體育館用木質(zhì)地板結(jié)構(gòu)的動力特性測試研究*

周宇昊 黃俁劼 王 正

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

近年來，國家高度重視文化體育事業(yè)的發(fā)展，體育館作為健身運動的主要場所，其各項性能指標越來越受到人們的關(guān)注。體育館用木質(zhì)地板作為體育場館中一個最基本的組成單元，對體育場館的使用性能具有至關(guān)重要的作用，其不僅要求具有運動功能、保護功能和技術(shù)功能三大基本功能，還需要在高強度、高頻次使用環(huán)境中長期保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)[1-2]。國內(nèi)外研究人員對地板結(jié)構(gòu)動力特性進行了相關(guān)研究，并取得不少成果。Cai[3-4]等利用橫向振動法，通過檢測地板的頻率和阻尼比對實木地板的使用性能進行評價。Chui[5]等通過有限元模型探究了不同支撐條件對木地板靜撓度和固有頻率的影響。陳翔[6]根據(jù)結(jié)構(gòu)柔度矩陣差理論，采用脈沖錘擊實驗方法和有限元仿真模擬技術(shù)，對木地板結(jié)構(gòu)進行無損檢測研究，提出了檢測木地板結(jié)構(gòu)損傷的解決辦法。呂學(xué)利[7]等以模態(tài)分析法和自由衰減法對減振地板自振頻率進行檢測，對比分析發(fā)現(xiàn)模態(tài)分析法適用于面積較大的減振地板，自由衰減法則適用于面積較小的減振地板。趙東等[8]通過木地板受迫振動試驗和有限元數(shù)值模擬得到受迫振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，應(yīng)用結(jié)果表明：借助受迫振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，計算其曲率能較好地識別木地板結(jié)構(gòu)的損傷、損傷位置和損傷程度。Rijal等[9]采用力錘激勵，基于固有頻率、阻尼比、振型等動力特性參數(shù)評估了跨度為6 m和8 m的木地板模塊的振動性能。Matsushita等[10]通過建立壓電裝置和地板結(jié)構(gòu)的有限元模型，提出了一種利用薄膜型壓電裝置的控制系統(tǒng)降低地板振動的預(yù)測方法。Casagrande等[11]在研究數(shù)值方法、分析方法、試驗方法3 種評估木地板振動性能的方法中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部隔板和非結(jié)構(gòu)單元對地板的動力特性，尤其是對振型、頻率和阻尼有很大影響?；ㄜ姷萚12]對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的減震墊進行沖擊試驗，并通過基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SPSS多元線性回歸方程的2 種數(shù)值模擬算法，探究了運動地板減震墊結(jié)構(gòu)參數(shù)與反沖擊力之間關(guān)系。

綜上可知，國內(nèi)外采用了多種不同的方法對地板動力特性進行研究，但大多為計算模態(tài)和試驗室試驗研究。鑒于此，本研究擬對南京市的兩座體育館內(nèi)的木質(zhì)地板系統(tǒng)開展現(xiàn)場動力特性測試研究，重點通過對木地板系統(tǒng)的自振頻率和阻尼比參數(shù)分析與比較，為體育館用木質(zhì)地板結(jié)構(gòu)性能評估和優(yōu)化設(shè)計工作提供技術(shù)支撐。

1 3種體育館用木質(zhì)地板結(jié)構(gòu)設(shè)計

體育館用木質(zhì)地板的結(jié)構(gòu)主要由面層地板、載荷分布層（毛地板）、隔離層（防潮層）、龍骨、減震墊等構(gòu)成，其根據(jù)用途、性能指標要求、造價及各結(jié)構(gòu)層使用材料的不同會有所不同。面層地板是指體育館用木質(zhì)地板結(jié)構(gòu)中置于面層的地板；載荷分布層為地板結(jié)構(gòu)中龍骨與面層地板間的層板，主要起承載作用；隔離層為位于面層地板與載荷分布層（毛地板）間的面層，主要起隔離或防潮作用，也有些置于龍骨層與建筑結(jié)構(gòu)基層之間；龍骨是地板結(jié)構(gòu)下層起支撐作用的條形材料；減震墊在地板各結(jié)構(gòu)層材料間或建筑結(jié)構(gòu)基層間，主要起減震作用[13]。

本研究涉及甲、乙兩體育場館用的3種木質(zhì)地板結(jié)構(gòu)，其中甲館A區(qū)域為懸浮式雙層龍骨結(jié)構(gòu)，B區(qū)域為固定式雙層龍骨結(jié)構(gòu)；乙館為懸浮式單層龍骨結(jié)構(gòu)。

1.1 甲館A區(qū)地板結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，甲館A區(qū)地板的懸浮式雙層龍骨結(jié)構(gòu)，包括面層地板、載荷分布層、第二層龍骨、減震墊塊、一層龍骨、找平墊塊、減震氣囊以及隔離層。面層地板為楓木實木面板，厚度為22 mm。位于面層地板下方的載荷分布層選用了12 mm厚的膠合板。其下方二層龍骨和一層龍骨按一定間距交叉鋪設(shè)，使整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，龍骨采用78 mm寬、30 mm厚的LVL（單板層積材）。龍骨間由減震墊塊相連，減震墊塊由天然橡膠制成。在一層龍骨下方鋪設(shè)有找平墊塊，材料為膠合板，其厚度可調(diào)節(jié)，起到基礎(chǔ)上找平的作用。找平墊塊下方設(shè)有減震氣囊，其由肖式硬度為65 的增塑溶膠制成，加上特殊的構(gòu)造使其具有良好的減震性能。隔離層設(shè)置在基礎(chǔ)上方，也稱防潮層，采用了防水涂料，起隔離和防潮的作用。各層結(jié)構(gòu)間采用螺栓等連接件和酚醛膠等進行連接。

圖1 甲館A區(qū)地板結(jié)構(gòu)Fig.1 Floor structure of area A of Gymnasium J

1.2 甲館B區(qū)地板結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，甲館B區(qū)地板為固定式雙層龍骨結(jié)構(gòu)，包括面層地板、載荷分布層、第二層龍骨、減震墊塊、一層龍骨、找平墊塊以及隔離層。甲館B區(qū)地板結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層的尺寸、使用的材料和層間的連接方式均與甲館A區(qū)的地板結(jié)構(gòu)相同，但結(jié)構(gòu)底部的找平墊塊直接放置于隔離層上方，中間不設(shè)置減震氣囊。

圖2 甲館B區(qū)地板結(jié)構(gòu)Fig.2 Floor structure of area B of Gymnasium J

1.3 乙館地板結(jié)構(gòu)

如圖3所示，乙館地板為懸浮式單層龍骨結(jié)構(gòu)，包括面層地板、載荷分布層、龍骨、找平墊塊、減震氣囊以及隔離層。乙館地板結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層的尺寸、使用的材料和層間的連接方式均與甲館A區(qū)的地板結(jié)構(gòu)相同，不同之處在于乙館地板結(jié)構(gòu)中只設(shè)有一層龍骨，按一定間距鋪設(shè)。

圖3 乙館地板結(jié)構(gòu)Fig.3 Floor structure of Gymnasium Y

2 材料與方法

2.1 測試對象與儀器

2.1.1 測試對象

甲體育館A區(qū)和B區(qū)地板結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示；乙體育館地板結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

2.1.2 測試儀器

南京安正軟件工程有限公司CRAS振動與動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)1 套，主要包括AZ804-B型信號調(diào)理儀，AZ308 型信號采集箱，CRAS軟件及計算機；CAYD-125 型加速度計1 只，其靈敏度因子為14.9 V·s2/m；橡膠錘1 個；卷尺1 把。

2.2 測試方法與原理

試驗采用瞬態(tài)激勵法，使用橡皮錘作為激勵源，對體育館的木質(zhì)地板在建筑地面布置的測點進行敲擊，加速度傳感器將拾振信號轉(zhuǎn)換成電信號，信號經(jīng)過放大、濾波，再由CARS轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，通過頻譜圖獲得其一階頻率，通過波形圖獲得衰減振動曲線。

振動測量采用拾振器，也稱為傳感器或換能器。拾振器是將振動的位移、速度、加速度等非電量信號轉(zhuǎn)換成電量輸出的換能裝置。本試驗利用CA-YD-125型加速度計，采用壓電晶體元件，利用晶體受振動或沖擊產(chǎn)生形變，從而產(chǎn)生電荷 “壓電效應(yīng)”的原理，能在較寬廣的頻率及動態(tài)范圍內(nèi)工作[14]。其測試原理如圖4所示。

圖4 動力特性測試原理框圖Fig.4 Principle block diagram of dynamic characteristic test

2.3 主要測試步驟

1） 在所測體育館選取一片區(qū)域劃分網(wǎng)格，按照圖5選擇測點布置位置。連接測試系統(tǒng)并調(diào)試。

圖5 動力特性測試平面測點布置圖Fig.5 Layout of plane measuring points for dynamic characteristic test

2） 測試系統(tǒng)調(diào)試完成后，用雙面膠將加速度傳感器牢固粘貼于測點位置，用橡膠錘敲擊傳感器周圍的地板，使之產(chǎn)生自由振動。由CARS信號測試采集與分析系統(tǒng)對振動信號進行采集與分析，得到所測體育館地板結(jié)構(gòu)的一階自振頻率和衰減振動波形圖。

3）對得到的一階頻率圖譜和振幅衰減波形圖進行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)圖6衰減振動波形圖中的加速度幅值，用公式（1）計算地板結(jié)構(gòu)振動阻尼比ζ。

圖6 衰減振動波形示意圖Fig.6 Diagram of attenuated vibration waveform

式中:δ為對數(shù)幅減系數(shù);A1、A3為對應(yīng)波峰的幅值, mm/s2;ζ為阻尼比。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)構(gòu)自振頻率

3.1.1 實測結(jié)果

采用瞬態(tài)激勵法對3 種地板結(jié)構(gòu)在建筑地面布置的測點1-9 進行測試，得到一階頻率圖譜，如圖7 所示。為保證測試結(jié)果的準確性和合理性，對每個測點進行了多次測試，取其中頻譜顯示較好的一組數(shù)據(jù)。不同地板結(jié)構(gòu)各測點的自振頻率見表1。

圖7 甲館B區(qū)測點1 一階頻譜圖Fig.7 First order spectrum of measuring point 1 in area B of Gymnasium J

表1 地板結(jié)構(gòu)的自振頻率表Tab.1 Natural frequency table of floor structure

3.1.2 結(jié)果分析

自振頻率是指彈性體或彈性系統(tǒng)自身固有的振動頻率，又稱“固有頻率”。對于多質(zhì)點體系，忽略阻尼影響吋，自振頻率與自身質(zhì)量及其分布、邊界支承條件以及振動形式有關(guān)[15]，結(jié)構(gòu)豎向自振頻率較低會誘發(fā)由人導(dǎo)致的振動舒適問題[16-18]。目前，國內(nèi)標準尚無針對體育館用木質(zhì)地板自振頻率的相關(guān)限值規(guī)定。本文以建筑樓蓋結(jié)構(gòu)自振頻率的相關(guān)研究與規(guī)范為參照，分析評價這3種地板結(jié)構(gòu)的自振頻率。工程研究表明人各種活動的頻率一般集中在1～3 Hz[19]；在人活動引起的樓蓋振動中，當(dāng)樓蓋固有頻率在3～8 Hz范圍內(nèi)時，共振反應(yīng)一般是引起振動的主要原因[20]；當(dāng)樓蓋的固有頻率大于8～9 Hz，人在上面活動就不會引起共振響應(yīng)，可以認為是舒適的[21]。在建筑樓蓋結(jié)構(gòu)自振頻率控制相關(guān)規(guī)范中，如JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[22]提出，鋼結(jié)構(gòu)樓蓋的豎向自振頻率不得小于3 Hz；GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[23]對混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率作出如下規(guī)定：住宅和公寓不宜低于5 Hz，辦公室和旅館不宜低于4 Hz，大跨度公共建筑不宜低于3 Hz。

由表1 可知，本試驗中甲館A區(qū)地板結(jié)構(gòu)的自振頻率約為65.51 Hz，甲館B區(qū)地板結(jié)構(gòu)的自振頻率約為88.93 Hz，乙館地板結(jié)構(gòu)的自振頻率約為69.86 Hz，可見自振頻率遠大于上述有關(guān)限值，滿足建筑結(jié)構(gòu)舒適度要求。且本試驗中3 組試驗自振頻率的變異系數(shù)分別為2.8%、3.2%和2.9%，均小于15%，說明試驗所得數(shù)據(jù)可靠。

3.2 結(jié)構(gòu)阻尼比

3.2.1 實測結(jié)果

采用瞬態(tài)激勵法對3 種地板結(jié)構(gòu)在建筑地面布置的測點1-9 進行測試，得到振幅衰減波形圖，如圖8 所示。不同地板結(jié)構(gòu)各測點的阻尼比計算結(jié)果見表2，3種體育館地板結(jié)構(gòu)的阻尼比如圖9 所示。

圖8 甲館B區(qū)測點1 振幅衰減波形圖Fig.8 Amplitude attenuation waveform of measuring point 1 in area B of Gymnasium J

表2 地板結(jié)構(gòu)的阻尼比計算結(jié)果表Tab.2 Calculation results of damping ratio of floor structure

圖9 3 種體育館地板結(jié)構(gòu)的阻尼比對照圖Fig.9 Comparison of damping ratio of three gymnasium floor structures

3.2.2 結(jié)果分析

阻尼是反映結(jié)構(gòu)體系振動過程中能量耗散特征的參數(shù)[24]。在機械系統(tǒng)的隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理地運用阻尼技術(shù)，可使隔振、減振的效果顯著提高[25]。結(jié)構(gòu)阻尼比值用于表達結(jié)構(gòu)阻尼的大小，通常由實測或試驗獲得[26]。結(jié)構(gòu)的阻尼比越大，表征結(jié)構(gòu)在振動過程中能量耗散越快，結(jié)構(gòu)傳遞振動的能力越差，減振性能就越好。但相應(yīng)地結(jié)構(gòu)傳遞振動的能力越差，結(jié)構(gòu)對沖擊的緩沖能力也越差，在受到外力沖擊時起不到較好的緩沖效果。

由表2、圖9 可知，甲館B區(qū)地板結(jié)構(gòu)的平均阻尼比最大，為0.176；乙館次之，為0.105；甲館A區(qū)最小，為0.090；甲館B區(qū)地板結(jié)構(gòu)的平均阻尼比約為另外2種結(jié)構(gòu)平均阻尼比的2 倍，結(jié)合圖1、2、3 可知，懸浮式地板結(jié)構(gòu)對沖擊的緩沖能力遠勝于固定式地板結(jié)構(gòu)；乙館地板結(jié)構(gòu)的平均阻尼比甲館A區(qū)地板結(jié)構(gòu)大16.7%。顯而易見，結(jié)合圖1 和圖3 可知，雙層龍骨地板結(jié)構(gòu)在對沖擊的緩沖能力方面優(yōu)于單層龍骨地板結(jié)構(gòu)；且由表2 可知，本試驗中3 組試驗阻尼比參數(shù)的變異系數(shù)分別為7.6%、7.3%和5.7%，其試驗數(shù)據(jù)可靠。

4 結(jié)論

通過測試分析，本研究主要得出以下結(jié)論：

1）本試驗中3 種地板結(jié)構(gòu)的自振頻率均滿足建筑舒適度要求；

2）3 種地板結(jié)構(gòu)中，懸浮式雙層龍骨地板結(jié)構(gòu)的阻尼比最小，結(jié)構(gòu)對沖擊的緩沖能力和回彈性能較好，更適合用于對競技水平要求高的大型體育場館；

3）采用懸浮式與多層龍骨構(gòu)造的地板結(jié)構(gòu)阻尼比小，具有低阻尼比特性，在結(jié)構(gòu)振動過程中能量耗散慢，即結(jié)構(gòu)的沖擊吸收率小，對沖擊的緩沖能力好，能為運動員提供更好的保護作用；

4）本研究采用的CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)及其相關(guān)測試方法，具有操作簡便、工程應(yīng)用性強，數(shù)據(jù)可靠性高等特點。