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由于设计理念的创新、新型建筑材料的使用以及施工技术的进步,一大批造型新颖、大跨轻柔的结构,如大跨度高铁车站、大型体育场看台、科技展馆、大跨度城市景观桥和人行天桥等相继涌现。这些结构往往自振频率较低、阻尼较小,动力荷载作用下结构的振动响应比较显著,其振动舒适度问题十分突出,严重影响了结构的正常使用。结构的振动舒适度问题属于弱振的范畴,虽不危及结构安全,却严重影响了使用者的舒适性体验。动力荷载作用下结构的振动舒适度问题已经成为制约结构设计和应用的重要瓶颈之一。 本文以“桥建合一”大跨度高铁车站为例,对列车和人行动荷载作用下结构振动舒适度分析与评价中的关键科学问题进行了研究。本文立足于但并不局限于这一类结构,相关的研究方法也适用于其他类型结构的振动分析及舒适度评价。 具体研究工作如下: 1、通过理论分析、数值模拟、现场测试和试验手段对列车和人行荷载的计算模型进行了研究,分析了其荷载特性,并对人-结构竖向相互作用问题进行了探讨。 对于列车荷载,建立了垂向车辆-轨道耦合系统动力学方程,对相互作用问题进行了定性分析,并通过算例对列车荷载进行了模拟。 对于人行荷载,首先开展了常规人行活动下的单人动荷载测力试验和步行试验,建立了各种活动形式下的荷载模型并回归得到模型参数;在此基础上,对人-结构竖向相互作用问题进行了研究,建立了离散人群-结构竖向相互作用模型和分布人群-结构耦合模型,分析了人-结构相互作用对相互作用力、耦合系统动力特性及耦合系统动力响应的影响;最后,通过单人-结构动力相互作用试验,对人-结构相互作用模型进行了验证。 2、提出了基于舒适度评价的结构精细化模型构建方法。 首先对强振与弱振的区别进行了界定,分析了二者在模型简化方法上的差异,阐述了舒适度研究时模型精细化的必要性,并对结构精细化模型的影响因素进行了分析。然后,考虑结构层楼板、非结构构件、局部构造及边界条件、结构附加质量以及小振幅下阻尼比的取值等因素,提出了结构精细化模型的构建方法。最后,以我国第三代铁路客站中极具代表性的特大型枢纽站——郑州东站为例,对原型结构装修前后不同区域站房结构楼板的动力特性进行现场实测,并通过与数值模拟结果的对比,对所述方法进行了验证。 3、对列车和行人荷载作用下结构动力分析方法进行了研究。建立了列车和人行动荷载作用下结构计算的一般流程和求解方法。 4、基于对国内外舒适度评价标准的深入论述与对比分析,确定了适用于列车振动和行人激励环境下车站结构的舒适度标准和评价方法。鉴于“桥建合一”车站结构的振源特点,本文在参考大量文献及开展大量实测及调查工作的基础上,提出了车站结构的舒适度评价指标和允许振动限值,并给出了大跨度楼盖结构满足舒适度要求的竖向一阶频率限值。 5、以我国第三代铁路客站中最具代表性的结构——郑州东站为例,进行了结构的振动舒适度分析与评价工作。对结构进行了列车和人行荷载作用下的振动测试,并基于实测工况对其进行了数值仿真,通过计算结果与实测值的对比,验证了分析方法的合理性和可靠性。