人群荷载的参数识别及其作用下大跨楼盖振动控制研究

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随着经济水平的发展、结构材料及建造工艺的不断更新,大跨、轻质、柔性、低阻尼结构越来越多,人致振动问题日益突显,引起广泛关注。结构上留驻或运动人群在增大结构质量、施加动力荷载的同时还作为具有刚度与阻尼特性的系统与结构存在耦合作用。研究人体动力学模型参数是深入了解这种耦合作用的关键因素,同时对分析结构在人群作用下动力特性及动力响应变化规律具有深远意义,同时为结构振动控制提供一定的指导作用。此外,多项大跨楼盖动力特性测试结果研究表明,建筑装饰面层不仅增加了结构质量,其对结构的刚度也有一定的贡献,这对结构动力特性的研究具有十分重要的意义。本文基于国内外已有的研究成果,进行了人体单自由度振动系统模型参数的试验研究,同时考察了人体简化模型参数变化规律,并以苏州工业园区体育场为工程背景,通过振动测试和有限元分析,对大跨楼盖结构进行人群荷载作用下振动响应分析。此外,进行了不同面层的模态试验研究,并通过有限元模型对其影响进行分析。主要研究工作和成果如下:1.人体简化模型参数研究。进行了静止楼盖上30人站姿与坐姿人体振动模型及振动楼盖上5人站姿与坐姿人体振动模型参数识别试验。基于单自由度简化动力模型模拟留驻人体,建立人体-结构两自由度耦合系统动力模型并求解动力微分方程,通过模态测试得到单人留驻前后构件自振频率及阻尼比,代入方程组得到人体简化模型基频及阻尼比,最终得到静止楼盖上人体站姿下单自由度模型频率平均值为5.12Hz,阻尼比36.76%,坐姿下频率平均值4.92Hz,阻尼比43.93%;振动加速度Omm/s2到300mm/s2时,人正常站立姿势单自由度简化振动模型频率平均值为5.14Hz~4.85Hz,阻尼比平均值为38.71%~43.52%,坐姿情况下,频率均值为4.96-4.57Hz,阻尼比平均值为41.13%~45.33%。2.设计并浇筑完成了一个混凝土试验板。考虑实际楼板边界条件设计了一个3米×6米楼板来进行模态试验,对试验板进行了 Sap2000有限元模拟并进行现场模态测试,二者吻合较好,第一阶模态频率为17.900Hz。3.进行了建筑面层对结构动力特性影响分析。进行瓷砖、水磨石、大理石三种不同面层模态试验,分析不同面层对结构频率影响,结果表明:铺设面层后,结构第一阶频率有所减小,但第二、三阶频率有所增大。有限元模拟建筑面层对结构频率影响,结果显示,宜将建筑面层考虑为附加混凝土层,附加层质量取为实际面层重量,附加层厚度建议取29~31mm,此时有限元计算结果与实测值能够较好的吻合。4.进行了大跨结构现场测试。对苏州工业园区体育场看台结构进行动力特性测试、人群荷载下的振动响应测试;将测试结果与考虑人-结构相互作用及不考虑该影响两种情况下结构人致振动响应的计算结果进行对比,结果表明,考虑人群与结构的振动耦合的相互作用所得的响应计算结果小于不考虑该影响计算结果。5.对大跨楼盖进行了人群荷载作用下的振动响应控制分析。对苏州工业园区体育场建立有限元模型,对结构进行三种不同人群荷载及考虑人与结构相互作用的人致激励作用下的结构振动控制分析,通过布置38套黏滞流体阻尼器对结构进行减振控制,减振后的加速度响应均小于规范限值,满足舒适度要求。
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