摘 要

随着建筑材料的迅猛发展，大量轻质、高强和低阻尼的材料广泛应用于大跨度人行桥上，从而行人行走步行频率落在结构第一阶自振频率附近，发生共振，结构过大的加速度响应会引起行人的不舒适感。除此之外，过大的振动响应也会引起结构发生疲劳破环，降低疲劳寿命。这就要求建立一个更加合理的模型，为实际工程中的应用提出指导性建议.本文以大跨度人行桥结构为例，选择合适的人行荷载模型，分析几种不同的人致天桥响应分析理论及方法，用有限元软件建立模型，分别用三种加载方式进行对比分析，得到结构响应数据。将数据模拟结果与实测值进行对比，比较哪种加载方式更加接近实际，分析其优劣。选择一种合理的加载方式进行参数的分析，找出不用参数的规律及其影响程度，以此来研究柔性人行桥人致振动特性。

通过有限元软件建模得出的结果与实测数据吻合度较高，结果较为准确，其中不同的加载方式得到的结果与理论分析也吻合。通过参数分析可以发现结构自身的阻尼比、人行桥厚度和宽度对结构加速度响应均有影响，其中阻尼比和人行桥厚度的影响较大，随着阻尼比和人行桥厚度的增大，结构加速度响应减小。

本文的特色在于通过有限元软件的得出的结果和实测数据的比较，验证了结果可靠性。从而可以通过有限元软件模型进行参数分析。最后选择影响参数方面，选择了与实际工程紧密相关的参数进行分析。

关键词：人行桥；人致振动；人行荷载；数值模拟；参数分析

Abstract

With the rapid development of building materials, a large number of lightweight, high strength and low damping materials are widely used in large-span footbridge, so the first frequency of the structure vibration is close to pedestrian walking pace. The resulting resonance can cause pedestrian discomfort. In addition, excessive vibration response can cause fatigue fracture of the structure and reduce fatigue life. It requires a more reasonable model provide guidance for the practical application of the project. In this paper, a large-span pedestrian bridge structure is taken as an example and an appropriate pedestrian load model is selected to analyze several different human-induced bridge response analysis theory and methods. A finite element software is used to establish the model, compare and analyze the three loading methods respectively, finally, to get response data results. Compared the simulation results with the measured values, results which loading methods are closer to reality will be achieved. Then via analyzing their advantages and disadvantages., select a reasonable loading method to analyze the parameters to find out the law of the parameters and the degree of its influence. All research as follows is to study the flexible pedestrian bridge artificial vibration characteristics. On the one hand, the purpose of this paper is to study the influence of bridge vibration on walking load and the mechanism of interaction between bridge and bridge by experiment and theoretical analysis on the basis of understanding the existing problems of excess vibration and pedestrian load model existing in pedestrian bridge. On the other hand, the purpose is to select an accurate model so that to conduct a comprehensive parametric analysis, find out the law for further follow-up study and provide more advice and help.

The results obtained by modeling the finite element software are in good agreement with the measured data, and, in a word, the results are accurate. The results of different loading methods are consistent with the theoretical analysis. The damping ratio of the structure and the thickness and width of the pedestrian bridge have an effect on the structural acceleration response. The damping ratio and the thickness of the pedestrian bridge have more effect on the structural acceleration response. With the increase of the damping ratio and the thickness of the pedestrian bridge, the structural acceleration response is reduced.

The characteristic of this paper is to verify the reliability of the result by comparing the result of the finite element software with the measured data. Thus, the finite element software model can be used to parametric analysis. Finally, the parameters that are closely related to practical engineering are selected when choosing the parameters.

Key words: pedestrian bridge; human-induced vibration; footfall load; numerical simulation; parameter analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 人行荷载模型 2

1.2.2 人致振动响应理论 2

1.3 本文研究的主要内容 2

第2章 人行荷载模型 4

2.1 引言 4

2.2 单人自由行走特性 4

2.3 单人行走荷载数学模型 5

2.3.1 傅里叶级数模型 5

2.3.2 其他模型 7

2.4 小结 7

第3章 人行桥人致振动响应分析 8

3.1 引言 8

3.2 人行桥人致响应分析的基本理论 8

3.2.1 强迫振动理论 8

3.2.2 自激振动理论 9

3.2.3 人致天桥振动响应分析方法 9

3.3 人行桥人致振动响应分析 10

3.3.1 分析流程 10

3.3.2 计算模型 11

3.3.3 加载方法结果分析 12

3.3.4 结果对比分析 14

3.4 本章小结 15

第4章 柔性人行桥人致振动响应的参数分析 16

4.1 阻尼比的影响 16

4.2 人行桥厚度的影响 17

4.3 人行桥宽度的影响 19

4.4 本章小结 21

第5章 总结与展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

参考文献 24

致谢 26

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

随着我国城市的不断发展，道路交通拥堵的治理和人行安全的保护日益受到人们重视。同时近年来新型轻质高强材料在工程领域的广泛引入、施工工艺的不断进步、结构技艺日趋成熟导致更多新颖结构体系的采用以及对公共建筑更高的功能要求及美学景观要求，我国出现了大量结构轻盈的大跨度柔性公共桥梁建筑。这些公共大跨结构有着普遍的共同点就是：大跨、轻柔、高强、低阻尼、人流量大。人群荷载往往会引发结构的振动。当结构被诱发振动时，将直接影响所载人群的舒适性，影响其疲劳寿命，更严重者还会导致结构发生破坏，引起安全事故。作用在结构上的人群不仅产生动力荷载，其自身就是独立的动力系统。当结构振动处于安全范围内时，可能会让人群产生不适，促使人群进行自发的调整动作。由此对于大跨度柔性人行桥人致振动问题及控制问题^[1]的研究变得尤为重要。

人行桥结构在使用期间要承受不同组合下的行人荷载，轻柔、大跨的结构在人行荷载作用下一般能够满足强度和刚度等要求，但还应从人体舒适度方面考虑结构不同使用者对于振动响应的接受程度，所以该类结构的人致振动分析也向基于人体舒适度方面发展。人群的活动是人行桥的过量振动的常见原因。人群的各种活动如行走、奔跑、跳跃和舞蹈等都能激发结构发生振动。一般情况下，在人致荷载作用下，主要的问题不是结构本身超载，而是人行桥晃动引起的非结构构件可能损坏，人可能感到不适，引起恐慌。严重时，大量的人群活动能引发结构的破坏，造成人员伤亡。例如英国伦敦的千禧桥就是其中一个典型的例子，它在使用期间让行人感到严重不适，最后被迫通过增加阻尼器来维持使用。

1.2 国内外研究现状

总的来说，相比于欧美一些国家，国内对人行桥的人致振动问题研究还不够成熟。自20世纪70年代以来，国外在竖向人行荷载激励振动方面已经提出相应的设计规范，随着技术的发展，认识的深入，美国、日本以及欧洲等国纷纷向大跨轻质结构发展，由此便引起除竖向振动外的侧向振动相关问题，侧向振动问题是各国亟待解决的问题。