静态人结构系统振动特性研究

2018-02-15谢秋林

建材与装饰 2018年26期

谢秋林

（广州大学-淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心广东广州 511400）

1 引言

在过去几十年里，对于承受大量人群荷载的装配结构的设计，急需好的规范指导。然而，像这样的结构（如体育馆）设计发展主要通过非结构性问题来驱动[1～3]。最近以来，许多体育馆看台由于人致振动过大，而引发一系列安全问题[4]。像新建不久的卡迪夫千年体育馆，由于在演唱会时由于人群作用导致振动过大，需要施加临时措施来减振，正是这些问题才引发了研究者在体育馆设计中结构动力方面的兴趣[5]。

2 人对结构动力特性的影响

人对结构最显著的影响不是作为激励源而是增大了结构的阻尼，然而阻尼的影响程度很难精确化，比如消极的人群和那些跳跃的积极人群带来的阻尼变化有很大的区别。

Lenzen第一个发现人对结构的阻尼影响，当他研究混凝土板的钢托梁时，发现四个人存在时，阻尼增大了300%。Rainer和Pernica发现人体对结构阻尼的影响很难对实验结果进行预测，尤其是在脚跟起落的试验当中。另外，其他研究者也认识到人对结构阻尼的影响。这些例子是为了说明结构对人的活动很敏感，人能够通过改变耦合的质量、刚度，吸收能量来影响结构的动力特性，不同的姿势就会有不同的影响。

3 人-结构相互作用的理论模型

近年来，为了检测由人群荷载和动力荷载作用下的结构的反应而建立了几种人-结构相互作用的模型。

Sachse用一个单自由度代表结构和人群（总共两个自由度）的系统来测试有人活动时结构的频率，模拟结果和实际很接近；第一次用了弹簧-质量-阻尼器模型。

Sim选择用一个类似小数目的自由度代表人群和结构的简化模型来处理人群和结构相互作用的问题。Sim最初用5个自由度（包括结构和两个自由度代表的活跃的人和消极的人）Sim也用单自由度来表示活跃和消极的人来降低自由度，最终形成了一个三自由度模型。

最近，三自由度结构-消极的人-积极的人的方法进一步细化到了由力产生的负载因子，它不同于动载因子，它只用于人与结构的接触点，这个模型能把人和结构整合成一个单一的动力系统。Pavic和Reynolds已经证实了这个模型精确度很好。

这种模型的很多参数必须要基于实测估计，因此还有进一步的研究空间。不同性质的人群的典型分布、各种不同运动所产生的力、代表不同活动和姿势的模态特性都需要一个持续的验证程序，因为适当的值会因人群的行为变化而随时间变化。

基于Wei和Griffin的研究，ISO10137：2007中采用基频为5Hz，阻尼比为0.4。加拿大的指导手册建议不同类型的结构在满载时的阻尼比值取 0.06～0.12。

在国内，对人群-简支梁系统振动特性展开理论研究，分别讨论无阻尼和有阻尼人群系统对欧拉梁竖向振动特性的影响，得到人群能够改变简支梁自振频率，提高阻尼比。何卫等对有阻尼人群-薄板系统振动特性展开理论研究，讨论人板频率比、人板质量比等参数对人-板系统竖向振动特性的影响。秦敬伟等展开单人-简支梁系统静态耦合下人梁质量比、频率比、阻尼比、人体位置等参数对系统竖向振动特性影响的理论研究，并通过单人-简支梁试验进行验证。高世桥等对人体静止和拍手状态下人-梁系统竖向振动特性展开研究，并以木质梁进行试验验证，得到人体静止和拍手时都会降低结构自振频率，提高结构阻尼。陈建英等建立多人-简支梁系统模型，分析1～5人对结构竖向振动特性的影响，并与SachseR的试验结果对比，验证模型的正确性和有效性。王海等通过建立有限个人-简支梁系统模型，研究人体静态下对简支梁竖向振动特性的影响，模拟结果与SachseR的试验结果进行对比，验证了人-梁系统模型的有效性。