大跨度楼盖结构人致振动分析与减振设计

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随着人们对建筑使用功能和审美要求的不断提高,以及轻质、高强的新型建筑材料在土木工程领域中的应用越来越广泛,现代建筑尤其是大型公共建筑如大型场馆、大型车站等,具有大跨度、轻柔化的发展趋势。这一结构特征导致大型公共建筑普遍具有柔度较大、自重较轻的特点,从而进一步导致结构自身的振动频率偏低,有可能接近甚至落入人行荷载作用的频带范围之内。根据人们对公共建筑使用功能的要求,公共建筑内部来往人流往往较大,因此会有大量的低频人行荷载作用于结构上,可能产生类似共振的现象,从而导致结构发生较大的振动。人致振动一旦偏大甚至过量,轻则会影响结构的舒适性、降低结构给人带来的使用体验,从而导致民众产生抱怨和不满情绪,造成不良的社会影响;重则可能导致人的心理产生恐慌从而引发骚乱或踩踏等社会影响恶劣、人员伤亡惨重的工程事故。因此,大跨度楼盖结构人致振动问题的研究具有重要的社会意义和巨大的工程价值。本文以大跨度楼盖结构为研究对象,开展了此类结构在人行荷载作用下的结构振动分析、振动舒适度评价和减振设计工作。主要研究工作如下:(1)对人-结构竖向相互作用问题进行研究。基于单自由度质量-弹簧-阻尼模型,根据达朗贝尔原理和振型函数的正交性,建立人群-简支板耦合系统的自由振动方程,分别针对单人作用和人群作用两种情况下人-结构相互作用对耦合系统动力特性的影响进行研究,分析作用位置、人-结构质量比和频率比、人群密度等参数对竖向相互作用的影响;开展人-结构相互作用试验以验证和补充相关结论;(2)采用单自由度质量-弹簧-阻尼模型模拟结构上静止的人体,推导静止的人体作用下人群-结构-减振装置耦合系统的运动方程。在此基础上对比分析STMD系统和MTMD系统的减振效率,研究减振系统总质量比和人-结构相互作用对减振效果的影响,研究结构频率和人-结构相互作用对最优设计参数的影响;(3)以某四角点支撑的组合楼板为例,采用IABSE(国际桥梁与结构工程协会)建议的荷载模型模拟作用于结构上的人群荷载,分析结构在人群慢速、中速、快速同步行走情况下的人致振动响应和振动舒适度。针对人致振动舒适度不满足要求这一情况,进行减振设计,给出减振方案(包括减振系统的设计参数和布置方式)。通过数值模拟,试算该减振方案预期所能取得的减振效果,以验证该方案的有效性。
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