輕鋼組合樓板舒適度性能綜述★

張秀華 孟毅豪 鄂云龍 李 卓

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展，新的建筑材料與建筑形式日新月異，但他們都朝著輕質(zhì)高強方向發(fā)展。隨著樓板越做越薄，越做越輕，即使強度與剛度能滿足要求，但樓板撓度與振動性能成為了一個新問題。樓板撓度過大或振動頻率過低都會給人舒適性上帶來不適。目前我國只有對混凝土樓板振動頻率有明確規(guī)定，對薄壁型鋼梁與輕質(zhì)板材組合樓板振動性能的研究才剛剛起步，國內(nèi)規(guī)范尚無明確的設(shè)計方法和評價標(biāo)準(zhǔn)。并且國內(nèi)對組合樓板靜力撓度與振動頻率的研究大多停留在理論分析階段，通過試驗得出明確結(jié)論的相對較少。結(jié)合國家對裝配式結(jié)構(gòu)與綠色建材的重視與推廣，這里對輕鋼樓板舒適度性能進行總結(jié)分析。

輕鋼結(jié)構(gòu)重量輕，強度高，抗震性能好。鋼材可以回收利用，比磚石和混凝土更節(jié)能環(huán)保。如今大多數(shù)鋼材構(gòu)件都在工廠加工，無需現(xiàn)場制備，質(zhì)量有保證。輕鋼結(jié)構(gòu)重量輕，成本低，現(xiàn)場施工周期短。此外，輕鋼結(jié)構(gòu)基本上沒有濕作業(yè)，不會產(chǎn)生灰塵和污水等污染。輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有截面面積小，立柱細(xì)，墻壁薄的特點，因此建筑物使用面積大。以薄壁型鋼梁與輕質(zhì)板材組合的樓板在未來建筑行業(yè)有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 國外相關(guān)研究

1.1 瑞典Ohlsson準(zhǔn)則[1]

瑞典學(xué)者Ohlsson研究木結(jié)構(gòu)輕質(zhì)樓板體系十幾年，并提出了相應(yīng)的設(shè)計指南。該準(zhǔn)則包括了對樓板跨中靜力撓度及振動性能限值的相關(guān)規(guī)定及計算方法。他提出的算法可用于各種材料和構(gòu)造的輕鋼組合樓板。

1)靜載試驗。

Ohlsson提出，在1 kN靜力荷載作用于樓板跨中時，撓度不應(yīng)超過1.5 mm。并且在計算過程中用單根梁剛度代替整塊樓板。

2)動載試驗。

Ohlsson提出了單向板與雙向板的不同計算方法，但要求樓板的自頻率振必須大于8 Hz。確保在沖擊荷載或連續(xù)荷載作用下樓板振動不會給人們帶來明顯的不適。

1.2 澳大利亞準(zhǔn)則[2]

澳大利亞準(zhǔn)則大多采用了Ohlsson的相關(guān)算法，但其對冷彎薄壁型鋼梁樓板的實用性做了相關(guān)的研究規(guī)定。澳大利亞準(zhǔn)則主要從靜載方面對樓板的舒適性做了相應(yīng)的規(guī)定，具體要求如下：

澳大利亞準(zhǔn)則要求，當(dāng)向樓板跨中施加1 kN靜力荷載時，其撓度不應(yīng)超過2.0 mm。計算時在Ohlsson給出的計算方法的基礎(chǔ)上，提出了修正系數(shù)kd，主要是考慮樓板覆面板對整塊樓板撓度的影響。

1.3 加拿大Onysko準(zhǔn)則[3]

Onysko準(zhǔn)則建立在大量樓板測試和評估基礎(chǔ)上。測試期間，向每個測試者發(fā)送一份調(diào)查問卷以填寫他們在測試期間的主觀感受。結(jié)果表明，動載作用下的動態(tài)響應(yīng)和靜載作用下的撓度是地板舒適性的兩個主要參數(shù)。由于計算沖擊載荷的動態(tài)響應(yīng)需要事先知道地板阻尼比，因此Onysko放棄提出動態(tài)響應(yīng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)并僅限制靜態(tài)撓度。

Onysko準(zhǔn)則中為了保證樓板的剛度，對不同跨度樓板在1 kN靜力荷載作用下的撓度提出了不同的限值：

δ≤2.0 mm(L<3.0 m),

δ≤0.6 mm(L≥9.9 m)。

其中，δ為跨中撓度;L為樓板跨度。

1.4 美國Johnson準(zhǔn)則[4]

Johnson準(zhǔn)則中建議，當(dāng)樓板在僅承受自身重量時，自振頻率應(yīng)大于15 Hz。Johnson從大量靜載試驗得出結(jié)論，組合樓板覆面板對整體撓度的影響可以忽略不計?？梢圆捎脝胃旱膽T性矩來代替變形慣性矩，因此在慣性矩計算時忽略了組合作用。但該準(zhǔn)則僅適用于未居住的樓板。

2 國內(nèi)相關(guān)研究

周緒紅等[5]對冷彎薄壁型鋼梁-OSB板組合樓板進行了相應(yīng)的試驗研究，以改變邊界條件為試驗變量對組合樓板足尺模型進行相應(yīng)的振動試驗。建議采用單根鋼梁與寬度為梁間距的樓面板為計算單元，并用等效剛度代替單根梁剛度。修正了Ohlsson提出的計算公式，并通過相應(yīng)算例進行了驗證。其結(jié)論為組合樓板在梁端固結(jié)時，可減小跨中撓度與提高樓板自振頻率，并建議組合樓板在1 kN靜力集中荷載作用下組合樓板跨中撓度限值設(shè)為2 mm。對振動舒適度要求較高的組合樓板自振頻率限值設(shè)為15 Hz。

王娟[6]通過對美國弗吉尼亞理工學(xué)院和加拿大滑鐵盧大學(xué)試驗與有限元分析進行總結(jié)對比，將組合樓板比擬成為正交各向異性板，提出了一種基于荷載橫向影響系數(shù)跨中撓度計算公式，給出了三種不同邊界條件下(四邊簡支、兩對邊簡支和兩對邊固支)組合樓板的自振頻率公式，并提出組合樓板在1 kN集中荷載作用下跨中撓度不得超過2 mm，自振頻率不小于8 Hz。

燕妮[7]對冷彎薄壁C型鋼—OSB板組合樓板進行了足尺試驗與有限元分析。主要測試內(nèi)容為：

1)組合樓板承受動力荷載時的振動性能；

2)組合樓板的自振頻率和阻尼；

3)組合樓板在施工荷載和正常使用荷載作用下的撓度。建議將樓板在靜力作用下最大撓度設(shè)為2.0 mm，自振頻率大于15 Hz。

姜南標(biāo)等[8]用有限元分析軟件比較了木樓板與混凝土樓板的振動舒適性。在強度與剛度相同的條件下，木樓板的自振頻率大于混凝土樓板的自振頻率。因此，從自振頻率指標(biāo)角度來看，木樓板的振動舒適性優(yōu)于混凝土樓板；但木樓板在行走荷載作用下的振動響應(yīng)遠(yuǎn)大于混凝土樓板的振動響應(yīng)，這表明木樓板在動載荷作用下的振動幅度相對較大。從振動響應(yīng)指數(shù)來看，木樓板的振動舒適性比混凝土樓板的振動舒適性差；綜合分析，木樓板的振動舒適性比混凝土樓板差。建議采用限制樓板自振頻率與限制樓板振動響應(yīng)兩個指標(biāo)來評價木樓板振動舒適性；當(dāng)木樓板的振動舒適性不能滿足相關(guān)要求時，可以采用限制樓板的尺寸，改變結(jié)構(gòu)體系等方法來提高樓板的自振頻率。

結(jié)合我國林業(yè)資源匱乏，而每年有大量稻草剩余，作者提出了一種新型的組合樓板形式，冷彎薄壁C型鋼—稻草板組合樓板，并對其進行了舒適度試驗。主要對其進行三個方面的評定：

1)主觀感受；

2)1 kN靜力荷載作用于跨中時的撓度；

3)五種動荷載工況下測量樓板自振頻率，五種工況分別為：體重為80 kg的男子分別沿平行于樓板梁和垂直于樓板梁方向行走，重為10 kg的沙袋從距樓板中心0.33 m處自由下落，體重為80 kg的男子在樓板中心身體前傾腳后跟抬高50 mm～60 mm，然后向后重重落下沖擊樓板，在樓板各處用沖擊錘隨機錘擊，持續(xù)1 min左右。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)組合樓板靜力撓度均小于1 mm，自振頻率均大于15 Hz。結(jié)合國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)學(xué)者提出的建議，該組合樓板滿足舒適度的要求。

3 結(jié)語

國外對組合樓板振動性能的研究比較成熟，并在各國的規(guī)范中形成了相對完善的評價標(biāo)準(zhǔn)，而我國規(guī)范目前還沒有提出組合樓板的振動舒適度控制標(biāo)準(zhǔn)，沒有通用的設(shè)計方法來解決各種冷彎薄壁型鋼組合樓板的振動問題，還需深入研究。

由各國規(guī)范與國內(nèi)學(xué)者相關(guān)研究得出結(jié)論，1 kN靜力荷載作用下樓板跨中撓度限值為2 mm，對舒適度要求嚴(yán)格的宜小于1.5 mm；動力荷載作用下樓板自振頻率應(yīng)大于8 Hz，對舒適度要求嚴(yán)格的宜大于15 Hz。