激励-传播-感知全路径人行桥振动舒适度评估与振动控制

摘要

近年来，伴随着旅游资源开发项目在各地兴起，许多名胜景点修建了越来越多更大跨度、更为轻质、更为纤细和更为美观的人行桥，此类人行桥结构具有较低的自振频率和较小的阻尼，更易受到人致振动的影响。而作用在结构上的人作为引起结构振动的主要因素，其作为一个独立的动力系统，具有自身的动力特性，其与结构可能发生的相互作用会不同程度地改变结构的动力特性，导致结构的动力响应被高估，进而影响振动舒适评估的准确性。因此，为了考虑人-人行桥相互作用，选择合理的人行荷载模型在大跨轻柔人行桥的人致振动舒适度评估过程中显得至关重要。当人行桥因行人的作用发生振动时，此时作用在人行桥上的人才是对振动最主要、最直接和最明显的感知者，但不同性别、不同年龄、不同姿势的人对结构不同方向振动的敏感度差异很大。而在现有的规范中，大都是以激励-传播下结构的峰值加速度响应限值作为间接评价人的振动舒适度标准，而对人的舒适度感知水平没有直接的定义，其存在较大的主观性，导致人行桥振动舒适度评估值与人的实际感知水平不一致。此外，多数研究者仅通过对比类共振情况下结构的峰值加速度响应这一单一确定值与规范规定的加速度上限值来评估人行桥的振动舒适度。但事实上，由于行人步频的随机性，以及作为人行桥振动感知者分布的随机性，舒适度评估结果应以行人步频范围内出现振动舒适度的概率显示，而不是以类共振情况下人行桥某特定位置的确定性评估结果显示。对人行桥发生的过量振动问题，目前大都通过在结构上安装某些减振控制装置，进而达到改善结构力学性能、抵御外界荷载的目的，其中调频质量阻尼器作为一种常用被动控制装置在土木工程领域得到了广泛的应用，其能对自振频率分布较分散的结构在共振频率附近较窄频带内的结构动力响应进行有效地控制。但是，目前鲜有研究者在人行桥的设计阶段通过在不同结构的支座处设置不同的半刚性控制装置进而调节结构基频，使其尽可能远离行人的步频范围，避免人激共振现象的发生，达到控制结构过量振动的目的。因此，本文在研究上述问题的过程中，选取合理的行人荷载模型，考虑人-人行桥相互作用，采用概率的形式，展开了基于“激励-传播-感知”全路径的振动舒适度评估研究，对过量振动分别采用调谐质量阻尼器和半刚性装置进行减振控制，并对两种方式的减振效果进行对比分析。 本文的主要研究内容包括以下几个方面： （1）建立行人激励下的梁式结构的振动控制方程，采用小波微分求积-积分求积（WDQ-IQ）法对控制方程进行离散化，然后通过对比分析该方法和振型叠加法计算所得到的加速度响应，验证WDQ-IQ法在求解微分控制方程时的精确性和可靠性。 （2）建立铰接边界条下行人-人行桥耦合系统的控制方程，利用WDQ-IQ法对控制方程进行离散化，采用Newmark法求解考虑行人-结构相互作用下结构的动力响应，并与行人激励下结构的动力响应进行对比，进一步说明在进行人致振动舒适度评估时，考虑行人-结构相互作用的重要性和必要性。此外，探讨在行人步频范围内考虑人-结构相互作用对结构动力响应的影响，并通过累计概率的方法对振动舒适度进行综合评估； （3）将不同工况下计算得到的结构峰值加速度响应和选取的规范所规定的峰值加速度限值进行对比，对不满足舒适度限值要求的工况采用TMD进行减振控制，并评判TMD在类共振条件下的减振效果。最后，通过累计概率的形式表明TMD对行人步频范围内的整体减振效果； （4）采用半刚性装置对结构进行减振控制。建立半刚性边界条件下行人-人行桥耦合系统控制方程，进而求解不同刚度比对应的结构动力响应，并与铰接、规范限值及TMD控制下的动力响应进行对比，说明半刚性边界条件中的刚度比对结构动力响应的影响，并对其减振效果进行评估； （5）首先建立基于激励-传播-感知全路径的耦合系统的控制方程，利用WDQ-IQ法对控制方程进行处理，采用Newmark法求解结构和感知者（跨中站立人）的动力响应，在将二者进行比较的同时与规范规定的振动舒适度的加速度限值进行对比，对不满舒适度要求的，进行TMD控制和半刚性控制，并将不同减振方式下结构和感知者的动力响应与不采用减振控制措施的进行对比，综合评价减振效果。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.1.1 课题的研究背景

1.1.2 课题的研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 人行荷载模型的研究现状

1.2.2 振动舒适度评估的研究现状

1.2.3 控制方程求解方法的研究现状

1.2.4 人致振动控制的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第 2 章 行走激励下结构振动分析的WDQ-IQ法

2.1 引言

2.2 行人激励下梁式结构的振动控制方程

2.2.1 人行荷载模型

2.2.2 行人激励下梁的振动微分方程

2.2.3 边界条件

2.3 小波微分求积法

2.3.1 构造小波插值基函数

2.3.2 小波微分求积法（WDQM）

2.3.3 积分求积法（IQM）

2.4 振动控制方程的离散化和求解

2.4.1 振动控制方程的离散化

2.4.2 边界条件的离散化

2.4.3 振动控制方程的求解

2.5 算例分析

2.5.1 模态分析

2.5.2 验证WDQ-IQ法的精确性

2.6 本章小结

第 3 章 考虑行人-结构相互作用人行桥振动适度评估

3.1 引言

3.2 行人-结构竖向动力相互作用控制方程

3.2.1 考虑行人-结构相互作用的移动人行荷载模型

3.2.2 建立考虑行人-结构相互作用的耦合控制方程

3.3 控制方程的离散化

3.4 加速度响应的累计概率分布

3.5 算例分析

3.5.1 基于考虑行人-结构相互作用的单个响应值的振动舒适度评估

3.5.2 基于考虑行人-结构相互作用的累计概率值的振动舒适度评估

3.6 本章小结

第 4 章 TMD对考虑行人-结构相互作用下结构动力响应的控制

4.1 引言

4.2 TMD参数优化方法

4.3 行人-结构-TMD竖向动力耦合控制方程

4.3.1 不考虑相互作用下行人-结构-TMD竖向动力耦合控制方程

4.3.2 考虑相互作用下行人-结构-TMD竖向动力耦合控制方程

4.4 行人-结构-TMD竖向动力耦合控制方程的离散化

4.4.1 不考虑相互作用下行人-结构-TMD竖向动力耦合控制方程的离散化

4.4.2 考虑相互作用下行人-结构-TMD竖向动力耦合控制方程的离散化

4.5 算例分析

4.5.1 TMD对不考虑行人-结构相互作用下结构动力响应的控制

4.5.2 TMD对考虑行人-结构相互作用下结构动力响应的控制

4.6 本章小结

第 5 章 人行桥人致振动的半刚性装置控制

5.1 引言

5.2 半刚性边界条件

5.3 半刚性边界条件的离散化

5.4 算例分析

5.5 本章小结

第 6 章 激励-传播-感知全路径人行桥振动舒适度评估与振动控制

6.1 引言

6.2 基于激励-传播-感知的全路径耦合控制方程的建立

6.3 基于激励-传播-感知的全路径耦合控制方程的离散化

6.4 算例分析

6.4.1 铰接情况下结构和感知者的动力响应

6.4.2 单个TMD控制装置对结构和感知者的响应控制

6.4.3 半刚性控制装置对结构和感知者的响应控制

6.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间所参与的项目基金及项目