文 博,楊會峰,史本凱

(1.三江學(xué)院 建筑學(xué)院,江蘇 南京 210012;2.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

近年來,隨著工程技術(shù)的創(chuàng)新,新型現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑在我國出現(xiàn)并迅速發(fā)展,它具有低碳環(huán)保、綠色宜居等優(yōu)點,符合國家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)、綠色建筑以及工業(yè)化裝配式建筑發(fā)展理念,是我國建筑業(yè)的重要組成部分和發(fā)展方向[1]。

現(xiàn)代建筑中的樓蓋體系,不僅需要滿足承載能力要求,更受正常使用狀態(tài)要求的控制。由于木材的物理特性,使得木結(jié)構(gòu)在外界荷載作用下產(chǎn)生的響應(yīng)較大,其中樓蓋振動問題較為顯著。樓蓋性能存在缺陷會給使用者帶來不舒適感,對建筑質(zhì)量有較大影響,降低使用者的工作效率和生活質(zhì)量。過大的樓蓋振動也會給使用者帶來負(fù)面心理影響,使人們對木結(jié)構(gòu)建筑的安全性產(chǎn)生質(zhì)疑,甚至還會影響到結(jié)構(gòu)安全,從而制約現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

國外對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動的相關(guān)研究主要集中在北美及歐洲等廣泛使用木結(jié)構(gòu)的地區(qū),這些地區(qū)的相關(guān)研究開展較早,已形成了一套可用于指導(dǎo)工程設(shè)計的控制標(biāo)準(zhǔn)。例如,加拿大建筑規(guī)范(National building code of Canada,NBCC)[2]規(guī)定通過限制樓蓋在1 kN荷載下的撓度來控制格柵式木樓蓋的過大振動。歐洲規(guī)范5(Eurocode 5,EC 5)[3]規(guī)定了木樓蓋的基本固有頻率、1 kN集中荷載下的撓度以及脈沖峰值速度3個控制指標(biāo)。由于我國從20世紀(jì)60年代開始,經(jīng)歷了木結(jié)構(gòu)發(fā)展的停滯期,國內(nèi)相關(guān)研究比較滯后。進(jìn)入21世紀(jì)后,中國林業(yè)科學(xué)研究院的周海賓等[4-6]對格柵式木樓蓋的振動性能進(jìn)行了研究，并梳理歸納了其控制設(shè)計方法。近年來,南京林業(yè)大學(xué)的學(xué)者們[7-9]也對木結(jié)構(gòu)樓蓋的振動性能做了探索研究。對比國外已經(jīng)有明確的規(guī)范條文,國內(nèi)還尚未形成木結(jié)構(gòu)樓蓋振動控制的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

目前,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)正從輕型木屋別墅向多高層和大跨度建筑發(fā)展,對木樓蓋構(gòu)件的性能要求不斷提高。隨著我國《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51226—2017)[10]的頒布實施,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在我國多高層建筑的應(yīng)用正式拉開帷幕,木樓蓋的振動缺陷是急需解決的關(guān)鍵問題,了解現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動的研究進(jìn)展十分必要。因此,本文對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動與控制的相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理、歸納總結(jié),以期為我國木結(jié)構(gòu)樓蓋振動與控制研究提供參考。

1 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋類型簡介

目前,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋類型主要可分為3類,分別是格柵式木樓蓋、新型重木樓蓋、木-混凝土組合(TCC)樓蓋,如圖1所示。

由圖1(a)可知:格柵式木樓蓋由格柵托梁和覆面板構(gòu)成主體,上部可再澆灌混凝土覆面層,下部一般吊有天花板。格柵托梁有矩形梁、工字梁、桁架梁等形式,其材料可以是實木、工程木制品或金屬。圖1(b)為以正交膠合木(CLT)為代表的新型重木樓蓋,CLT由規(guī)格材正交層疊膠合而成,尺寸可以定制,能夠很好地解決木材各向異性的問題,有較好的力學(xué)性能。由圖1(c)可知:木-混凝土組合樓蓋一般將木材和混凝土兩種材料通過連接件進(jìn)行組合,TCC樓蓋結(jié)合了混凝土和木材的優(yōu)點,有較好的物理性能。

圖1 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋類型示意圖Fig.1 Schematic diagram of modern timber floor types

2 木結(jié)構(gòu)樓蓋振動性能

樓蓋是人體與建筑結(jié)構(gòu)接觸最為密切的構(gòu)件。對民用建筑來說,如果樓蓋的性能不佳,人們在建筑中的行走、跳躍、跑動等行為會使其產(chǎn)生明顯的振動從而影響舒適性,甚至引起共振,危害結(jié)構(gòu)安全。樓蓋的振動性能與其自身的質(zhì)量、剛度和阻尼等因素有關(guān),同時又與激勵方式、響應(yīng)特征以及人的感受有關(guān)。木結(jié)構(gòu)樓蓋類型較多,各類樓蓋的構(gòu)造細(xì)節(jié)又十分多樣。因此,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋的振動是一個較復(fù)雜的問題。不過,經(jīng)過學(xué)者們數(shù)十年的辛勤努力,已經(jīng)積累起十分豐富的研究成果。針對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋的振動性能研究,目前主要集中于格柵式木樓蓋、CLT樓蓋以及TCC樓蓋等類型。

2.1 格柵式木樓蓋振動

國外對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋的振動研究較早,起始于格柵式木樓蓋的自身性能研究。Hurst等[13]通過試驗對比研究了不同格柵尺寸以及施工階段對樓蓋振動性能的影響,發(fā)現(xiàn)格柵尺寸以及施工階段會引起剛度和負(fù)荷的變化,從而影響樓蓋的自振頻率,但對樓蓋系統(tǒng)的阻尼沒有明顯的影響。普通住宅格柵式木樓蓋系統(tǒng)的固有頻率范圍為10～15 Hz左右,不會因為使用者的行走而發(fā)生共振(常見人致荷載頻率:步行1.0～2.5 Hz,跳躍1.5～3.5 Hz,跑動1.0～4.0 Hz[14])。

振動性能參數(shù)是客觀的物理量,而是否滿足舒適度要求還需要結(jié)合人們的主觀感受進(jìn)行評價。Onysko[15]對木結(jié)構(gòu)樓蓋振動性能進(jìn)行了較大規(guī)模的原位試驗,基于對大量居住建筑格柵式木樓蓋的現(xiàn)場測量,結(jié)合居民調(diào)查問卷,發(fā)現(xiàn)樓蓋受集中荷載所產(chǎn)生的撓度與居住者舒適度有明顯的相關(guān)性,可作為評價樓蓋振動性能的分析指標(biāo)。Ohlsson[16-17]采用動載(態(tài))試驗與主觀評價相結(jié)合的方法,對格柵式木樓蓋的振動性能進(jìn)行研究,通過對人們感知振動的相關(guān)參數(shù)與樓蓋振動性能客觀指標(biāo)進(jìn)行分析,得出結(jié)論:樓蓋的自振頻率應(yīng)大于8 Hz,同時應(yīng)限制樓蓋中心撓度與脈沖峰值速度。

隨著研究的深入,對樓蓋構(gòu)造的考察不斷精細(xì),試驗方法不斷發(fā)展,研究的指標(biāo)也越來越豐富。Hu[18]對格柵式木樓蓋進(jìn)行了較大規(guī)模的現(xiàn)場實地研究,樓蓋的格柵類型包括實心鋸木和工程木產(chǎn)品,其中一些木樓蓋還包含頂部混凝土覆面層以及天花板,利用墜球落地模擬腳步荷載進(jìn)行了動載(態(tài))試驗,結(jié)合人員的主觀評價,評估了這些木樓蓋的靜載(態(tài))撓度、自振頻率、阻尼比、峰值速度、峰值加速度等多個振動性能參數(shù),開展了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動性能指標(biāo)豐富化、綜合化的研究。

除了樓蓋客觀性能參數(shù)以及與人們主觀感知相結(jié)合的評估研究外,學(xué)者們對建筑物使用方式以及建筑類型對樓蓋振動性能的影響也開展了研究。Dolan等[19]對約100個格柵式木樓蓋進(jìn)行了現(xiàn)場試驗,樓蓋的格柵類型包括矩形梁、工字梁和平行弦桁架梁等,試驗考慮了樓蓋在空置和使用情況下不同的振動性能,提出了以不同狀態(tài)下的基本自振頻率作為木結(jié)構(gòu)樓蓋振動性能是否可接受的控制準(zhǔn)則。Toratti等[20]基于格柵式木樓蓋的現(xiàn)場試驗和實驗室研究,結(jié)合樓蓋的振動特性,將住宅和辦公建筑的樓蓋振動分為5個等級,并針對不同的等級給出了控制參數(shù)和相應(yīng)限值建議。

隨著現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)體系在國內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展,我國研究人員也開始關(guān)注木結(jié)構(gòu)樓蓋振動問題,并進(jìn)行了研究探索。周海賓等[4-6]較為系統(tǒng)地總結(jié)歸納了格柵式木樓蓋控制設(shè)計方法的研究進(jìn)展,并對實木以及木桁架格柵式樓蓋進(jìn)行了試驗研究與主觀評價,通過理論分析初步給出了我國實木鋸材以及木桁架格柵式樓蓋振動控制設(shè)計方法,并建議以自振頻率10 Hz作為區(qū)分輕型和重型木桁架格柵式樓蓋的依據(jù)。王韻璐[7]對一棟二層裝配式木結(jié)構(gòu)建筑格柵式樓蓋的振動性能進(jìn)行了研究,現(xiàn)場測試了樓蓋在靜態(tài)均布和集中荷載下的撓度,模態(tài)參數(shù)如固有頻率、振型、阻尼以及激勵響應(yīng)的速度和加速度,并利用有限元軟件進(jìn)行了對比分析。盧堯等[8]對一種格柵式木樓蓋進(jìn)行了撓度測試與有限元分析,測量了均布荷載和1 kN集中荷載下的撓度,通過對比表明該木樓蓋滿足指標(biāo)要求。謝文博等[9]對格柵式木樓蓋進(jìn)行了模態(tài)試驗和有限元分析,證明了基頻和振型等指標(biāo)滿足舒適度要求。

2.2 CLT樓蓋振動

隨著木材產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,為了滿足現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)多高層建筑的應(yīng)用,以CLT為代表的新型重木結(jié)構(gòu)樓蓋體系逐漸成熟并應(yīng)用于工程實踐,在此背景下,對振動性能的研究也緊跟開展。Gagnon等[21]通過實驗室和現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn),CLT樓蓋的振動行為與格柵式木樓蓋和混凝土樓蓋的振動行為不同。Homb[22]對CLT樓蓋進(jìn)行了廣泛的現(xiàn)場和實驗室研究,發(fā)現(xiàn)目前的格柵式木樓蓋振動控制方法初步適用于CLT樓蓋,但靜載(態(tài))撓度以及自然基頻指標(biāo)還需進(jìn)一步研究。

在樓蓋自身客觀參數(shù)中,固有頻率是判斷其振動性能的重要指標(biāo),不少學(xué)者將CLT樓蓋的固有頻率作為重點研究內(nèi)容。Jarner?等[23]分別通過實驗室和現(xiàn)場試驗,研究了CLT樓蓋在不同安裝階段的振動特性變化,CLT樓蓋的振動特性會隨著其被整合到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中而發(fā)生改變,覆面層、配件和固定裝置等均會影響CLT樓蓋的質(zhì)量和剛度,從而影響其固有頻率。Maldonado等[24]在實驗室對CLT樓蓋系統(tǒng)進(jìn)行了振動試驗,研究了CLT樓蓋在不同支撐條件下的振動特性,分別測試了兩邊和四邊簡單支撐的情況,得出了不同情況下樓蓋的固有頻率,該研究還調(diào)查了在樓蓋四周用螺絲釘固定CLT板對樓蓋振動性能的影響,得出的結(jié)論主要為:對于兩邊支撐的樓蓋系統(tǒng),隨著CLT板寬度的增大,固有頻率基本保持恒定;對于四邊支撐的樓蓋系統(tǒng),固有頻率隨CLT板寬度的增大而減小;沿樓蓋周邊使用螺絲釘固定CLT板,會增大CLT樓蓋結(jié)構(gòu)的固有頻率。

為了更深入地了解樓蓋的振動性能,除了固有頻率外,學(xué)者們還對CLT樓蓋的阻尼比、振型等模態(tài)參數(shù)以及樓蓋的細(xì)節(jié)構(gòu)造、安裝方式等變量進(jìn)行了全面的研究。Weckendorf等[25]通過試驗研究了CLT板層數(shù)、連接方式和支撐條件等對CLT樓蓋結(jié)構(gòu)振動性能的影響,研究內(nèi)容主要為模態(tài)振型、頻率和阻尼的確定,并將振動適用性設(shè)計準(zhǔn)則應(yīng)用到CLT樓蓋體系中,提出“現(xiàn)有簡單經(jīng)驗公式除了基頻外并不能準(zhǔn)確預(yù)測其他參數(shù),CLT樓蓋適用性的準(zhǔn)確評估需要基于特定的施工情況進(jìn)行完整的分析”的觀點。Ussher等[26-27]對CLT樓蓋進(jìn)行了試驗研究,結(jié)合有限元分析提出了精確預(yù)測模態(tài)頻率的方法,分析了高階振型對振動性能的影響,并基于工程設(shè)計變量對CLT模態(tài)響應(yīng)的影響進(jìn)行了數(shù)值和試驗研究,結(jié)果表明:CLT板平面幾何形狀、支撐條件、施工方法等顯著影響CLT樓蓋系統(tǒng)的動力響應(yīng)特性。

在樓蓋客觀參數(shù)與人的舒適度關(guān)系方面,Hu等[28]在實驗室環(huán)境下對CLT樓蓋進(jìn)行了集中靜載(態(tài))試驗、模態(tài)測試、動力測試以及相應(yīng)的人員主觀評價,試驗參數(shù)包括CLT板厚度、樓蓋跨距、節(jié)點類型、連接和支撐條件等,提出了CLT樓蓋的振動控制設(shè)計方法,該方法能較好地預(yù)測CLT樓板的振動性能,且與主觀評價結(jié)果相吻合,還可直接由剛度和質(zhì)量計算出由振動控制的CLT樓板最大跨度。

近兩年來,我國學(xué)者對CLT樓蓋振動性能也開展了初步研究。關(guān)于樓蓋自身特征方面,Huang等[29]采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬方法,研究了樓板邊界支撐梁對CLT樓蓋振動性能的影響,結(jié)果表明:支撐梁間距對控制樓板的抗彎剛度具有重要作用,對保證樓板的正常使用和舒適性具有重要作用;隨著梁尺寸的增大,單向和雙向承重樓蓋的振動響應(yīng)差異減小;當(dāng)梁尺寸減小時,單向和雙向支撐CLT板振動響應(yīng)的差異變得顯著。關(guān)于樓蓋的舒適性方面,Wang等[30]通過數(shù)值模擬、試驗和理論分析,建立了多人荷載作用下CLT樓板的人致振動分析及預(yù)測模型,并通過試驗驗證了數(shù)值模擬的正確性,數(shù)值模擬和試驗結(jié)果表明:CLT樓板在多人荷載作用下的振動響應(yīng)幾乎是單人荷載作用下的兩倍,多人活動更容易引起使用者的不適感。上述研究利用振動劑量值(VDV)方法對實測響應(yīng)、數(shù)值模擬響應(yīng)和預(yù)測響應(yīng)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)結(jié)果具有一致性。因此,提出的預(yù)測方法可以應(yīng)用于實踐,為工程師設(shè)計考慮多人荷載的木樓蓋系統(tǒng)提供了方法與依據(jù)。關(guān)于樓蓋減振技術(shù)方面,Huang等[31]利用OPENSEES軟件,通過數(shù)值模擬方法評估了基于形狀記憶合金(SMA)的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)在足尺木地板上控制自由振動和行人引起振動的有效性,仿真結(jié)果表明：這一方法可以有效地降低結(jié)構(gòu)在較寬頻率范圍內(nèi)的響應(yīng),從而抑制足部振動。Huang等[32]為了減少人為引起的CLT板振動,開發(fā)了基于鋼材和基于SMA的TMD系統(tǒng),并通過試驗測試了系統(tǒng)降低CLT板振動的有效性,得出基于SMA的TMD系統(tǒng)在減少如單人/兩人慢走、快走和跑步等人為引起的振動方面比基于鋼材的TMD系統(tǒng)更為有效。

2.3 TCC樓蓋振動

TCC構(gòu)件有著較好的隔振和防火性能,與純鋼筋混凝土構(gòu)件相比,具有質(zhì)量輕、便于運輸裝配等優(yōu)點;與純木構(gòu)件相比,TCC構(gòu)件的抗彎剛度、隔聲、隔振和耐火性能均得到明顯提升[12]。早在20世紀(jì)20年代,德國人Muller就已開發(fā)出木-混凝土組合體系并申請了專利。TCC結(jié)構(gòu)在歐美國家被廣泛用于木結(jié)構(gòu)建筑的翻新加固和橋梁工程。近年來,TCC樓蓋技術(shù)在建筑工程中得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用[33]。為評估TCC樓蓋的振動性能,學(xué)者們開展了相關(guān)研究。

TCC樓蓋的構(gòu)造復(fù)雜多樣,對樓蓋組成構(gòu)件進(jìn)行振動性能研究是十分重要的切入點。Deam等[34]進(jìn)行了木-混凝土組合梁的動載(態(tài))試驗研究,試驗結(jié)果表明:引入混凝土板有效降低了木樓蓋的振動敏感性;試驗所采用的木-混凝土樓蓋系統(tǒng)的固有頻率和加速度不在人類感知靈敏范圍內(nèi),使用者舒適感較好。Ghafar等[35-36]對單板層積材(LVL)木梁和LVL-混凝土組合梁進(jìn)行了振動試驗,識別出固有頻率和阻尼比,結(jié)果表明:混凝土改變了木梁原本的阻尼比和固有頻率,跨度是影響木梁固有頻率和阻尼比的重要參數(shù),組合梁的固有頻率和阻尼比均比純LVL梁低;支撐條件對梁的阻尼比和固有頻率的影響遠(yuǎn)大于混凝土層對梁的影響;跨的數(shù)量變化對固有頻率和阻尼比的影響并不顯著。Rijal等[37-38]利用試驗結(jié)合數(shù)值分析，評估了TCC樓蓋及梁的動載(態(tài))性能,確定了被測樓蓋的固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù),利用5個理論預(yù)測模型對樓蓋自振頻率進(jìn)行了對比分析,發(fā)現(xiàn)預(yù)測值與試驗值吻合較好,為方便技術(shù)人員控制樓蓋自振頻率大于8 Hz的適用性要求,制作了樓蓋跨度表。Rijal等[37-38]還發(fā)現(xiàn):開槽連接的組合樓蓋比螺絲釘連接的組合樓蓋自振頻率要高,開槽數(shù)目對阻尼比的影響比對固有頻率的影響要大;對于使用要求比較高的木樓蓋,僅評估其自振頻率是否大于8 Hz是不夠的,還需要額外滿足峰值加速度和單位荷載撓度等指標(biāo)要求。Mai等[39]對采用CLT板的TCC樓蓋構(gòu)件進(jìn)行了足尺靜、動力試驗研究,試驗通過5個試件考察了不同的連接方式對樓蓋振動的影響,結(jié)果表明：TCC樓蓋具有良好的強度性能,由于添加了混凝土,TCC樓蓋的固有頻率明顯大于純CLT樓蓋的固有頻率,遠(yuǎn)離了易使人類感知的4～8 Hz頻率范圍。

TCC樓蓋中混凝土的添加是改變其性能的重要原因,添加混凝土對木結(jié)構(gòu)樓蓋振動性能的影響是學(xué)者們的重點研究內(nèi)容。Skinner等[40]探討了在原有木樓蓋上增加一層混凝土后,樓蓋質(zhì)量和剛度的變化,并且對其進(jìn)行了動力試驗,結(jié)果顯示:添加了混凝土后,樓蓋的抗振動性能有很大提高;相比于增加混凝土面層、改變木材或混凝土等級,通過提高TCC樓蓋連接件的剛度來調(diào)整基頻更為經(jīng)濟(jì)。Santos等[41]對木樓蓋和TCC樓蓋進(jìn)行了動力試驗,探討了在木樓蓋上添加混凝土后自振頻率的變化,結(jié)果表明：TCC樓蓋的基頻比原樓蓋的基頻降低了44%,該研究通過有限元模型分析了樓蓋跨度、木梁間距、木梁高度、材料強度等級、混凝土板厚以及連接件剛度等參數(shù)對樓板振型和頻率的影響。

連接件、支撐等構(gòu)造細(xì)節(jié)也對TCC樓蓋的振動性能有著十分重要的影響。Mertens等[42]對純木樓蓋、無連接件的TCC樓蓋、有連接件的TCC樓蓋進(jìn)行了對比試驗研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):連接件在TCC樓蓋的振動響應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。Kulcsr等[43]研究了有梁柱支撐TCC樓蓋的振動性能,建立了考慮支撐梁撓度和混凝土開裂截面的TCC樓蓋自振頻率計算模型,并基于試驗研究和有限元數(shù)值分析對計算公式進(jìn)行了驗證。等[44]利用有限元方法研究了TCC樓蓋的振動性能,提出了計算振動速度和加速度的模型,并給出了計算不同類型連接滑移模量的解析模型;該研究還發(fā)現(xiàn)與純木構(gòu)件相比，組合樓蓋構(gòu)件的剛度提高了4倍,承載能力提高了2倍。

在TCC樓蓋的舒適度方面,Hamm等[45]對TCC樓蓋進(jìn)行了現(xiàn)場和實驗室研究,研究內(nèi)容包含了主觀評價和現(xiàn)場測量的靜載(態(tài))撓度以及基本固有頻率等,該研究給出了較低和較高舒適度要求下的樓蓋設(shè)計流程以及控制指標(biāo)。Hu等[46]在實驗室環(huán)境下對TCC樓蓋進(jìn)行了研究,測試了固有頻率和1 kN荷載作用下的靜載(態(tài))撓度，并進(jìn)行了主觀評價,提出了一種TCC樓蓋的振動控制設(shè)計方法。

在TCC樓蓋的振動性能評估方法方面,Daniele等[47]對TCC以及CLT樓蓋振動性能評價的不同方法(解析法、數(shù)值法、試驗法、現(xiàn)場試驗)進(jìn)行了比較,討論了每種方法的假設(shè)、簡化和可接受標(biāo)準(zhǔn),該研究認(rèn)為解析法是初步設(shè)計階段非常有用的工具,但是對不同類型木樓蓋的有效性還需進(jìn)一步拓展;數(shù)值法的優(yōu)點為考慮了人員在結(jié)構(gòu)中行走的實際動態(tài)特性,但模型也更為復(fù)雜;試驗法最為合理,但需要考慮成本問題;現(xiàn)場試驗只能在樓蓋施工完成后進(jìn)行,因此試驗方法只能用于結(jié)構(gòu)的評估,不能用于結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

近年來,我國研究人員在木樓蓋與木-混凝土組合樓蓋的振動性能對比以及使用者舒適度方面也進(jìn)行了研究探索。姜南標(biāo)等[48-49]對木-混凝土組合樓蓋進(jìn)行了有限元分析,探討了組合構(gòu)件的尺寸、是否有效連接等因素對振動性能的影響,建議以自振頻率和峰值加速度雙重指標(biāo)作為舒適度評價標(biāo)準(zhǔn);該研究還對木樓板和混凝土樓板分別進(jìn)行了有限元分析,對比了自振頻率和單人行走荷載下的振動響應(yīng)指標(biāo),發(fā)現(xiàn)從自振頻率來看，木樓板的舒適度更好；但從振動響應(yīng)來看，混凝土樓板的舒適度更好,建議采用限制自振頻率和振動響應(yīng)雙重指標(biāo)來控制振動。杜浩等[50]進(jìn)行了膠合木-混凝土組合樓蓋的模態(tài)及人致荷載試驗,考慮了步頻參數(shù)以及步行人數(shù)的影響,并結(jié)合理論模型進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)組合樓蓋的峰值加速度會隨著步頻以及步行人數(shù)的增加而逐漸增大;在試驗研究的基礎(chǔ)上,通過理論分析提出了木-混凝土組合樓蓋自振頻率及單人行走荷載下峰值加速度的計算方法;結(jié)合我國鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),建議采用樓蓋自振頻率和峰值加速度雙重指標(biāo)來評價木-混凝土組合樓蓋的舒適度。

綜上所述,可以看出現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動性能的研究主要有以下特征:

1) 研究對象緊跟樓蓋類型的發(fā)展。初期階段針對格柵式木樓蓋體系的研究較多;隨著CLT新型樓蓋的出現(xiàn)以及木-混凝土組合樓蓋在木結(jié)構(gòu)建筑中的發(fā)展應(yīng)用,關(guān)于其振動性能的研究也緊跟開展。

2) 研究方法主要有實驗室試驗、現(xiàn)場原位測試、主觀評價和有限元分析等。

3) 研究內(nèi)容從靜載(態(tài))撓度、自振頻率等樓蓋自身特性，發(fā)展到研究樓蓋在外界沖擊荷載、人致荷載激勵作用下的振動響應(yīng)。除了研究樓蓋的板、梁等單個構(gòu)件外,對于不同邊界條件、構(gòu)造做法、施工安裝細(xì)節(jié)等因素的考察也越來越豐富。

4) 國內(nèi)有關(guān)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動性能的研究起步較晚,研究的成果也相對較少,但經(jīng)過初步探索后,近年來現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動性能得到的關(guān)注越來越多,研究成果顯著增多。

3 木結(jié)構(gòu)樓蓋振動控制指標(biāo)

早在19世紀(jì)初,Tredgold[51]就指出為了防止人走動時引起樓板振動,應(yīng)該將木結(jié)構(gòu)樓蓋的梁做得更高;到20世紀(jì)60年代,木樓蓋振動問題開始有了定量控制指標(biāo)，同時期,我國的木材相對短缺,國家提出“以鋼代木”的建設(shè)政策,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)體系在我國未得到充分發(fā)展。因此,控制指標(biāo)的研究定制主要集中在應(yīng)用現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)比較多的歐美國家,根據(jù)研究進(jìn)展,主要分為以下幾個階段。

3.1 靜載(態(tài))控制

最早控制木結(jié)構(gòu)樓蓋振動的定量指標(biāo)是控制樓蓋剛度的指標(biāo),即限制樓蓋在均布荷載作用下的靜載(態(tài))撓度。20世紀(jì)60年代,美國聯(lián)邦住宅局(FHA)[52]發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了木樓板格柵在設(shè)計荷載下的撓度(d)應(yīng)不大于L/360(L為格柵跨度)。然而,即使按照剛度要求對樓蓋格柵撓度進(jìn)行控制,樓蓋振動問題仍然存在。因此,Onysko[53]嘗試找出樓蓋客觀參量和居住者舒適度之間的關(guān)系,通過試驗和居民調(diào)查,發(fā)現(xiàn)樓蓋集中荷載下的撓度和居住者舒適度有很強的相關(guān)性,并提出了限制樓蓋中心1 kN集中荷載作用下的撓度(d1)的振動控制方法:對于跨度為3 m以下的格柵,d1需要小于2 mm;對于跨度為3～6 m的格柵,則需要小于8/L1.3,該控制指標(biāo)被應(yīng)用于加拿大國家建筑規(guī)范(NBCC)[2]。

3.2 動載(態(tài))控制

振動性能是構(gòu)件的動態(tài)特性,僅用靜載(態(tài))指標(biāo)進(jìn)行控制雖然比較方便,但對于人的直接動態(tài)感受來說還是間接方法,因此學(xué)者們開始探索運用動載(態(tài))指標(biāo)對樓蓋的振動性能進(jìn)行控制。Smith等[54]提出了在落地沖擊荷載作用下,以一階自振頻率(f1)和均方根加速度(arms)來控制樓蓋振動的雙重動態(tài)準(zhǔn)則,通過研究得出:當(dāng)木結(jié)構(gòu)樓蓋滿足人員舒適度要求時,應(yīng)滿足f1>8 Hz,且arms≤0.45 m/s2,此控制指標(biāo)適用于住宅建筑格柵式樓蓋。Dolan等[19]提出了限制樓蓋基頻的控制標(biāo)準(zhǔn),并通過研究將木結(jié)構(gòu)樓蓋分為無活荷載和有活荷載兩種狀態(tài),建議樓蓋的基頻在空置時需>15 Hz,使用時需>14 Hz。

3.3 動靜載(態(tài))綜合控制

由于靜載(態(tài))撓度、自振頻率等樓蓋客觀參數(shù)指標(biāo)比較方便計算與測試,激勵響應(yīng)指標(biāo)與人的感受直接相關(guān),為了提高控制指標(biāo)的準(zhǔn)確性并方便操作,學(xué)者們關(guān)注開發(fā)動靜載(態(tài))綜合控制的方法,并逐漸形成了控制指標(biāo)體系。Ohlsson[16-17]提出了限制f1、d1和峰值速度(v)的三重指標(biāo)控制方法,此控制方法適用于住宅建筑中的格柵式木樓蓋，之后該方法被歐洲規(guī)范5[3]采納,用于振動控制下木結(jié)構(gòu)樓蓋的設(shè)計。Toratti等[20]提出了撓度和自振頻率相結(jié)合的控制方法,為了避開人類易感知的頻率范圍,木樓蓋結(jié)構(gòu)的基頻需要大于10 Hz；此外,該研究還認(rèn)為點荷載撓度是控制振動的良好指標(biāo),要求d1≤0.5 mm、f1>10 Hz。Hamm等[45]建議將木結(jié)構(gòu)樓蓋劃分為兩種:一種是低要求的,如獨棟住宅;另一種是高要求的,如公寓或辦公樓,并建議使用f1和豎向點荷載2 kN下的樓蓋靜載(態(tài))撓度(d2)結(jié)合加速度響應(yīng)(a)作為設(shè)計參數(shù)。

以上控制方法,除了Hamm等[45]的方法可用于新型重木樓蓋、TCC樓蓋外,其他方法的控制對象僅局限于格柵式木樓蓋。由于新的木產(chǎn)品的出現(xiàn),為了使控制指標(biāo)適用于更廣泛的木結(jié)構(gòu)樓蓋,Hu等[28,46,55]基于自振頻率和撓度的關(guān)系,分別給出了適用于廣泛工程木制品格柵式樓蓋、CLT樓蓋、TCC樓蓋的控制指標(biāo)。為了判斷住宅建筑中的單跨格柵式樓蓋的振動是否可接受,Hu等[55]提出了結(jié)合f1和d1的綜合振動控制準(zhǔn)則,如式(1)所示。

(1)

隨著CLT樓蓋的研發(fā)和應(yīng)用,Hu等[28]同樣提出了結(jié)合f1和d1的CLT樓蓋振動控制指標(biāo),如式(2)所示。

(2)

之后,Hu等[46]在試驗的基礎(chǔ)上,根據(jù)f1和d1提出了TCC樓蓋振動控制準(zhǔn)則和參數(shù)的計算式,如式(3)所示,并利用數(shù)據(jù)分析驗證了該指標(biāo),但TCC樓蓋的振動控制準(zhǔn)則還需要更廣泛的現(xiàn)場試驗來進(jìn)一步確定。

(3)

隨著現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的應(yīng)用,我國研究人員對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動控制指標(biāo)也進(jìn)行了一定探索。周海賓[56]結(jié)合文獻(xiàn)研究與試驗驗證,基于f1和d1的關(guān)系,初步提出了格柵式木結(jié)構(gòu)樓蓋的振動控制指標(biāo),如式(4)所示。

(4)

另外,周海賓[56]認(rèn)為，在式(4)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該引入如式(5)所示的峰值加速度作為控制指標(biāo)。

αP<0.4 m/s2

(5)

我國《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50005—2017)[57]中提出了撓度不大于l/250的設(shè)計要求,其中l(wèi)為木結(jié)構(gòu)樓蓋由振動控制時的計算跨度。

杜浩等[50]結(jié)合我國標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)、混凝土以及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)等樓蓋振動性能的控制指標(biāo),對TCC樓蓋提出采用f1和a的雙重控制指標(biāo),其中f1≥15 Hz、a≤0.15 m/s2。

為便于對比,將國外和國內(nèi)在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動控制指標(biāo)方面的研究分別歸納于表1和2中。

表1 國外現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動控制指標(biāo)

表2 國內(nèi)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動控制指標(biāo)

綜上所述,可以看出現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動控制進(jìn)展主要有以下特征:

1)從實木格柵式樓蓋,到采用新型工程木的格柵式樓蓋,再到CLT樓蓋以及TCC樓蓋,隨著木結(jié)構(gòu)樓蓋新材料、新構(gòu)造的出現(xiàn)和發(fā)展,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋的振動控制指標(biāo)在不斷更新。

2)從非定量到定量,簡單到復(fù)雜,靜載(態(tài))到動載(態(tài)),單一參數(shù)到綜合參數(shù),控制指標(biāo)的數(shù)量和精度在不斷發(fā)展。

3)振動控制從僅關(guān)注樓蓋自身的性能,如提高剛度、避免共振等指標(biāo),到解決振動與使用者舒適度的關(guān)系;從主觀評價、調(diào)查歸納與舒適度相關(guān)的間接參數(shù)控制,發(fā)展到對人致荷載等動態(tài)激勵響應(yīng)的精確控制。

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過多年的研究與發(fā)展,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動與控制研究已經(jīng)有了豐碩的成果。研究對象涵蓋了格柵式樓蓋、CLT樓蓋和TCC樓蓋等常用現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋類型;研究方法包括實驗室試驗、原位測試、主觀評價和有限元分析等;研究內(nèi)容主要包括靜載(態(tài))撓度、自振頻率、振型、阻尼、激勵響應(yīng)速度與加速度等;振動控制從定性控制發(fā)展到定量控制,靜載(態(tài))發(fā)展到動載(態(tài))及動靜載(態(tài))結(jié)合,從單一指標(biāo)發(fā)展到多指標(biāo)綜合控制。這些成果為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋的進(jìn)一步研究與工程應(yīng)用提供了有力支撐。

為解決全球變暖問題和實現(xiàn)建設(shè)人類美好家園的設(shè)想,我國提出“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展目標(biāo)。在建筑行業(yè),推動綠色建筑和裝配式建筑的發(fā)展成為降低碳排放、實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)因良好的固碳性能和較高的工業(yè)裝配化程度而受到重視并迅速發(fā)展。然而,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動與控制問題成為制約其在多高層建筑中被應(yīng)用的關(guān)鍵,因此,相關(guān)研究工作還需更深入地開展。本文將現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動與控制研究趨勢和需求做如下展望。

1)緊跟新材料、新結(jié)構(gòu)的發(fā)展。隨著木材工業(yè)與產(chǎn)品的發(fā)展,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋歷經(jīng)了格柵式樓蓋、CLT重木樓蓋和TCC樓蓋等多種形式的發(fā)展與應(yīng)用。目前,國內(nèi)外涌現(xiàn)出更為新型的層板銷接木(DLT)、層板釘接木(NLT)等樓蓋形式,因此,需要緊跟時代發(fā)展和工程需求,研究新樓蓋體系的振動特性及控制方法。

2) 研究內(nèi)容與方法與時俱進(jìn)。經(jīng)過多年積累,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動與控制研究已從樓蓋自身振動模態(tài)參數(shù)發(fā)展到與人體感知相關(guān)的振動舒適度等多因素參數(shù)。主觀評價方面,目前我國還缺少相關(guān)的調(diào)研積累,隨著實際工程的增多,大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的發(fā)展,建立我國的振動舒適度指標(biāo)數(shù)據(jù)庫將成為可能。隨著人類步行、跳躍等荷載模型研究的不斷突破,有限元分析技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋人致荷載作用下的振動響應(yīng)需進(jìn)一步深入研究。

3) 完善控制指標(biāo)規(guī)范體系。目前,我國有關(guān)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動控制指標(biāo)還不是很詳盡,僅在《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50005—2017)[57]中,給出了樓蓋格柵振動控制的計算方法?！堆b配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51233—2016)[58]和《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51226—2017)[10]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范雖對振動舒適度有提出要求,但相較于鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確給出了關(guān)于頻率和加速度的控制條文,木結(jié)構(gòu)樓蓋的控制指標(biāo)還缺少定量控制指標(biāo)體系。

2019年我國發(fā)布了《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)[59],但其中也沒有明確給出木結(jié)構(gòu)樓蓋的相關(guān)指標(biāo)。因此現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動控制指標(biāo)體系需要加快完善,尤其是在CLT樓蓋、TCC樓蓋廣泛應(yīng)用的今天,對其振動與控制進(jìn)行研究將會為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展和應(yīng)用提供保障。