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人-桥竖向耦合振动试验与理论研究

寇琛  
【摘要】:近年来,随着轻质高强材料的广泛应用以及土木工程施工技术的巨大进步,人行桥向着大跨与轻质方向快速发展。大跨度人行桥普遍具有较低的振动基频,以及较小的固有阻尼,人-桥之间将存在明显的竖向相互作用,极易诱发人致振动舒适度问题。然而,既有研究已获得的人群与轻柔人行桥之间的竖向相互作用规律存在较大差异,有必要进一步澄清;现有研究主要侧重于单一人体状态(静立或行走)下人-桥耦合系统研究,实际人行桥往往同时存在静立人群与行人,此时人-桥竖向耦合振动变得更为复杂,相关理论分析方法与振动舒适度评价指标也亟待完善。为此,本文以课题组自制的简支钢结构-玻璃人行桥模型为研究平台,系统开展了静立人群、行走单人、静立人群与行走单人共同作用下人-桥耦合系统竖向动力特性和动力响应的试验与理论研究,同时与典型文献结果进行对比分析,最后数值仿真分析了行走人群-简支梁桥-调谐质量阻尼器(TMD)的竖向耦合振动。主要研究结论如下:(1)可同时考虑静立人体的数量和位置影响的静立人体-桥模态质量比参数变化是导致人体对人行桥一阶竖向振动频率与模态阻尼比影响程度波动的重要原因。随着静立人体-简支梁桥模态质量比的增加,人行桥一阶竖向振动频率近似呈线性降低趋势,而一阶模态阻尼比则逐渐增大后趋于稳定。(2)通过静立人群、行走单人作用下人-桥耦合系统动力特性和动力响应的理论与试验结果对比,给出了人体荷载模型选取建议。其中人体静立荷载M-SD模型与单人步行荷载A-MSD模型,计算精度相对较高,且稳定性好以及简单适用,可供人-桥耦合振动精细化分析优先选用。(3)静立人群-行走单人-简支梁桥竖向耦合振动试验研究表明,静立人驻留处人行桥的加速度一般小于静立人体的实际加速度,采用人行桥加速度响应评估人体舒适度存在片面性。提出的静立人群与行走单人共同作用下人-桥耦合振动的理论分析方法,可以准确预测人行桥和静立人体的加速度响应。(4)提出的行走人群-简支梁桥-TMD竖向耦合振动理论分析方法,可实现人行桥TMD减振效果的精细化评估。人行桥上人群为低密度分布时,人-桥相互作用不突出,振动响应预测分析可忽略人-桥相互作用;而人行桥上人群为高密度分布时,人-桥相互作用较为显著,振动响应预测分析则必须考虑人-桥相互作用。


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