步行荷载动力特性三维实验与分析模型研究

随着大跨度楼盖、人行桥、体育看台等的柔性结构的大量兴建，在行人步行作用下的振动舒适度问题日益凸显。行人步行荷载的动力特性和数学模型是进行结构振动舒适度分析的必要条件，然而我国在此方面的研究十分薄弱。本项目研究利用三维动作捕捉技术开展了73人次的单人步行、跳跃荷载实验。在实验数据的基础上，建立了单步步行荷载的傅里叶级数模型和连续步行荷载的主次谐波荷载模型。此外，还提出了单人跳跃的修正半正弦平方模型。在大量步行和跳跃荷载实验记录的基础上，本项目进一步提出了在行人荷载作用下大跨度工程结构振动响应计算的反应谱分析方法。该方法建立了荷载与响应之间的直接关系，方便工程设计人员使用，计算精度也得到了实验和实测结果的验证。 步行和跳跃是行人在结构上的两种最典型的荷载形式，然而对应的荷载模型和取值方法在我国一直是空白。国内外生物力学和医学领域的研究早已表明，由于身高、体重、体段质量分布以及步态特征的不同，东西方人行走时的地反力（即步行荷载）的统计特性有较大差异。因此，本项目所开展的针对中国人步行和跳跃特点的荷载实验以及所建立的荷载模型具有重要的科学意义和工程应用价值。研究成果发表在本领域重要的国内外学术刊物上，共发表标注论文16篇，其中SCI检索论文4篇，EI检索论文12篇，培养硕士研究生7人。与本研究方向的国际领先学术团队开展了深入的学术合作，联合发表研究论文2篇。 2100433B

大跨人行桥、大跨楼盖等结构的迅速发展使得人致结构振动引起的舒适性及安全性问题日益突出，工程应用中迫切需要掌握步行荷载的动力特性，以更为准确地进行人致结构振动分析。然而，针对中国人行走特点的步行荷载动力特性的基础性实验研究工作目前国内几乎没有，且不宜直接采用国外标准。为此，在深入总结分析已有研究工作所面临的问题和技术瓶颈的基础上，本项目采用新型三维步态分析技术和足底压力测试系统开展步行荷载动力特性的三维精细化实验，通过建立测试者的多刚体模型并进行动力学仿真，得到高质量多工况的步行荷载曲线数据库。在此基础上提出步行荷载的多变量时域模型和功率谱模型。项目研究充分发挥多学科交叉创新的优势，在实验方法及建模思想上相比已有研究工作有创新。项目研究成果可为人致结构振动的安全性和舒适性分析提供荷载标准，并为相关设计规范的修订提供依据。

结构的动力特性包括：自振特性(频率、振型及阻尼)和幅频响应函数(幅频特性和相频特性)。作用在水工结构上的动力荷载有地震荷载、爆炸荷载、动水荷载和机械运行所引起的震动荷载等。上述动水荷载，研究下泄水流对下游河床产生的脉动荷载，是通过水弹性模型试验来进行的。

到20世纪末所进行的水工结构动力模型试验，大都是指结构及其基础是处在线弹性范围内工作的。至于通过动力模型试验研究结构的非线性动力问题, 例如研究结构的动态屈服条件、破坏机理以及土坝、土基等的动力问题，正在开展多方面的研究，例如通过动力试验研究土的动力特性、土坝及基础的液化问题等，都已取得一些成果 。

桩承式加筋路堤是近些年来出现的一种新型地基处理技术,但目前的研究都限于静力情况，对交通荷载作用下筋材软化特性的影响及路堤的动力特性还未见有人研究。本项目拟通过高速公路桩承式加筋路堤的现场试验观测，获取荷载分担比、路堤变形等随时间的变化规律；然后，通过室内疲劳试验，研究土工格栅在循环荷载作用下的软化特性及累计塑性变形规律，建立其动力本构模型，并编制程序使该模型能应用于有限元软件ABAQUS中；采用ABAQUS建立桩承式加筋路堤的动力有限元分析模型，研究在交通荷载作用下桩承式加筋路堤的变形及荷载分担比等的变化规律，并与现场观测的数据相比较，验证计算模型的正确性；最后，采用验证后的有限元模型分析交通荷载作用下路堤高度、桩间距、桩长、桩身模量等参数对桩承式加筋路堤的水平和竖向变形、桩土应力比等的影响，为改进桩承式加筋路堤技术提供依据。 2100433B