基于雙足步行模型的人體—結(jié)構(gòu)相互作用.pdf

1、低頻結(jié)構(gòu)由于人的行走、跳躍、跑步等活動(dòng)而產(chǎn)生的動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)是一個(gè)與安全性與舒適性相關(guān)的重要課題。當(dāng)行人穿過(guò)步行橋，行人產(chǎn)生的步行荷載會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的幅度超過(guò)一定的限值，特別是當(dāng)步行力側(cè)向頻率與人行橋側(cè)向振動(dòng)頻率接近時(shí)，行人為保持平衡而無(wú)意識(shí)地改變身體的橫向晃動(dòng)與結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)同步，即人體與結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生相互作用。目前，研究人群與結(jié)構(gòu)相互作用的各種數(shù)學(xué)模型都是將人群作為移動(dòng)荷載而不是作為動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)考慮，忽略了由于人體與結(jié)構(gòu)各

2、自力學(xué)特性而可能發(fā)生的人體與結(jié)構(gòu)相互作用，從而也無(wú)法解釋行人對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性（頻率和阻尼）的影響。并且，人體的剛度、阻尼、沖擊角等參數(shù)都無(wú)法在移動(dòng)荷載模型中得到體現(xiàn)，無(wú)法從機(jī)理上對(duì)人體-結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)行闡釋。針對(duì)所闡述的人體-結(jié)構(gòu)相互作用研究中存在的問(wèn)題，本文從人體-結(jié)構(gòu)相互作用研究的兩部分內(nèi)容進(jìn)行深入分析，具體內(nèi)容如下:
　　(1)研究靜態(tài)人體對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。通過(guò)將結(jié)構(gòu)上的人體模擬為質(zhì)量-彈簧-阻尼單自由度系統(tǒng)，建立了人體

3、-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，采用狀態(tài)空間法分析了體系的自振特性，研究了人體與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、頻率比、阻尼比、人位于結(jié)構(gòu)上的位置等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響，并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了理論模型的正確性。
　　(2)研究結(jié)構(gòu)人致豎向振動(dòng)問(wèn)題。基于生物力學(xué)研究領(lǐng)域中的雙足步行模型，分別采用拉格朗日方程和將經(jīng)典有限單元法與移動(dòng)單元法相結(jié)合的方法，建立人體-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，提出了保持步態(tài)穩(wěn)定的反饋機(jī)制和時(shí)變阻尼模型

4、，確定了人體與結(jié)構(gòu)相互作用的基本理論和算法實(shí)現(xiàn)，研究了人腿剛度、人腿阻尼和沖擊角等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。同時(shí)，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了理論模型的正確性。
　　(3)提出了考慮人體橫向運(yùn)動(dòng)的三維雙足步行模型，研究了步行中保持步態(tài)橫向穩(wěn)定的反饋機(jī)制，分析了人腿剛度和沖擊角等參數(shù)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的影響。
　　(4)基于三維雙足步行模型，研究了結(jié)構(gòu)人致橫向振動(dòng)問(wèn)題。仍將經(jīng)典有限單元法和移動(dòng)單元法相結(jié)合，建立人體-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)的