現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)與控制研究進(jìn)展

文 博,楊會(huì)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(guó)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(diǎn),符合國(guó)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(guó)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(dòng)問題較為顯著。樓蓋性能存在缺陷會(huì)給使用者帶來不舒適感,對(duì)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(dòng)也會(huì)給使用者帶來負(fù)面心理影響,使人們對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的安全性產(chǎn)生質(zhì)疑,甚至還會(huì)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(guó)外對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)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(jì)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(dòng)。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(gè)控制指標(biāo)。由于我國(guó)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(guó)內(nèi)相關(guān)研究比較滯后。進(jìn)入21世紀(jì)后,中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院的周海賓等[4-6]對(duì)格柵式木樓蓋的振動(dòng)性能進(jìn)行了研究，并梳理歸納了其控制設(shè)計(jì)方法。近年來,南京林業(yè)大學(xué)的學(xué)者們[7-9]也對(duì)木結(jié)構(gòu)樓蓋的振動(dòng)性能做了探索研究。對(duì)比國(guó)外已經(jīng)有明確的規(guī)范條文,國(guó)內(nèi)還尚未形成木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)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(duì)木樓蓋構(gòu)件的性能要求不斷提高。隨著我國(guó)《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(shí)施,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在我國(guó)多高層建筑的應(yīng)用正式拉開帷幕,木樓蓋的振動(dòng)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(dòng)的研究進(jìn)展十分必要。因此,本文對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)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(guó)木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)與控制研究提供參考。

1 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋類型簡(jiǎn)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(shí)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(diǎn),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(dòng)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(duì)民用建筑來說,如果樓蓋的性能不佳,人們?cè)诮ㄖ械男凶?、跳躍、跑動(dòng)等行為會(huì)使其產(chǎn)生明顯的振動(dòng)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(dòng)性能與其自身的質(zhì)量、剛度和阻尼等因素有關(guān),同時(shí)又與激勵(lì)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(dòng)是一個(gè)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(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋的振動(dòng)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(dòng)

國(guó)外對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋的振動(dòng)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(yàn)對(duì)比研究了不同格柵尺寸以及施工階段對(duì)樓蓋振動(dòng)性能的影響,發(fā)現(xiàn)格柵尺寸以及施工階段會(huì)引起剛度和負(fù)荷的變化,從而影響樓蓋的自振頻率,但對(duì)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(huì)因?yàn)槭褂谜叩男凶叨l(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(dòng)1.0～4.0 Hz[14])。

振動(dòng)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(píng)價(jià)。Onysko[15]對(duì)木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)性能進(jìn)行了較大規(guī)模的原位試驗(yàn),基于對(duì)大量居住建筑格柵式木樓蓋的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(píng)價(jià)樓蓋振動(dòng)性能的分析指標(biāo)。Ohlsson[16-17]采用動(dòng)載(態(tài))試驗(yàn)與主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法,對(duì)格柵式木樓蓋的振動(dòng)性能進(jìn)行研究,通過對(duì)人們感知振動(dòng)的相關(guān)參數(shù)與樓蓋振動(dòng)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(shí)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(duì)樓蓋構(gòu)造的考察不斷精細(xì),試驗(yàn)方法不斷發(fā)展,研究的指標(biāo)也越來越豐富。Hu[18]對(duì)格柵式木樓蓋進(jìn)行了較大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地研究,樓蓋的格柵類型包括實(shí)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(dòng)載(態(tài))試驗(yàn),結(jié)合人員的主觀評(píng)價(jià),評(píng)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(gè)振動(dòng)性能參數(shù),開展了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)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(píng)估研究外,學(xué)者們對(duì)建筑物使用方式以及建筑類型對(duì)樓蓋振動(dòng)性能的影響也開展了研究。Dolan等[19]對(duì)約100個(gè)格柵式木樓蓋進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),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(yàn)考慮了樓蓋在空置和使用情況下不同的振動(dòng)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(dòng)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(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室研究,結(jié)合樓蓋的振動(dòng)特性,將住宅和辦公建筑的樓蓋振動(dòng)分為5個(gè)等級(jí),并針對(duì)不同的等級(jí)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(guó)內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展,我國(guó)研究人員也開始關(guān)注木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)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(jì)方法的研究進(jìn)展,并對(duì)實(shí)木以及木桁架格柵式樓蓋進(jìn)行了試驗(yàn)研究與主觀評(píng)價(jià),通過理論分析初步給出了我國(guó)實(shí)木鋸材以及木桁架格柵式樓蓋振動(dòng)控制設(shè)計(jì)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(duì)一棟二層裝配式木結(jié)構(gòu)建筑格柵式樓蓋的振動(dòng)性能進(jìn)行了研究,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(lì)響應(yīng)的速度和加速度,并利用有限元軟件進(jìn)行了對(duì)比分析。盧堯等[8]對(duì)一種格柵式木樓蓋進(jìn)行了撓度測(cè)試與有限元分析,測(cè)量了均布荷載和1 kN集中荷載下的撓度,通過對(duì)比表明該木樓蓋滿足指標(biāo)要求。謝文博等[9]對(duì)格柵式木樓蓋進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)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(dòng)

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(shí)踐,在此背景下,對(duì)振動(dòng)性能的研究也緊跟開展。Gagnon等[21]通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),CLT樓蓋的振動(dòng)行為與格柵式木樓蓋和混凝土樓蓋的振動(dòng)行為不同。Homb[22]對(duì)CLT樓蓋進(jìn)行了廣泛的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室研究,發(fā)現(xiàn)目前的格柵式木樓蓋振動(dòng)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(dòng)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(diǎn)研究?jī)?nèi)容。Jarner?等[23]分別通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了CLT樓蓋在不同安裝階段的振動(dòng)特性變化,CLT樓蓋的振動(dòng)特性會(huì)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(huì)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(shí)驗(yàn)室對(duì)CLT樓蓋系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn),研究了CLT樓蓋在不同支撐條件下的振動(dòng)特性,分別測(cè)試了兩邊和四邊簡(jiǎn)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(duì)樓蓋振動(dòng)性能的影響,得出的結(jié)論主要為:對(duì)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(duì)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(huì)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(dòng)性能,除了固有頻率外,學(xué)者們還對(duì)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(yàn)研究了CLT板層數(shù)、連接方式和支撐條件等對(duì)CLT樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的影響,研究?jī)?nèi)容主要為模態(tài)振型、頻率和阻尼的確定,并將振動(dòng)適用性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)用到CLT樓蓋體系中,提出“現(xiàn)有簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)公式除了基頻外并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其他參數(shù),CLT樓蓋適用性的準(zhǔn)確評(píng)估需要基于特定的施工情況進(jìn)行完整的分析”的觀點(diǎn)。Ussher等[26-27]對(duì)CLT樓蓋進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)合有限元分析提出了精確預(yù)測(cè)模態(tài)頻率的方法,分析了高階振型對(duì)振動(dòng)性能的影響,并基于工程設(shè)計(jì)變量對(duì)CLT模態(tài)響應(yīng)的影響進(jìn)行了數(shù)值和試驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)CLT樓蓋進(jìn)行了集中靜載(態(tài))試驗(yàn)、模態(tài)測(cè)試、動(dòng)力測(cè)試以及相應(yīng)的人員主觀評(píng)價(jià),試驗(yàn)參數(shù)包括CLT板厚度、樓蓋跨距、節(jié)點(diǎn)類型、連接和支撐條件等,提出了CLT樓蓋的振動(dòng)控制設(shè)計(jì)方法,該方法能較好地預(yù)測(cè)CLT樓板的振動(dòng)性能,且與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合,還可直接由剛度和質(zhì)量計(jì)算出由振動(dòng)控制的CLT樓板最大跨度。

近兩年來,我國(guó)學(xué)者對(duì)CLT樓蓋振動(dòng)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(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬方法,研究了樓板邊界支撐梁對(duì)CLT樓蓋振動(dòng)性能的影響,結(jié)果表明:支撐梁間距對(duì)控制樓板的抗彎剛度具有重要作用,對(duì)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(dòng)響應(yīng)差異減小;當(dāng)梁尺寸減小時(shí),單向和雙向支撐CLT板振動(dòng)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(yàn)和理論分析,建立了多人荷載作用下CLT樓板的人致振動(dòng)分析及預(yù)測(cè)模型,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性,數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果表明:CLT樓板在多人荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)幾乎是單人荷載作用下的兩倍,多人活動(dòng)更容易引起使用者的不適感。上述研究利用振動(dòng)劑量值(VDV)方法對(duì)實(shí)測(cè)響應(yīng)、數(shù)值模擬響應(yīng)和預(yù)測(cè)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(cè)方法可以應(yīng)用于實(shí)踐,為工程師設(shè)計(jì)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(píng)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(dòng)和行人引起振動(dòng)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(dòng)。Huang等[32]為了減少人為引起的CLT板振動(dòng),開發(fā)了基于鋼材和基于SMA的TMD系統(tǒng),并通過試驗(yàn)測(cè)試了系統(tǒng)降低CLT板振動(dòng)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(dòng)方面比基于鋼材的TMD系統(tǒng)更為有效。

2.3 TCC樓蓋振動(dòng)

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(yùn)輸裝配等優(yōu)點(diǎn);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(guó)人Muller就已開發(fā)出木-混凝土組合體系并申請(qǐng)了專利。TCC結(jié)構(gòu)在歐美國(guó)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(píng)估TCC樓蓋的振動(dòng)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(duì)樓蓋組成構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)性能研究是十分重要的切入點(diǎn)。Deam等[34]進(jìn)行了木-混凝土組合梁的動(dòng)載(態(tài))試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明:引入混凝土板有效降低了木樓蓋的振動(dòng)敏感性;試驗(yàn)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(duì)單板層積材(LVL)木梁和LVL-混凝土組合梁進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn),識(shí)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(duì)梁的阻尼比和固有頻率的影響遠(yuǎn)大于混凝土層對(duì)梁的影響;跨的數(shù)量變化對(duì)固有頻率和阻尼比的影響并不顯著。Rijal等[37-38]利用試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值分析，評(píng)估了TCC樓蓋及梁的動(dòng)載(態(tài))性能,確定了被測(cè)樓蓋的固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù),利用5個(gè)理論預(yù)測(cè)模型對(duì)樓蓋自振頻率進(jìn)行了對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)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(duì)阻尼比的影響比對(duì)固有頻率的影響要大;對(duì)于使用要求比較高的木樓蓋,僅評(píng)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(duì)采用CLT板的TCC樓蓋構(gòu)件進(jìn)行了足尺靜、動(dòng)力試驗(yàn)研究,試驗(yàn)通過5個(gè)試件考察了不同的連接方式對(duì)樓蓋振動(dòng)的影響,結(jié)果表明：TCC樓蓋具有良好的強(qiáng)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(duì)木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)性能的影響是學(xué)者們的重點(diǎn)研究?jī)?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(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力試驗(yàn),結(jié)果顯示:添加了混凝土后,樓蓋的抗振動(dòng)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(jí),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(duì)木樓蓋和TCC樓蓋進(jìn)行了動(dòng)力試驗(yàn),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(qiáng)度等級(jí)、混凝土板厚以及連接件剛度等參數(shù)對(duì)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(duì)TCC樓蓋的振動(dòng)性能有著十分重要的影響。Mertens等[42]對(duì)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(duì)比試驗(yàn)研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):連接件在TCC樓蓋的振動(dòng)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(dòng)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(jì)算模型,并基于試驗(yàn)研究和有限元數(shù)值分析對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證。等[44]利用有限元方法研究了TCC樓蓋的振動(dòng)性能,提出了計(jì)算振動(dòng)速度和加速度的模型,并給出了計(jì)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(duì)TCC樓蓋進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室研究,研究?jī)?nèi)容包含了主觀評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jì)流程以及控制指標(biāo)。Hu等[46]在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)TCC樓蓋進(jìn)行了研究,測(cè)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(píng)價(jià),提出了一種TCC樓蓋的振動(dòng)控制設(shè)計(jì)方法。

在TCC樓蓋的振動(dòng)性能評(píng)估方法方面,Daniele等[47]對(duì)TCC以及CLT樓蓋振動(dòng)性能評(píng)價(jià)的不同方法(解析法、數(shù)值法、試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn))進(jìn)行了比較,討論了每種方法的假設(shè)、簡(jiǎn)化和可接受標(biāo)準(zhǔn),該研究認(rèn)為解析法是初步設(shè)計(jì)階段非常有用的工具,但是對(duì)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(diǎn)為考慮了人員在結(jié)構(gòu)中行走的實(shí)際動(dòng)態(tài)特性,但模型也更為復(fù)雜;試驗(yàn)法最為合理,但需要考慮成本問題;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)只能在樓蓋施工完成后進(jìn)行,因此試驗(yàn)方法只能用于結(jié)構(gòu)的評(píng)估,不能用于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

近年來,我國(guó)研究人員在木樓蓋與木-混凝土組合樓蓋的振動(dòng)性能對(duì)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(duì)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(duì)振動(dòng)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);該研究還對(duì)木樓板和混凝土樓板分別進(jìn)行了有限元分析,對(duì)比了自振頻率和單人行走荷載下的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)響應(yīng)雙重指標(biāo)來控制振動(dòng)。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(yàn),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(huì)隨著步頻以及步行人數(shù)的增加而逐漸增大;在試驗(yàn)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(jì)算方法;結(jié)合我國(guó)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(píng)價(jià)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(dòng)性能的研究主要有以下特征:

1) 研究對(duì)象緊跟樓蓋類型的發(fā)展。初期階段針對(duì)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(dòng)性能的研究也緊跟開展。

2) 研究方法主要有實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試、主觀評(píng)價(jià)和有限元分析等。

3) 研究?jī)?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(lì)作用下的振動(dòng)響應(yīng)。除了研究樓蓋的板、梁等單個(gè)構(gòu)件外,對(duì)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(guó)內(nèi)有關(guān)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)性能的研究起步較晚,研究的成果也相對(duì)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(dòng)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(dòng)控制指標(biāo)

早在19世紀(jì)初,Tredgold[51]就指出為了防止人走動(dòng)時(shí)引起樓板振動(dòng),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(dòng)問題開始有了定量控制指標(biāo)，同時(shí)期,我國(guó)的木材相對(duì)短缺,國(guó)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(guó)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(guó)家,根據(jù)研究進(jìn)展,主要分為以下幾個(gè)階段。

3.1 靜載(態(tài))控制

最早控制木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)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(guó)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(jì)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(duì)樓蓋格柵撓度進(jìn)行控制,樓蓋振動(dòng)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(yàn)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(qiáng)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(dòng)控制方法:對(duì)于跨度為3 m以下的格柵,d1需要小于2 mm;對(duì)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(guó)家建筑規(guī)范(NBCC)[2]。

3.2 動(dòng)載(態(tài))控制

振動(dòng)性能是構(gòu)件的動(dòng)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(duì)于人的直接動(dòng)態(tài)感受來說還是間接方法,因此學(xué)者們開始探索運(yùn)用動(dòng)載(態(tài))指標(biāo)對(duì)樓蓋的振動(dòng)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(dòng)的雙重動(dòng)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(shí),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(shí)需>15 Hz,使用時(shí)需>14 Hz。

3.3 動(dòng)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(jì)算與測(cè)試,激勵(lì)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(dòng)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(dòng)控制下木結(jié)構(gòu)樓蓋的設(shè)計(jì)。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(diǎn)荷載撓度是控制振動(dòng)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(dú)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(diǎn)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(jì)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(duì)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(dòng)是否可接受,Hu等[55]提出了結(jié)合f1和d1的綜合振動(dòng)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(dòng)控制指標(biāo),如式(2)所示。

(2)

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

(3)

隨著現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用,我國(guó)研究人員對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)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(yàn)驗(yàn)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(dòng)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(guó)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50005—2017)[57]中提出了撓度不大于l/250的設(shè)計(jì)要求,其中l(wèi)為木結(jié)構(gòu)樓蓋由振動(dòng)控制時(shí)的計(jì)算跨度。

杜浩等[50]結(jié)合我國(guó)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(dòng)性能的控制指標(biāo),對(duì)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(duì)比,將國(guó)外和國(guó)內(nèi)在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)控制指標(biāo)方面的研究分別歸納于表1和2中。

表1 國(guó)外現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)控制指標(biāo)

表2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)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(dòng)控制進(jìn)展主要有以下特征:

1)從實(shí)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(dòng)控制指標(biāo)在不斷更新。

2)從非定量到定量,簡(jiǎn)單到復(fù)雜,靜載(態(tài))到動(dòng)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(dòng)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(dòng)與使用者舒適度的關(guān)系;從主觀評(píng)價(jià)、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(duì)人致荷載等動(dòng)態(tài)激勵(lì)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(dòng)與控制研究已經(jīng)有了豐碩的成果。研究對(duì)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、原位測(cè)試、主觀評(píng)價(jià)和有限元分析等;研究?jī)?nèi)容主要包括靜載(態(tài))撓度、自振頻率、振型、阻尼、激勵(lì)響應(yīng)速度與加速度等;振動(dòng)控制從定性控制發(fā)展到定量控制,靜載(態(tài))發(fā)展到動(dòng)載(態(tài))及動(dòng)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(shí)現(xiàn)建設(shè)人類美好家園的設(shè)想,我國(guó)提出“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展目標(biāo)。在建筑行業(yè),推動(dòng)綠色建筑和裝配式建筑的發(fā)展成為降低碳排放、實(shí)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(dòng)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(dòng)與控制研究趨勢(shì)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(guó)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(shí)代發(fā)展和工程需求,研究新樓蓋體系的振動(dòng)特性及控制方法。

2) 研究?jī)?nèi)容與方法與時(shí)俱進(jìn)。經(jīng)過多年積累,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)與控制研究已從樓蓋自身振動(dòng)模態(tài)參數(shù)發(fā)展到與人體感知相關(guān)的振動(dòng)舒適度等多因素參數(shù)。主觀評(píng)價(jià)方面,目前我國(guó)還缺少相關(guān)的調(diào)研積累,隨著實(shí)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(guó)的振動(dòng)舒適度指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)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(guó)有關(guān)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋振動(dòng)控制指標(biāo)還不是很詳盡,僅在《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50005—2017)[57]中,給出了樓蓋格柵振動(dòng)控制的計(jì)算方法。《裝配式木結(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(duì)振動(dòng)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(guó)發(fā)布了《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)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(duì)其振動(dòng)與控制進(jìn)行研究將會(huì)為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展和應(yīng)用提供保障。