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(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)越來(lái)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(wèn)題，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)上的人群作為獨(dú)立的動(dòng)力體系，會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生振動(dòng)并改變結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性;反過(guò)來(lái)過(guò)量的結(jié)構(gòu)振動(dòng)又會(huì)促使人調(diào)整運(yùn)動(dòng)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(dòng)特性對(duì)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(jī)制仍需研究，且進(jìn)一步對(duì)隨機(jī)人群與結(jié)構(gòu)的相互作用的分析也無(wú)法很好地闡述。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于ISO5982模型與雙足模型，建立了2DOF雙足模型，重點(diǎn)對(duì)2DOF雙足模型的步行穩(wěn)定性、人與結(jié)構(gòu)相互作用過(guò)程的模擬、2DOF雙足模型的跑步運(yùn)動(dòng)及人群作用下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)等問(wèn)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(dòng)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(yùn)用Lagrange方程描述步行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)方程，研究了人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性及能量變化過(guò)程。分析了腿剛度、沖擊角和步行速度等重要參數(shù)對(duì)步行特性的影響。針對(duì)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(guò)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(guò)程在重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能和動(dòng)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(yùn)行。穩(wěn)定運(yùn)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(guò)程的模擬。采用2DOF雙足步行模型模擬行人，建立了步行過(guò)程的人與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(guò)程中人和結(jié)構(gòu)各自的動(dòng)力響應(yīng)變化，研究了人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變過(guò)程，描述了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化規(guī)律，并通過(guò)對(duì)比雙足模型和2DOF雙足模型，說(shuō)明了2DOF雙足模型反映的人體動(dòng)力特性對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響。結(jié)果表明，人與結(jié)構(gòu)相互作用使結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)增大。人體運(yùn)動(dòng)影響結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及動(dòng)力特性，結(jié)構(gòu)振動(dòng)又影響人體自身的振動(dòng)特性及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。行人經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振型波峰時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)力模擬，提出了同時(shí)考慮腿部回?cái)[和外力做功的綜合控制機(jī)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(dòng)力特性、控制過(guò)程及能量變化過(guò)程，討論了跑步運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，闡述了跑步作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)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(guò)程。提出的綜合控

7、制機(jī)制，能夠自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并維持能量平衡。其不僅能保持模型穩(wěn)定運(yùn)行，還提高了穩(wěn)定性能。對(duì)跑步狀態(tài)下的人與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力分析顯示，隨著行人向結(jié)構(gòu)跨中移動(dòng)，跑步過(guò)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(gè)行人，基于2DOF雙足模型參數(shù)域分析，研究了人群激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)問(wèn)題。建立人群與結(jié)構(gòu)相互作用運(yùn)動(dòng)方程，確定了人群激勵(lì)下結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)的基本理論