现代木结构楼盖振动与控制研究进展

文 博,杨会峰,史本凯

(1.三江学院 建筑学院,江苏 南京 210012;2.南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京 211800)

近年来,随着工程技术的创新,新型现代木结构建筑在我国出现并迅速发展,它具有低碳环保、绿色宜居等优点,符合国家“碳达峰、碳中和”目标、绿色建筑以及工业化装配式建筑发展理念,是我国建筑业的重要组成部分和发展方向[1]。

现代建筑中的楼盖体系,不仅需要满足承载能力要求,更受正常使用状态要求的控制。由于木材的物理特性,使得木结构在外界荷载作用下产生的响应较大,其中楼盖振动问题较为显著。楼盖性能存在缺陷会给使用者带来不舒适感,对建筑质量有较大影响,降低使用者的工作效率和生活质量。过大的楼盖振动也会给使用者带来负面心理影响,使人们对木结构建筑的安全性产生质疑,甚至还会影响到结构安全,从而制约现代木结构的发展。

国外对现代木结构楼盖振动的相关研究主要集中在北美及欧洲等广泛使用木结构的地区,这些地区的相关研究开展较早,已形成了一套可用于指导工程设计的控制标准。例如,加拿大建筑规范(National building code of Canada,NBCC)[2]规定通过限制楼盖在1 kN荷载下的挠度来控制格栅式木楼盖的过大振动。欧洲规范5(Eurocode 5,EC 5)[3]规定了木楼盖的基本固有频率、1 kN集中荷载下的挠度以及脉冲峰值速度3个控制指标。由于我国从20世纪60年代开始,经历了木结构发展的停滞期,国内相关研究比较滞后。进入21世纪后,中国林业科学研究院的周海宾等[4-6]对格栅式木楼盖的振动性能进行了研究，并梳理归纳了其控制设计方法。近年来,南京林业大学的学者们[7-9]也对木结构楼盖的振动性能做了探索研究。对比国外已经有明确的规范条文,国内还尚未形成木结构楼盖振动控制的标准规范。

目前,现代木结构正从轻型木屋别墅向多高层和大跨度建筑发展,对木楼盖构件的性能要求不断提高。随着我国《多高层木结构建筑技术标准》(GB/T 51226—2017)[10]的颁布实施,现代木结构在我国多高层建筑的应用正式拉开帷幕,木楼盖的振动缺陷是急需解决的关键问题,了解现代木结构楼盖振动的研究进展十分必要。因此,本文对现代木结构楼盖振动与控制的相关研究现状进行梳理、归纳总结,以期为我国木结构楼盖振动与控制研究提供参考。

1 现代木结构楼盖类型简介

目前,现代木结构楼盖类型主要可分为3类,分别是格栅式木楼盖、新型重木楼盖、木-混凝土组合(TCC)楼盖,如图1所示。

由图1(a)可知:格栅式木楼盖由格栅托梁和覆面板构成主体,上部可再浇灌混凝土覆面层,下部一般吊有天花板。格栅托梁有矩形梁、工字梁、桁架梁等形式,其材料可以是实木、工程木制品或金属。图1(b)为以正交胶合木(CLT)为代表的新型重木楼盖,CLT由规格材正交层叠胶合而成,尺寸可以定制,能够很好地解决木材各向异性的问题,有较好的力学性能。由图1(c)可知:木-混凝土组合楼盖一般将木材和混凝土两种材料通过连接件进行组合,TCC楼盖结合了混凝土和木材的优点,有较好的物理性能。

图1 现代木结构楼盖类型示意图Fig.1 Schematic diagram of modern timber floor types

2 木结构楼盖振动性能

楼盖是人体与建筑结构接触最为密切的构件。对民用建筑来说,如果楼盖的性能不佳,人们在建筑中的行走、跳跃、跑动等行为会使其产生明显的振动从而影响舒适性,甚至引起共振,危害结构安全。楼盖的振动性能与其自身的质量、刚度和阻尼等因素有关,同时又与激励方式、响应特征以及人的感受有关。木结构楼盖类型较多,各类楼盖的构造细节又十分多样。因此,现代木结构楼盖的振动是一个较复杂的问题。不过,经过学者们数十年的辛勤努力,已经积累起十分丰富的研究成果。针对现代木结构楼盖的振动性能研究,目前主要集中于格栅式木楼盖、CLT楼盖以及TCC楼盖等类型。

2.1 格栅式木楼盖振动

国外对现代木结构楼盖的振动研究较早,起始于格栅式木楼盖的自身性能研究。Hurst等[13]通过试验对比研究了不同格栅尺寸以及施工阶段对楼盖振动性能的影响,发现格栅尺寸以及施工阶段会引起刚度和负荷的变化,从而影响楼盖的自振频率,但对楼盖系统的阻尼没有明显的影响。普通住宅格栅式木楼盖系统的固有频率范围为10～15 Hz左右,不会因为使用者的行走而发生共振(常见人致荷载频率:步行1.0～2.5 Hz,跳跃1.5～3.5 Hz,跑动1.0～4.0 Hz[14])。

振动性能参数是客观的物理量,而是否满足舒适度要求还需要结合人们的主观感受进行评价。Onysko[15]对木结构楼盖振动性能进行了较大规模的原位试验,基于对大量居住建筑格栅式木楼盖的现场测量,结合居民调查问卷,发现楼盖受集中荷载所产生的挠度与居住者舒适度有明显的相关性,可作为评价楼盖振动性能的分析指标。Ohlsson[16-17]采用动载(态)试验与主观评价相结合的方法,对格栅式木楼盖的振动性能进行研究,通过对人们感知振动的相关参数与楼盖振动性能客观指标进行分析,得出结论:楼盖的自振频率应大于8 Hz,同时应限制楼盖中心挠度与脉冲峰值速度。

随着研究的深入,对楼盖构造的考察不断精细,试验方法不断发展,研究的指标也越来越丰富。Hu[18]对格栅式木楼盖进行了较大规模的现场实地研究,楼盖的格栅类型包括实心锯木和工程木产品,其中一些木楼盖还包含顶部混凝土覆面层以及天花板,利用坠球落地模拟脚步荷载进行了动载(态)试验,结合人员的主观评价,评估了这些木楼盖的静载(态)挠度、自振频率、阻尼比、峰值速度、峰值加速度等多个振动性能参数,开展了现代木结构楼盖振动性能指标丰富化、综合化的研究。

除了楼盖客观性能参数以及与人们主观感知相结合的评估研究外,学者们对建筑物使用方式以及建筑类型对楼盖振动性能的影响也开展了研究。Dolan等[19]对约100个格栅式木楼盖进行了现场试验,楼盖的格栅类型包括矩形梁、工字梁和平行弦桁架梁等,试验考虑了楼盖在空置和使用情况下不同的振动性能,提出了以不同状态下的基本自振频率作为木结构楼盖振动性能是否可接受的控制准则。Toratti等[20]基于格栅式木楼盖的现场试验和实验室研究,结合楼盖的振动特性,将住宅和办公建筑的楼盖振动分为5个等级,并针对不同的等级给出了控制参数和相应限值建议。

随着现代木结构体系在国内的应用发展,我国研究人员也开始关注木结构楼盖振动问题,并进行了研究探索。周海宾等[4-6]较为系统地总结归纳了格栅式木楼盖控制设计方法的研究进展,并对实木以及木桁架格栅式楼盖进行了试验研究与主观评价,通过理论分析初步给出了我国实木锯材以及木桁架格栅式楼盖振动控制设计方法,并建议以自振频率10 Hz作为区分轻型和重型木桁架格栅式楼盖的依据。王韵璐[7]对一栋二层装配式木结构建筑格栅式楼盖的振动性能进行了研究,现场测试了楼盖在静态均布和集中荷载下的挠度,模态参数如固有频率、振型、阻尼以及激励响应的速度和加速度,并利用有限元软件进行了对比分析。卢尧等[8]对一种格栅式木楼盖进行了挠度测试与有限元分析,测量了均布荷载和1 kN集中荷载下的挠度,通过对比表明该木楼盖满足指标要求。谢文博等[9]对格栅式木楼盖进行了模态试验和有限元分析,证明了基频和振型等指标满足舒适度要求。

2.2 CLT楼盖振动

随着木材产业的不断发展,为了满足现代木结构多高层建筑的应用,以CLT为代表的新型重木结构楼盖体系逐渐成熟并应用于工程实践,在此背景下,对振动性能的研究也紧跟开展。Gagnon等[21]通过实验室和现场测试发现,CLT楼盖的振动行为与格栅式木楼盖和混凝土楼盖的振动行为不同。Homb[22]对CLT楼盖进行了广泛的现场和实验室研究,发现目前的格栅式木楼盖振动控制方法初步适用于CLT楼盖,但静载(态)挠度以及自然基频指标还需进一步研究。

在楼盖自身客观参数中,固有频率是判断其振动性能的重要指标,不少学者将CLT楼盖的固有频率作为重点研究内容。Jarnerö等[23]分别通过实验室和现场试验,研究了CLT楼盖在不同安装阶段的振动特性变化,CLT楼盖的振动特性会随着其被整合到结构系统中而发生改变,覆面层、配件和固定装置等均会影响CLT楼盖的质量和刚度,从而影响其固有频率。Maldonado等[24]在实验室对CLT楼盖系统进行了振动试验,研究了CLT楼盖在不同支撑条件下的振动特性,分别测试了两边和四边简单支撑的情况,得出了不同情况下楼盖的固有频率,该研究还调查了在楼盖四周用螺丝钉固定CLT板对楼盖振动性能的影响,得出的结论主要为:对于两边支撑的楼盖系统,随着CLT板宽度的增大,固有频率基本保持恒定;对于四边支撑的楼盖系统,固有频率随CLT板宽度的增大而减小;沿楼盖周边使用螺丝钉固定CLT板,会增大CLT楼盖结构的固有频率。

为了更深入地了解楼盖的振动性能,除了固有频率外,学者们还对CLT楼盖的阻尼比、振型等模态参数以及楼盖的细节构造、安装方式等变量进行了全面的研究。Weckendorf等[25]通过试验研究了CLT板层数、连接方式和支撑条件等对CLT楼盖结构振动性能的影响,研究内容主要为模态振型、频率和阻尼的确定,并将振动适用性设计准则应用到CLT楼盖体系中,提出“现有简单经验公式除了基频外并不能准确预测其他参数,CLT楼盖适用性的准确评估需要基于特定的施工情况进行完整的分析”的观点。Ussher等[26-27]对CLT楼盖进行了试验研究,结合有限元分析提出了精确预测模态频率的方法,分析了高阶振型对振动性能的影响,并基于工程设计变量对CLT模态响应的影响进行了数值和试验研究,结果表明:CLT板平面几何形状、支撑条件、施工方法等显著影响CLT楼盖系统的动力响应特性。

在楼盖客观参数与人的舒适度关系方面,Hu等[28]在实验室环境下对CLT楼盖进行了集中静载(态)试验、模态测试、动力测试以及相应的人员主观评价,试验参数包括CLT板厚度、楼盖跨距、节点类型、连接和支撑条件等,提出了CLT楼盖的振动控制设计方法,该方法能较好地预测CLT楼板的振动性能,且与主观评价结果相吻合,还可直接由刚度和质量计算出由振动控制的CLT楼板最大跨度。

近两年来,我国学者对CLT楼盖振动性能也开展了初步研究。关于楼盖自身特征方面,Huang等[29]采用现场测试和数值模拟方法,研究了楼板边界支撑梁对CLT楼盖振动性能的影响,结果表明:支撑梁间距对控制楼板的抗弯刚度具有重要作用,对保证楼板的正常使用和舒适性具有重要作用;随着梁尺寸的增大,单向和双向承重楼盖的振动响应差异减小;当梁尺寸减小时,单向和双向支撑CLT板振动响应的差异变得显著。关于楼盖的舒适性方面,Wang等[30]通过数值模拟、试验和理论分析,建立了多人荷载作用下CLT楼板的人致振动分析及预测模型,并通过试验验证了数值模拟的正确性,数值模拟和试验结果表明:CLT楼板在多人荷载作用下的振动响应几乎是单人荷载作用下的两倍,多人活动更容易引起使用者的不适感。上述研究利用振动剂量值(VDV)方法对实测响应、数值模拟响应和预测响应进行了比较,发现结果具有一致性。因此,提出的预测方法可以应用于实践,为工程师设计考虑多人荷载的木楼盖系统提供了方法与依据。关于楼盖减振技术方面,Huang等[31]利用OPENSEES软件,通过数值模拟方法评估了基于形状记忆合金(SMA)的调谐质量阻尼器(TMD)在足尺木地板上控制自由振动和行人引起振动的有效性,仿真结果表明：这一方法可以有效地降低结构在较宽频率范围内的响应,从而抑制足部振动。Huang等[32]为了减少人为引起的CLT板振动,开发了基于钢材和基于SMA的TMD系统,并通过试验测试了系统降低CLT板振动的有效性,得出基于SMA的TMD系统在减少如单人/两人慢走、快走和跑步等人为引起的振动方面比基于钢材的TMD系统更为有效。

2.3 TCC楼盖振动

TCC构件有着较好的隔振和防火性能,与纯钢筋混凝土构件相比,具有质量轻、便于运输装配等优点;与纯木构件相比,TCC构件的抗弯刚度、隔声、隔振和耐火性能均得到明显提升[12]。早在20世纪20年代,德国人Muller就已开发出木-混凝土组合体系并申请了专利。TCC结构在欧美国家被广泛用于木结构建筑的翻新加固和桥梁工程。近年来,TCC楼盖技术在建筑工程中得到了迅速发展和应用[33]。为评估TCC楼盖的振动性能,学者们开展了相关研究。

TCC楼盖的构造复杂多样,对楼盖组成构件进行振动性能研究是十分重要的切入点。Deam等[34]进行了木-混凝土组合梁的动载(态)试验研究,试验结果表明:引入混凝土板有效降低了木楼盖的振动敏感性;试验所采用的木-混凝土楼盖系统的固有频率和加速度不在人类感知灵敏范围内,使用者舒适感较好。Ghafar等[35-36]对单板层积材(LVL)木梁和LVL-混凝土组合梁进行了振动试验,识别出固有频率和阻尼比,结果表明:混凝土改变了木梁原本的阻尼比和固有频率,跨度是影响木梁固有频率和阻尼比的重要参数,组合梁的固有频率和阻尼比均比纯LVL梁低;支撑条件对梁的阻尼比和固有频率的影响远大于混凝土层对梁的影响;跨的数量变化对固有频率和阻尼比的影响并不显著。Rijal等[37-38]利用试验结合数值分析，评估了TCC楼盖及梁的动载(态)性能,确定了被测楼盖的固有频率、阻尼比和振型等模态参数,利用5个理论预测模型对楼盖自振频率进行了对比分析,发现预测值与试验值吻合较好,为方便技术人员控制楼盖自振频率大于8 Hz的适用性要求,制作了楼盖跨度表。Rijal等[37-38]还发现:开槽连接的组合楼盖比螺丝钉连接的组合楼盖自振频率要高,开槽数目对阻尼比的影响比对固有频率的影响要大;对于使用要求比较高的木楼盖,仅评估其自振频率是否大于8 Hz是不够的,还需要额外满足峰值加速度和单位荷载挠度等指标要求。Mai等[39]对采用CLT板的TCC楼盖构件进行了足尺静、动力试验研究,试验通过5个试件考察了不同的连接方式对楼盖振动的影响,结果表明：TCC楼盖具有良好的强度性能,由于添加了混凝土,TCC楼盖的固有频率明显大于纯CLT楼盖的固有频率,远离了易使人类感知的4～8 Hz频率范围。

TCC楼盖中混凝土的添加是改变其性能的重要原因,添加混凝土对木结构楼盖振动性能的影响是学者们的重点研究内容。Skinner等[40]探讨了在原有木楼盖上增加一层混凝土后,楼盖质量和刚度的变化,并且对其进行了动力试验,结果显示:添加了混凝土后,楼盖的抗振动性能有很大提高;相比于增加混凝土面层、改变木材或混凝土等级,通过提高TCC楼盖连接件的刚度来调整基频更为经济。Santos等[41]对木楼盖和TCC楼盖进行了动力试验,探讨了在木楼盖上添加混凝土后自振频率的变化,结果表明：TCC楼盖的基频比原楼盖的基频降低了44%,该研究通过有限元模型分析了楼盖跨度、木梁间距、木梁高度、材料强度等级、混凝土板厚以及连接件刚度等参数对楼板振型和频率的影响。

连接件、支撑等构造细节也对TCC楼盖的振动性能有着十分重要的影响。Mertens等[42]对纯木楼盖、无连接件的TCC楼盖、有连接件的TCC楼盖进行了对比试验研究,结果发现:连接件在TCC楼盖的振动响应中起着至关重要的作用。Kulcsr等[43]研究了有梁柱支撑TCC楼盖的振动性能,建立了考虑支撑梁挠度和混凝土开裂截面的TCC楼盖自振频率计算模型,并基于试验研究和有限元数值分析对计算公式进行了验证。等[44]利用有限元方法研究了TCC楼盖的振动性能,提出了计算振动速度和加速度的模型,并给出了计算不同类型连接滑移模量的解析模型;该研究还发现与纯木构件相比，组合楼盖构件的刚度提高了4倍,承载能力提高了2倍。

在TCC楼盖的舒适度方面,Hamm等[45]对TCC楼盖进行了现场和实验室研究,研究内容包含了主观评价和现场测量的静载(态)挠度以及基本固有频率等,该研究给出了较低和较高舒适度要求下的楼盖设计流程以及控制指标。Hu等[46]在实验室环境下对TCC楼盖进行了研究,测试了固有频率和1 kN荷载作用下的静载(态)挠度，并进行了主观评价,提出了一种TCC楼盖的振动控制设计方法。

在TCC楼盖的振动性能评估方法方面,Daniele等[47]对TCC以及CLT楼盖振动性能评价的不同方法(解析法、数值法、试验法、现场试验)进行了比较,讨论了每种方法的假设、简化和可接受标准,该研究认为解析法是初步设计阶段非常有用的工具,但是对不同类型木楼盖的有效性还需进一步拓展;数值法的优点为考虑了人员在结构中行走的实际动态特性,但模型也更为复杂;试验法最为合理,但需要考虑成本问题;现场试验只能在楼盖施工完成后进行,因此试验方法只能用于结构的评估,不能用于结构的设计。

近年来,我国研究人员在木楼盖与木-混凝土组合楼盖的振动性能对比以及使用者舒适度方面也进行了研究探索。姜南标等[48-49]对木-混凝土组合楼盖进行了有限元分析,探讨了组合构件的尺寸、是否有效连接等因素对振动性能的影响,建议以自振频率和峰值加速度双重指标作为舒适度评价标准;该研究还对木楼板和混凝土楼板分别进行了有限元分析,对比了自振频率和单人行走荷载下的振动响应指标,发现从自振频率来看，木楼板的舒适度更好；但从振动响应来看，混凝土楼板的舒适度更好,建议采用限制自振频率和振动响应双重指标来控制振动。杜浩等[50]进行了胶合木-混凝土组合楼盖的模态及人致荷载试验,考虑了步频参数以及步行人数的影响,并结合理论模型进行了分析,发现组合楼盖的峰值加速度会随着步频以及步行人数的增加而逐渐增大;在试验研究的基础上,通过理论分析提出了木-混凝土组合楼盖自振频率及单人行走荷载下峰值加速度的计算方法;结合我国钢结构和组合结构的相关标准,建议采用楼盖自振频率和峰值加速度双重指标来评价木-混凝土组合楼盖的舒适度。

综上所述,可以看出现代木结构楼盖振动性能的研究主要有以下特征:

1) 研究对象紧跟楼盖类型的发展。初期阶段针对格栅式木楼盖体系的研究较多;随着CLT新型楼盖的出现以及木-混凝土组合楼盖在木结构建筑中的发展应用,关于其振动性能的研究也紧跟开展。

2) 研究方法主要有实验室试验、现场原位测试、主观评价和有限元分析等。

3) 研究内容从静载(态)挠度、自振频率等楼盖自身特性，发展到研究楼盖在外界冲击荷载、人致荷载激励作用下的振动响应。除了研究楼盖的板、梁等单个构件外,对于不同边界条件、构造做法、施工安装细节等因素的考察也越来越丰富。

4) 国内有关现代木结构楼盖振动性能的研究起步较晚,研究的成果也相对较少,但经过初步探索后,近年来现代木结构楼盖振动性能得到的关注越来越多,研究成果显著增多。

3 木结构楼盖振动控制指标

早在19世纪初,Tredgold[51]就指出为了防止人走动时引起楼板振动,应该将木结构楼盖的梁做得更高;到20世纪60年代,木楼盖振动问题开始有了定量控制指标，同时期,我国的木材相对短缺,国家提出“以钢代木”的建设政策,现代木结构体系在我国未得到充分发展。因此,控制指标的研究定制主要集中在应用现代木结构比较多的欧美国家,根据研究进展,主要分为以下几个阶段。

3.1 静载(态)控制

最早控制木结构楼盖振动的定量指标是控制楼盖刚度的指标,即限制楼盖在均布荷载作用下的静载(态)挠度。20世纪60年代,美国联邦住宅局(FHA)[52]发布的标准规定了木楼板格栅在设计荷载下的挠度(d)应不大于L/360(L为格栅跨度)。然而,即使按照刚度要求对楼盖格栅挠度进行控制,楼盖振动问题仍然存在。因此,Onysko[53]尝试找出楼盖客观参量和居住者舒适度之间的关系,通过试验和居民调查,发现楼盖集中荷载下的挠度和居住者舒适度有很强的相关性,并提出了限制楼盖中心1 kN集中荷载作用下的挠度(d1)的振动控制方法:对于跨度为3 m以下的格栅,d1需要小于2 mm;对于跨度为3～6 m的格栅,则需要小于8/L1.3,该控制指标被应用于加拿大国家建筑规范(NBCC)[2]。

3.2 动载(态)控制

振动性能是构件的动态特性,仅用静载(态)指标进行控制虽然比较方便,但对于人的直接动态感受来说还是间接方法,因此学者们开始探索运用动载(态)指标对楼盖的振动性能进行控制。Smith等[54]提出了在落地冲击荷载作用下,以一阶自振频率(f1)和均方根加速度(arms)来控制楼盖振动的双重动态准则,通过研究得出:当木结构楼盖满足人员舒适度要求时,应满足f1>8 Hz,且arms≤0.45 m/s2,此控制指标适用于住宅建筑格栅式楼盖。Dolan等[19]提出了限制楼盖基频的控制标准,并通过研究将木结构楼盖分为无活荷载和有活荷载两种状态,建议楼盖的基频在空置时需>15 Hz,使用时需>14 Hz。

3.3 动静载(态)综合控制

由于静载(态)挠度、自振频率等楼盖客观参数指标比较方便计算与测试,激励响应指标与人的感受直接相关,为了提高控制指标的准确性并方便操作,学者们关注开发动静载(态)综合控制的方法,并逐渐形成了控制指标体系。Ohlsson[16-17]提出了限制f1、d1和峰值速度(v)的三重指标控制方法,此控制方法适用于住宅建筑中的格栅式木楼盖，之后该方法被欧洲规范5[3]采纳,用于振动控制下木结构楼盖的设计。Toratti等[20]提出了挠度和自振频率相结合的控制方法,为了避开人类易感知的频率范围,木楼盖结构的基频需要大于10 Hz；此外,该研究还认为点荷载挠度是控制振动的良好指标,要求d1≤0.5 mm、f1>10 Hz。Hamm等[45]建议将木结构楼盖划分为两种:一种是低要求的,如独栋住宅;另一种是高要求的,如公寓或办公楼,并建议使用f1和竖向点荷载2 kN下的楼盖静载(态)挠度(d2)结合加速度响应(a)作为设计参数。

以上控制方法,除了Hamm等[45]的方法可用于新型重木楼盖、TCC楼盖外,其他方法的控制对象仅局限于格栅式木楼盖。由于新的木产品的出现,为了使控制指标适用于更广泛的木结构楼盖,Hu等[28,46,55]基于自振频率和挠度的关系,分别给出了适用于广泛工程木制品格栅式楼盖、CLT楼盖、TCC楼盖的控制指标。为了判断住宅建筑中的单跨格栅式楼盖的振动是否可接受,Hu等[55]提出了结合f1和d1的综合振动控制准则,如式(1)所示。

(1)

随着CLT楼盖的研发和应用,Hu等[28]同样提出了结合f1和d1的CLT楼盖振动控制指标,如式(2)所示。

(2)

之后,Hu等[46]在试验的基础上,根据f1和d1提出了TCC楼盖振动控制准则和参数的计算式,如式(3)所示,并利用数据分析验证了该指标,但TCC楼盖的振动控制准则还需要更广泛的现场试验来进一步确定。

(3)

随着现代木结构在国内的应用,我国研究人员对现代木结构楼盖振动控制指标也进行了一定探索。周海宾[56]结合文献研究与试验验证,基于f1和d1的关系,初步提出了格栅式木结构楼盖的振动控制指标,如式(4)所示。

(4)

另外,周海宾[56]认为，在式(4)的基础上，还应该引入如式(5)所示的峰值加速度作为控制指标。

αP<0.4 m/s2

(5)

我国《木结构设计标准》(GB 50005—2017)[57]中提出了挠度不大于l/250的设计要求,其中l为木结构楼盖由振动控制时的计算跨度。

杜浩等[50]结合我国标准中关于钢结构、混凝土以及钢-混凝土组合结构等楼盖振动性能的控制指标,对TCC楼盖提出采用f1和a的双重控制指标,其中f1≥15 Hz、a≤0.15 m/s2。

为便于对比,将国外和国内在现代木结构楼盖振动控制指标方面的研究分别归纳于表1和2中。

表1 国外现代木结构楼盖振动控制指标

表2 国内现代木结构楼盖振动控制指标

综上所述,可以看出现代木结构楼盖振动控制进展主要有以下特征:

1)从实木格栅式楼盖,到采用新型工程木的格栅式楼盖,再到CLT楼盖以及TCC楼盖,随着木结构楼盖新材料、新构造的出现和发展,现代木结构楼盖的振动控制指标在不断更新。

2)从非定量到定量,简单到复杂,静载(态)到动载(态),单一参数到综合参数,控制指标的数量和精度在不断发展。

3)振动控制从仅关注楼盖自身的性能,如提高刚度、避免共振等指标,到解决振动与使用者舒适度的关系;从主观评价、调查归纳与舒适度相关的间接参数控制,发展到对人致荷载等动态激励响应的精确控制。

4 结论与展望

经过多年的研究与发展,现代木结构楼盖振动与控制研究已经有了丰硕的成果。研究对象涵盖了格栅式楼盖、CLT楼盖和TCC楼盖等常用现代木结构楼盖类型;研究方法包括实验室试验、原位测试、主观评价和有限元分析等;研究内容主要包括静载(态)挠度、自振频率、振型、阻尼、激励响应速度与加速度等;振动控制从定性控制发展到定量控制,静载(态)发展到动载(态)及动静载(态)结合,从单一指标发展到多指标综合控制。这些成果为现代木结构楼盖的进一步研究与工程应用提供了有力支撑。

为解决全球变暖问题和实现建设人类美好家园的设想,我国提出“碳达峰、碳中和”的发展目标。在建筑行业,推动绿色建筑和装配式建筑的发展成为降低碳排放、实现“碳达峰、碳中和”目标的关键。现代木结构因良好的固碳性能和较高的工业装配化程度而受到重视并迅速发展。然而,现代木结构楼盖振动与控制问题成为制约其在多高层建筑中被应用的关键,因此,相关研究工作还需更深入地开展。本文将现代木结构楼盖振动与控制研究趋势和需求做如下展望。

1)紧跟新材料、新结构的发展。随着木材工业与产品的发展,现代木结构建筑楼盖历经了格栅式楼盖、CLT重木楼盖和TCC楼盖等多种形式的发展与应用。目前,国内外涌现出更为新型的层板销接木(DLT)、层板钉接木(NLT)等楼盖形式,因此,需要紧跟时代发展和工程需求,研究新楼盖体系的振动特性及控制方法。

2) 研究内容与方法与时俱进。经过多年积累,现代木结构楼盖振动与控制研究已从楼盖自身振动模态参数发展到与人体感知相关的振动舒适度等多因素参数。主观评价方面,目前我国还缺少相关的调研积累,随着实际工程的增多,大数据、物联网、人工智能等新技术的发展,建立我国的振动舒适度指标数据库将成为可能。随着人类步行、跳跃等荷载模型研究的不断突破,有限元分析技术的进步,现代木结构楼盖人致荷载作用下的振动响应需进一步深入研究。

3) 完善控制指标规范体系。目前,我国有关现代木结构楼盖振动控制指标还不是很详尽,仅在《木结构设计标准》(GB 50005—2017)[57]中,给出了楼盖格栅振动控制的计算方法。《装配式木结构建筑技术标准》(GB/T 51233—2016)[58]和《多高层木结构建筑技术标准》(GB/T 51226—2017)[10]等标准规范虽对振动舒适度有提出要求,但相较于钢结构、混凝土结构和组合结构的标准规范中明确给出了关于频率和加速度的控制条文,木结构楼盖的控制指标还缺少定量控制指标体系。

2019年我国发布了《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》(JGJ/T 441—2019)[59],但其中也没有明确给出木结构楼盖的相关指标。因此现代木结构楼盖振动控制指标体系需要加快完善,尤其是在CLT楼盖、TCC楼盖广泛应用的今天,对其振动与控制进行研究将会为现代木结构的快速发展和应用提供保障。