人群-大跨梁板结构耦合系统的时变动力特性及自适应振动控制研究

Along with the emergence of light-weight and low-frequency large span beam and slab structures in the domestic and overseas, crowd activities constitute the coupling system with time-varying dynamic characteristics. It is often supposed to be a time-invariant structure while evaluating the vibration serviceability and TMD control of vibration, resulting in inaccurate results and TMD control disarrangement. Dynamic characteristics and vibration control of crowd-large span beam and slab structure coupling system has become an interdisciplinary cutting-edge topic due to complicated and variable pedestrian behaviors and random movement of crowds.The author tests numbers of pedestrians to get walking data, establishes a pedestrian biomechanical model based on probability, simulates crowd movement with social force model, creates the control equation for a single pedestrian and crowd-large span beam and slab structure time-varying coupling system and figures out instantaneous modal parameters of the coupling system through Finite Element-Differential Quadrature Method; then, makes experiments of model and field, identifies instantaneous modal parameters of the coupling system with time-varying modal parameter identification method based on wavelet time-varying frequency response function, and adjusts the theoretical model; finally, develops the adaptive control device with adjustable frequency and damping and effectively controls excessive vibration of the time-varying coupling system. The studies of dynamic characteristics and vibration control of crowd-large span beam and slab structure coupling system will offer technical supports to security and serviceability of large-span structures.

当前国内外轻质、低频大跨梁板结构不断涌现，人群在此类结构上活动构成了动力特性时变的耦合系统。评估该类结构的振动舒适度和利用TMD对其振动控制时，常假定为时不变结构，造成评估结果不准和TMD控制失谐。由于行人行为的复杂多变以及人群运动的随机性，人群-大跨度梁板结构耦合系统的动力特性及振动控制成为多学科交叉的前沿课题。测试大量行人行走数据，建立基于概率的行人生物力学模型，采用社会力模型模拟人群运动，分别建立单个行人、人群-大跨梁板结构时变耦合系统的控制方程，采用有限元-微分求积混合法求解，获得耦合系统的时变模态参数；进行模型试验，采用基于小波时变频响函数的模态参数识别方法，识别耦合系统的时变模态参数，并对理论模型修正；研制频率和阻尼可调的自适应控制装置，实现对时变耦合系统过量振动的有效控制。开展人群-大跨度梁板结构耦合系统的动力特性及振动控制等相关研究，将为安全舒适地使用大跨结构提供科技支撑。

当前国内外轻质、低频大跨梁板结构不断涌现，人群在此类结构上活动构成了动力特性时变的耦合系统。评估该类结构的振动舒适度和利用TMD对其振动控制时，常假定为时不变结构，造成评估结果不准和TMD控制失谐。具体成果如下：1）基于测试大量行人行走数据，分别建立了刚度地面上行人荷载的傅立叶级数模型、单自由度MSD模型、柔性结构上行人荷载的傅立叶级数模型以及改进了双足行走倒立摆模型。2）制作了钢-玻璃人行结构模型，在实验室环境下，完成了静止人体、行走人群、温度等因素对行人结构模态参数影响研究，给出了行人-结构耦合系统动力参数随人群、温度等非荷载因素的变化规律。3）提出了考虑激励-传播-感知全路径结构人致振动舒适度评估框架，该评估框架不仅考虑了结构最大振动响应指标，还考虑使用者脚下结构的振动响应指标，更为重要的是考虑了结构使用者本身的感知指标，从而使振动舒适度评估结果鲁棒性好。4）提出了通过设置障碍物减少荷载能量输入与TMD组合的人行结构混合减振策略。通过在人行结构上设置设计的障碍物，可改变人群中行人的行走行为，从而控制行人步频与步速而达到减少行人荷载能量输入的目的，设置障碍物与TMD组合的混合控制策略可明显提高人行结构人致振动控制效果的鲁棒性。5）提出了幕墙对大跨悬挑楼盖振动模态影响的弱约束效应与数值模型实现方法，进行了大跨悬挂楼盖结构人群行走作用下振动响应的数值仿真与现场测试，根据测试和分析结果提出了TMD减振控制方案，以上研究成果在甘肃省体育馆的大跨悬挑楼盖结构人致振动舒适度评估与振动控制得到成功应用。依托基金项目，出版专著1部，撰写SCI/EI检索论文近20篇，授权国家发明专利3项，已毕业硕士研究生9人，其中3人学位论文为省级优秀学位论文，6人学位论文为校级优秀学位论文。依托本项目所开展的相关研究，为安全舒适地使用大跨结构提供科技支撑。