人体姿态对人-结构耦合系统竖向动力特性影响试验研究

2019-10-21汪志昊刘召朋李晓克

振动与冲击 2019年19期

汪志昊，寇琛，刘召朋，李晓克

(华北水利水电大学河南省生态建材工程国际联合实验室,郑州 450045)

近年来广泛采用的大跨度、轻质楼板结构体系，具有振动基频低、固有阻尼小等特征，人体与结构之间存在较为突出的竖向相互作用。人-结构间的竖向相互作用主要体现在人体位置[1-2]、人群密度[3]、人-结构的质量比[4-5]、人-结构的频率比[5]、人-结构的阻尼比[4]等参数对人-结构耦合系统动力特性有较大影响。各国学者考虑人-结构相互作用采用理论分析、模型试验及现场测试等手段对人行桥[6-9]与大跨度楼盖[10-13]人致振动以及振动舒适度问题开展了探索研究。

人-结构竖向相互作用研究涉及的人体处理方式有静态[6-7]、动态[14-16]，单人[4]、人群[3]之分，其中单个静态人体模型是人-结构竖向相互作用研究的最重要基础。人体作为一个复杂的动力系统，生物力学界[17-19]、以及工程界[20-21]相关研究均表明不同姿态人体动力特性具有显著的差异，其中人体静立姿态的自振频率、阻尼比略大于人体静坐姿态，大于人体下蹲姿态。人体不同姿态动力特性的显著差异，将引起人体姿态对人-结构耦合系统竖向动力特性影响程度的差异。国内外学者采用连续体模型[22-24]、单自由度等效模型[25]两种不同类型的实验模型，测试了人体不同姿态对结构动力特性的影响规律。然而不同研究者采用的结构模型不同，结构基频、人-结构质量比与人-结构频率比等必然也不同，导致了人体不同姿态对结构动力特性影响的差异。如文献[22]表明单人静立与静坐姿态会减小结构一阶竖向自振频率，其中静坐人体对结构一阶竖向自振频率影响最大；而文献[4]表明单人静立与静坐姿态将会增加结构一阶竖向自振频率，其中静立人体对结构一阶竖向自振频率影响最大。因此，相关规律与结果有待进一步论证与澄清。

针对上述问题，本文设计制作了一座简支钢结构-玻璃轻型人行桥模型作为人-结构耦合系统动力特性试验研究平台。该模型结构体系简单，自重较轻；结构竖向基频与人体自振频率(2.8～5.5 Hz)接近[17-19]，预计人-结构竖向相互作用效应突出；固有阻尼较小，由人体与结构相互作用导致的结构阻尼比变化也更为敏感。开展了人体静立、下蹲与静坐三种不同姿态及等重质量块对人-结构耦合系统竖向动力特性影响的试验研究，旨在探索人体姿态对人-结构耦合系统竖向动力特性的影响规律与作用机理，为人-结构竖向相互作用理论研究提供试验数据支撑与定性参考。

1 结构模型概况

试验人行桥模型上部结构由钢结构主梁和钢化玻璃桥面板组成，全长12.00 m、净跨11.80 m，宽1.20 m，线密度153 kg/m。主梁纵梁采用两根I22a型钢，横梁采用I22a型钢(间距1.00 m)。钢梁顶部铺设8+3.8PVB+8 mm双层夹胶钢化玻璃作为桥面板；双层夹胶钢化玻璃与工字型钢采用橡胶垫粘接。上部结构两端分别采用固定铰支座与滑动铰支座与下部结构相连。人行桥模型上部结构构造如图1所示。

2 人-结构耦合系统竖向动力特性测试方案

2.1 测试方法

人-结构耦合系统动力特性测试采用自由衰减振动法。参照文献[23-24]，本文仅识别了人-结构耦合系统一阶竖向模态动力特性。测试者居于桥梁跨中位置下方，有节奏的人工激振模型，待结构达到一定幅值后释放激励。通过INV3062T型数据采集仪与DH610V型电磁式速度传感器记录结构的自由衰减速度信号。在模型1/2跨、1/4跨及3/4跨位置处分别各布置2个竖向拾振器，振动测点共6个。为便于对比各工况试验结果，所有工况数据均取自由衰减速度自0.20 m/s开始后的20个完整波形，采用最小二乘法识别得到耦合系统的第一阶竖向振动频率与模态阻尼比。

(a) 上部结构整体示意

(b) 上部结构横断面示意

2.2 测试工况

为探究不同人体姿态对人-结构耦合系统竖向动力特性的影响规律，首先测试了人行桥模型空桥状态的动力特性，然后分别测试了各位志愿者单人静立、下蹲、静坐以及等重质量块位于人行桥模型不同位置时人-结构耦合系统的竖向动力特性，现场测试场景见图2。参与测试的2位志愿者信息统计见表1，每位志愿者测试位置变化13次，见图3。

表1 志愿者信息统计

3 试验结果分析

3.1 人行桥模型(空桥)动力特性

图4给出了人行桥模型(空桥)跨中竖向测点速度衰减曲线，据此识别得到了人行桥模型(空桥)第1阶竖向模态固有频率与阻尼比分别为3.67 Hz、0.78%。

图2 不同人体姿态下人-结构竖向相互作用试验

图3 志愿者位置示意图(mm)

图4 结构跨中位置测点第一阶模态速度自由衰减曲线

3.2 单人人体姿态对结构振动频率影响

图5～图6分别给出了2位志愿者姿态、位置变化及等重质量块对结构一阶竖向振动频率影响的测试结果，图7进一步给出了2位志愿者及等重质量块位于模型跨中位置时结构第一阶竖向振动频率的变化因子(人-桥耦合系统与空桥状态结构振动频率的比值)。

综合图5～图7可知：① 人体三种姿态由端部到跨中，对结构振动频率的影响均逐渐增大，跨中人体对结构振动频率的影响最为显著；② 人体静立、静坐都会降低结构的振动频率，而人体下蹲将提高结构的振动频率；③ 相同志愿者静坐姿态对结构振动频率的影响程度最大，下蹲姿态对结构振动频率的影响最小；④ 等重质量块对结构振动频率的影响程度，仅与静立人体姿态对结构振动频率的影响结果较为接近。

图5 人体姿态、位置对结构一阶竖向振动频率的影响(HM1)

图6 人体姿态、位置对结构一阶竖向振动频率的影响(HM2)

图7 志愿者位于模型跨中时结构一阶竖向振动频率变化因子

3.3 单人人体姿态对结构模态阻尼比影响

图8～图9分别给出了2位志愿者姿态、位置变化及等重质量块对结构一阶模态阻尼比影响的测试结果，图10进一步给出了2位志愿者及等重质量块位于跨中位置时结构第一阶竖向振动附加模态阻尼比。综合图8～图10可知：① 人体三种姿态均能提高结构模态阻尼比，由端部到跨中，人体的附加阻尼效应越来越明显，跨中人体对结构模态阻尼比的提升效应最为显著；② 相同志愿者静坐姿态对结构模态阻尼比的提升最为显著，静立姿态对结构振动阻尼比的影响最小；③ 等重质量块对结构模态阻尼比的影响程度，几乎可以忽略不计，远小于各种人体姿态对结构模态阻尼比的影响结果。

图8 人体姿态、位置对结构一阶模态阻尼比的影响规律(HM1)

图9 人体姿态、位置对结构一阶模态阻尼比的影响规律(HM2)

图10 志愿者位于模型跨中时结构一阶附加模态阻尼比

3.4 与典型文献试验结果对比分析

表2统计了典型人-梁式结构竖向相互作用试验基本信息，图11对比了跨中位置处不同人体姿态对结构一阶竖向动力特性的影响结果，结果整体呈现较大的离散性。文献[4]人-结构质量比较大，人体对结构动力特性的影响程度最大；文献[6]人-结构质量比较小，人体对结构动力特性的影响程度近乎为零；本文试验与文献[22]的人-结构质量比较为接近，人体对结构动力特性的影响程度也较为相近。可见：人-结构质量比差异是导致不同文献中人体姿态对结构竖向振动频率与模态阻尼比的影响程度存在离散性的最重要因素。

表2 人体姿态对人-梁式结构竖向相互作用试验信息统计

若以相同结构模型为基准，对比可知：当结构基频与人体自振频率接近时，人体静立、静坐均降低结构的振动频率，其中人体静坐影响程度略大于人体静立；当结构基频远高于人体自振频率时，人体静立、静坐均提高结构振动频率，其中人体静立影响程度更为显著，这与文献[3]理论预测结果相一致；三种人体姿态均能提高结构模态阻尼比，尤其是人体静坐提升效果最为显著。若以相同人体姿态为基准，对比可知：人体静立与静坐姿态对结构动力特性的影响结果随试验模型变化较为敏感，而人体下蹲姿态则不敏感。