人群荷载作用下藏式古建结构的响应分析与振动评估

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随着现代建筑形式的发展,人群活动引起的结构振动问题逐渐引起了人们的关注。近年来,国内外许多学者针对人群荷载开展了大量的研究工作,主要包括:人致荷载特征,单人及人群荷载模型,人与结构的相互作用等。目前对于人致荷载的研究比较系统,在理论、试验及数值模拟方面都取得了大量的研究成果。然而,现阶段对于人群荷载的研究都是针对现代建筑开展的,难以应用到古建筑木结构上,但游客荷载已经成为了作用在古建木结构上不可忽视的荷载形式。由于作用在古建筑上的游客荷载并不符合典型的人群荷载特征,并且古建结构也存在着一定的特殊性,严重制约了人群荷载作用下古建筑力学性能的分析。针对上述问题,本文开展了人群荷载作用下典型藏式古建筑木结构的响应计算及振动评估研究。论文的主要工作和创造性成果如下:(1)通过对典型藏式古建木结构进行力学概念分析,提出了典型梁柱木构架的简化计算模型,基于上述分析模型对关键节点位置的刚度进行了识别,计算结果表明,节点可以提供的刚度是随环境温度变化的变量。根据在典型藏式古建木结构中进行的环境激励下结构加速度响应现场实测,采用随机子空间法识别了结构的动力特性参数。针对在参数识别的过程中发现的结构阻尼比计算离散性大的问题,提出了一种基于方差上界的阻尼比估计方法,将统计学中的概念与结构参数识别相结合,有效的解决了阻尼比识别结果不稳定的问题,并且将这一方法应用在了典型藏式古建木构的阻尼比分析中,验证了此方法适用性。(2)基于在典型藏式古建木结构中进行的游客行走特征现场调研,获取了古建筑中游客行走的特征参数,包括行走步速,步频以及步长的统计分布,并将其应用到结构响应计算当中。为了充分考虑人群荷载参数,例如行人数量,行人步频和行人质量在结构响应计算当中的不确定性,引入了统计学中的贝叶斯理论,提出了一种基于贝叶斯理论的人群荷载作用下结构加速度响应计算方法,可以获得结构响应随人群荷载参数的变化规律。并且将上述方法应用到了典型藏式古建木构的结构响应计算当中,通过与结构中布设的加速度传感器的输出数据进行对比,验证了该计算方法的可行性和准确性。(3)基于结构长期变形监测,提出了一种人群荷载—应变响应模型,可以在结构监测数据中,有效剔除温度作用,并提取出人致应变响应。同样,将这一分析方法应用到了典型藏式古建木结构中,提取了结构不同位置,不同时间对人群荷载的应变响应,结果表明结构响应与参观游客的数量以及结构构件的尺寸都有着密切的关系。为了证明这一分析结果的准确性,在监测结构中开展了人致应变响应现场实测,通过控制行走人数,行走时间和行走位置,对结构在不同工况下的应变响应进行了分析,并与模型分析的结果进行了对比,证明了理论模型的适用性。(4)提出了一种基于监测数据的结构振动评估方法,可直接采用监测输出的结构变形数据进行振动评估,提高了分析效率。通过建立结构加速度响应与应变响应之间的关系,将规范中常用的基于加速度数据的结构振动评估准则应用到应变数据中,获得了基于长期变形监测的结构振动评估准则。将上述方法及评估准则应用到了典型藏式古建木构的监测系统当中,获得了较为准确的计算和评估结果,同时,证明了该方法的可行性和正确性。
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