基于人群-结构动力相互作用的大跨楼盖随机振动及优化控制

With the higher functional requirements and widespread application of high-performance materials in modern civil engineering, China's high-speed dedicated passenger railway station with light mass, flexibility and low damping appear in construction. In addition to undergoing crowd long-term effect, human-induced vibration analysis based on serviceability of floor structures has attracted much attention. However, the current research regarding human-induced resonance and its control is far from successful, e.g. lack of systematic vibration assessment procedure of dynamic behavior of such structures. . Based on field monitoring and vibration testing, analysis and control method of long-span floor in large station room under stochastic crowd-induced excitation are studied. Mainly includes: 1) Random crowd load model of long-span floor in the bridge-building combined railway station will be established according to long-term monitoring data. 2) Analyze the influence of station crowd activities on dynamic properties of floor structure, study the synchronization of the crowd walking, standing up and other activities in floor, and then establish the crowd-induced vibration analysis method of long-span floor considering the human-structure dynamic interaction. 3) Analyze the effect of the position, parameters such as tuning frequency, and the numbers of the tuned mass damper (TMD) on the vibration attenuation. Establish the design method for long-span floor with MTMD considering human comfort. Quantify the optimal design parameters of MTMD vibration control system.

随着建筑功能的提高和高强材料的应用，我国“桥建合一”铁路客站多为大跨、轻质和低阻尼结构，再加上长期经受密集人群作用，使得其人激振动舒适度问题更为突出。目前，人群激励下此类结构的振动和控制研究还不完善，缺乏系统的振动舒适度设计方法。. 本项目基于现场监测和人激振动实测研究站房大跨楼盖随机人群荷载作用下的振动响应分析与控制方法，主要包括：1）基于候车室监测数据建立“桥建合一”铁路站房大跨楼盖随机人群荷载模型；2）研究站房人群各种活动对楼盖结构动力特性的影响以及人群行走、起立等活动行为的同步性，建立基于人群-结构动力相互作用的大跨楼盖人致振动精细化分析方法。3）研究调频质量阻尼器（TMD）的位置、调谐频率和数量等参数对大跨楼盖人激振动减振效果的影响规律，建立大跨楼盖人致振动控制方法与多重调谐质量阻尼器(MTMD)减振系统参数设计优化方法。

本项目在国家自然科学基金委的资助下，主要开展了基于人群-结构动力相互作用的大跨楼盖人致振动响应及其控制的理论分析、数值模拟、现场实测与试验研究，主要研究内容及结果有：1）开展了单人步行荷载试验，研究了单足落步荷载曲线以及人行特征参数的分布规律。现场实测了高铁站人群行走步频和相位角等数据，研究了候车厅人群行走特征参数统计分布规律，基于单人步行荷载模型和人群行走的统计特性，建立了高铁候车厅人群行走荷载的模拟方法；2）建立了人群行走荷载作用下大跨楼盖结构的人致振动分析方法，研究了有序排列人群行走荷载和随机分布人群行走荷载作用下高铁候车厅大跨楼盖振动响应，开展了不同数量受试者行走下模型结构的人致振动试验研究；3）开展了受试者留驻前后模型结构模态参数识别试验研究，确定了等效人体模型的自振频率和阻尼比，研究了人-结构相互作用对结构动力特性及人行激励荷载的影响规律；4）开展了不同数量人员留驻时受试者按不同步频行走作用下的模型结构人致振动试验研究，建立了考虑人-结构相互作用的大跨楼盖人致振动响应分析方法，开展了耦合振动系统人群行走激励下振动响应的参数分析，研究了不同参数情况下结构振动加速度响应的变化规律；5）建立了考虑人-结构相互作用的人-楼盖-MTMD耦合系统振动响应的分析方法，提出了基于遗传算法理论的大跨楼盖振动舒适度MTMD控制优化设计方法，建立了大跨楼盖振动舒适度MTMD控制的实用设计方法，并应用于候车厅大跨楼盖人致振动控制设计，现场实测了人群行走荷载作用下大跨楼盖MTMD减振前后的振动响应。