木结构建筑楼盖结构振动性能的研究进展

朱 昊， 黄俣劼， 王 正*， 王韵璐

(1.南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

近年来，我国装配式轻型木结构建筑行业得到迅速发展。除对建筑要求须具备的安全条件外，对建筑的舒适度也提出了更高要求。在木结构建筑中，屋盖、楼盖和墙体是其三大结构系统，其中木楼盖是最常见的结构系统，且是与居住者身体有接触的系统。

由于木楼盖结构系统在使用过程中，易受外界作用产生显著的动力振动响应，所以常常给人们带来不舒适感，其主要原因是人或物品在居住环境中的动力运动所致，如行走、跑跳、物体坠落等，均易造成木楼盖结构的振动，这会影响使用者对建筑的舒适性要求。

目前，我国木结构行业对装配式木建筑的楼盖振动性能研究尚处于起步阶段，仅在《多高层木结构建筑技术标准》(GB/T 51226-2017)中提及了楼盖振动性能指标要求[1]，使木结构建筑楼盖结构振动性能满足使用者对其舒适性的要求。加强对各类木结构建筑楼盖结构的振动性能研究，是当前和将来我国木结构建筑行业研究的重点目标之一。

1 建筑楼盖结构振动性能技术标准

国外的，尤其是欧洲、北美和日本等发达国家的建筑标准化发展工作较我国成熟。世界标准组织(ISO)在建筑振动舒适度方面也制定了三项国际标准。即，《Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration-Part 1：General requirements》(ISO 2631-1：1997)[2]，该标准主要评估处于振动中人体的感受与振动；《Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration；part 2：vibration in buildings(1 to 80 Hz)》(ISO 2631-2：2003)[3]，该标准主要用于评估在1～80 Hz建筑物振动下人的振动感知；《Bases for design of structures-serviceability of buildings and walkways against vibrations》(ISO 10137：2007)[4]，主要介绍房屋和人行桥在振动下的舒适度。ISO标准衡量振动舒适度指标主要为通过频率计权的均方根加速度，其频率计权函数式的表示为人对振动感受与频率的关系。

北美方面，2005年美国土木工程协会提出了一个商业环境楼盖系统的ASCE振动标准，规定一个450 ib(约2 kN)力作用在建筑楼盖的任意位置，其楼盖最大变形量不超过0.02″(0.508 mm)；加拿大标准委员会和Murray则提出商业环境下，建筑楼盖系统的固有频率应大于8 Hz，从而使行走激励造成的共振程度达到最小化。

欧洲方面，英国主要有《Guide to evaluation of human exposure to vibration in buildings Part 1：Vibration sources other than blasting》(BS 6472-1：2008)[5]。该系列标准采用类似ISO标准的舒适度基线法，且对不同使用用途的楼盖振动舒适度评估中所使用的乘数因子也相似。该方法采用振动剂量值(VDV)和估计振动计量为指标，其精确性主要取决于所选择的时间间隔，没有采用固定的舒适度限值，而是采用不同振动剂量来协助判断楼盖舒适度。

德国标准主要有《Vibrations in building》(DIN 4150)、《Human Exposure to Mechanical Vibrations》(VDI 2057)(机械振动对人体的影响)两个标准。DIN 4150主要适用于在1～80 Hz范围内的所有振动。其引入振动强度KB(t)指标来评估振动，根据不同的振动环境及不同类型的建筑物给出了相应的评估值。德国VDI系列标准中采用舒适度指标K。

荷兰标准SBR指南《Standard Busines Reporting》与德国DIN标准相似，即也采用对两个振动量的评估，基于评估在结构发生共振时所测响应的均方根值。

挪威标准《Vibration and Shock-Measurement of Vibration in Buildings from Landbased Transport and Guidance to Evaluation of Its Effect on Human Beings》(NS 8176)采用95%上限值来评估振动的不舒适度，该值通过多组振动测量得到，因此该方法对于振动的测量要求较高[6]。

建筑楼盖标准主要分为挠度控制、频率控制、加速度控制以及一些其他控制。挠度控制方面，国际钢结构标准规定，在可变荷载标准值作用下，钢梁挠度不超过跨度的l/360，还提出当楼板结构自振频率超过9 Hz时，楼板结构的最小静刚度不应小于1 kN/mm；美国土木工程协会提出，如果将1 kN的集中力作用在楼板的任意位置，楼板最大变形不超过0.25 mm[7]。频率控制方面，加拿大则建议商业用途的楼盖结构自振频率应大于8 Hz，从而使行走激励造成的共振最小化[8]。

我国近年来建筑楼盖振动研究的标准化工作呈现出良好的发展态势。在建筑楼盖结构挠度控制方面，《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)[9]规定，主梁与桁架在变荷载作用下的挠度不应超过跨度的l/500，次梁和楼梯梁在变荷载标准值作用下的挠度不应超过跨度的l/300[10]。在建筑楼盖结构固有频率控制方面，《组合楼板设计与施工规范》(CECS 273)[11]提出组合楼盖的自振频率不宜小于3 Hz。CECS273-2010中规定的振动峰值加速度限值见表1。

表1 振动峰值加速度限值

由于我国现代木结构建筑发展起步较晚，其相应的标准相对混凝土建筑也滞后。目前《木结构设计规范》(GB 50005—2017)[12]、《装配式木结构建筑技术标准》(GB/T 51233—2016)[13]中，均未涉及楼盖振动内容，但《多高层木结构建筑技术标准》(GB/T 51226—2017)中，已有建筑振动方面的相关规定。

2 木建筑楼盖结构振动理论研究

木建筑楼盖结构振动理论于1985年源于国外。最早控制木建筑楼板振动问题是采取限定一个特殊均布载荷下搁栅的静态扰度来确保足够楼板刚度的措施[14]。1985年，加拿大协会制定了《Commentary A：Serviceability criterion for deflections and vibrations》标准，过去常采用这种措施避免非结构构件的断裂、门和墙变形等问题的发生[15]，现如今仍有很大影响力。但这种措施计算基础是单个搁栅，而楼板本身是双向运动系统，因此存在一定的局限性。尽管使用静态参数扰度可以控制一些振动，但效果不明显。

为了能使楼盖振动通过不同参数组合的限定来保证，1988年，Ohlsson[16]首先提出了动态参数法，结合理论推导，并进行了试验验证。他认为，对于固有频率8 Hz以上的轻型木结构楼盖，应检验其静态挠度与脉冲峰值速度两个参数是否满足要求，即在楼盖中心施加1 kN荷载下楼盖的静态挠度<1.5 mm和脉冲峰值速度<100[f(1)ξ-1]m/s。同时Ohlsson[17]还提出了四边简支矩形楼盖系统的脉冲峰值速度算式与计算楼盖基频的算式。Ohlsson的研究方法[18]被瑞典建筑研究委员会设计指导书与欧洲规范的委员会所采用。

为了从结构固有频率方面减少木楼板振动问题，1990年Smith等[19]提出了楼盖一阶固有频率f(1)和频率加权均方根加速度arms的两个计算公式，适用于短跨度搁栅。他们提出了楼盖固有频率与频率加权均方根加速度的限定条件为f(1)>8 Hz，频率加权均方根加速度<0.45 m/s2。英国标准《Guide to evaluation of human exposure to vibration in buildings Part 1：Vibration sources other than blasting》(BS 6472-1：1992)[20]依据此研究进行了规定，采用频率加权均方根加速度的计算来评价建筑振动性能。2000年，Hu[13]提出各参数组合限定标准的几种形式公式，如楼盖固有频率和静态挠度，楼盖固有频率和速度峰值，楼盖固有频率和加速度峰值，楼盖固有频率和加速度RMS值等。这些参数组合均成为楼盖设计标准很好的借鉴[13]。国外对木楼盖振动问题限定参数的研究，其时间发展历经限定均布活载荷挠度，限定集中载荷挠度，限定集中载荷挠度和脉冲峰值速度，限定基本自振频率，限定基本频率和频率加权均方根加速度以及限定参数组合六个阶段。

振动理论目前研究的重要成果是提出了楼盖固有频率和静态挠度、楼盖固有频率和速度峰值、楼盖固有频率和加速度峰值、楼盖固有频率和加速度RMS值等几种参数组合的限定标准形式公式，目的是从楼盖结构的固有频率方面来研究楼盖减振问题。然而，现存的标准应用方面局限性较大，缺乏验证性和广泛适用性。如BS 6472-1：1992中采用频率加权均方根加速度的计算来评价建筑振动性能时，其结果仍未得到充分验证。楼盖振动通过不同参数组合的限定来保证的整个过程中，其理论值缺乏精确地验证。同时，随着自振频率的增加，其研究楼盖振动的数学模型更加复杂，准确性也就越低。

3 木建筑楼盖结构振动性能试验研究

国外研究人员对楼盖振动研究的成果丰富。早在1969年，Lenzen 等[21]尝试建立单足落步冲击模型，发明了一种后脚跟试验方法来做楼板振动源。20世纪70和90年代，Hu[22-23]在加拿大全国进行了大规模木楼板现场测试，研究发现所有木结构楼板的基本自振频率都在10 Hz以上。2004年Hu等[24]研究了一种控制木地板正常行走引起振动的设计方法。2010年，K.Jarnerö等[25]对在不同的建造阶段、在不同边界约束条件下，在试验室测试了预制木结构建筑楼盖单元的固有频率、阻尼比和模态振型。其结论表明，在不同状态下测试楼盖的阻尼比与模态振型有较大差别。2011年，Saidi I等[26]提出一种新式的被动黏弹阻尼器，以减少地板振动。该阻尼器可被容易地调节到地板的固有频率，且可被设计成各种阻尼值。2012年，SepidehAshtari[27]采用ANSYS进行模拟分析，研究测试了包括刚性与柔性连接不同连接方式的正交胶合木(CLT)楼盖的平面刚度和建筑抗剪力墙横向荷载关系。2015年，Gubana A[28]研究不同的结构、测试设备、边界条件、楼盖的纵横比等条件对弯曲刚度与面内刚度的影响，提出了加强基于木材或木质复合材料使用的干预措施，以便正确评估建筑楼盖面内的机械性能，并确定在横向地震荷载下的建筑结构响应。

2016年，Rijal R等[29]对带有6 m、8 m跨度梁的木结构建筑楼盖进行了模态试验，分析其固有频率、阻尼比和振型。试验表明，模态试验结果与其预测值之间具有良好的相关性。同年，Weckendorf J等[30]介绍了CLT楼盖的低振幅动态响应的模态试验成果。该研究分析了平面纵横比、支撑条件和CLT类型等变量对楼盖结构振动性能的影响，试验数据的提取和分析侧重于模态频率和阻尼的确定。

我国在楼盖结构的振动性能研究中亦取得一定成果。2006年，周海宾分析研究人脚步产生的激励，对不同结构的轻型木结构楼盖进行了模拟，并分别采用集中荷载、模态试验、冲击激励测试和强迫振动测试四种方法试验，提出在木楼盖减振设计上必须使用静态挠度与基频双指标及以上的设计体系；研究振动量的三个指标值(加速度峰值、速度峰值和加速度均方根值)。当其值越低，其楼盖结构振动性能的改善程度越高。其中，加速度峰值表征最为显著，其次是速度峰值，最后是加速度均方根值。2008年，周海宾等[31]全面总结木楼盖振动适用性设计方法研究方面的进展，指出木楼盖现行设计规范存在的问题和木楼盖振动研究的发展方向，对构建我国木楼盖振动适用性设计方法方面具有重要意义。2009年，韩小雷等[32]通过编制程序实现了人行荷载的仿真并得到人行荷载时程，通过数据流的导入导出实现楼盖振动的有限元分析，归纳出了楼盖振动的加速度反应谱方法，能反映楼盖结构的动力特性与荷载的时程特性。2018年，王韵璐[33-34]对一栋二层轻型木结构房屋的楼盖结构进行了振动性能测试与分析研究。对该楼盖结构进行了有限元计算与分析、静态荷载测试与分析、模态试验与分析、环境激励与冲击激励下的振动测试与分析。主要研究结论如下：①有限元模拟计算的楼盖结构基频值与依据均布荷载下发生位移所计算的预估基频值和模态试验的基频值基本吻合[35-37]，并符合楼盖固有频率不小于5 Hz的建筑舒适度标准要求[38]；②该楼盖在均布荷载下经ANSYS计算的位移值为2.265 9 mm，符合FHA标准规定的小于l/360，即6.556 mm的要求。③该楼盖在1 kN集中荷载下的9个测点挠度值为0.620～1.256 mm，与ANSYS计算值的平均误差为13.5%，满足标准要求。④该楼盖结构在环境激励和冲击激励方式下实测的基频值均高于5 Hz，可满足木建筑舒适度要求；冲击激励方式下实测加速度峰值最大值为407.2 mm/s2，处于明显感觉到与感觉不舒服之间；速度峰值最大值为5.606 m/s，满足建筑舒适度标准要求；速度有效值的最大值小于0.45 m/s，满足建筑舒适度要求。

木楼盖结构的振动性能试验研究中，目前研究的重要成果主要体现为：①采用楼盖结构的自振频率、振动幅值和静态挠度相结合的评价方法，有助于更好地改善楼盖结构振动性能；②通过对建筑楼盖振型、自振频率和阻尼比等动态测试，研究了一些建筑楼盖结构、平面纵横比、边界条件和仪器设备等对其测试结果的影响，以便于优化楼盖结构的安全与舒适度设计工作；③依据相关标准，采用模态振动、自由振动的方法并运用瞬态激励、环境激励、冲击激励等不同激励方式，对一些类型的建筑楼盖结构开展动力特性研究；④采用通过黏弹阻尼器的主动隔振方法来降低楼盖结构振幅等，满足居住舒适度要求。其不足表现为：①测试中不能较好或没有提供激励点位置选择、测点布置，如何消除附加质量的影响等信息，在一定程度上影响其结构动力特性测试结果的准确度；②混凝土，钢结构建筑楼盖振动的舒适度研究成果较多，而木结构建筑则极少；③对木结构建筑楼盖振动特性而言，因其缺乏一定的基础理论研究，故不能较好地解决其试验模型与楼盖结构实际特征之间的近似程度这个关键问题；④对混凝土建筑楼盖结构采用主动隔振方法仅局限于使用黏弹阻尼器技术，且不能较好地反映阻尼器选型及其励磁电压大小的可控精度与减振可靠性等内容，因此在木结构建筑楼盖振动舒适度研究中，应着重针对楼盖结构的优化设计，在相关理论计算、提高测试精度技术及其分析水平等诸多方面下功夫，为制订和完善我国的相关标准，促进行业发展而努力。

4 展望

目前，由于我国对木结构建筑楼盖振动性能技术的研究尚处于起步阶段，在借鉴国外木结构建筑楼盖振动研究成果及其国内前期成功经验的基础上，亟需加强其基础应用性研究等一系列技术管理工作。

(1)加强木结构建筑楼盖振动舒适度设计的理论研究，制订相关标准。①通过理论研究，按建筑用途分类确定木结构建筑楼盖结构的第一阶竖向自振频率限值和竖向振动峰值加速度限值。②对用于行走激励和用于跳舞、演唱会、体育比赛、健身操等有节奏运动的木建筑楼盖结构，在结构设计时应进行楼盖振动舒适度设计。一方面，要给出楼盖竖向自振频率的算式，确定第j阶荷载频率对应的有节奏运动荷载、有节奏运动的荷载频率取值及其动力因子、阻尼比和相位角取值等；另一方面，在竖向振动加速度计算中，应将楼盖结构分成可简化为单自由度体系和结构布置复杂两种类型。要给出楼盖竖向振动的有效最大加速度和楼盖振动峰值加速度近似公式。特别是当楼盖结构布置复杂时，应根据结构边界条件、实际受力情况进行合理简化，建立符合实际情况的有限元计算模型。根据楼盖竖向自振频率的计算结果，合理选择楼盖不利振动点和有节奏运动的第一阶荷载频率。同时，按有节奏运动的类型，依据构建第j阶荷载频率对应的有节奏运动荷载函数，确定其时长和积分时间步长的限值。③当室外振动较大且建筑距离室外振源较近时，应进行楼盖室外振动竖向振动舒适度设计。首先，室外振动的荷载宜采用现场类比实测与有限元模型动力计算相结合的方法确定。其次，针对室外振动引起的建筑物基底振动，应选择与建筑物周围振源状况、主要振源距离、建筑物体量、类型、基础深度、基础形式、地基土性质类似的既有建筑物实测确定。再次，对于建筑物基底输入振动波的测量，应考虑测点布置于建筑物四角及中部的柱、墙底部位置，测点数的限定，各测点同步测量竖向加速度时程以及传感器频带和采样频率的选定等。最后，室外振动引起的楼盖竖向振动加速度宜采用时程分析方法。④确立合理的楼盖挠度指标与动力指标的关系式。

(2)采取减振或隔振措施等方法，加强木建筑楼盖结构振动舒适度的优化设计。如，可采用加强筋等提高其刚度、增加阻尼器等控制共振频率、调整振源位置等控制手段。

(3)提升木建筑楼盖舒适度的动态测试水平。为了准确、可靠地测得木结构建筑楼盖的自振频率、阻尼比、时域和频域曲线、振动峰值加速度等，应做好其测点布置、检测仪器、检测工况等一系列动态检测工作。①测点应布置于振动敏感处，且楼面平坦、坚实。每一测点布置的传感器应与测试振动方向一致。②采集数据前应对检测系统安装、连接以及参数设置进行检查，避免回路干扰，确保检测系统处于正常工作状态。检测过程中，应保持建筑内外部振源处于正常工作状态，避免突发振源的干扰。③应根据建筑楼盖使用类别，采集典型工况的数据。④传感器宜采用加速度型传感器，并给出合适的频率范围和动态范围及其采样频率限值。⑤放大器应采用带低通滤波功能的多通道放大器，确定其振幅一致性偏差和相位一致性偏差范围。⑥采集仪应采用多通道，确定其动态范围，并具有抗混叠滤波功能。⑦数据采集与分析软件应具有多通道显示功能及频谱分析功能。

(4)开展对木结构建筑楼盖结构住宅的住户活动进行长期监测工作，通过分析其自振频率、加速度响应和脉冲峰值速度响应的监测数据，验证模型建立方法、参数选取等理论方法的正确与合理性。

(5)加大熟练掌握专业理论和试验技能木结构建筑工程专业人员队伍的建设力度。

通过介绍国内外楼盖结构振动性能在技术标准、理论和试验等方面的研究进展，以及针对现存不足提出高度重视木建筑楼盖结构振动理论研究工作等，给出符合我国木楼盖振动研究发展的主要措施，为我国装配式轻型木建筑楼盖结构振动性能的研究发展提供依据与参考，以满足使用者对木建筑楼盖结构振动舒适性的实际需求。