步行荷載動(dòng)力特性三維實(shí)驗(yàn)與分析模型研究

隨著大跨度樓蓋、人行橋、體育看臺(tái)等的柔性結(jié)構(gòu)的大量興建，在行人步行作用下的振動(dòng)舒適度問題日益凸顯。行人步行荷載的動(dòng)力特性和數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度分析的必要條件，然而我國在此方面的研究十分薄弱。本項(xiàng)目研究利用三維動(dòng)作捕捉技術(shù)開展了73人次的單人步行、跳躍荷載實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了單步步行荷載的傅里葉級數(shù)模型和連續(xù)步行荷載的主次諧波荷載模型。此外，還提出了單人跳躍的修正半正弦平方模型。在大量步行和跳躍荷載實(shí)驗(yàn)記錄的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目進(jìn)一步提出了在行人荷載作用下大跨度工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算的反應(yīng)譜分析方法。該方法建立了荷載與響應(yīng)之間的直接關(guān)系，方便工程設(shè)計(jì)人員使用，計(jì)算精度也得到了實(shí)驗(yàn)和實(shí)測結(jié)果的驗(yàn)證。 步行和跳躍是行人在結(jié)構(gòu)上的兩種最典型的荷載形式，然而對應(yīng)的荷載模型和取值方法在我國一直是空白。國內(nèi)外生物力學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究早已表明，由于身高、體重、體段質(zhì)量分布以及步態(tài)特征的不同，東西方人行走時(shí)的地反力（即步行荷載）的統(tǒng)計(jì)特性有較大差異。因此，本項(xiàng)目所開展的針對中國人步行和跳躍特點(diǎn)的荷載實(shí)驗(yàn)以及所建立的荷載模型具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。研究成果發(fā)表在本領(lǐng)域重要的國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上，共發(fā)表標(biāo)注論文16篇，其中SCI檢索論文4篇，EI檢索論文12篇，培養(yǎng)碩士研究生7人。與本研究方向的國際領(lǐng)先學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)開展了深入的學(xué)術(shù)合作，聯(lián)合發(fā)表研究論文2篇。 2100433B

大跨人行橋、大跨樓蓋等結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展使得人致結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的舒適性及安全性問題日益突出，工程應(yīng)用中迫切需要掌握步行荷載的動(dòng)力特性，以更為準(zhǔn)確地進(jìn)行人致結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析。然而，針對中國人行走特點(diǎn)的步行荷載動(dòng)力特性的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究工作目前國內(nèi)幾乎沒有，且不宜直接采用國外標(biāo)準(zhǔn)。為此，在深入總結(jié)分析已有研究工作所面臨的問題和技術(shù)瓶頸的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目采用新型三維步態(tài)分析技術(shù)和足底壓力測試系統(tǒng)開展步行荷載動(dòng)力特性的三維精細(xì)化實(shí)驗(yàn)，通過建立測試者的多剛體模型并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到高質(zhì)量多工況的步行荷載曲線數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上提出步行荷載的多變量時(shí)域模型和功率譜模型。項(xiàng)目研究充分發(fā)揮多學(xué)科交叉創(chuàng)新的優(yōu)勢，在實(shí)驗(yàn)方法及建模思想上相比已有研究工作有創(chuàng)新。項(xiàng)目研究成果可為人致結(jié)構(gòu)振動(dòng)的安全性和舒適性分析提供荷載標(biāo)準(zhǔn)，并為相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂提供依據(jù)。

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性包括：自振特性(頻率、振型及阻尼)和幅頻響應(yīng)函數(shù)(幅頻特性和相頻特性)。作用在水工結(jié)構(gòu)上的動(dòng)力荷載有地震荷載、爆炸荷載、動(dòng)水荷載和機(jī)械運(yùn)行所引起的震動(dòng)荷載等。上述動(dòng)水荷載，研究下泄水流對下游河床產(chǎn)生的脈動(dòng)荷載，是通過水彈性模型試驗(yàn)來進(jìn)行的。

到20世紀(jì)末所進(jìn)行的水工結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型試驗(yàn)，大都是指結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)是處在線彈性范圍內(nèi)工作的。至于通過動(dòng)力模型試驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力問題, 例如研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)屈服條件、破壞機(jī)理以及土壩、土基等的動(dòng)力問題，正在開展多方面的研究，例如通過動(dòng)力試驗(yàn)研究土的動(dòng)力特性、土壩及基礎(chǔ)的液化問題等，都已取得一些成果 。

樁承式加筋路堤是近些年來出現(xiàn)的一種新型地基處理技術(shù),但目前的研究都限于靜力情況，對交通荷載作用下筋材軟化特性的影響及路堤的動(dòng)力特性還未見有人研究。本項(xiàng)目擬通過高速公路樁承式加筋路堤的現(xiàn)場試驗(yàn)觀測，獲取荷載分擔(dān)比、路堤變形等隨時(shí)間的變化規(guī)律；然后，通過室內(nèi)疲勞試驗(yàn)，研究土工格柵在循環(huán)荷載作用下的軟化特性及累計(jì)塑性變形規(guī)律，建立其動(dòng)力本構(gòu)模型，并編制程序使該模型能應(yīng)用于有限元軟件ABAQUS中；采用ABAQUS建立樁承式加筋路堤的動(dòng)力有限元分析模型，研究在交通荷載作用下樁承式加筋路堤的變形及荷載分擔(dān)比等的變化規(guī)律，并與現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性；最后，采用驗(yàn)證后的有限元模型分析交通荷載作用下路堤高度、樁間距、樁長、樁身模量等參數(shù)對樁承式加筋路堤的水平和豎向變形、樁土應(yīng)力比等的影響，為改進(jìn)樁承式加筋路堤技術(shù)提供依據(jù)。 2100433B