运动地板的减震技术及其在场馆建造中的应用

    [2006年2月16日，全球最大的运动服饰制造商、2004年全球营业额高达137亿美元的耐克公司，向美国德克萨斯州东区联邦地区法院递交诉讼，状告世界第二大运动用品公司、刚刚兼并了锐步公司、2004年全球营业额121亿美金的阿迪达斯公司，原因就是后者涉嫌侵犯了前者SHOX减震气垫技术！
    SHOX减震气垫技术的发明灵源自感火箭燃料助推器，是NIKE公司投入大量人力和财力，并经过了长达16年的开发和不断完善的成果，目前受到19项单项专利的保护。
（消息取自2006.2.17《上海证卷报》A7版）]

1、运动地板减震技术的重要意义
    运动减震是当今体育运动重要科研课题，它一般是由运动地面、器械、运动鞋和运动减震技巧构成，在欧美等体育发达国家受到了高度重视。地板减震是运动地面减震重要部分。
1.1. 保障运动安全,提高运动效率
    弹性减震地板可以增加运动缓冲，减少运动员脚踝、关节压力，避免运动伤害；并可推动、引导运动员脚步运动；同时有效避免了运动跌倒后的骨折、扭伤、擦划等运动意外伤害。
1.2. 减少结构性损坏，延长地板系统使用寿命
    弹性运动地板减轻了面层板和承载板及龙骨在受到突然较大冲击（如大体重篮球运动员跳起后落地、体操运动员空翻落地等）时，对材料和运动地板结构的损坏压力；同时也减缓了环境温湿度变化时对运动地板结构造成破坏的压力。
1.3. 扩大场地使用范围，提高了场馆的经济性
    利用结构设计的变化和减震胶垫的调整，可以实现不同的体育运动项目对运动地面减震的不同要求，满足了同一运动场馆可实现多种体育运动比赛的要求。

2、运动地板减震技术的原理

2.1.合理的力学结构
    目前国际上公认的先进技术是采用多层复合弹性木龙骨结构，它系将传统的单层木龙骨分解成多层胶木结构复合龙骨，利用结构力学中梁的应用原理，将一个集中的点作用力，分解成一个平面上的均匀载荷，从而实现运动地板对所受到冲击的均匀吸收。

2.2.科学设计的弹性橡胶减震垫

         
    传统的平板“橡皮垫”，由于其“压力---变形曲线”过于狭窄，而难以实现不同的体育运动项目对地面减震的不同要求。美国科学家首先发明了“球形减震垫”，并采用了经过胶链处理的抗老化弹性橡胶材料TPR，从而大大地提高了运动地板的减震范围和使用寿命。

2.3.材料结构或变形产生的作用
    利用木质材料纤维的弹性和吸收外界能量能力强的特性，木材大量用于弹性减震地面的构建，尤其在篮球馆地板的构建上。木质结构的弹性地板系统，是至今为止FIBA唯一采用的世界级篮球比赛专用运动地面。
同时，新型合成材料的兴起，也为运动地面提供了更多化的选择，如橡胶地板、PVC地板、PU涂料等，也因其鲜艳的色彩、良好的品质和低廉的价格而被排球、体操等多项体育运动赛事同时采用。

3、运动地板系统的减震要求与检测手段

3.1.震动吸收要求与DIN标准检测办法
    震动吸收要求及测定请详见本刊第五期P25-26。
3.2.标准变形要求和DIN标准检测办法
3.2.1.标准变形 standard deformation
    20kg重物以规定高度落地时，落地地面的瞬间挠度。
    在DIN标准中，标准变形值要求不小于2.3mm
3.2.2.检测设备
    该设备与“震动吸收”测试仪相似，主要组成部分是落锤和底座，落锤上有提升装置，底座的作用是把落锤产生的冲击力经由一个弹簧和一个活塞传到被测试地板面层上，其间冲击力由于弹簧的作用而有所减弱。
3.2.3.测量仪器
测量仪器包括：
a) 带有放大仪器和记录仪器的力传感器，测量范围从零至2kn，频率为100hz，测量误差极限小于1%。
b）带有放大器和位移记录器的电感应位移传感器，测量范围为0mm ? 10mm，误差极限≤0.05mm。
c）用于位移传感器的三脚架，由调整垂直方向的螺丝组成。
3.2.4.操作
    冲击力垂直作用于地板面层上。落锤从约30mm高度下落到钢制弹簧上。当对点凹性弹性地板面层进行测试时，安装该设备和测量用三脚架，以上设备置于一块稳定的、坚硬的测量用板上，此板至少重200kg。
    当对面凹性弹性地板面层和组合型地板面层进行测试时，必须将设备挂到一个三脚架上，这个三脚架的支撑面距离载荷测试点至少1.5m。需将设备牢牢固定在三脚架上，从而在测量过程中保证使载荷垂直作用到被测地板面层上。测量位移的位移传感器同样固定在一个三脚架上。
    落锤要调整到刚好接触到没有载荷的钢制弹簧上。为调整落锤高度，用手把活塞向上推，把一个约30mm高的与平面平行的量块置于一个罩内，并将活塞置于罩上，然后放开落锤直到压力计指示出落锤在弹簧上的压力情况，并再次移开量块。
    当被测地板面层变形时，在垂直测试条件下，两侧的位移传感器的触头接触到底座上两侧相对而设的水平接触板上。
    关掉电磁阀，落锤即被释放。落锤落到弹簧上并再次回跳，如此重复多次，下落高度越来越小，最后停在弹簧上。在落锤被释放时，测量信号记录装置开始工作，这种测量在每个测量点重复多次。

3.2.5.计算
按公式计算标准变形的。
      

 -----------------------------------------（3）

式中：
Dv ?标准变形，mm；
F1，max ? 地板面层的最大凹陷，mm；
Fmax ? 压力计上出现的最大力值，N。
每次取值时，取最后三个记录的第一个峰值，从这三个单值中计算出一个算术平均值。

3.3. 能量吸收系数（W500）要求和DIN标准检测办法
3.3.1.能量吸收系数（W500） energy absorbance factor
    20kg重物落向地面时，距离落点500mm处地面挠度与落点地面挠度的比值。
    DIN标准要求，W500不得超过15%
3.3.2.设备
    见3.1.3.所述。
3.3.3.测量仪器
    见3.1.4.所述。
3.3.4.操作
    按照3.1.5.所述进行操作，需要在地板面层上补充安装一个位移传感器。这个传感器传递从测试设备轴线Xmm至500mm的距离，这样就可测的与落锤轴线上的凹陷度相平行的点处的凹陷度。
3.3.5.计算
    W500能量吸收系数是间接表示其含义的，即用距离落锤轴线Xmm至500mm处点的凹陷来表示，并依此计算出落锤轴线上的最大凹陷的百分比。

   ----------------------------------------（4）

 ---------------------------------------（5）

式（4）和（5）中：
Wx ? 距离落锤轴线Xmm处的凹陷与落锤轴线上的最大凹陷的百分比
W500? 距离落锤轴线500mm处的凹陷与落锤轴线上的最大凹陷的百分比
fo  ?  落锤轴线上的最大凹陷，mm；
fx   ?  距离落锤轴线Xmm处的最大凹陷，mm；
f500  ?  距离落锤轴线500mm处的最大凹陷，mm。         
                      

1.柏林测试仪     2. 测试点 W500 I     3. 测试点 StV
4. 测试点 W500 Ⅱ    5. 距离下落重物轴向600mm的定位环
6. 距离下落重物轴向600mm的定位环
    30º≤α≤60º 支撑脚和测量方向轴之间的角度

图7  在测量方向Ⅰ-Ⅳ和Ⅰ-Ⅱ象限内，测量W500 的的定位环

1. 柏林测试仪2. 测试点 W500 Ⅳ  3. 测试点 StV
4. 测试点 W500 Ⅲ  5. 距离下落重物轴向600mm的定位环
6. 距离下落重物轴向600mm的定位环
30º≤α≤60º 支撑脚和测量方向轴之间的角度
图8  在测量方向Ⅰ-Ⅳ和Ⅲ-Ⅳ象限内，测量W500 的定位环

3.4.球体反弹要求和DIN检测办法
3.4.1球的反弹
    DIN标准要求该值不小于90%
3.4.2原理
    利用篮球在运动地板上和水泥地面上的反弹测量数据来计算球的反弹。
3.4.3设备
    测试设备包括一个约2.2m高的架子和一个篮球。篮球需经中国篮球协会认可。
    篮球大小是周长750mm ? 780mm、重量600g ? 650g，充气压力符合竞赛规则的要求。
3.4.4.测量仪器
    误差为±5mm的光学或声学测量装置。
3.4.5.操作
    利用一个活门，将篮球从1.8m高处自由落体下落到水泥地板上。下落高度是指篮球下沿到地面的距离，反弹的高度从地板表面算起，到篮球的上沿。
    篮球的充气程度：使其在水泥地面上的反弹高度在1.2m ? 1.4m之间。
在水泥地面上测量反弹高度后，立即在运动地板上测量反弹高度，在每个点上至少进行5次测量。
3.4.6.计算
球的反弹通过公式（6）计算：
           ----------------------------------------------------（6）
式中：
BR ? 球的反弹，以百分比表示
h1  ? 篮球在运动地板上的反弹高度，m；
h2  ? 篮球在水泥地面上的反弹高度，m。

4.几种先进的减震结构及其在运动地板系统上的应用
 
1． M结构
发明国：德国

    这种结构设计精巧、紧凑，全部构件在工厂高精度的流水线上加工制造，施工现场组装快捷，且通过科学的拼装设计，整个地板系统与地面无须刚性连接，即可保障系统的平整和牢固。
这种运动地板系统已通过DIN检测
    该结构已由MERRYSPORTS在中国申请专利。

2． L结构
发明人：中国上海丛学娣体育发展公司

    这种灵巧的结构设计充分吸取了M型运动地板系统的特点，但却充分考虑了非专业性轻巧型体育运动的特点，如艺术表演、小球运动、青少年体育运动等，简化了不必要的高强度结构，从而大大降低了建造成本。

3． H结构
发明人：中国上海美凯地板工业公司

    这是一种典型的传统体育地板结构，但由于采用了先进的三维实木运动地板作为面板，从而使系统的稳定性和强度大大提高。但较M、L、NH等结构相比，H型结构体育运动地板的减震性能逊色许多，一般来说，其震动吸收值在国际标准的65%左右。

4． 金属槽结构
发明国：美国

    该设计所采用的金属滑槽，可以确保运动地板的向下矢量的位移，并实现对表面所受冲击的均匀吸收。

5． 双层龙骨结构
    发明国：丹麦

    结合M和L结构原理建造，可满足DIN标准要求
5、施工过程中影响运动地板减震效果的因素
5.1.建筑施工地面质量和平整度
5.2.结构形式和胶垫性能；
5.3.严格的材料和施工质量管理。

结束语
     运动地板的减震技术是体育运动地板系统质量的重要保障，目前欧美等国在体育运动地板的结构与建造设计和施工，以及减震胶垫的设计和开发方面均高度重视，并投入大量的科研人员和经费，并取得实效。中国的运动地板建造公司起步虽较晚，但由于背靠中国巨大的体育运动场地场馆建设市场，加之勤劳善学，已经取得了长足进步，有些技术已经接近甚至超过国外的同行技术发展，并在美国和PCT成员国申请注册了发明专利。如果中国的运动地板建造企业能够运动地面技术上给予充分重视，就一定可以攀上国际运动地面设计建造技术的最高峰！