体育馆用木质地板结构的动力特性测试研究*

周宇昊 黄俣劼 王 正

（南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037）

近年来，国家高度重视文化体育事业的发展，体育馆作为健身运动的主要场所，其各项性能指标越来越受到人们的关注。体育馆用木质地板作为体育场馆中一个最基本的组成单元，对体育场馆的使用性能具有至关重要的作用，其不仅要求具有运动功能、保护功能和技术功能三大基本功能，还需要在高强度、高频次使用环境中长期保持相对稳定的状态[1-2]。国内外研究人员对地板结构动力特性进行了相关研究，并取得不少成果。Cai[3-4]等利用横向振动法，通过检测地板的频率和阻尼比对实木地板的使用性能进行评价。Chui[5]等通过有限元模型探究了不同支撑条件对木地板静挠度和固有频率的影响。陈翔[6]根据结构柔度矩阵差理论，采用脉冲锤击实验方法和有限元仿真模拟技术，对木地板结构进行无损检测研究，提出了检测木地板结构损伤的解决办法。吕学利[7]等以模态分析法和自由衰减法对减振地板自振频率进行检测，对比分析发现模态分析法适用于面积较大的减振地板，自由衰减法则适用于面积较小的减振地板。赵东等[8]通过木地板受迫振动试验和有限元数值模拟得到受迫振动响应数据，应用结果表明：借助受迫振动响应数据，计算其曲率能较好地识别木地板结构的损伤、损伤位置和损伤程度。Rijal等[9]采用力锤激励，基于固有频率、阻尼比、振型等动力特性参数评估了跨度为6 m和8 m的木地板模块的振动性能。Matsushita等[10]通过建立压电装置和地板结构的有限元模型，提出了一种利用薄膜型压电装置的控制系统降低地板振动的预测方法。Casagrande等[11]在研究数值方法、分析方法、试验方法3 种评估木地板振动性能的方法中发现，内部隔板和非结构单元对地板的动力特性，尤其是对振型、频率和阻尼有很大影响。花军等[12]对不同结构参数的减震垫进行冲击试验，并通过基于BP神经网络和SPSS多元线性回归方程的2 种数值模拟算法，探究了运动地板减震垫结构参数与反冲击力之间关系。

综上可知，国内外采用了多种不同的方法对地板动力特性进行研究，但大多为计算模态和试验室试验研究。鉴于此，本研究拟对南京市的两座体育馆内的木质地板系统开展现场动力特性测试研究，重点通过对木地板系统的自振频率和阻尼比参数分析与比较，为体育馆用木质地板结构性能评估和优化设计工作提供技术支撑。

1 3种体育馆用木质地板结构设计

体育馆用木质地板的结构主要由面层地板、载荷分布层（毛地板）、隔离层（防潮层）、龙骨、减震垫等构成，其根据用途、性能指标要求、造价及各结构层使用材料的不同会有所不同。面层地板是指体育馆用木质地板结构中置于面层的地板；载荷分布层为地板结构中龙骨与面层地板间的层板，主要起承载作用；隔离层为位于面层地板与载荷分布层（毛地板）间的面层，主要起隔离或防潮作用，也有些置于龙骨层与建筑结构基层之间；龙骨是地板结构下层起支撑作用的条形材料；减震垫在地板各结构层材料间或建筑结构基层间，主要起减震作用[13]。

本研究涉及甲、乙两体育场馆用的3种木质地板结构，其中甲馆A区域为悬浮式双层龙骨结构，B区域为固定式双层龙骨结构；乙馆为悬浮式单层龙骨结构。

1.1 甲馆A区地板结构

如图1 所示，甲馆A区地板的悬浮式双层龙骨结构，包括面层地板、载荷分布层、第二层龙骨、减震垫块、一层龙骨、找平垫块、减震气囊以及隔离层。面层地板为枫木实木面板，厚度为22 mm。位于面层地板下方的载荷分布层选用了12 mm厚的胶合板。其下方二层龙骨和一层龙骨按一定间距交叉铺设，使整体结构更加稳定，龙骨采用78 mm宽、30 mm厚的LVL（单板层积材）。龙骨间由减震垫块相连，减震垫块由天然橡胶制成。在一层龙骨下方铺设有找平垫块，材料为胶合板，其厚度可调节，起到基础上找平的作用。找平垫块下方设有减震气囊，其由肖式硬度为65 的增塑溶胶制成，加上特殊的构造使其具有良好的减震性能。隔离层设置在基础上方，也称防潮层，采用了防水涂料，起隔离和防潮的作用。各层结构间采用螺栓等连接件和酚醛胶等进行连接。

图1 甲馆A区地板结构Fig.1 Floor structure of area A of Gymnasium J

1.2 甲馆B区地板结构

如图2 所示，甲馆B区地板为固定式双层龙骨结构，包括面层地板、载荷分布层、第二层龙骨、减震垫块、一层龙骨、找平垫块以及隔离层。甲馆B区地板结构各结构层的尺寸、使用的材料和层间的连接方式均与甲馆A区的地板结构相同，但结构底部的找平垫块直接放置于隔离层上方，中间不设置减震气囊。

图2 甲馆B区地板结构Fig.2 Floor structure of area B of Gymnasium J

1.3 乙馆地板结构

如图3所示，乙馆地板为悬浮式单层龙骨结构，包括面层地板、载荷分布层、龙骨、找平垫块、减震气囊以及隔离层。乙馆地板结构各结构层的尺寸、使用的材料和层间的连接方式均与甲馆A区的地板结构相同，不同之处在于乙馆地板结构中只设有一层龙骨，按一定间距铺设。

图3 乙馆地板结构Fig.3 Floor structure of Gymnasium Y

2 材料与方法

2.1 测试对象与仪器

2.1.1 测试对象

甲体育馆A区和B区地板结构如图1 和图2 所示；乙体育馆地板结构如图3 所示。

2.1.2 测试仪器

南京安正软件工程有限公司CRAS振动与动态信号采集分析系统1 套，主要包括AZ804-B型信号调理仪，AZ308 型信号采集箱，CRAS软件及计算机；CAYD-125 型加速度计1 只，其灵敏度因子为14.9 V·s2/m；橡胶锤1 个；卷尺1 把。

2.2 测试方法与原理

试验采用瞬态激励法，使用橡皮锤作为激励源，对体育馆的木质地板在建筑地面布置的测点进行敲击，加速度传感器将拾振信号转换成电信号，信号经过放大、滤波，再由CARS转化成数字信号，通过频谱图获得其一阶频率，通过波形图获得衰减振动曲线。

振动测量采用拾振器，也称为传感器或换能器。拾振器是将振动的位移、速度、加速度等非电量信号转换成电量输出的换能装置。本试验利用CA-YD-125型加速度计，采用压电晶体元件，利用晶体受振动或冲击产生形变，从而产生电荷 “压电效应”的原理，能在较宽广的频率及动态范围内工作[14]。其测试原理如图4所示。

图4 动力特性测试原理框图Fig.4 Principle block diagram of dynamic characteristic test

2.3 主要测试步骤

1） 在所测体育馆选取一片区域划分网格，按照图5选择测点布置位置。连接测试系统并调试。

图5 动力特性测试平面测点布置图Fig.5 Layout of plane measuring points for dynamic characteristic test

2） 测试系统调试完成后，用双面胶将加速度传感器牢固粘贴于测点位置，用橡胶锤敲击传感器周围的地板，使之产生自由振动。由CARS信号测试采集与分析系统对振动信号进行采集与分析，得到所测体育馆地板结构的一阶自振频率和衰减振动波形图。

3）对得到的一阶频率图谱和振幅衰减波形图进行数据处理。根据图6衰减振动波形图中的加速度幅值，用公式（1）计算地板结构振动阻尼比ζ。

图6 衰减振动波形示意图Fig.6 Diagram of attenuated vibration waveform

式中:δ为对数幅减系数;A1、A3为对应波峰的幅值, mm/s2;ζ为阻尼比。

3 结果与分析

3.1 结构自振频率

3.1.1 实测结果

采用瞬态激励法对3 种地板结构在建筑地面布置的测点1-9 进行测试，得到一阶频率图谱，如图7 所示。为保证测试结果的准确性和合理性，对每个测点进行了多次测试，取其中频谱显示较好的一组数据。不同地板结构各测点的自振频率见表1。

图7 甲馆B区测点1 一阶频谱图Fig.7 First order spectrum of measuring point 1 in area B of Gymnasium J

表1 地板结构的自振频率表Tab.1 Natural frequency table of floor structure

3.1.2 结果分析

自振频率是指弹性体或弹性系统自身固有的振动频率，又称“固有频率”。对于多质点体系，忽略阻尼影响吋，自振频率与自身质量及其分布、边界支承条件以及振动形式有关[15]，结构竖向自振频率较低会诱发由人导致的振动舒适问题[16-18]。目前，国内标准尚无针对体育馆用木质地板自振频率的相关限值规定。本文以建筑楼盖结构自振频率的相关研究与规范为参照，分析评价这3种地板结构的自振频率。工程研究表明人各种活动的频率一般集中在1～3 Hz[19]；在人活动引起的楼盖振动中，当楼盖固有频率在3～8 Hz范围内时，共振反应一般是引起振动的主要原因[20]；当楼盖的固有频率大于8～9 Hz，人在上面活动就不会引起共振响应，可以认为是舒适的[21]。在建筑楼盖结构自振频率控制相关规范中，如JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》[22]提出，钢结构楼盖的竖向自振频率不得小于3 Hz；GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[23]对混凝土楼盖结构的竖向自振频率作出如下规定：住宅和公寓不宜低于5 Hz，办公室和旅馆不宜低于4 Hz，大跨度公共建筑不宜低于3 Hz。

由表1 可知，本试验中甲馆A区地板结构的自振频率约为65.51 Hz，甲馆B区地板结构的自振频率约为88.93 Hz，乙馆地板结构的自振频率约为69.86 Hz，可见自振频率远大于上述有关限值，满足建筑结构舒适度要求。且本试验中3 组试验自振频率的变异系数分别为2.8%、3.2%和2.9%，均小于15%，说明试验所得数据可靠。

3.2 结构阻尼比

3.2.1 实测结果

采用瞬态激励法对3 种地板结构在建筑地面布置的测点1-9 进行测试，得到振幅衰减波形图，如图8 所示。不同地板结构各测点的阻尼比计算结果见表2，3种体育馆地板结构的阻尼比如图9 所示。

图8 甲馆B区测点1 振幅衰减波形图Fig.8 Amplitude attenuation waveform of measuring point 1 in area B of Gymnasium J

表2 地板结构的阻尼比计算结果表Tab.2 Calculation results of damping ratio of floor structure

图9 3 种体育馆地板结构的阻尼比对照图Fig.9 Comparison of damping ratio of three gymnasium floor structures

3.2.2 结果分析

阻尼是反映结构体系振动过程中能量耗散特征的参数[24]。在机械系统的隔振结构设计中，合理地运用阻尼技术，可使隔振、减振的效果显著提高[25]。结构阻尼比值用于表达结构阻尼的大小，通常由实测或试验获得[26]。结构的阻尼比越大，表征结构在振动过程中能量耗散越快，结构传递振动的能力越差，减振性能就越好。但相应地结构传递振动的能力越差，结构对冲击的缓冲能力也越差，在受到外力冲击时起不到较好的缓冲效果。

由表2、图9 可知，甲馆B区地板结构的平均阻尼比最大，为0.176；乙馆次之，为0.105；甲馆A区最小，为0.090；甲馆B区地板结构的平均阻尼比约为另外2种结构平均阻尼比的2 倍，结合图1、2、3 可知，悬浮式地板结构对冲击的缓冲能力远胜于固定式地板结构；乙馆地板结构的平均阻尼比甲馆A区地板结构大16.7%。显而易见，结合图1 和图3 可知，双层龙骨地板结构在对冲击的缓冲能力方面优于单层龙骨地板结构；且由表2 可知，本试验中3 组试验阻尼比参数的变异系数分别为7.6%、7.3%和5.7%，其试验数据可靠。

4 结论

通过测试分析，本研究主要得出以下结论：

1）本试验中3 种地板结构的自振频率均满足建筑舒适度要求；

2）3 种地板结构中，悬浮式双层龙骨地板结构的阻尼比最小，结构对冲击的缓冲能力和回弹性能较好，更适合用于对竞技水平要求高的大型体育场馆；

3）采用悬浮式与多层龙骨构造的地板结构阻尼比小，具有低阻尼比特性，在结构振动过程中能量耗散慢，即结构的冲击吸收率小，对冲击的缓冲能力好，能为运动员提供更好的保护作用；

4）本研究采用的CRAS振动及动态信号采集分析系统及其相关测试方法，具有操作简便、工程应用性强，数据可靠性高等特点。