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原文传递基于响应谱方法的人行桥人致振动响应研究

论文题名：	基于响应谱方法的人行桥人致振动响应研究
关键词：	响应谱方法;人行桥;人致振动响应;行人平衡控制方法;步行力特征
摘要：	随着人行桥振动问题的日益突出，人行桥人致振动分析逐渐成为现代人行桥设计的一项重要内容。作为行人荷载的主要描述形式，确定行人步行力模型是开展人行桥人致振动分析的先决条件。行人-桥梁相互作用则使得结构动力学中传统的荷载-响应关系不再适用于人行桥的人致振动计算，因此明确人-桥相互作用效应成为人行桥人致振动分析中的关键点所在。而建立简单实用的人行桥人致振动分析方法、使其便于工程设计人员计算使用，则是人行桥人致振动研究工作的最终落脚点。　　围绕上述问题，本文共进行了6章的研究。第1章对人致振动事故造成的重大影响、行人步行力荷载的研究现状、人-桥相互作用计算理论以及人行桥人致振动计算方法进行了综述。第2章重点研究了行人步行力模型以及影响步行力模型的行人步行参数。第3、4章则建立人-桥相互作用分析的理论框架，提出了人-桥相互作用效应的计算公式。第5章研究了人行桥人致振动的计算理论及方法，建立了人行桥人致振动响应谱。第6章作为计算示例，应用响应谱方法对No.47人行桥的人致振动进行了计算，并与现场测试结果对比验证了该方法的可靠性。最后给出了研究结论及展望。本文进行的有特色的研究工作主要有: 　　1)在系统阐述现有行人步行力模型的基础上，提出了基于时域的、彻底的行人步行力随机模型，该模型能同时考虑群体以及个体双重变异性特征。　　2)系统地研究了行人步行力模型中步行参数的分布特征，尤其是利用峰值识别方法从加速度信号中提取出行人瞬时步频，提出了行人瞬时步频总体上服从方差为均匀随机数的正态分布模型。　　3)从人体动力学的观点出发，运用结构动力学中第一、二类拉格朗日分析法建立了行人步行过程的被动式行走非线性动力学模型，该模型分为单、双腿支撑阶段两个子模型，模型充分考虑了行人足底压力中心在步行过程中的前移特征、模仿了行人的基本步行动作。论文还对模型中涉及到的微分-代数方程的求解方法、稳态步伐的确定思路等进行了详细论述，并利用平衡分析法从该模型的分析结果中导出了行人步行力荷载的表达式。　　4)以行人平衡控制方法为研究目的，引入了行人线性倒摆模型，利用瞬时捕获点理论推导了行人落脚平衡控制方程，并将其应用到本文的行人动力学模型中进行平衡控制。　　5)利用行人落脚点平衡控制方法，借助于强迫振动法识别气动导数的模式，研究了行人在振动环境下的步行力特征，提出了人-桥相互作用的评价方法，并从理论上给出了单个行人与桥梁之间的相互作用计算公式;指出了人-桥相互作用中的附加阻尼效应随着桥梁振幅的增加而降低，从而意味着人行桥人致振动振幅越大，结构整体有效阻尼越小，因此越容易引发更大幅度的振动。　　6)开展了人-桥相互作用强迫振动试验，研究了人-桥相互作用的整体效应，并结合理论分析结果，修正、完善了人-桥相互作用效应的单人计算公式。　　7)基于强迫振动理论，系统阐述了人行桥人致振动的时域分析法，采用数值模拟手段并结合极值分布理论，建立了人行桥人致振动参考响应谱，通过系统的参数分析获取了各项调整系数，从而将参考响应谱拓展为广义响应谱。论文还就如何考虑人-桥相互作用效应提出了具体的修正方法，从而使得基于强迫振动理论的计算结果能够较好地反映实际情况下的人行桥振动响应。　　8)开发并集成了人行桥人致振动综合分析程序，并以No.43号人行桥的人致振动现场测试结果为例，对比分析了基于该程序以及基于当前各国人行桥设计规范的预测结果，检验了该程序的实用性与可靠性。
作者：	李红利
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	陈政清
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文