基于鞋垫式压力测量系统的步行力试验研究

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轻质、大跨人行结构在人行荷载激励下往往会发生剧烈振动,从而导致正常使用条件下人的不适和烦恼,极端情况下会引起人员恐慌、结构倒塌或人员踩踏等灾难性事件。由于行人步行力是引起结构振动的激振源,且建立准确、可靠的荷载模型是人致振动研究的基础,因此,步行力的测量研究对大跨人行桥、楼梯、楼板、连廊等结构的振动评估和设计具有重要意义。本文基于电阻应变式压力传感器,开发了一套鞋垫式步行力测量系统,并开展了多次单人原地踏步和单人行走两个工况下的测力试验,对两种工况下测得的步态时空参数和步行力进行分析。主要的研究方法和成果如下:(1)本文从步行力测量的试验方法出发,总结了国内外现有的步行力测量试验方法及其研究成果,着重分析了各种测量方法所用测量装置的结构形式和工作原理,在此基础上提出制作鞋垫式步行力测量装置。(2)根据各类传感器的工作性能特点,结合现有实验室条件,设计并制作了电阻应变片式压力传感器。根据传感器的结构类型,设计并建立了压力鞋垫的三维模型,采用3D打印技术,快速准确的制作了压力鞋垫。结合动态应变测量技术,实现了基于电阻应变式片压力传感器的鞋垫式步行力测量装置,并对装置的工作性能指标进行了标定。(3)基于上述测量装置,本文开展了单人原地踏步和单人行走两种步行力测量试验,根据步行频率的不同,每种试验下分别进行了步频为1.5Hz、2.0Hz、2.5Hz以及自由行走四种工况下的试验,共5名受试者参与试验,每个工况的试验重复5次。试验共得到了5名受试者四种工况下行走的步态时空参数,单人原地踏步、行走时的单足落步时程曲线以及双脚落在地面上的力—时间历程。试验表明,步长与受试者身高正相关,同时随着步频的增大,步长减小,但行走速度增大。步行力竖向力峰值与受试者体重成正比,同时随着步频的增大竖向力峰值增大。本论文属于国家自然科学基金项目(编号:51168021)的组成部分。
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