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(lái)，國(guó)家高度重視文化體育事業(yè)的發(fā)展，體育館作為健身運(yùn)動(dòng)的主要場(chǎng)所，其各項(xiàng)性能指標(biāo)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。體育館用木質(zhì)地板作為體育場(chǎng)館中一個(gè)最基本的組成單元，對(duì)體育場(chǎng)館的使用性能具有至關(guān)重要的作用，其不僅要求具有運(yùn)動(dòng)功能、保護(hù)功能和技術(shù)功能三大基本功能，還需要在高強(qiáng)度、高頻次使用環(huán)境中長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[1-2]。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)地板結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得不少成果。Cai[3-4]等利用橫向振動(dòng)法，通過(guò)檢測(cè)地板的頻率和阻尼比對(duì)實(shí)木地板的使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。Chui[5]等通過(guò)有限元模型探究了不同支撐條件對(duì)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(shí)驗(yàn)方法和有限元仿真模擬技術(shù)，對(duì)木地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)研究，提出了檢測(cè)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(duì)減振地板自振頻率進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)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(guò)木地板受迫振動(dòng)試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬得到受迫振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，應(yīng)用結(jié)果表明：借助受迫振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，計(jì)算其曲率能較好地識(shí)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(lì)，基于固有頻率、阻尼比、振型等動(dòng)力特性參數(shù)評(píng)估了跨度為6 m和8 m的木地板模塊的振動(dòng)性能。Matsushita等[10]通過(guò)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(dòng)的預(yù)測(cè)方法。Casagrande等[11]在研究數(shù)值方法、分析方法、試驗(yàn)方法3 種評(píng)估木地板振動(dòng)性能的方法中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部隔板和非結(jié)構(gòu)單元對(duì)地板的動(dòng)力特性，尤其是對(duì)振型、頻率和阻尼有很大影響?；ㄜ姷萚12]對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的減震墊進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并通過(guò)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(yùn)動(dòng)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(guó)內(nèi)外采用了多種不同的方法對(duì)地板動(dòng)力特性進(jìn)行研究，但大多為計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)室試驗(yàn)研究。鑒于此，本研究擬對(duì)南京市的兩座體育館內(nèi)的木質(zhì)地板系統(tǒng)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力特性測(cè)試研究，重點(diǎn)通過(guò)對(duì)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(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)

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(biāo)要求、造價(jià)及各結(jié)構(gòu)層使用材料的不同會(huì)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(chǎng)館用的3種木質(zhì)地板結(jié)構(gòu)，其中甲館A區(qū)域?yàn)閼腋∈诫p層龍骨結(jié)構(gòu)，B區(qū)域?yàn)楣潭ㄊ诫p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(shí)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(jìn)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(cè)試對(duì)象與儀器

2.1.1 測(cè)試對(duì)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(cè)試儀器

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

2.2 測(cè)試方法與原理

試驗(yàn)采用瞬態(tài)激勵(lì)法，使用橡皮錘作為激勵(lì)源，對(duì)體育館的木質(zhì)地板在建筑地面布置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行敲擊，加速度傳感器將拾振信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波，再由CARS轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)頻譜圖獲得其一階頻率，通過(guò)波形圖獲得衰減振動(dòng)曲線。

振動(dòng)測(cè)量采用拾振器，也稱為傳感器或換能器。拾振器是將振動(dòng)的位移、速度、加速度等非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量輸出的換能裝置。本試驗(yàn)利用CA-YD-125型加速度計(jì)，采用壓電晶體元件，利用晶體受振動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍內(nèi)工作[14]。其測(cè)試原理如圖4所示。

圖4 動(dòng)力特性測(cè)試原理框圖Fig.4 Principle block diagram of dynamic characteristic test

2.3 主要測(cè)試步驟

1） 在所測(cè)體育館選取一片區(qū)域劃分網(wǎng)格，按照?qǐng)D5選擇測(cè)點(diǎn)布置位置。連接測(cè)試系統(tǒng)并調(diào)試。

圖5 動(dòng)力特性測(cè)試平面測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Layout of plane measuring points for dynamic characteristic test

2） 測(cè)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(cè)點(diǎn)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(dòng)。由CARS信號(hào)測(cè)試采集與分析系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集與分析，得到所測(cè)體育館地板結(jié)構(gòu)的一階自振頻率和衰減振動(dòng)波形圖。

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

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

式中:δ為對(duì)數(shù)幅減系數(shù);A1、A3為對(duì)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(shí)測(cè)結(jié)果

采用瞬態(tài)激勵(lì)法對(duì)3 種地板結(jié)構(gòu)在建筑地面布置的測(cè)點(diǎn)1-9 進(jìn)行測(cè)試，得到一階頻率圖譜，如圖7 所示。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了多次測(cè)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(cè)點(diǎn)的自振頻率見(jiàn)表1。

圖7 甲館B區(qū)測(cè)點(diǎn)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(dòng)頻率，又稱“固有頻率”。對(duì)于多質(zhì)點(diǎn)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(dòng)形式有關(guān)[15]，結(jié)構(gòu)豎向自振頻率較低會(huì)誘發(fā)由人導(dǎo)致的振動(dòng)舒適問(wèn)題[16-18]。目前，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)尚無(wú)針對(duì)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(píng)價(jià)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(dòng)的頻率一般集中在1～3 Hz[19]；在人活動(dòng)引起的樓蓋振動(dòng)中，當(dāng)樓蓋固有頻率在3～8 Hz范圍內(nèi)時(shí)，共振反應(yīng)一般是引起振動(dòng)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(dòng)就不會(huì)引起共振響應(yīng)，可以認(rèn)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(jì)規(guī)范》[23]對(duì)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(yàn)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(jiàn)自振頻率遠(yuǎn)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(yàn)中3 組試驗(yàn)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(shuō)明試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可靠。

3.2 結(jié)構(gòu)阻尼比

3.2.1 實(shí)測(cè)結(jié)果

采用瞬態(tài)激勵(lì)法對(duì)3 種地板結(jié)構(gòu)在建筑地面布置的測(cè)點(diǎn)1-9 進(jìn)行測(cè)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(cè)點(diǎn)的阻尼比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(cè)點(diǎn)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(jì)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(duì)照?qǐng)DFig.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(dòng)過(guò)程中能量耗散特征的參數(shù)[24]。在機(jī)械系統(tǒng)的隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理地運(yùn)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(dá)結(jié)構(gòu)阻尼的大小，通常由實(shí)測(cè)或試驗(yàn)獲得[26]。結(jié)構(gòu)的阻尼比越大，表征結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中能量耗散越快，結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)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(dòng)的能力越差，結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊的緩沖能力也越差，在受到外力沖擊時(shí)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(duì)沖擊的緩沖能力遠(yuǎn)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(jiàn)，結(jié)合圖1 和圖3 可知，雙層龍骨地板結(jié)構(gòu)在對(duì)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(yàn)中3 組試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

4 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試分析，本研究主要得出以下結(jié)論：

1）本試驗(yàn)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(duì)沖擊的緩沖能力和回彈性能較好，更適合用于對(duì)競(jìng)技水平要求高的大型體育場(chǎng)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(dòng)過(guò)程中能量耗散慢，即結(jié)構(gòu)的沖擊吸收率小，對(duì)沖擊的緩沖能力好，能為運(yùn)動(dòng)員提供更好的保護(hù)作用；

4）本研究采用的CRAS振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)及其相關(guān)測(cè)試方法，具有操作簡(jiǎn)便、工程應(yīng)用性強(qiáng)，數(shù)據(jù)可靠性高等特點(diǎn)。