人致结构振动问题中的两种荷载：步行和跳跃荷载

weixin

　　一、“走两步、跳几下”的非专业解读

　　步行是最常见的人体运动(读书少，一直没找到一个关于什么是步行的精炼的定义)。生物力学中一般用步态表示人行走时的姿态，并有一系列与之相关的术语：步行频率、步行时间、双支撑时间、步长、脚跟接触、脚尖离地、摆动相、支撑相、单步、复步…… (图1)。

　　图1 行走的人与步态(左图来自网络)

　　精准地描述人类步行运动的复杂过程远比出来走两步难的多，跳跃运动是双脚离开地面身体重心上下周期性运动(瞎诌的定义)，可分为落地和腾空两大阶段。根据跳跃频率的差异，落地时又有仅脚尖着地以及脚尖、脚跟两次着地的不同。

　　二、步行和跳跃荷载

　　土木工程领域传统上把建筑物中的“人”称为“活”荷载。然而实际工程设计中却很少真的让这种荷载“活”(动!)起来，更多的时候则是通过将人的静体重乘以某个系数(>1)又变成了DEAD load，类似于用一个安静的大胖子来替代一个活跃的瘦子。

　　上述做法本质上忽略了荷载的惯性力效应，对于某些类型的建筑(轻、柔、阻尼小)可能是不恰当的，甚至有可能是危险的。

　　从工程设计的角度，人在行走过程中由于身体重心的加速、减速以及上下、左右空间位置的周期性变动，会通过双足对支撑结构施加三个方向的作用力，称为步行荷载(图2)，一般认为竖向和水平横向分量具有工程意义。跳跃时由于落地的动作会给支撑结构冲击作用(图3)，由于人体重心在水平方向的移动，跳跃荷载也有水平分量，但由于幅值较小，目前主要考虑竖向分量。

　　图2 步行荷载的三向分量

　　图3 测力板获得的跳跃荷载

　　三、步行和跳跃荷载的特点和差别

　　两者都是人体运动的结果，听着虽像废话，但明确了它们共同的物理本质，为基于现象学的(实验)或物理机制的(理论)荷载建模指明了方向。

　　步行和跳跃是人致结构振动问题中最重要的两种荷载形式，它们之间还具有如下的一些区别：

　　1、作用形式不同
　　步行是空间移动的连续性接触荷载，跳跃则是固定作用点的非连续性接触荷载，因此结构数值分析中应采用不同的荷载模拟方法以反应步行的移动特征。

　　2、作用方向不同
　　对于人行桥等长线性结构，步行可以引起结构的竖向和水平振动，且水平振动可能成为控制作用，应重点考虑;跳跃荷载尽管也有水平分量，但一般只考虑其引起的结构竖向振动。

　　3、作用性质不同
　　步行荷载具有连续性，一般可仅考虑稳态响应;跳跃荷载具有冲击荷载的特征，要考虑瞬态响应，对于高频楼板(>10Hz)的影响大于步行荷载。

　　4、动力效应不同
　　跳跃荷载的峰值因子远高于步行荷载，可引起更大幅度的结构振动。

　　5、频率范围不同
　　步行频率指单位时间内的单步数，1.5Hz即为1分钟内走90步，步行荷载的频率范围大致在1.0-2.5Hz;跳跃频率指单位时间内的跳跃次数，其范围大致在1.5-3.5Hz。一般考虑步行荷载的4-5阶倍频、跳跃荷载的5-6阶倍频，则受影响结构频率上限分别10Hz和20Hz左右。

　　6、人群作用的协同性不同
　　在体育馆、公共建筑等工程结构中，跳跃荷载更容易出现人群协同作用的情况，并且有节奏群体跳跃时的协同因子要高于人群步行，因而可能造成更显著的结构振动。

　　来源：工程结构振动舒适度公众号
　　原题：步行、跳跃荷载异同浅析
　　作者：JACKCHEN