1. 引言
组合楼面通常是指以压型钢板为底部受拉单元，上部现浇混凝土充当受压单元的一类型受弯构件，它的现场湿作业较多，不便于装配化的工业生成[1]。基于装配施工工艺的考虑，Wright和Evans [2]提出了一种压型钢板干板(PSSDB)的新型组合楼板结构，该楼板结构由压型钢板与干板(包括胶合板、水泥板等)组成，通过自攻自钻螺钉连接，以保证各组件间的组合作用。该楼盖体系具备施工简便、环境影响小等优点，受到了众多研究者的关注。Wright等人[3]的初步研究分析了钉子、螺栓、螺钉等不同连接方式对体系性能的影响；Ahmed等人[4]基于弹性梁理论，考虑组件间的部分组合作用，提出了PSSDB楼板的简化弹性分析方法；Wan Badaruzzaman等人[5]研究了干板材料对结构性能的影响；Jaffar等人[6]则分析了压型钢板与干板之间填充材料的作用；Ahmed等人[7]与Al-Shaikhli等人[8]探究了PSSDB体系作为双向楼板的性能。
此外，振动动力响应分析(如Gandomkar等人[9]的研究)表明，PSSDB体系作为薄壁构件，在压力作用下易发生局部屈曲，因此存在振动敏感性问题，这种敏感性可能导致结构性能与承载能力下降，且人体活动引发的结构振动会影响使用舒适度。依据我国建筑楼盖结构振动舒适度技术标准(JGJ/T 441-2019) [10]，楼盖结构正常使用时，其第一阶竖向自振频率不应小于3 Hz。
目前针对PSSDB楼盖的研究，大多集中在压型钢板与胶合板(OSB板)的组合板性能上，文献[11]集中介绍了相关研究进展。相比弹模较低的木板，工程用水泥基增强复合板(ECC板)强度更高、弹模更大，在PSSDB楼盖系统中具有更好应用前景。本文以压型钢板与ECC板组合楼面板为研究对象，考虑在无外部附加荷载情形下，对该新型组合楼板的动力特性进行试验研究，测出组合板的频率和阻尼，为该类型组合楼板的工程应用提供基础。
2. 研究内容
2.1. 试件设计
针对试验目标，设计了两类型四个装配式组合楼盖，分别如下表1所示。其中I型板采用了闭口型压型钢板，II型板采用了开口型压型钢板，承压组件均采用ECC纤维增强板，装配连接采用的自攻螺钉直径均为4.2 mm，但螺栓长度分别采用了32 mm与45 mm两种类型。图1展示了装配式组合楼板的基本组件，图2所示为两种压型钢板的截面规格，图3、图4则分别展示了两类型板的装配成型方式。
2.2. 激励方式与测试方案
针对楼盖的动力特性测试，本实验分别采用了环境激励与落足冲击激励两种方式来测试其自振频率与阻尼比。实验过程中组合楼板处于简支状态，板面未施加其他外部荷载。
本次试验采用东华测试技术股份有限公司的动态应力应变测试分析系统进行测试，图4所示加速度传感器与动态信号测试分析系统。传感器采用了电荷量测型CA-YD-117加速度传感器，采集系统为DH5920型动态数据采集系统。图5所示为试验中测单布置方案图。
Figure 1. The basic assembly components of the composite floor slab
图1. 组合楼板基本装配组件
Figure 2. Two types of profiled steel sheet section specifications
图2. 两种压型钢板截面规格
Table 1. Specimen grouping and configuration
表1. 试件分组与基本构造
试件编号 |
板跨 |
压型钢板类型与厚度(mm) |
叠合面板类型与厚度x宽度(mm) |
螺钉规格 |
螺钉间距(mm) |
I型板 |
S1 |
2.4 |
闭口−0.8 |
ECC-18x600 |
M4.2X32 |
100 |
|
S2 |
2.4 |
闭口−0.8 |
ECC-18x600 |
M4.2X45 |
100 |
S3 |
2.4 |
闭口−0.8 |
ECC-18x600 |
M4.2X45 |
150 |
II型板 |
S4 |
2.4 |
开口1.0 |
ECC-18x1000 |
M4.2X45 |
100/150 |
Figure 3. Assembly method of composite slabs
图3. 组合板装配方式
Figure 4. Acceleration sensor and data acquisition system
图4. 加速度传感器与数据采集系统
Figure 5. Layout diagram of measurement points
图5. 测点布置图
3. 试验过程及结果
3.1. 环境激励下组合楼板动力特性
组合楼板无外部附加荷载工况情形下，在环境激励测试时可以较为精确地测试到楼板的前面几阶振型下的频率，相应于第一振型下的频率为组合板振动的最低频率也就是基本频率，相应第二振型下的频率为组合板的第二低频率，第三振型下的频率为组合板的第三低频率。
图6所示为试件S1~S4在环境激励下的加速度频率谱。
Figure 6. The acceleration frequency spectra of specimens S1~S4 under environmental excitation
图6. 试件S1~S4在环境激励下的加速度频率谱
3.2. 落足冲击组合楼板动力特性测试
落足重加激励方式如图7所示，图8列出了各试件的加速度时程响应曲线以及经快速傅里叶变换得到的频率谱曲线。
Figure 7. Heel-drop impact incentive methods
图7. 落足冲击激励方式
Figure 8. The acceleration frequency spectrum of specimens S1~S4 under landing impact excitation
图8. 试件S1~S4在落足冲击激励下的加速度频率谱
总结上述试验结果，新型组合楼板动力特性总结如表1所示。从试验结果可以看到，环境激励和落足测试得到楼盖频率基本一致，相同装配连接构造情形下，闭口型截面组合楼盖基频大于开口型截面楼盖。
Table 2. Dynamic characteristics of new composite floor slabs
表2. 新型组合楼板动力特性
试件编号 |
环境激励 |
落足激励 |
第一振型 |
第二振型 |
第三振型 |
第一振型 |
f1 (Hz) |
阻尼(%) |
f1 (Hz) |
阻尼(%) |
f1 (Hz) |
阻尼(%) |
f1 (Hz) |
阻尼(%) |
S1 |
30.51 |
4.52 |
52.86 |
2.21 |
80.72 |
3.06 |
31.78 |
17.86 |
S2 |
52.21 |
4.71 |
68.43 |
2.86 |
98.87 |
6.12 |
53.71 |
21.08 |
S3 |
28.15 |
3.78 |
39.21 |
1.79 |
64.48 |
2.84 |
29.27 |
15.64 |
S4 |
20.35 |
3.15 |
39.56 |
1.85 |
64.73 |
2.97 |
21.68 |
14.24 |
4. 结论
新型组合楼盖动力特性的试验研究表明：
(1) 针对两种不同截面类型压型刚不组合楼盖，闭口型截面新型组合楼盖频率要高于开口型截面新型组合楼盖，新型装配式组合楼板基频最小值为20.35 Hz，大于3 Hz，该类型新型组合板应用于实际工程楼面板时，楼盖的舒适度能够满足基本要求。
(2) 丝攻螺钉加密，能有效增加新型装配组合楼盖的自振频率。
(3) 由于新型组合板自重较轻，构件的阻尼比较小，实际工程使用可采取适当措施增大该新型装配式组合楼盖的阻尼。
基金项目
研究项目由湖南省大学生创新创业训练计划项目(S202311527040)提供支持。
NOTES
*通讯作者。