基于实地行人行为特征的人为振动模拟

该实验方法的总体目标是利用行人的运动轨迹来表征人体引起的荷载，并进一步验证由此产生的结构振动。该方法有助于回答人体荷载振动领域的关键问题，例如个体行走行为的特征分析、人群中间行人相关性的识别，以及人-结构相互作用现象的量化。该技术的主要优势在于其可现场应用，从而能够分析真实的交通状况。

实地观测是获取代表性荷载数据详细且准确信息的唯一方法，因此对于行人激励所用荷载模型的进一步发展与验证至关重要。演示该过程的将有本研究团队的三位博士生Klaus Lievens、Xinxin Wei和Krumka Kasapova，以及学术助理Bram Gezels。

使用无线运动追踪器记录行人的运动。配置传感器时，使用 MT manager 软件建立无线连接。设定所需的采样率，应至少为 60 赫兹以捕捉人体运动。

然后，缓慢移动运动追踪器，直至其连接成功，随后启动测量模式。接下来，显示所有已激活运动追踪器的惯性数据。现在，将一个运动追踪器尽可能贴近每位受试者的质心位置进行固定。

将运动追踪器牢固地固定在受试者身上，确保其贴合且稳固。现在可根据需要记录数据。在实验室进行测量时，可同时追踪受试者的运动，并通过测力台测量地面反作用力。

首先，使用配套软件配置测力台和数据采集参数。根据所需的精度和所涉及的载荷类型选择增益和采样率。对于人体引起的载荷，将增益设置为最大力 4,879 牛顿，采样率设置为 200 赫兹。

每次测量都应从空的测力台开始，并以空的测力台结束。使用去皮功能或自动零点校正功能，在测力台无负载时重置力值。完成去皮后，可根据需要记录数据。

对于现场进行的测量，可在相关位置（例如人行桥的跨中）测量结构振动。为此，使用位移、速度或加速度传感记录仪，并根据制造商的说明对记录仪进行配置。

将记录仪放置在目标位置后，需根据全球参考坐标系进行调平。在实验室中，设置好运动追踪器和测力台后，开始数据采集。然后，要求受试者踏上测力台并静止站立至少30秒。

因此，先称量受试者的体重。接着，启动节拍器以设定基本的强迫频率。然后，要求受试者按照节拍器的节奏进行运动，例如行走、跳跃或上下摆动。

记录足够数量的周期活动，建议记录 60 个周期。周期完成后，请参与者离开测试平台。对于在实地针对特定民用结构开展的实验，应设置运动追踪器和传感器网络，用于记录结构振动。

在户外环境中，可以使用扩音器来放大节拍器信号。在现场，至少重复测试三次，最好四次，以检验实验的可重复性。当使用多个采集系统且无触发信号或公共通道可用时，可通过每个系统均能记录的单一事件（例如强烈冲击）来同步设备。

在每次测试的开始和结束时添加同步事件。基于这些事件，可对不同系统的数据进行离线同步。当使用多种传感器进行动态测量时，数据同步至关重要。

因此，我们应尽量使用单一的数据采集系统，或让各系统记录一个共同的信号。首先确定加载周期中名义上相同事件之间的时间间隔。对于参考实验室实验，需对行人运动数据和测力台数据均执行此步骤。

加载数据后，指定采样率并估算平均加载频率。如有需要，还需指定相关的时间窗口。该流程中最关键的步骤在于从跟踪的行人运动中识别出每个加载周期的起始点。

正是这种时间信息使我们能够计算出行人随时间变化的步速。在对实验室实验进行分析时，应排除前五个和后五个周期，仅使用剩余的50个周期进行分析。在保存数据之前，务必直观检查时间信息。

现在，将平均基本荷载频率计算为连续荷载循环之间平均时间间隔的倒数。当涉及多个行人时，可利用所识别的时间信息来分析他们之间的相关性。对于现场试验的分析，下一步是利用所识别的时间信息来模拟诱发的结构响应。

首先，确定测试结构的模态参数，包括固有频率、模态阻尼比以及质量归一化的模态位移。在继续操作之前，务必直观检查模态输入信息。

其次，定义行人的特征及其引起的荷载。这些特征包括荷载类型、体重、行走路径或位置、平均步频以及荷载循环的时间参数。指定求解参数，例如输出位置以及时间参数。

然后，运行并保存相关参与者的模拟结构响应。与之前相同，在继续操作前需目视检查结果。第三步，通过将各个响应对应的向量相加，利用叠加法计算总的结构响应。

然后，将结果与测得的结构响应进行对比，并以数据的图形化形式展示。通过对实验室中单个行人进行测试，确定了每个荷载循环的起始点。该数据用于模拟步行荷载（以蓝色表示），并与实测荷载（以黑色表示）进行比较。

获得了对实际步行荷载的较好近似。类似地，分析了六名行人在人行桥上的行走行为。同样，从被追踪行人的运动中识别出每个荷载循环的起始点。

随后利用该荷载循环信息模拟了行人引起的力。大约16秒后，行人开始同步行走；而在50秒后，观察到同步性显著下降。通过比较行人之间的荷载循环时序，发现约50秒后同步率下降至60%。

随后对结构响应进行了模拟。当假设行人的步频恒定且与灰色曲线所示的节拍器信号相同时，模拟结果显著高估了黑色曲线所示的实测数据。当模拟中考虑了所识别的时变步频（蓝色曲线所示）时，模拟结果明显更接近实测响应。

该方法可用于分析行人的自然行走行为，从而为建立行人之间相关性的合适模型提供关键输入。此外，通过将实测的结构响应与模拟的结构响应进行比较，可以对用于行人激励的荷载模型进行验证和校准。

通过这种方式，还可以研究人-结构相互作用现象（例如附加阻尼）的影响。