人致激励荷载的研究分析与应用

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随着城市建设的高速发展、人们居住环境的不断改善,人们对生活和工作环境的要求也不断提高。建筑物在满足安全性的同时,必须对其舒适性给予足够重视。因人自身的日常运动(如:行走、跑步、跳跃等)引起的振动问题就成为一个不容忽视的问题。在进行结构设计时若对人致荷载考虑不当,会对工程结构的适用性甚至安全性造成严重危害。在这种背景下,开展对人致激励荷载的研究分析无疑具有极强的工程实用价值和意义。本文主要做了以下工作:首先阐述了国内外关于步行激励荷载和步态信息等方面的研究现状和存在的问题,指出现有步行荷载实验大部分只测定竖向荷载而忽略了侧向荷载,然而在步行激励振动研究中,侧向力对结构的影响是不可忽视的重要部分。同时,现有步行荷载实验鲜有记录步态信息,在此基础上建立的步行荷载模型就忽略了荷载主体的差异性。本文在进行人致激励荷载实验室试验研究时采用了JP5050多维测力采集分析系统,对10种不同工况(自由状态下慢速行走、正常速度行走、快速行走、1.5Hz、1.75Hz、2.0Hz和2.25Hz固定频率的行走以及慢速蹲伏、正常速度蹲伏和快速蹲伏)的人致激励荷载进行了采集,共得到500组试验数据,每种工况50组。进行的步态信息采集试验分为7种工况(自由状态下慢速行走、正常速度行走、快速行走、1.5Hz、1.75Hz、2.0Hz和2.25Hz固定频率的行走),采集的步态参数主要包括步频、步长、步宽等。在进行试验数据的整理与分析时,首先是对7种工况下步态参数进行了统计分析,结果表明自由步行状态下慢速步行、正常速度步行和快速步行的行走频率均值分别为1.43Hz、1.77Hz和2.04Hz,统计所有步行状态下的步行数据步频均值为1.88Hz;固定频率状态下各个工况下的实际步频均值会与节拍器指令值产生一定偏离,且随着步频的增加,测试者的实际步频与指令值更为接近;自由状态行走和固定步频状态行走,随着步速的增加,步频和步长都有增长的趋势。步宽受频率的影响较小,且固定步频行走的步宽稍大于自由状态行走的步宽。对10种工况下的人致激励荷载曲线进行了分析,运用MATLAB拟合出了各个工况下的关键点插值曲线并与实测曲线进行了对比,然后对插值曲线进行了九次多项式拟合,得出插值曲线的多项式表达式。最后建立了步行激励荷载峰值因子、蹲伏激励荷载峰值因子与频率间的具体函数关系表达式,拟合出相应的函数关系曲线。将本文拟合的荷载曲线应用于某大跨楼盖的模型,运用SAP2000有限元分析软件对其进行了模态分析和时程分析。进行时程分析时,比较了在行走状态下采用IABSE(国际桥梁及结构工程协会)的荷载曲线和本文得到的荷载曲线时模型的竖向和侧向加速度响应。蹲伏状态下将本文拟合的蹲伏荷载曲线应用到模型上,分析了模型的加速度响应。
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