人行桥人致振动分析与振动控制研究

摘要

近年来，随着人行桥领域轻质高强材料的广泛应用、结构设计施工水平的不断提高以及对人行桥本身功能需求的多样化，此类结构向着轻柔、大跨方向发展，频率也随之不断降低。当结构频率接近甚至落入到人行荷载作用的频带内时，结构在人行荷载作用下可能会产生类似共振的现象，引发大幅结构振动，从而导致舒适性甚至安全性问题。因此，必须在设计阶段对轻柔大跨人行桥的人致振动问题予以分析，必要时采取一定的振动控制措施。 对于大跨轻柔结构的人致振动分析而言，人-结构相互作用的合理表征是一个重要环节，然而目前，由于缺乏对这种相互作用效应深层次的认识，在结构响应计算时往往将其忽略，从而影响到了计算结果的可靠性。此外，在大跨人行桥的人致振动控制领域，目前针对调谐质量阻尼器（TMD）的研究多为数值模拟，而其实际制造精度、安装水平等都将对减振效果产生影响，甚至导致其无法发挥作用，因此亟需通过现场实验对TMD系统的减振效果及影响因素进行分析。针对上述问题，本文以大跨人行桥为研究对象，主要进行了如下工作： （1）建立了人-桥竖向相互作用系统的运动方程，提出了考虑步频主、亚谐分量的单人步行力模型，开展了多种工况下的行人过桥实验，考察了人体步频亚谐分量对结构响应的影响，并对人-结构竖向相互作用的影响因素进行了分析。 （2）建立了人-桥-TMD竖向耦合系统的运动方程，开展实验验证了模型有效性，并基于此从TMD和结构两方面分析了各项技术参数及结构性能变化对TMD减振效率的影响。 （3）对实验人行桥进行了模态识别，结合识别结果对其进行了减振设计，并对相应的TMD系统进行了性能评估。在此基础上，于实验人行桥上开展了TMD减振前后多工况行人过桥测试，并据此对TMD的减振效果进行了评价。 通过上述工作主要得出了以下几点结论： （1）人体于轻质低阻尼结构上行走时，步频亚谐分量表现较为明显；当行人过桥时，不仅步频主谐分量与结构的基频相近会引起较大的结构响应，亚谐分量与基频相近也会导致同样的结果，因此在结构设计时，在步频主谐分量以外，应同时考虑到人体步频亚谐分量，避免其与结构基频接近从而导致振动过大； （2）人/结构质量比和结构固有频率均会对人-结构竖向相互作用产生较大影响。当结构频率与步频及倍频分量接近时，耦合效应最显著。结构频率越大，人-结构竖向相互作用就越弱。随着人/结构质量比的增加，人-结构相互作用逐渐增强。 （3）对于轻质低阻尼结构来说，TMD系统的减振效果与人体行走步频密切相关。人体步频亚谐与结构基频相近会导致较大的结构响应，且以一阶模态响应为主，此时针对该阶模态进行设计的TMD系统发挥了良好的振动控制作用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的问题

1.4 本文所做工作及创新点

第2章 人-结构竖向相互作用研究

2.1 人-桥竖向相互作用模型

2.2 实测对比验证

2.3 人-结构竖向相互作用影响因素分析

2.4 本章小结

第3章 TMD减振效率影响因素分析

3.1 人-桥-TMD竖向相互作用模型

3.2 TMD参数敏感性分析

3.3 去谐效应的研究

3.4 本章小结

第4章 实验人行桥振动控制

4.1 实验人行桥动力特性识别

4.2 实验人行桥减振设计

4.3 TMD性能评估

4.4 减振效果实测

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间参与的科研项目

攻读学位期间获得的科研成果