调时，步行侧向力随增幅增大而增大，直到当振动超过一定幅度时，行人难以步行。据此本文建立了侧向力—阶动载因子与振幅的线性关系。试验表明，行人步行与振动同步调时，人体的横向运动与侧向振动保持一定的相对运动关系，可用振动位移滞后于侧向力的相位差表示。试验还统计得到了不同频率振幅下的步行同步调概率。综合试验研究成果，本文建立了考虑振动影响的同步调步行自激侧向力模型，可将同步调步行侧向力等效为大小与振幅相关的附加刚度和附加阻尼。2．对人行桥的人致振动计算方法进行了详细的阐述和研究，包括强迫振动、自激振动、参数振动和随机振动几种理论。当采用傅立叶级数模型描述步行力特性时，人行桥的人致振动可简化为强迫共振问题，但通常的强迫振动理论不适用于描述人-桥梁相互作用的过程和行人同步调激励的发生机理。本文根据试验研究成果建立的同步调步行侧向力模型，同时计入非同步调行人的步行力，提出了相应的自激振动法分析人行桥人致振动响应，结构响应由随机步行力和同步调步行力共同引起，而随着振幅逐渐增大，人群步行力逐渐由随机步行力转化为同步调步行力。分析表明，该模型能够较好地对考虑人桥相互作用下的人行桥侧向振动响应进行仿真计算。参数振动理论是人行桥人致振动问题一种新的诠释，本文以千禧桥为对象，对其人致振动过程进行了模拟计算，分析表明人行桥当竖向和侧向模态耦合时，有可能发生竖向激励参激引起侧向振动。人行桥人致振动问题还可在频域上采用随机振动方法分析。3．总结了人体振动舒适度评价领域的研究成果，比较分析了楼板、高层建筑风振等领域内振动舒适度的评价方法。对人行桥振动舒适度的荷载取值、舒适度指标的选取进行了讨论，结合舒适度评价领域的最新研究成果，在现有评估方法的基础上，建立了改进的人行桥人致振动舒适度评价方法。4．以某人行桥为实例，对其人致振动使用性进行了评估。动力特性分析表明，该桥在竖向和侧向都有若干振型的自振频率落在步行力频率范围内，其中1Hz附近的侧向振动模态可能发生由同步调步行激起的大幅度振动。采用强迫共振、自激振动和模拟随机人群激振对该桥振动响应时程进行了数值仿真。最后对该人行桥人致振动舒适度进行了评估。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
第一章绪论  13-26
  1.1 研究背景  13-16
  1.2 现行设计规范  16-18
    1.2.1 频率调整法  16-17
    1.2.2 动力响应分析法  17
    1.2.3 对现行规范的讨论  17-18
  1.3 研究现状和存在的问题  18-24
    1.3.1 对人行荷载的研究  18-20
    1.3.2 人行桥人致振动理论研究  20-21
    1.3.3 人行桥振动舒适度评价研究  21-22
    1.3.4 控制措施研究  22-23
    1.3.5 存在的问题  23-24
  1.4 本文研究目的和内容  24-26
第二章人行荷载试验测试  26-55
  2.1 已有研究成果  26-30
  2.2 振动对人行荷载的影响  30-34
    2.2.1 人与结构相互作用  30-31
    2.2.2 振动引起的人群同步激励  31-34
  2.3 人行荷载模型  34-41
    2.3.1 傅立叶级数模型  34-38
    2.3.2 冲量模型  38
    2.3.3 自激力模型  38-41
    2.3.4 随机模型  41
  2.4 步行力测试试验  41-53
    2.4.1 试验目的和内容  41-42
    2.4.2 试验方法  42-46
    2.4.3 试验结果及分析  46-53
  2.5 小结  53-55
第三章人行桥人致振动计算理论  55-92
  3.1 概述  55-56
  3.2 强迫振动理论  56-66
    3.2.1 单人过桥模型  56-62
    3.2.2 人群过桥模型  62-65
    3.2.3 阻尼的影响  65-66
  3.3 自激振动理论  66-73
    3.3.1 Dallard模型  66-67
    3.3.2 Nakamura模型  67-69
    3.3.3 本研究提出的模型  69-73
  3.4 参数振动理论  73-83
    3.4.1 问题的提出  73-75
    3.4.2 参数振动模型  75-77
    3.4.3 多尺度摄动法求解  77-81
    3.4.4 数值分析  81-83
  3.5 随机振动理论  83-90
    3.5.1 多点激励的结构随机振动理论  83-85
    3.5.2 人行激励功率谱  85-89
    3.5.3 随机振动应用评述  89-90
  3.6 小结  90-92
第四章人行桥振动舒适性评价  92-113
  4.1 研究成果  92-95
  4.2 振动舒适度评价方法  95-99
    4.2.1 Reiher和Meister的研究与DIN 4150(1939)  95
    4.2.2 斯佩林(Sperling)指标W_z  95-96
    4.2.3 Dieckmann指标K与德国DIN、VDI标准  96-97
    4.2.4 a_(r.m.s)与国际ISO标准  97-99
  4.3 土木工程中的振动舒适度评价  99-104
    4.3.1 楼板结构振动舒适度评价  99-101
    4.3.2 高层建筑风振舒适度评价  101-104
  4.4 人行桥振动舒适度评价  104-112
    4.4.1 荷载取值  104-106
    4.4.2 舒适度评价指标比较  106-109
    4.4.3 本文提出的人行桥振动舒适度评价方法  109-112
  4.5 小结  112-113
第五章某景观人行桥人致振动评估实例  113-126
  5.1 工程概况  113-114
  5.2 人致振动分析  114-124
    5.2.1 结构动力特性分析  114-117
    5.2.2 单自由度简化分析  117-122
    5.2.3 全桥有限元模型时程分析  122-124
  5.3 振动舒适度评价  124-125
  5.4 小结  125-126
第六章结论与展望  126-129
  6.1 本文工作总结  126-128
    6.1.1 人行荷载研究  126
    6.1.2 人行桥人致振动计算理论  126-127
    6.1.3 人行桥振动舒适度评价  127
    6.1.4 人行桥人致振动评估实例  127-128
  6.2 对进一步工作的展望  128-129
参考文献  129-139
致谢  139-140
作者简介  140

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