人与结构相互作用体系的地震反应分析、设计及混合试验模拟

Wenchuan earthquake has leaved us with painful memories. A large number of primary and secondary school buildings collapsed, and young students lost their lives in the earthquake. Ten years has passed, but the pain still goes on. Although many qualitative and quantitative analyses of the earthquake damage have been conducted, none of them analyze the possible negative impact of urgent evacuation on structural collapse. This project aims to study the human-structure interaction under earthquake and provide technical support for seismic design of crowed structures such as school buildings. Firstly, a feedback control mechanism will be introduced to establish the multi-rigid-body model for human body under earthquake, and the range of the controller parameters are determined by stability analysis. Secondly, an unconditionally stable energy-consistent time integration method for multi-rigid-body system will be proposed, together with its extension to the dynamic analysis of human-structure interaction system. Next, a practical seismic design method for human-structure interaction system will be established by treating the negative effects of human crowd as additional structural mass and negative damping ratio. Furthermore, substructure shaking table tests of a human-structure interaction system will be conducted to verify the proposed multi-rigid-body human model and the applicability of the equivalent mass-damping-spring model. Finally, an actuator control method with coupled and redundant actuators is developed, and hybrid tests of a school building with intensive human crowd are carried out to evaluate the seismic performance of the human-structure interaction system under severe earthquakes.

汶川地震尽管已经过去十年，但是地震中中小学建筑倒塌及大量中小学生遇难，仍然给人们留下了挥之不去的伤痛。虽然震后有大量关于震害现象的定性和定量分析，但是密集人群逃离或疏散过程中对结构倒塌的可能不利影响分析却是空白。本项目旨在研究地震下人群与结构的相互作用，为保证教学楼等人群密集结构的抗震安全性提供技术支持。本项目引入反馈控制机制建立地震作用下多刚体人体模型，根据稳定性分析确定人体反馈控制器的参数范围；提出多刚体体系能量一致逐步积分算法，在此基础上建立人与结构相互作用体系的能量一致逐步积分方法；将人群的不利作用等效为结构附加质量和负阻尼比，建立人与结构相互作用体系的实用抗震设计方法；进行人与结构相互作用体系的振动台子结构试验，验证多刚体人体模型和等效质量-阻尼-弹簧模型的适用性；提出多作动器耦合冗余控制方法，开展密集人群与教学楼结构相互作用体系的混合试验，检验人群作用下结构的抗大震性能。

本项目建立了适用于大幅度振动环境下的人体动力学模型，分析了人群对结构地震反应的影响，研究了人与结构相互作用体系的混合试验方法。这些研究对于保障人群密集结构的抗震安全性具有重要的意义。本项目进行了人体在纵向或侧向激励下奔跑或步行的振动台试验研究，探究了移动人体-结构的相互作用机理。建立了人体的多刚体力学模型和弹簧负载倒立摆模型，分析了所提控制方法的稳定性，结合试验数据验证了模型的有效性。量化得到了人体对结构的等效附加质量和阻尼，并详细分析了人体与振动结构间的同步现象。考虑人人之间的差异建立了人群-结构相互作用模型，实现了对人群-教学楼结构系统的地震响应模拟。提出了人与结构相互作用体系的实时混合试验方法，该方法将人体作为试验子系统，结构作为数值子系统，可更好地反映人与结构相互作用机理。研究了能量一致积分方法，分析了解的存在性和迭代的收敛性问题，提出了Timoshenko梁的能量守恒积分方法，并将能量一致积分方法应用于拉索-阻尼器实时混合试验方法中。提出了具有位移放大功能的自复位粘滞阻尼器，通过实时混合试验验证了其具备良好的减震效果和自复位能力。关于阻尼器的理论和混合试验研究为人与结构相互作用体系的减震技术提供了技术支持。