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楼板结构在人行走激励下的振动分析及性能评估

作　者: 王洪涛
导　师: 韩建平
学　校: 兰州理工大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 楼板振动人行激励动力测试步态参数概率性响应分布舒适度评估
分类号: TU311.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

楼板、人行桥等结构在服役期间要承受多种行人活动激励，特别是相对于具有轻柔、大跨特性的该类结构在人行激励下往往能够满足强度和变形等要求，但还应从人体对振动舒适度方面考虑结构不同使用者对于振动响应的接受程度，目前该类结构基于舒适度方面考虑的人致振动分析也越来越得到重视。目前国外已运用较成熟的理论相继颁布的一些设计规则和标准，如BSI、AISC系列等，近些年the UK Concrete Society (2005), the UK Concrete Centre (2006)，theUK Steel Construction Institute (2007)等机构也相继颁布了一些较新的标准，都涉及到了结构在人行激励下基于舒适度的动力响应分析及评估。直到目前，国内还没有这方面专门的规范和标准。但现行的国外主要设计标准在人行荷载模拟、响应计算方法等方面还存在着一些不足，如均是基于确定性的人行荷载模型；仅考虑了单模态的响应，而对于存在密集模态的情况仅考虑基本模态响应往往会造成不准确的响应预测结果。随着人机工程学以及生物力学对于人行走步态的深入研究，使得在结构工程领域中更合理地考虑人行激励作用提供了可能；另外国外一些人行桥、楼板等结构基于舒适度的振动分析、评估规范和标准也对我国这一方面的研究具有借鉴意义。本文主要对实际楼板结构的动力特性分析、行人步行荷载的模拟、行人作用下的多模态响应计算以及基于舒适度的响应评估等方面进行了探讨和研究。结合动力试验和计算模拟相结合的方法，首先阐述了关于楼板结构振动测试、参数识别的方法，对一实际楼板工程进行了基于频响函数的现场动力测试，并运用多种时域和频域方法识别出了该结构真实的模态特性参数，为后续响应分析打下基础。本文第二大部分就是考虑各行人个体产生激励的差异性，构建了不同随机步态参数组合的概率性的单人多分量荷载模型，基于生成的单人荷载模型进而再考虑随机的人行路径和不同的人群数量构建概率性的人群荷载模型；以该实际楼板工程为对象，由前面得到的结构模态特性，分别计算在所构建的概率性荷载模型下的多模态响应，其中人群荷载响应计算时考虑了基本模态阻尼随振动幅值的变化性；对上述响应计算过程进行重复计算预测到大量响应样本，最后统计分析得到单人及人群人行活动荷载下的响应分布以及某一振动水平发生的概率。文章最后对比分析了国外较常用的几种舒适度评价规范和标准，选择合适的评价指标以及合理的指标限值，指出较合理的楼板振动评价方法，后对上述实际楼板工程进行了人行作用下的响应评估。研究结论可为类似楼板、人行桥等工程人致振动的概率性响应分析和评估提供参考。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第1章绪论  12-18
  1.1 引言  12-13
  1.2 总体研究现状  13-17
    1.2.1 基于舒适度的振动分析方法  13-14
    1.2.2 人行荷载的模拟  14-15
    1.2.3 基于舒适度的振动评估  15
    1.2.4 结构振动的减振控制措施  15-16
    1.2.5 存在的问题及需要的改进  16-17
  1.3 本课题的主要工作及整体思路  17-18
第2章相关的振动基本理论  18-27
  2.1 基本的动力学特性  18-21
    2.1.1 计算模型系统  18-19
    2.1.2 模态特性  19-21
  2.2 荷载及结构响应计算理论  21-25
    2.2.1 激励和响应  21-23
    2.2.2 结构响应基本计算方法  23-25
  2.3 小结  25-27
第3章楼板结构动力特性分析  27-42
  3.1 结构模态测试  27-30
    3.1.1 不测得激励信号的模态测试  27-29
    3.1.2 测得激励信号的模态测试  29-30
  3.2 模态参数识别方法  30-32
    3.2.1 频域模态分析  30-31
    3.2.2 时域模态分析  31-32
  3.3 有限元模态分析  32-33
  3.4 某实际楼板结构的动力特性分析  33-41
    3.4.1 测试结构和初步有限元建模  33-35
    3.4.2 基于频响函数的动力测试  35-36
    3.4.3 模态参数识别  36-41
  3.5 小结  41-42
第4章楼板结构在人活动激励下的响应分析  42-66
  4.1 人与结构相互作用  42-46
    4.1.1 人的存在对结构振动特性的影响  42-43
    4.1.2 人-板系统动力特性数值模拟  43-46
  4.2 人活动荷载模型  46-54
    4.2.1 确定性时域步行荷载模型  47-51
    4.2.2 概率性时域步行荷载模型  51-53
    4.2.3 频域步行荷载模型  53-54
  4.3 行人作用下楼板结构的振动响应  54-56
    4.3.1 行人荷载作用下的响应计算基本方法  54-55
    4.3.2 行人荷载的取值及模拟  55-56
  4.4 某实际楼板工程在行人作用下的振动响应  56-64
    4.4.1 单人荷载作用下的响应计算  57-59
    4.4.2 不同振动幅值时结构模态特性的变化  59-61
    4.4.3 人群荷载作用下的响应计算  61-64
  4.5 小结  64-66
第5章振动响应舒适性评估  66-77
  5.1 振动舒适度的研究  66-69
    5.1.1 人对结构连续振动的感知  66-67
    5.1.2 加速度响应的频率计权  67
    5.1.3 人对结构间歇性振动的感知  67-68
    5.1.4 人对结构振动的接受准则  68-69
  5.2 几种振动舒适度评估方法  69-73
    5.2.1 ISO 标准系列  69-70
    5.2.2 美国 AISC 规范  70
    5.2.3 英国 BS 系列规范  70
    5.2.4 德国标准 DIN 4150，VDI 2057  70-71
    5.2.5 荷兰 SBR 指南  71
    5.2.6 挪威标准 NS 8176  71-72
    5.2.7 比较和讨论  72-73
  5.3 楼板结构振动舒适性评估  73-75
    5.3.1 基于确定性荷载模型的评估  73-74
    5.3.2 基于概率性荷载模型的评估  74-75
  5.4 小结  75-77
第6章总结和展望  77-80
  6.1 本文工作总结  77-78
  6.2 对进一步研究的展望  78-80
参考文献  80-87
致谢  87-88
附录  88-89
  1 攻读硕士学位期间所取得的学术成绩及奖励  88
  2 参与的主要纵横向课题及学术活动  88-89

楼板结构在人行走激励下的振动分析及性能评估

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