站姿人體與輕質結構水平耦合振動單自由度等效模型參數研究

楊 予，薛圣雅，蔡其茅

（浙江理工大學 建工學院土木系，杭州 310018）

站姿人體與輕質結構水平耦合振動單自由度等效模型參數研究

楊 予，薛圣雅，蔡其茅

（浙江理工大學 建工學院土木系，杭州 310018）

給出了一種通過實驗獲得人與輕質結構水平耦合振動單自由度等效模型參數的方法。首先采用單自由度振動臺對人與結構水平方向耦合自由振動位移時程進行測試，然后在推導出振動臺水平振動阻尼比計算公式的基礎上通過最小二乘法擬合得出人體等效自振頻率和等效阻尼比。測試中考慮了人體正面與振動方向夾角分別為0度、45度和90度三種狀態以及有無抓握扶手對測試結果的影響。分析結果表明，在結構/人體質量比約為0.25時人體等效自振頻率在0.1 Hz～0.48Hz，等效阻尼比在0.05～0.39之間變化，當人雙手抓握扶手時等效自振頻率和等效阻尼比最大。

振動與波；水平耦合振動；單自由度模型；參數識別；等效阻尼比

隨著材料和技術的發展，建筑結構有輕量化發展趨勢。工程經驗顯示，當建筑物質量較輕，接近其承托人群的質量，甚至比后者還要輕時，人與結構耦合振動效應不容忽視[1]。在進行振動評價時，其中一個關鍵問題是對人體結構進行合理的簡化并給出適當的模型參數[2]。

從目前研究成果來看，常用的人體簡化模型可分為三類：第一類為多自由度模型，如Subashi[3]等和吳靜波等[4]采用的多個質點與多個彈簧-阻尼器相連接的復雜多自由度人體站姿模型，這類模型理論上具有較高的精度，能夠模擬人體各部分的復雜運動，還可以根據各個部分的動力響應分析結果來進行人體舒適性設計，然而由于涉及人體多個部分的質量、剛度、阻尼參數的確定，這些模型實際應用時相對困難，且在進行人與結構耦合振動計算時自由度數量龐大，建模復雜程度也最高；第二類為單自由度簡化模型，例如：Matsumoto、Wei和Griffin[5-6]比較分析了將豎向振動站姿人體簡化為單自由度和2自由度簡化模型對應的擬合誤差，結果表明單自由度模型與2自由度模型相比僅在相位計算和5 Hz主共振頻率上精度稍差；第三類為等效附加質量模型，例如付明科等[7]將站姿人體簡化為前后向的等效附加質量模型來模擬人對結構水平振動頻率的影響，并通過試驗驗證了此模型的有效性。

根據上述分類可知，由于單自由度模型具有能夠反映人體的頻率和阻尼特性，且在分析計算上相對便利的特點，在各類研究中廣泛被采用，例如：Dougill8]，G.Busca[9]，秦敬偉[10]等人分別在各自的研究中采用了人體單自由度模型。然而，從各個文獻所采用的具體參數來看，目前人體水平單自由度簡化模型在實驗研究方面的積累還相對不足，例如：在曹文斌等[11]進行的研究中，認為人體水平前后向頻率范圍為0.236 Hz～3.748 Hz，人體水平左右向頻率范圍為0.194 Hz～5.32 Hz；在Matsumoto等[12]進行的研究中，得到人體水平前后向頻率為0.125 Hz左右，人體水平左右向頻率為0.5 Hz左右，而文獻[11]和[12]中均未給出工程分析所需的人體模型阻尼比取值范圍。由此可見，人與結構水平耦合振動時(例如建筑結構在承受人群荷載時同時受到水平風振或地震作用)單自由度模型參數的取值問題尚需深入研究。

綜上所述，本研究的目的是通過實驗和數值分析推導人體站姿水平振動單自由度模型參數，主要方法和手段是通過振動實驗臺觀察記錄人與結構耦合自由振動時程，并采用合理的擬合方法得出具有最佳近似度的等效自振頻率和等效阻尼比。

1 耦合振動模型

本研究采用的人體站姿水平振動單自由度模型如圖1所示，即把人體簡化為水平連接在結構上的單自由度體系。在與下方結構一起構成2DOF體系后，其自由振動方程組如式(1)所示。

圖1 人體站姿水平振動單自由度模型示意圖

當初始條件為已知時，可采用數值積分方法(如Wilson-θ法等)對式(1)進行求解，從而得到該體系在任意時刻的瞬時自由振動位移、速度和加速度值。

根據文獻[13]中的論述可知，由于人體對振動的響應十分復雜，按一維簡化模型分析所得結果一般情況下很難與實際振動完全一致，為使其具有工程應用價值，應使按簡化模型求出的振動反應為實際振動反應的某一最佳數值逼近。為便于工程應用，本研究中Mh和Ms分別取人體和結構的實際質量，而將人體等效剛度Kh、阻尼Ch視為待定參數。通過將數值計算求出的下部結構位移時程Us(Ch、Kh、t)與實測得到的位移時程us(t)做最小二乘法擬合，使得式(2)所示的誤差函數F取極小值，即可求得出具有最佳近似度的Kh、Ch或人體等效頻率fh和等效阻尼比ξh，具體步驟可參考文獻[13]。

2 實驗概況

2.1 試驗臺設計

實驗中采用單向水平振動的平板小車作為振動臺，其設計簡圖如圖2所示，通過更換小車端部的彈簧或在小車上固定砝碼可以在一定范圍內調整其水平振動參數。由圖2可知，小車受到的水平滾動摩擦阻力并非常數而與其受到的壓力等因素有關。

圖2 單自由度振動臺示意圖

為便于考察人體對振動臺側向振動的影響，研究中取相對較輕的結構重量(結構/人體質量比在0.25附近)和較低的結構自振頻率(4.61 Hz附近)，其具體參數見表1。

表1 人與結構耦合振動實驗參數條件

測試期間采用聯能YE7600型動態采集系統和YBD-200型位移傳感器以及便攜PC機等設備對小車的水平位移時程進行記錄，采樣頻率設置為2kHz。

2.2 試驗參數

考慮到建筑物中人的站立朝向有多種可能性，為分析其對振動參數的影響，令志愿者站立朝向分別與小車振動方向成0°、45°和90°，盡量保持雙手下垂的上體自然狀態，對小車賦予一固定大小的初始位移(A=10 cm)后突然釋放做自由振動并進行多次測試，如圖3(a)-圖3(c)所示，考慮到生活中常見的人體站立扶欄桿狀態，還對測試者面向振動方向手抓握扶手并保持上體自然狀態下的小車水平位移時程進行了測試，如圖3(d)所示。

圖3 人體在小車上的站立朝向與姿態示意圖

3 結果初步分析

作為初步對比，圖4中給出了小車自由振動、人面朝小車振動方向站立扶手/未扶手三種狀態下測得的規格化自由振動位移時程曲線。

圖4 小車三種工況下振動時程對比

由圖4可見，與空載時的自由振動位移時程相比，小車載人后其振幅衰減很快，而當人雙手抓握扶手時，振幅衰減速率又比未握扶手時有明顯增加。從同一時間段內往復振動次數(頻率)上看，人靜止站立與小車耦合振動時測得小車振動次數相比小車空載略有增加。

上述振動時程測量結果還表明小車載人后整個系統的阻尼有所增加，其原因有：

(1)小車受壓時(不計人體質量慣性力影響)，輪子的水平滾動摩擦阻力增大導致小車自由振動阻尼比增加；

(2)人體與小車耦合振動產生的系統阻尼效應。

對于后者，研究中根據耦合振動位移時程采用式(2)進行擬合；而對前者，由于很難在施加壓力時不同時改變小車整體質量，所以采用下面的理論方法進行估計：

假定空載狀態下的小車阻尼比為ξs，則黏滯阻尼系數為小車自振圓頻率。根據黏滯阻尼系數的定義，設小車水平位移為x，則小車在做自由振動時，任意時間段t內阻尼力做功為

其中L為t時間內小車運動的總水平距離，μr為滾動摩擦系數，N為車輪受到的豎向壓力。令阻尼力和滑動摩擦力所做耗散功相等可得W1=W2，如取t=0時刻初始位移和速度分別為x(0)=A，(0)=0，并取t= 0～1/4周期時間段即[0，π/2ω]內的耗散功相等，易知此時有L=A，由上述關系可得

將小車空載情況下的振動參數ωξs和小車質量產生的豎向壓力N1=Msg代入式(7)，并根據實驗給定的初始位移A值，即可求出滾動摩擦阻力系數μr，再將μr和小車與人共同產生的豎向壓力N2=(Ms+Mh)g

考慮到阻尼比很小時ω≈ωD，上式還可簡化為代入式(7)，采用數值方法求解方程即可得到小車因滾動摩擦阻力增大而增加的阻尼比，最終結果列于表2。

表2 小車載人前后阻尼比分析結果

由表中數值可知，小車載人時由于受到的豎向壓力增加而使其自身的阻尼比提高了約6倍。

4 振動參數擬合結果

在考慮了豎向壓力使得小車水平自由振動阻尼比增大的因素后，將人-車系統在自由振動狀態測得的小車位移時程按式(2)進行最小二乘法擬合，得到的典型單次自由振動擬合曲線如圖4所示(志愿者一，0°方向自然站立，擬合誤差均方根RMS=0.009 1)。由擬合情況可知，給出的模型參數在分析結構耦合振動幅值和頻率上具有較好的工程實用價值。

圖5 實測位移時程的最小二乘法擬合情況

將人體朝向與小車運動方向成0°、45°、90°以及雙手放在扶手上的參數擬合結果取多次實驗的平均值繪制成直方圖進行對比可得到圖6。由圖6可見，當志愿者站立朝向不同、抓握扶手狀態不同時得到的等效頻率在0.1 Hz～0.48 Hz之間變化，等效阻尼比在0.05～0.39之間變化。

圖6 等效頻率和阻尼比對比

由圖6中的對比可知，當志愿者面向振動方向自然站立時等效頻率最小，抓握扶手時等效頻率最大；而對于等效阻尼比來說，志愿者面向振動方向抓握扶手時等效阻尼比最大，面向90°方向自然站立時等效阻尼比最小。對比45°和90°朝向站立的頻率和阻尼比擬合結果可知，這兩個姿態的振動參數變化無明顯規律。

將上述結果與實驗過程中觀察記錄到的志愿者身體搖擺狀況相對照分析可知，人體具有一定的無意識平衡調節能力，不同的志愿者個體之間有明顯差異，所以應通過大量實驗取平均值確定振動參數。

5 結語

從2DOF體系自由振動的定義出發，給出了一種通過對實測自由振動時程曲線做擬合求出人體水平振動單自由度簡化模型參數的方法，原理簡單明確。在此基礎上根據多次實驗測試結果研究了在結構/人體質量比約為0.25、結構自振頻率為4.61 Hz時人體與結構耦合振動的等效頻率和等效阻尼比。雖然研究中所采用的時域擬合方法與Matsumoto[12]、陸建等[14]采用的振動臺激振掃頻識別原理不同，但在結果中仍可找到一些共同點：

(1)未抓握扶手時，人體各向站姿等效自振頻率識別結果在0.1 Hz～0.48 Hz范圍內變化，這與Matsumoto等人通過掃頻得出的人體直立時水平共振頻率在0.125 Hz～0.5Hz范圍內變化的結論[12]接近(該文獻中人體平均質量76.5 kg，但未給出人體/結構質量比)；

(2)Matsumoto等人在研究中發現的受測者個體阻尼特性相差較大的結論與本研究中得出的測試者個體等效阻尼比波動的情況相吻合，而本研究中等效阻尼比的最大值與陸建等[14]采用的值相近。

利用文中方法，還進行了一些具有特色的研究與探討：實驗中考慮了人體正面朝向與振動方向的夾角分別取0°、45°和90°以及雙手有無抓握扶手的影響，根據實驗結果可得如下結論：

(1)本研究給出的模型參數在分析結構耦合振動幅值和頻率上具有較好的工程實用價值。

(2)結構/人體質量比約為0.25時的人體站姿等效水平自振頻率在0.1 Hz～0.48 Hz范圍變化，抓握扶手時自振頻率最大。

(3)結構/人體質量比約為0.25時的等效阻尼比在未抓握扶手時在0.05～0.39范圍變化，在雙手抓握扶手時阻尼比最大。

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Study on Equivalent Single-DOF Horizontal Vibration Parameters for the Standing Human Body Coupling with Light Structures

YANG Yu,XUE Sheng-ya,CAI Qi-mao
(School of Civil Engineering,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

A method to identify the parameters of an equivalent single-DOF horizontal vibration model for a standing human body coupling with light structures is provided.A single DOF test rig is used to test the horizontal free vibration timehistory of human body-structure interaction.The damping ratio of the rig is estimated.Least square method is applied to identify the equivalent human body free vibration frequencies and the damping ratios.The influencing factors such as human body orientations including 0,45,and 90 degrees and gesture of grasping handrail are considered.The result shows that the equivalent frequencies of the human body vary from 0.1 to 0.48 Hz and the damping ratios vary from 0.05 to 0.39 when the mass ratio of the structure to the human body is nearly 0.25.It also shows that the posture of grasping handrail yields the maximum equivalent free vibration frequency and damping ratio of the human body.

vibration and wave;horizontal coupling vibration;single-DOF model;parameter identification;equivalent damping ratio

TU311.3

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.038

1006-1355(2016)06-0192-05

2016-06-17

浙江省教育廳資助項目(Y201122128)

楊予（1975-），男，南寧市人，副教授，主要研究方向為結構動力學。E-mail:yangyu@zstu.edu.cn