人-结构耦合系统竖向动力特性及相关参数的试验研究

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轻质高强材料的广泛使用使结构变得更轻、更柔、频率更小,人致结构振动引起的舒适性、安全性等问题也越来越受到人们关注,而人-结构的耦合系统分析是研究人致结构振动问题的基础,也是国内外学者研究的重点。人与结构组成的系统动力特性与人和结构的动力参数有关,生物力学研究表明,不同的人体姿态具有不同的阻尼和刚度,这必然会影响人-结构耦合系统竖向动力特性,因此,有必要研究人的不同姿态对人-结构耦合系统动力特性的影响。针对上述问题,本文结合试验、理论分析和数值模拟,研究了人体不同姿态对人-结构动力系统特性的影响,在此基础上,结合人-结构两自由度动力模型反演分析计算了人体不同姿态下的动力特性。主要研究内容和结果如下:设计并制作了一座钢结构人行桥模型作为试验平台,通过自由衰减法与环境振动法测试了人行桥模型的基本动力特性。进一步结合ANSYS有限元分析了结构的基本动力特性,并基于实测结果对有限元模型进行了修正。对六名测试者进行了静立人体不同姿态对人行桥模型动力特性影响规律的试验研究,证明了人-桥相互作用的存在,分析了人体不同姿态对结构频率与阻尼两个方面的影响。结果表明:不同姿态对结构一阶竖向振动频率的影响均为跨中测点最为显著。站姿、坐姿会明显降低结构一阶竖向振动频率,蹲姿则会提高结构一阶竖向振动频率。三种姿态下的留驻人体均增大结构一阶模态阻尼比,但不同的被测者之间哪一种对结构阻尼的影响大,存在截然相反的结果,出现这种结果可能与被测者间不同的身体参数相关。在实测结果的基础上进一步基于人体结构两自由度耦合系统理论模型求解自由振动动力方程,通过模态测试得到单人留驻前后构件自振频率及阻尼比,推算出人体振动基频及阻尼比。结果表明:三种姿态下的人体附加阻尼均为正阻尼效应,其中不同被测者反演的站姿人体附加阻尼离散性较大,坐姿、蹲姿的离散性较小。发现站姿、坐姿下的人体留驻会降低结构基频,出现人体负刚度贡献的情况,蹲姿人体留驻则会提高结构频率。蹲姿的附加刚度为正值,增强结构整体刚度。
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