2DOF雙足模型參數(shù)分析及其在人與結(jié)構(gòu)相互作用中應(yīng)用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)形式不斷向大跨、輕柔和低頻方向發(fā)展，由人群活動引起的結(jié)構(gòu)振動越來越受到人們的關(guān)注。人與結(jié)構(gòu)相互作用作為新的重要問題，已經(jīng)成為研究的熱點。結(jié)構(gòu)上的人群作為獨立的動力體系，會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生振動并改變結(jié)構(gòu)動力特性;反過來過量的結(jié)構(gòu)振動又會促使人調(diào)整運動狀態(tài)、幅度和節(jié)奏等，影響人群荷載的大小。雙足模型可較好地模擬人與結(jié)構(gòu)相互作用，但仍需進(jìn)一步完善。已有的雙足模型忽略了人體全身振動特性對人與結(jié)構(gòu)相互作用的影響，模型自身的穩(wěn)定性及正確的參

2、數(shù)域范圍尚不明確，用于模擬跑步狀態(tài)下的控制機制仍需研究，且進(jìn)一步對隨機人群與結(jié)構(gòu)的相互作用的分析也無法很好地闡述。
　　針對上述問題，本文基于ISO5982模型與雙足模型，建立了2DOF雙足模型，重點對2DOF雙足模型的步行穩(wěn)定性、人與結(jié)構(gòu)相互作用過程的模擬、2DOF雙足模型的跑步運動及人群作用下的結(jié)構(gòu)振動等問題進(jìn)行研究。論文的具體工作和取得的創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)綜合考慮ISO5982模型所表示的人體全身振動特性及雙

3、足模型的雙足步行特性，建立了2DOF雙足模型，提出了2DOF雙足模型的參數(shù)域范圍。運用Lagrange方程描述步行過程中的運動方程，研究了人體運動的動力特性及能量變化過程。分析了腿剛度、沖擊角和步行速度等重要參數(shù)對步行特性的影響。針對2DOF雙足模型的穩(wěn)定性，分析了符合人體步行特性的2DOF雙足模型參數(shù)域范圍。研究結(jié)果表明，2DOF雙足模型可用于模擬包括雙足和單足支撐階段的完整連續(xù)的步行過程。連續(xù)平穩(wěn)步行的2DOF雙足模型總能量恒定，其

4、能量隨著步行過程在重力勢能、彈性勢能和動能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化。腿剛度、沖擊角和步行速度等重要參數(shù)影響著人體的連續(xù)穩(wěn)定步行，各參數(shù)之間相互聯(lián)系并構(gòu)成參數(shù)域，雙足模型在本文給定的參數(shù)域下才能夠穩(wěn)定運行。穩(wěn)定運行的參數(shù)域分為人體步行特性參數(shù)域及非人體步行特性參數(shù)域;人體步行特性參數(shù)域僅是雙足模型眾多穩(wěn)定解的一種形式。
　　(2)研究人與結(jié)構(gòu)相互作用過程的模擬。采用2DOF雙足步行模型模擬行人，建立了步行過程的人與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運動方程，確定基本理論

5、和算法。分析了人與結(jié)構(gòu)相互作用過程中人和結(jié)構(gòu)各自的動力響應(yīng)變化，研究了人體運動狀態(tài)的改變過程，描述了結(jié)構(gòu)動力特性的變化規(guī)律，并通過對比雙足模型和2DOF雙足模型，說明了2DOF雙足模型反映的人體動力特性對結(jié)構(gòu)振動的影響。結(jié)果表明，人與結(jié)構(gòu)相互作用使結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)增大。人體運動影響結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及動力特性，結(jié)構(gòu)振動又影響人體自身的振動特性及運動狀態(tài)。行人經(jīng)過結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振型波峰時，結(jié)構(gòu)各階模態(tài)頻率和阻尼比分別達(dá)到最小值和最大值。人體全身振動特

6、性減弱了人與結(jié)構(gòu)相互作用，考慮了人體全身振動特性的2DOF雙足模型較為全面地反映了人與結(jié)構(gòu)相互作用。
　　(3)研究跑步作用下人與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力模擬，提出了同時考慮腿部回擺和外力做功的綜合控制機制以保持步態(tài)穩(wěn)定。分析了2DOF雙足模型跑步作用下的動力特性、控制過程及能量變化過程，討論了跑步運動的穩(wěn)定性，闡述了跑步作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及步態(tài)變化。研究結(jié)果表明，2DOF雙足模型能夠模擬包括支撐和飛行階段在內(nèi)的完整跑步過程。提出的綜合控

7、制機制，能夠自動調(diào)整運動狀態(tài)并維持能量平衡。其不僅能保持模型穩(wěn)定運行，還提高了穩(wěn)定性能。對跑步狀態(tài)下的人與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行動力分析顯示，隨著行人向結(jié)構(gòu)跨中移動，跑步過程中產(chǎn)生的地面反力增大的最大幅度為1.48％，跑步狀態(tài)下的人與結(jié)構(gòu)相互作用較弱。
　　(4)采用2DOF雙足模型模擬人群中的單個行人，基于2DOF雙足模型參數(shù)域分析，研究了人群激勵下結(jié)構(gòu)的隨機振動問題。建立人群與結(jié)構(gòu)相互作用運動方程，確定了人群激勵下結(jié)構(gòu)隨機振動的基本理論