人體姿態對人-結構耦合系統豎向動力特性影響試驗研究

汪志昊， 寇 琛， 劉召朋， 李曉克

(華北水利水電大學 河南省生態建材工程國際聯合實驗室,鄭州 450045)

近年來廣泛采用的大跨度、輕質樓板結構體系，具有振動基頻低、固有阻尼小等特征，人體與結構之間存在較為突出的豎向相互作用。人-結構間的豎向相互作用主要體現在人體位置[1-2]、人群密度[3]、人-結構的質量比[4-5]、人-結構的頻率比[5]、人-結構的阻尼比[4]等參數對人-結構耦合系統動力特性有較大影響。各國學者考慮人-結構相互作用采用理論分析、模型試驗及現場測試等手段對人行橋[6-9]與大跨度樓蓋[10-13]人致振動以及振動舒適度問題開展了探索研究。

人-結構豎向相互作用研究涉及的人體處理方式有靜態[6-7]、動態[14-16]，單人[4]、人群[3]之分，其中單個靜態人體模型是人-結構豎向相互作用研究的最重要基礎。人體作為一個復雜的動力系統，生物力學界[17-19]、以及工程界[20-21]相關研究均表明不同姿態人體動力特性具有顯著的差異，其中人體靜立姿態的自振頻率、阻尼比略大于人體靜坐姿態，大于人體下蹲姿態。人體不同姿態動力特性的顯著差異，將引起人體姿態對人-結構耦合系統豎向動力特性影響程度的差異。國內外學者采用連續體模型[22-24]、單自由度等效模型[25]兩種不同類型的實驗模型，測試了人體不同姿態對結構動力特性的影響規律。然而不同研究者采用的結構模型不同，結構基頻、人-結構質量比與人-結構頻率比等必然也不同，導致了人體不同姿態對結構動力特性影響的差異。如文獻[22]表明單人靜立與靜坐姿態會減小結構一階豎向自振頻率，其中靜坐人體對結構一階豎向自振頻率影響最大；而文獻[4]表明單人靜立與靜坐姿態將會增加結構一階豎向自振頻率，其中靜立人體對結構一階豎向自振頻率影響最大。因此，相關規律與結果有待進一步論證與澄清。

針對上述問題，本文設計制作了一座簡支鋼結構-玻璃輕型人行橋模型作為人-結構耦合系統動力特性試驗研究平臺。該模型結構體系簡單，自重較輕；結構豎向基頻與人體自振頻率(2.8～5.5 Hz)接近[17-19]，預計人-結構豎向相互作用效應突出；固有阻尼較小，由人體與結構相互作用導致的結構阻尼比變化也更為敏感。開展了人體靜立、下蹲與靜坐三種不同姿態及等重質量塊對人-結構耦合系統豎向動力特性影響的試驗研究，旨在探索人體姿態對人-結構耦合系統豎向動力特性的影響規律與作用機理，為人-結構豎向相互作用理論研究提供試驗數據支撐與定性參考。

1 結構模型概況

試驗人行橋模型上部結構由鋼結構主梁和鋼化玻璃橋面板組成，全長12.00 m、凈跨11.80 m，寬1.20 m，線密度153 kg/m。主梁縱梁采用兩根I22a型鋼，橫梁采用I22a型鋼(間距1.00 m)。鋼梁頂部鋪設8+3.8PVB+8 mm雙層夾膠鋼化玻璃作為橋面板；雙層夾膠鋼化玻璃與工字型鋼采用橡膠墊粘接。上部結構兩端分別采用固定鉸支座與滑動鉸支座與下部結構相連。人行橋模型上部結構構造如圖1所示。

2 人-結構耦合系統豎向動力特性測試方案

2.1 測試方法

人-結構耦合系統動力特性測試采用自由衰減振動法。參照文獻[23-24]，本文僅識別了人-結構耦合系統一階豎向模態動力特性。測試者居于橋梁跨中位置下方，有節奏的人工激振模型，待結構達到一定幅值后釋放激勵。通過INV3062T型數據采集儀與DH610V型電磁式速度傳感器記錄結構的自由衰減速度信號。在模型1/2跨、1/4跨及3/4跨位置處分別各布置2個豎向拾振器，振動測點共6個。為便于對比各工況試驗結果，所有工況數據均取自由衰減速度自0.20 m/s開始后的20個完整波形，采用最小二乘法識別得到耦合系統的第一階豎向振動頻率與模態阻尼比。

(a) 上部結構整體示意

(b) 上部結構橫斷面示意

2.2 測試工況

為探究不同人體姿態對人-結構耦合系統豎向動力特性的影響規律，首先測試了人行橋模型空橋狀態的動力特性，然后分別測試了各位志愿者單人靜立、下蹲、靜坐以及等重質量塊位于人行橋模型不同位置時人-結構耦合系統的豎向動力特性，現場測試場景見圖2。參與測試的2位志愿者信息統計見表1，每位志愿者測試位置變化13次，見圖3。

表1 志愿者信息統計

3 試驗結果分析

3.1 人行橋模型(空橋)動力特性

圖4給出了人行橋模型(空橋)跨中豎向測點速度衰減曲線，據此識別得到了人行橋模型(空橋)第1階豎向模態固有頻率與阻尼比分別為3.67 Hz、0.78%。

圖2 不同人體姿態下人-結構豎向相互作用試驗

圖3 志愿者位置示意圖(mm)

圖4 結構跨中位置測點第一階模態速度自由衰減曲線

3.2 單人人體姿態對結構振動頻率影響

圖5～圖6分別給出了2位志愿者姿態、位置變化及等重質量塊對結構一階豎向振動頻率影響的測試結果，圖7進一步給出了2位志愿者及等重質量塊位于模型跨中位置時結構第一階豎向振動頻率的變化因子(人-橋耦合系統與空橋狀態結構振動頻率的比值)。

綜合圖5～圖7可知：① 人體三種姿態由端部到跨中，對結構振動頻率的影響均逐漸增大，跨中人體對結構振動頻率的影響最為顯著；② 人體靜立、靜坐都會降低結構的振動頻率，而人體下蹲將提高結構的振動頻率；③ 相同志愿者靜坐姿態對結構振動頻率的影響程度最大，下蹲姿態對結構振動頻率的影響最小；④ 等重質量塊對結構振動頻率的影響程度，僅與靜立人體姿態對結構振動頻率的影響結果較為接近。

圖5 人體姿態、位置對結構一階豎向振動頻率的影響(HM1)

圖6 人體姿態、位置對結構一階豎向振動頻率的影響(HM2)

圖7 志愿者位于模型跨中時結構一階豎向振動頻率變化因子

3.3 單人人體姿態對結構模態阻尼比影響

圖8～圖9分別給出了2位志愿者姿態、位置變化及等重質量塊對結構一階模態阻尼比影響的測試結果，圖10進一步給出了2位志愿者及等重質量塊位于跨中位置時結構第一階豎向振動附加模態阻尼比。綜合圖8～圖10可知：① 人體三種姿態均能提高結構模態阻尼比，由端部到跨中，人體的附加阻尼效應越來越明顯，跨中人體對結構模態阻尼比的提升效應最為顯著；② 相同志愿者靜坐姿態對結構模態阻尼比的提升最為顯著，靜立姿態對結構振動阻尼比的影響最小；③ 等重質量塊對結構模態阻尼比的影響程度，幾乎可以忽略不計，遠小于各種人體姿態對結構模態阻尼比的影響結果。

圖8 人體姿態、位置對結構一階模態阻尼比的影響規律(HM1)

圖9 人體姿態、位置對結構一階模態阻尼比的影響規律(HM2)

圖10 志愿者位于模型跨中時結構一階附加模態阻尼比

3.4 與典型文獻試驗結果對比分析

表2統計了典型人-梁式結構豎向相互作用試驗基本信息，圖11對比了跨中位置處不同人體姿態對結構一階豎向動力特性的影響結果，結果整體呈現較大的離散性。文獻[4]人-結構質量比較大，人體對結構動力特性的影響程度最大；文獻[6]人-結構質量比較小，人體對結構動力特性的影響程度近乎為零；本文試驗與文獻[22]的人-結構質量比較為接近，人體對結構動力特性的影響程度也較為相近。可見：人-結構質量比差異是導致不同文獻中人體姿態對結構豎向振動頻率與模態阻尼比的影響程度存在離散性的最重要因素。

表2 人體姿態對人-梁式結構豎向相互作用試驗信息統計

若以相同結構模型為基準，對比可知：當結構基頻與人體自振頻率接近時，人體靜立、靜坐均降低結構的振動頻率，其中人體靜坐影響程度略大于人體靜立；當結構基頻遠高于人體自振頻率時，人體靜立、靜坐均提高結構振動頻率，其中人體靜立影響程度更為顯著，這與文獻[3]理論預測結果相一致；三種人體姿態均能提高結構模態阻尼比，尤其是人體靜坐提升效果最為顯著。若以相同人體姿態為基準，對比可知：人體靜立與靜坐姿態對結構動力特性的影響結果隨試驗模型變化較為敏感，而人體下蹲姿態則不敏感。

(a) 不同人體姿態對結構一階豎向振動頻率的影響

(b) 不同人體姿態對結構一階模態阻尼比的影響

4 結 論

(1) 本文試驗結果表明：人體靜立、靜坐均降低結構的一階豎向振動頻率，而人體下蹲將提高振動頻率，其中人體靜坐影響程度最大；人體三種姿態均能提高結構的一階模態阻尼比，尤其是人體靜坐提升效果最為顯著。

(2) 人體姿態對結構動力特性影響結果存在離散性的最主要因素為人-結構質量比，其次為人-結構頻率比；人體靜立與靜坐姿態對結構動力特性的影響結果隨試驗對象變化較為敏感，而人體下蹲姿態則不敏感。