张秀华 孟毅豪 鄂云龙 李 卓

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

随着科学技术的进步与发展，新的建筑材料与建筑形式日新月异，但他们都朝着轻质高强方向发展。随着楼板越做越薄，越做越轻，即使强度与刚度能满足要求，但楼板挠度与振动性能成为了一个新问题。楼板挠度过大或振动频率过低都会给人舒适性上带来不适。目前我国只有对混凝土楼板振动频率有明确规定，对薄壁型钢梁与轻质板材组合楼板振动性能的研究才刚刚起步，国内规范尚无明确的设计方法和评价标准。并且国内对组合楼板静力挠度与振动频率的研究大多停留在理论分析阶段，通过试验得出明确结论的相对较少。结合国家对装配式结构与绿色建材的重视与推广，这里对轻钢楼板舒适度性能进行总结分析。

轻钢结构重量轻，强度高，抗震性能好。钢材可以回收利用，比砖石和混凝土更节能环保。如今大多数钢材构件都在工厂加工，无需现场制备，质量有保证。轻钢结构重量轻，成本低，现场施工周期短。此外，轻钢结构基本上没有湿作业，不会产生灰尘和污水等污染。轻钢结构构件具有截面面积小，立柱细，墙壁薄的特点，因此建筑物使用面积大。以薄壁型钢梁与轻质板材组合的楼板在未来建筑行业有很大的发展潜力。

1 国外相关研究

1.1 瑞典Ohlsson准则[1]

瑞典学者Ohlsson研究木结构轻质楼板体系十几年，并提出了相应的设计指南。该准则包括了对楼板跨中静力挠度及振动性能限值的相关规定及计算方法。他提出的算法可用于各种材料和构造的轻钢组合楼板。

1)静载试验。

Ohlsson提出，在1 kN静力荷载作用于楼板跨中时，挠度不应超过1.5 mm。并且在计算过程中用单根梁刚度代替整块楼板。

2)动载试验。

Ohlsson提出了单向板与双向板的不同计算方法，但要求楼板的自频率振必须大于8 Hz。确保在冲击荷载或连续荷载作用下楼板振动不会给人们带来明显的不适。

1.2 澳大利亚准则[2]

澳大利亚准则大多采用了Ohlsson的相关算法，但其对冷弯薄壁型钢梁楼板的实用性做了相关的研究规定。澳大利亚准则主要从静载方面对楼板的舒适性做了相应的规定，具体要求如下：

澳大利亚准则要求，当向楼板跨中施加1 kN静力荷载时，其挠度不应超过2.0 mm。计算时在Ohlsson给出的计算方法的基础上，提出了修正系数kd，主要是考虑楼板覆面板对整块楼板挠度的影响。

1.3 加拿大Onysko准则[3]

Onysko准则建立在大量楼板测试和评估基础上。测试期间，向每个测试者发送一份调查问卷以填写他们在测试期间的主观感受。结果表明，动载作用下的动态响应和静载作用下的挠度是地板舒适性的两个主要参数。由于计算冲击载荷的动态响应需要事先知道地板阻尼比，因此Onysko放弃提出动态响应设计标准并仅限制静态挠度。

Onysko准则中为了保证楼板的刚度，对不同跨度楼板在1 kN静力荷载作用下的挠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为跨中挠度;L为楼板跨度。

1.4 美国Johnson准则[4]

Johnson准则中建议，当楼板在仅承受自身重量时，自振频率应大于15 Hz。Johnson从大量静载试验得出结论，组合楼板覆面板对整体挠度的影响可以忽略不计。可以采用单根梁的惯性矩来代替变形惯性矩，因此在惯性矩计算时忽略了组合作用。但该准则仅适用于未居住的楼板。

2 国内相关研究

周绪红等[5]对冷弯薄壁型钢梁-OSB板组合楼板进行了相应的试验研究，以改变边界条件为试验变量对组合楼板足尺模型进行相应的振动试验。建议采用单根钢梁与宽度为梁间距的楼面板为计算单元，并用等效刚度代替单根梁刚度。修正了Ohlsson提出的计算公式，并通过相应算例进行了验证。其结论为组合楼板在梁端固结时，可减小跨中挠度与提高楼板自振频率，并建议组合楼板在1 kN静力集中荷载作用下组合楼板跨中挠度限值设为2 mm。对振动舒适度要求较高的组合楼板自振频率限值设为15 Hz。

王娟[6]通过对美国弗吉尼亚理工学院和加拿大滑铁卢大学试验与有限元分析进行总结对比，将组合楼板比拟成为正交各向异性板，提出了一种基于荷载横向影响系数跨中挠度计算公式，给出了三种不同边界条件下(四边简支、两对边简支和两对边固支)组合楼板的自振频率公式，并提出组合楼板在1 kN集中荷载作用下跨中挠度不得超过2 mm，自振频率不小于8 Hz。

燕妮[7]对冷弯薄壁C型钢—OSB板组合楼板进行了足尺试验与有限元分析。主要测试内容为：

1)组合楼板承受动力荷载时的振动性能；

2)组合楼板的自振频率和阻尼；

3)组合楼板在施工荷载和正常使用荷载作用下的挠度。建议将楼板在静力作用下最大挠度设为2.0 mm，自振频率大于15 Hz。

姜南标等[8]用有限元分析软件比较了木楼板与混凝土楼板的振动舒适性。在强度与刚度相同的条件下，木楼板的自振频率大于混凝土楼板的自振频率。因此，从自振频率指标角度来看，木楼板的振动舒适性优于混凝土楼板；但木楼板在行走荷载作用下的振动响应远大于混凝土楼板的振动响应，这表明木楼板在动载荷作用下的振动幅度相对较大。从振动响应指数来看，木楼板的振动舒适性比混凝土楼板的振动舒适性差；综合分析，木楼板的振动舒适性比混凝土楼板差。建议采用限制楼板自振频率与限制楼板振动响应两个指标来评价木楼板振动舒适性；当木楼板的振动舒适性不能满足相关要求时，可以采用限制楼板的尺寸，改变结构体系等方法来提高楼板的自振频率。

结合我国林业资源匮乏，而每年有大量稻草剩余，作者提出了一种新型的组合楼板形式，冷弯薄壁C型钢—稻草板组合楼板，并对其进行了舒适度试验。主要对其进行三个方面的评定：

1)主观感受；

2)1 kN静力荷载作用于跨中时的挠度；

3)五种动荷载工况下测量楼板自振频率，五种工况分别为：体重为80 kg的男子分别沿平行于楼板梁和垂直于楼板梁方向行走，重为10 kg的沙袋从距楼板中心0.33 m处自由下落，体重为80 kg的男子在楼板中心身体前倾脚后跟抬高50 mm～60 mm，然后向后重重落下冲击楼板，在楼板各处用冲击锤随机锤击，持续1 min左右。经测试发现组合楼板静力挠度均小于1 mm，自振频率均大于15 Hz。结合国外相关标准与国内学者提出的建议，该组合楼板满足舒适度的要求。

3 结语

国外对组合楼板振动性能的研究比较成熟，并在各国的规范中形成了相对完善的评价标准，而我国规范目前还没有提出组合楼板的振动舒适度控制标准，没有通用的设计方法来解决各种冷弯薄壁型钢组合楼板的振动问题，还需深入研究。

由各国规范与国内学者相关研究得出结论，1 kN静力荷载作用下楼板跨中挠度限值为2 mm，对舒适度要求严格的宜小于1.5 mm；动力荷载作用下楼板自振频率应大于8 Hz，对舒适度要求严格的宜大于15 Hz。