一种基于物理的人致荷载构建方法、系统及设备技术方案

本发明专利技术公开了一种基于物理的人致荷载构建方法、系统及设备，通过节律性运动足底力与质心加速度的同步测试，获得人致荷载模型中所需参数，从物理运动的角度刻画人致荷载，使此模型能够直接应用于实际中。一方面，本发明专利技术只需要获取个体几何参数即可重构人致荷载，将身高体型等因素对于动力作用的影响纳入考虑，实现了对不同个体的差异化描述。另一方面，本发明专利技术通过对人致荷载运动过程的解构，整合了所有运动形式并进行统一刻画。运动形式并进行统一刻画。运动形式并进行统一刻画。

【技术实现步骤摘要】
一种基于物理的人致荷载构建方法、系统及设备


[0001]本专利技术属于人体动力学
，涉及一种基于物理的人致荷载构建方法、系统及设备，具体涉及一种适用于建筑结构的基于物理的人致荷载构建方法、系统及设备。

技术介绍

[0002]越来越多的公共建筑如体育场馆，音乐看台等采用大跨度结构，其特点是轻质、低频、小阻尼，该类结构对人致荷载比较敏感。人致荷载是指建筑物的使用者在完成步行、跳跃、奔跑、舞蹈、bouncing、突然起立/坐下、上下楼梯等动作时施加于支撑结构上的动力作用，这类动力作用易引起建筑楼盖、人行桥、长悬臂结构、场馆看台、柔性楼梯等大跨轻柔工程结构的振动，严重时可导致结构的舒适度甚至安全性问题。人致荷载测试方法是测试使用者在运动时施加于结构上动力作用的方法，可靠的人致荷载测试方法是确保大跨结构人致荷载振动响应分析准确性的前提。
[0003]传统的人致荷载测试方法多为确定性测试方法，一般将行人的连续步行(或跳跃、bouncing)视作一个周期性重复过程，即假定每一步(跳)都完全相同，进而由傅立叶级数来进行近似表达。以步行荷载为例，可以将动力作用表示成公式(1)。
[0004][0005]式中：G是人体静体重，N为阶数，a
v0
为荷载时程的均值，a
vi
是第i阶傅里叶级数的系数，一般称为动载因子DLF，f
p
为步行频率，是第i阶相位角。不同的运动形式会有不同的动力作用f
v
(t)表达式。此类测试方法基于实测力对人致荷载进行刻画，是纯数学方法，因而忽视了人体的物理运动过程，且无法反映身高体型因素带来的影响。此外，该类方法也无法对所有运动形式进行统一刻画。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，在牛顿第二运动定律的基础上，本专利技术提供了一种基于物理的人致荷载构建方法、系统及设备，通过建立人致荷载的物理模型，从物理运动的角度刻画人致荷载的动力作用。一方面，本专利技术只需要获取个体几何参数即可重构人致荷载，将身高体型等因素对于动力作用的影响纳入考虑，实现了对不同个体的差异化描述。另一方面，本专利技术通过对人致荷载运动过程的解构，整合了所有运动形式并进行统一刻画。
[0007]本专利技术的方法所采用的技术方案是：一种基于物理的人致荷载构建方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：建立基于物理运动的人致荷载模型；
[0009][0010]式中：f(t)为人致荷载的动力作用，G为人体静体重，α∈{0,1}为逻辑函数，竖向荷
载时取1，横向荷载时取0；m为人体质量，人体静止状态下，质量和体重满足关系G＝mg；为人运动过程中的质心加速度，R的取值与人体运动方式及频率有关，亦即，对于同一运动方式和频率，R的取值固定；
[0011]步骤2：在不考虑个体差异性的情况下，利用可穿戴传感设备获得质量参与系数R；
[0012]步骤3：考虑身高体型等因素，利用可穿戴传感设备获得质心加速度
[0013]步骤4：基于上述步骤，完成对荷载模型表达式中相关参数的标定，使其能够直接应用于实际中。
[0014]本专利技术的系统所采用的技术方案是：一种基于物理的人致荷载构建系统，包括以下模块：
[0015]模块1，用于建立基于物理运动的人致荷载模型；
[0016][0017]式中：f(t)为人致荷载的动力作用，G为人体静体重，α∈{0,1}为逻辑函数，竖向荷载时取1，横向荷载时取0；m为人体质量，人体静止状态下，质量和体重满足关系G＝mg；为人运动过程中的质心加速度，R为质量参与系数；对于不同的运动方式以及频率，R的取值会有不同，但同一运动方式下同一频率，R的取值是固定的；
[0018]模块2，用于在不考虑个体差异性的情况下，利用可穿戴传感设备获得质量参与系数R；
[0019]模块3，用于考虑身高体型等因素，利用可穿戴传感设备获得质心加速度
[0020]模块4，用于基于上述模块，完成对荷载模型表达式中相关参数的标定，使其能够直接应用于实际中。
[0021]本专利技术的设备所采用的技术方案是：一种基于物理的人致荷载构建设备，包括：
[0022]一个或多个处理器；
[0023]存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现所述的基于物理的人致荷载构建方法。
[0024]不同于传统的采用傅里叶级数的形式近似刻画人致荷载，本专利技术基于物理运动，通过获取质心加速度的方式得到人致荷载。具有以下优势：
[0025](1)不同个体在实际运动过程中，受身高体型等因素影响，即便在质量相等的情况下，质心加速度也并不相同，荷载作用也会有差异，因此通过获取运动者质心加速度的方式得到荷载的动力作用，可以反映身高体型等个体性差异因素带来的影响。
[0026](2)将不同的运动形式(步行、跳跃、奔跑、舞蹈、bouncing、突然起立/坐下、上下楼梯等)整合在一起，即应用人致荷载物理模型可以表示所有运动形式，获得人致荷载的动力作用。
[0027](3)与传统的人致荷载数学模型不同，本专利方法只需要个体几何参数即可重构足底力。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例的方法流程图；
[0029]图2为本专利技术实施例的bouncing运动示意图；
[0030]图3为本专利技术实施例的bouncing运动R随频率变化关系图；
[0031]图4为本专利技术实施例的bouncing运动参数示意图；
[0032]图5为本专利技术实施例的θ1，θ2随频率变化示意图；
[0033]图6为本专利技术实施例的质心位移实测
‑
拟合对比示意图。
具体实施方式
[0034]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本专利技术，下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0035]请见图1，本专利技术提供的一种基于物理的人致荷载构建方法，包括以下步骤：
[0036]步骤1：建立基于物理运动的人致荷载模型；
[0037]根据牛顿第二运动定律，人体运动时有效参振质量的惯性效应是动荷载的主要来源。本专利技术的基于物理运动的人致荷载模型可用统一的公式(2)表示。
[0038][0039]式中：f(t)为人致荷载的动力作用，G为人体静体重，α∈{0,1}为逻辑函数，竖向荷载时取1，横向荷载时取0；m为人体质量，人体静止状态下，质量和体重满足关系G＝mg；为人运动过程中的质心加速度，R为质量参与系数；对于不同的运动方式以及频率，R的取值会有不同，但同一运动方式下同一频率，R的取值是固定的，即忽略每一个体的差异性。这样，在实验就可以通过测量试验者的质心加速度和动力作用f(t)得到不同运动形式下R的取值。
[0040]进一步的，根据人体的运动特点，人在运动时，质心位移可表示成以下公式(3)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物理的人致荷载构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立基于物理运动的人致荷载模型；式中：f(t)为人致荷载的动力作用，G为人体静体重，α∈{0,1}为逻辑函数，竖向荷载时取1，横向荷载时取0；m为人体质量，人体静止状态下，质量和体重满足关系G＝mg；为人运动过程中的质心加速度，R为质量参与系数；R的取值与人体运动方式及频率相关，亦即对于同一运动方式和频率，R的取值固定；步骤2：在不考虑个体差异性的情况下，利用可穿戴传感设备获得质量参与系数R；步骤3：考虑身高体型等因素，利用可穿戴传感设备获得质心加速度步骤4：基于上述步骤，完成对荷载模型表达式中相关参数的标定，使其能够直接应用于实际中。2.根据权利要求1所述的基于物理的人致荷载构建方法，其特征在于，步骤2中所述质量参与系数R为：式中：F
i
为从测量的足底力，即人致荷载的动力作用f(t)中选取的具有代表性的n1个值，a
j
为从测量的质心加速度中选取的具有代表性的n2个值，分别是选取的足底力、质心加速度的均值。3.根据权利要求1所述的基于物理的人致荷载构建方法，其特征在于：步骤3中，根据人体的运动特点，人在运动时质心位移u(t)为：u(t)＝u
1 sin(2πω0t)；其中，u1为一阶傅里叶级数的幅值，ω0为bouncing运动的基本频率；bouncing运动中u1为：u1＝(1

【专利技术属性】
技术研发人员：何卫，孙业蒲，何珂文，崔航，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：