基于雙足步行模型的人體—結構相互作用.pdf

1、低頻結構由于人的行走、跳躍、跑步等活動而產生的動荷載作用下的振動是一個與安全性與舒適性相關的重要課題。當行人穿過步行橋，行人產生的步行荷載會引起結構振動，當結構振動的幅度超過一定的限值，特別是當步行力側向頻率與人行橋側向振動頻率接近時，行人為保持平衡而無意識地改變身體的橫向晃動與結構橫向振動同步，即人體與結構之間產生相互作用。目前，研究人群與結構相互作用的各種數(shù)學模型都是將人群作為移動荷載而不是作為動力系統(tǒng)來考慮，忽略了由于人體與結構各

2、自力學特性而可能發(fā)生的人體與結構相互作用，從而也無法解釋行人對結構的動力特性（頻率和阻尼）的影響。并且，人體的剛度、阻尼、沖擊角等參數(shù)都無法在移動荷載模型中得到體現(xiàn)，無法從機理上對人體-結構相互作用進行闡釋。針對所闡述的人體-結構相互作用研究中存在的問題，本文從人體-結構相互作用研究的兩部分內容進行深入分析，具體內容如下:
　　(1)研究靜態(tài)人體對結構動力特性的影響。通過將結構上的人體模擬為質量-彈簧-阻尼單自由度系統(tǒng)，建立了人體

3、-結構相互作用系統(tǒng)的運動方程，采用狀態(tài)空間法分析了體系的自振特性，研究了人體與結構的質量比、頻率比、阻尼比、人位于結構上的位置等參數(shù)對系統(tǒng)動力特性的影響，并將數(shù)值模擬結果與試驗結果進行比較，驗證了理論模型的正確性。
　　(2)研究結構人致豎向振動問題?；谏锪W研究領域中的雙足步行模型，分別采用拉格朗日方程和將經典有限單元法與移動單元法相結合的方法，建立人體-結構相互作用系統(tǒng)的運動方程，提出了保持步態(tài)穩(wěn)定的反饋機制和時變阻尼模型

4、，確定了人體與結構相互作用的基本理論和算法實現(xiàn)，研究了人腿剛度、人腿阻尼和沖擊角等參數(shù)對結構動力響應的影響。同時，進行了相應的試驗研究，驗證了理論模型的正確性。
　　(3)提出了考慮人體橫向運動的三維雙足步行模型，研究了步行中保持步態(tài)橫向穩(wěn)定的反饋機制，分析了人腿剛度和沖擊角等參數(shù)對人體運動的影響。
　　(4)基于三維雙足步行模型，研究了結構人致橫向振動問題。仍將經典有限單元法和移動單元法相結合，建立人體-結構相互作用系統(tǒng)的