人體姿態(tài)對人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)豎向動力特性影響試驗(yàn)研究

汪志昊， 寇 琛， 劉召朋， 李曉克

(華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450045)

近年來廣泛采用的大跨度、輕質(zhì)樓板結(jié)構(gòu)體系，具有振動基頻低、固有阻尼小等特征，人體與結(jié)構(gòu)之間存在較為突出的豎向相互作用。人-結(jié)構(gòu)間的豎向相互作用主要體現(xiàn)在人體位置[1-2]、人群密度[3]、人-結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比[4-5]、人-結(jié)構(gòu)的頻率比[5]、人-結(jié)構(gòu)的阻尼比[4]等參數(shù)對人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)動力特性有較大影響。各國學(xué)者考慮人-結(jié)構(gòu)相互作用采用理論分析、模型試驗(yàn)及現(xiàn)場測試等手段對人行橋[6-9]與大跨度樓蓋[10-13]人致振動以及振動舒適度問題開展了探索研究。

人-結(jié)構(gòu)豎向相互作用研究涉及的人體處理方式有靜態(tài)[6-7]、動態(tài)[14-16]，單人[4]、人群[3]之分，其中單個(gè)靜態(tài)人體模型是人-結(jié)構(gòu)豎向相互作用研究的最重要基礎(chǔ)。人體作為一個(gè)復(fù)雜的動力系統(tǒng)，生物力學(xué)界[17-19]、以及工程界[20-21]相關(guān)研究均表明不同姿態(tài)人體動力特性具有顯著的差異，其中人體靜立姿態(tài)的自振頻率、阻尼比略大于人體靜坐姿態(tài)，大于人體下蹲姿態(tài)。人體不同姿態(tài)動力特性的顯著差異，將引起人體姿態(tài)對人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)豎向動力特性影響程度的差異。國內(nèi)外學(xué)者采用連續(xù)體模型[22-24]、單自由度等效模型[25]兩種不同類型的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑴y試了人體不同姿態(tài)對結(jié)構(gòu)動力特性的影響規(guī)律。然而不同研究者采用的結(jié)構(gòu)模型不同，結(jié)構(gòu)基頻、人-結(jié)構(gòu)質(zhì)量比與人-結(jié)構(gòu)頻率比等必然也不同，導(dǎo)致了人體不同姿態(tài)對結(jié)構(gòu)動力特性影響的差異。如文獻(xiàn)[22]表明單人靜立與靜坐姿態(tài)會減小結(jié)構(gòu)一階豎向自振頻率，其中靜坐人體對結(jié)構(gòu)一階豎向自振頻率影響最大；而文獻(xiàn)[4]表明單人靜立與靜坐姿態(tài)將會增加結(jié)構(gòu)一階豎向自振頻率，其中靜立人體對結(jié)構(gòu)一階豎向自振頻率影響最大。因此，相關(guān)規(guī)律與結(jié)果有待進(jìn)一步論證與澄清。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)制作了一座簡支鋼結(jié)構(gòu)-玻璃輕型人行橋模型作為人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)動力特性試驗(yàn)研究平臺。該模型結(jié)構(gòu)體系簡單，自重較輕；結(jié)構(gòu)豎向基頻與人體自振頻率(2.8～5.5 Hz)接近[17-19]，預(yù)計(jì)人-結(jié)構(gòu)豎向相互作用效應(yīng)突出；固有阻尼較小，由人體與結(jié)構(gòu)相互作用導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)阻尼比變化也更為敏感。開展了人體靜立、下蹲與靜坐三種不同姿態(tài)及等重質(zhì)量塊對人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)豎向動力特性影響的試驗(yàn)研究，旨在探索人體姿態(tài)對人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)豎向動力特性的影響規(guī)律與作用機(jī)理，為人-結(jié)構(gòu)豎向相互作用理論研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐與定性參考。

1 結(jié)構(gòu)模型概況

試驗(yàn)人行橋模型上部結(jié)構(gòu)由鋼結(jié)構(gòu)主梁和鋼化玻璃橋面板組成，全長12.00 m、凈跨11.80 m，寬1.20 m，線密度153 kg/m。主梁縱梁采用兩根I22a型鋼，橫梁采用I22a型鋼(間距1.00 m)。鋼梁頂部鋪設(shè)8+3.8PVB+8 mm雙層夾膠鋼化玻璃作為橋面板；雙層夾膠鋼化玻璃與工字型鋼采用橡膠墊粘接。上部結(jié)構(gòu)兩端分別采用固定鉸支座與滑動鉸支座與下部結(jié)構(gòu)相連。人行橋模型上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖1所示。

2 人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)豎向動力特性測試方案

2.1 測試方法

人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)動力特性測試采用自由衰減振動法。參照文獻(xiàn)[23-24]，本文僅識別了人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)一階豎向模態(tài)動力特性。測試者居于橋梁跨中位置下方，有節(jié)奏的人工激振模型，待結(jié)構(gòu)達(dá)到一定幅值后釋放激勵。通過INV3062T型數(shù)據(jù)采集儀與DH610V型電磁式速度傳感器記錄結(jié)構(gòu)的自由衰減速度信號。在模型1/2跨、1/4跨及3/4跨位置處分別各布置2個(gè)豎向拾振器，振動測點(diǎn)共6個(gè)。為便于對比各工況試驗(yàn)結(jié)果，所有工況數(shù)據(jù)均取自由衰減速度自0.20 m/s開始后的20個(gè)完整波形，采用最小二乘法識別得到耦合系統(tǒng)的第一階豎向振動頻率與模態(tài)阻尼比。

(a) 上部結(jié)構(gòu)整體示意

(b) 上部結(jié)構(gòu)橫斷面示意

2.2 測試工況

為探究不同人體姿態(tài)對人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)豎向動力特性的影響規(guī)律，首先測試了人行橋模型空橋狀態(tài)的動力特性，然后分別測試了各位志愿者單人靜立、下蹲、靜坐以及等重質(zhì)量塊位于人行橋模型不同位置時(shí)人-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的豎向動力特性，現(xiàn)場測試場景見圖2。參與測試的2位志愿者信息統(tǒng)計(jì)見表1，每位志愿者測試位置變化13次，見圖3。

表1 志愿者信息統(tǒng)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 人行橋模型(空橋)動力特性

圖4給出了人行橋模型(空橋)跨中豎向測點(diǎn)速度衰減曲線，據(jù)此識別得到了人行橋模型(空橋)第1階豎向模態(tài)固有頻率與阻尼比分別為3.67 Hz、0.78%。

圖2 不同人體姿態(tài)下人-結(jié)構(gòu)豎向相互作用試驗(yàn)

圖3 志愿者位置示意圖(mm)

圖4 結(jié)構(gòu)跨中位置測點(diǎn)第一階模態(tài)速度自由衰減曲線

3.2 單人人體姿態(tài)對結(jié)構(gòu)振動頻率影響

圖5～圖6分別給出了2位志愿者姿態(tài)、位置變化及等重質(zhì)量塊對結(jié)構(gòu)一階豎向振動頻率影響的測試結(jié)果，圖7進(jìn)一步給出了2位志愿者及等重質(zhì)量塊位于模型跨中位置時(shí)結(jié)構(gòu)第一階豎向振動頻率的變化因子(人-橋耦合系統(tǒng)與空橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)振動頻率的比值)。

綜合圖5～圖7可知：① 人體三種姿態(tài)由端部到跨中，對結(jié)構(gòu)振動頻率的影響均逐漸增大，跨中人體對結(jié)構(gòu)振動頻率的影響最為顯著；② 人體靜立、靜坐都會降低結(jié)構(gòu)的振動頻率，而人體下蹲將提高結(jié)構(gòu)的振動頻率；③ 相同志愿者靜坐姿態(tài)對結(jié)構(gòu)振動頻率的影響程度最大，下蹲姿態(tài)對結(jié)構(gòu)振動頻率的影響最??；④ 等重質(zhì)量塊對結(jié)構(gòu)振動頻率的影響程度，僅與靜立人體姿態(tài)對結(jié)構(gòu)振動頻率的影響結(jié)果較為接近。

圖5 人體姿態(tài)、位置對結(jié)構(gòu)一階豎向振動頻率的影響(HM1)

圖6 人體姿態(tài)、位置對結(jié)構(gòu)一階豎向振動頻率的影響(HM2)

圖7 志愿者位于模型跨中時(shí)結(jié)構(gòu)一階豎向振動頻率變化因子

3.3 單人人體姿態(tài)對結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比影響

圖8～圖9分別給出了2位志愿者姿態(tài)、位置變化及等重質(zhì)量塊對結(jié)構(gòu)一階模態(tài)阻尼比影響的測試結(jié)果，圖10進(jìn)一步給出了2位志愿者及等重質(zhì)量塊位于跨中位置時(shí)結(jié)構(gòu)第一階豎向振動附加模態(tài)阻尼比。綜合圖8～圖10可知：① 人體三種姿態(tài)均能提高結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比，由端部到跨中，人體的附加阻尼效應(yīng)越來越明顯，跨中人體對結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比的提升效應(yīng)最為顯著；② 相同志愿者靜坐姿態(tài)對結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比的提升最為顯著，靜立姿態(tài)對結(jié)構(gòu)振動阻尼比的影響最?。虎?等重質(zhì)量塊對結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比的影響程度，幾乎可以忽略不計(jì)，遠(yuǎn)小于各種人體姿態(tài)對結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比的影響結(jié)果。

圖8 人體姿態(tài)、位置對結(jié)構(gòu)一階模態(tài)阻尼比的影響規(guī)律(HM1)

圖9 人體姿態(tài)、位置對結(jié)構(gòu)一階模態(tài)阻尼比的影響規(guī)律(HM2)

圖10 志愿者位于模型跨中時(shí)結(jié)構(gòu)一階附加模態(tài)阻尼比

3.4 與典型文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果對比分析

表2統(tǒng)計(jì)了典型人-梁式結(jié)構(gòu)豎向相互作用試驗(yàn)基本信息，圖11對比了跨中位置處不同人體姿態(tài)對結(jié)構(gòu)一階豎向動力特性的影響結(jié)果，結(jié)果整體呈現(xiàn)較大的離散性。文獻(xiàn)[4]人-結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較大，人體對結(jié)構(gòu)動力特性的影響程度最大；文獻(xiàn)[6]人-結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較小，人體對結(jié)構(gòu)動力特性的影響程度近乎為零；本文試驗(yàn)與文獻(xiàn)[22]的人-結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較為接近，人體對結(jié)構(gòu)動力特性的影響程度也較為相近。可見：人-結(jié)構(gòu)質(zhì)量比差異是導(dǎo)致不同文獻(xiàn)中人體姿態(tài)對結(jié)構(gòu)豎向振動頻率與模態(tài)阻尼比的影響程度存在離散性的最重要因素。

表2 人體姿態(tài)對人-梁式結(jié)構(gòu)豎向相互作用試驗(yàn)信息統(tǒng)計(jì)

若以相同結(jié)構(gòu)模型為基準(zhǔn)，對比可知：當(dāng)結(jié)構(gòu)基頻與人體自振頻率接近時(shí)，人體靜立、靜坐均降低結(jié)構(gòu)的振動頻率，其中人體靜坐影響程度略大于人體靜立；當(dāng)結(jié)構(gòu)基頻遠(yuǎn)高于人體自振頻率時(shí)，人體靜立、靜坐均提高結(jié)構(gòu)振動頻率，其中人體靜立影響程度更為顯著，這與文獻(xiàn)[3]理論預(yù)測結(jié)果相一致；三種人體姿態(tài)均能提高結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比，尤其是人體靜坐提升效果最為顯著。若以相同人體姿態(tài)為基準(zhǔn)，對比可知：人體靜立與靜坐姿態(tài)對結(jié)構(gòu)動力特性的影響結(jié)果隨試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥兓^為敏感，而人體下蹲姿態(tài)則不敏感。

(a) 不同人體姿態(tài)對結(jié)構(gòu)一階豎向振動頻率的影響

(b) 不同人體姿態(tài)對結(jié)構(gòu)一階模態(tài)阻尼比的影響

4 結(jié) 論

(1) 本文試驗(yàn)結(jié)果表明：人體靜立、靜坐均降低結(jié)構(gòu)的一階豎向振動頻率，而人體下蹲將提高振動頻率，其中人體靜坐影響程度最大；人體三種姿態(tài)均能提高結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)阻尼比，尤其是人體靜坐提升效果最為顯著。

(2) 人體姿態(tài)對結(jié)構(gòu)動力特性影響結(jié)果存在離散性的最主要因素為人-結(jié)構(gòu)質(zhì)量比，其次為人-結(jié)構(gòu)頻率比；人體靜立與靜坐姿態(tài)對結(jié)構(gòu)動力特性的影響結(jié)果隨試驗(yàn)對象變化較為敏感，而人體下蹲姿態(tài)則不敏感。