輕鋼組合樓板舒適度性能綜述★

張秀華 孟毅豪 鄂云龍 李 卓

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著科學技術的進步與發展，新的建筑材料與建筑形式日新月異，但他們都朝著輕質高強方向發展。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定，對薄壁型鋼梁與輕質板材組合樓板振動性能的研究才剛剛起步，國內規范尚無明確的設計方法和評價標準。并且國內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論的相對較少。結合國家對裝配式結構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分析。

輕鋼結構重量輕，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能環保。如今大多數鋼材構件都在工廠加工，無需現場制備，質量有保證。輕鋼結構重量輕，成本低，現場施工周期短。此外，輕鋼結構基本上沒有濕作業，不會產生灰塵和污水等污染。輕鋼結構構件具有截面面積小，立柱細，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板材組合的樓板在未來建筑行業有很大的發展潛力。

1 國外相關研究

1.1 瑞典Ohlsson準則[1]

瑞典學者Ohlsson研究木結構輕質樓板體系十幾年，并提出了相應的設計指南。該準則包括了對樓板跨中靜力撓度及振動性能限值的相關規定及計算方法。他提出的算法可用于各種材料和構造的輕鋼組合樓板。

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 澳大利亞準則[2]

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

澳大利亞準則要求，當向樓板跨中施加1 kN靜力荷載時，其撓度不應超過2.0 mm。計算時在Ohlsson給出的計算方法的基礎上，提出了修正系數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準則[3]

Onysko準則建立在大量樓板測試和評估基礎上。測試期間，向每個測試者發送一份調查問卷以填寫他們在測試期間的主觀感受。結果表明，動載作用下的動態響應和靜載作用下的撓度是地板舒適性的兩個主要參數。由于計算沖擊載荷的動態響應需要事先知道地板阻尼比，因此Onysko放棄提出動態響應設計標準并僅限制靜態撓度。

Onysko準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準則[4]

Johnson準則中建議，當樓板在僅承受自身重量時，自振頻率應大于15 Hz。Johnson從大量靜載試驗得出結論，組合樓板覆面板對整體撓度的影響可以忽略不計。可以采用單根梁的慣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。但該準則僅適用于未居住的樓板。

2 國內相關研究

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，并通過相應算例進行了驗證。其結論為組合樓板在梁端固結時，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為15 Hz。

王娟[6]通過對美國弗吉尼亞理工學院和加拿大滑鐵盧大學試驗與有限元分析進行總結對比，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為2.0 mm，自振頻率大于15 Hz。

姜南標等[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，從自振頻率指標角度來看，木樓板的振動舒適性優于混凝土樓板；但木樓板在行走荷載作用下的振動響應遠大于混凝土樓板的振動響應，這表明木樓板在動載荷作用下的振動幅度相對較大。從振動響應指數來看，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兩個指標來評價木樓板振動舒適性；當木樓板的振動舒適性不能滿足相關要求時，可以采用限制樓板的尺寸，改變結構體系等方法來提高樓板的自振頻率。

結合我國林業資源匱乏，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1 min左右。經測試發現組合樓板靜力撓度均小于1 mm，自振頻率均大于15 Hz。結合國外相關標準與國內學者提出的建議，該組合樓板滿足舒適度的要求。

3 結語

國外對組合樓板振動性能的研究比較成熟，并在各國的規范中形成了相對完善的評價標準，而我國規范目前還沒有提出組合樓板的振動舒適度控制標準，沒有通用的設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。

由各國規范與國內學者相關研究得出結論，1 kN靜力荷載作用下樓板跨中撓度限值為2 mm，對舒適度要求嚴格的宜小于1.5 mm；動力荷載作用下樓板自振頻率應大于8 Hz，對舒適度要求嚴格的宜大于15 Hz。