運動地板的減震技術及其在場館建造中的應用

    [2006年2月16日，全球最大的運動服飾制造商、2004年全球營業額高達137億美元的耐克公司，向美國德克薩斯州東區聯邦地區法院遞交訴訟，狀告世界第二大運動用品公司、剛剛兼并了銳步公司、2004年全球營業額121億美金的阿迪達斯公司，原因就是后者涉嫌侵犯了前者SHOX減震氣墊技術！
    SHOX減震氣墊技術的發明靈源自感火箭燃料助推器，是NIKE公司投入大量人力和財力，并經過了長達16年的開發和不斷完善的成果，目前受到19項單項專利的保護。
（消息取自2006.2.17《上海證卷報》A7版）]

1、運動地板減震技術的重要意義
    運動減震是當今體育運動重要科研課題，它一般是由運動地面、器械、運動鞋和運動減震技巧構成，在歐美等體育發達國家受到了高度重視。地板減震是運動地面減震重要部分。
1.1. 保障運動安全,提高運動效率
    彈性減震地板可以增加運動緩沖，減少運動員腳踝、關節壓力，避免運動傷害；并可推動、引導運動員腳步運動；同時有效避免了運動跌倒后的骨折、扭傷、擦劃等運動意外傷害。
1.2. 減少結構性損壞，延長地板系統使用壽命
    彈性運動地板減輕了面層板和承載板及龍骨在受到突然較大沖擊（如大體重籃球運動員跳起后落地、體操運動員空翻落地等）時，對材料和運動地板結構的損壞壓力；同時也減緩了環境溫濕度變化時對運動地板結構造成破壞的壓力。
1.3. 擴大場地使用范圍，提高了場館的經濟性
    利用結構設計的變化和減震膠墊的調整，可以實現不同的體育運動項目對運動地面減震的不同要求，滿足了同一運動場館可實現多種體育運動比賽的要求。

2、運動地板減震技術的原理

2.1.合理的力學結構
    目前國際上公認的先進技術是采用多層復合彈性木龍骨結構，它系將傳統的單層木龍骨分解成多層膠木結構復合龍骨，利用結構力學中梁的應用原理，將一個集中的點作用力，分解成一個平面上的均勻載荷，從而實現運動地板對所受到沖擊的均勻吸收。

2.2.科學設計的彈性橡膠減震墊

         
    傳統的平板“橡皮墊”，由于其“壓力---變形曲線”過于狹窄，而難以實現不同的體育運動項目對地面減震的不同要求。美國科學家首先發明了“球形減震墊”，并采用了經過膠鏈處理的抗老化彈性橡膠材料TPR，從而大大地提高了運動地板的減震范圍和使用壽命。

2.3.材料結構或變形產生的作用
    利用木質材料纖維的彈性和吸收外界能量能力強的特性，木材大量用于彈性減震地面的構建，尤其在籃球館地板的構建上。木質結構的彈性地板系統，是至今為止FIBA唯一采用的世界級籃球比賽專用運動地面。
同時，新型合成材料的興起，也為運動地面提供了更多化的選擇，如橡膠地板、PVC地板、PU涂料等，也因其鮮艷的色彩、良好的品質和低廉的價格而被排球、體操等多項體育運動賽事同時采用。

3、運動地板系統的減震要求與檢測手段

3.1.震動吸收要求與DIN標準檢測辦法
    震動吸收要求及測定請詳見本刊第五期P25-26。
3.2.標準變形要求和DIN標準檢測辦法
3.2.1.標準變形 standard deformation
    20kg重物以規定高度落地時，落地地面的瞬間撓度。
    在DIN標準中，標準變形值要求不小于2.3mm
3.2.2.檢測設備
    該設備與“震動吸收”測試儀相似，主要組成部分是落錘和底座，落錘上有提升裝置，底座的作用是把落錘產生的沖擊力經由一個彈簧和一個活塞傳到被測試地板面層上，其間沖擊力由于彈簧的作用而有所減弱。
3.2.3.測量儀器
測量儀器包括：
a) 帶有放大儀器和記錄儀器的力傳感器，測量范圍從零至2kn，頻率為100hz，測量誤差極限小于1%。
b）帶有放大器和位移記錄器的電感應位移傳感器，測量范圍為0mm ? 10mm，誤差極限≤0.05mm。
c）用于位移傳感器的三腳架，由調整垂直方向的螺絲組成。
3.2.4.操作
    沖擊力垂直作用于地板面層上。落錘從約30mm高度下落到鋼制彈簧上。當對點凹性彈性地板面層進行測試時，安裝該設備和測量用三腳架，以上設備置于一塊穩定的、堅硬的測量用板上，此板至少重200kg。
    當對面凹性彈性地板面層和組合型地板面層進行測試時，必須將設備掛到一個三腳架上，這個三腳架的支撐面距離載荷測試點至少1.5m。需將設備牢牢固定在三腳架上，從而在測量過程中保證使載荷垂直作用到被測地板面層上。測量位移的位移傳感器同樣固定在一個三腳架上。
    落錘要調整到剛好接觸到沒有載荷的鋼制彈簧上。為調整落錘高度，用手把活塞向上推，把一個約30mm高的與平面平行的量塊置于一個罩內，并將活塞置于罩上，然后放開落錘直到壓力計指示出落錘在彈簧上的壓力情況，并再次移開量塊。
    當被測地板面層變形時，在垂直測試條件下，兩側的位移傳感器的觸頭接觸到底座上兩側相對而設的水平接觸板上。
    關掉電磁閥，落錘即被釋放。落錘落到彈簧上并再次回跳，如此重復多次，下落高度越來越小，最后停在彈簧上。在落錘被釋放時，測量信號記錄裝置開始工作，這種測量在每個測量點重復多次。

3.2.5.計算
按公式計算標準變形的。
      

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

式中：
Dv ?標準變形，mm；
F1，max ? 地板面層的最大凹陷，mm；
Fmax ? 壓力計上出現的最大力值，N。
每次取值時，取最后三個記錄的第一個峰值，從這三個單值中計算出一個算術平均值。

3.3. 能量吸收系數（W500）要求和DIN標準檢測辦法
3.3.1.能量吸收系數（W500） energy absorbance factor
    20kg重物落向地面時，距離落點500mm處地面撓度與落點地面撓度的比值。
    DIN標準要求，W500不得超過15%
3.3.2.設備
    見3.1.3.所述。
3.3.3.測量儀器
    見3.1.4.所述。
3.3.4.操作
    按照3.1.5.所述進行操作，需要在地板面層上補充安裝一個位移傳感器。這個傳感器傳遞從測試設備軸線Xmm至500mm的距離，這樣就可測的與落錘軸線上的凹陷度相平行的點處的凹陷度。
3.3.5.計算
    W500能量吸收系數是間接表示其含義的，即用距離落錘軸線Xmm至500mm處點的凹陷來表示，并依此計算出落錘軸線上的最大凹陷的百分比。

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

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

式（4）和（5）中：
Wx ? 距離落錘軸線Xmm處的凹陷與落錘軸線上的最大凹陷的百分比
W500? 距離落錘軸線500mm處的凹陷與落錘軸線上的最大凹陷的百分比
fo  ?  落錘軸線上的最大凹陷，mm；
fx   ?  距離落錘軸線Xmm處的最大凹陷，mm；
f500  ?  距離落錘軸線500mm處的最大凹陷，mm。         
                      

1.柏林測試儀     2. 測試點 W500 I     3. 測試點 StV
4. 測試點 W500 Ⅱ    5. 距離下落重物軸向600mm的定位環
6. 距離下落重物軸向600mm的定位環
    30º≤α≤60º 支撐腳和測量方向軸之間的角度

圖7  在測量方向Ⅰ-Ⅳ和Ⅰ-Ⅱ象限內，測量W500 的的定位環

1. 柏林測試儀2. 測試點 W500 Ⅳ  3. 測試點 StV
4. 測試點 W500 Ⅲ  5. 距離下落重物軸向600mm的定位環
6. 距離下落重物軸向600mm的定位環
30º≤α≤60º 支撐腳和測量方向軸之間的角度
圖8  在測量方向Ⅰ-Ⅳ和Ⅲ-Ⅳ象限內，測量W500 的定位環

3.4.球體反彈要求和DIN檢測辦法
3.4.1球的反彈
    DIN標準要求該值不小于90%
3.4.2原理
    利用籃球在運動地板上和水泥地面上的反彈測量數據來計算球的反彈。
3.4.3設備
    測試設備包括一個約2.2m高的架子和一個籃球。籃球需經中國籃球協會認可。
    籃球大小是周長750mm ? 780mm、重量600g ? 650g，充氣壓力符合競賽規則的要求。
3.4.4.測量儀器
    誤差為±5mm的光學或聲學測量裝置。
3.4.5.操作
    利用一個活門，將籃球從1.8m高處自由落體下落到水泥地板上。下落高度是指籃球下沿到地面的距離，反彈的高度從地板表面算起，到籃球的上沿。
    籃球的充氣程度：使其在水泥地面上的反彈高度在1.2m ? 1.4m之間。
在水泥地面上測量反彈高度后，立即在運動地板上測量反彈高度，在每個點上至少進行5次測量。
3.4.6.計算
球的反彈通過公式（6）計算：
           ----------------------------------------------------（6）
式中：
BR ? 球的反彈，以百分比表示
h1  ? 籃球在運動地板上的反彈高度，m；
h2  ? 籃球在水泥地面上的反彈高度，m。

4.幾種先進的減震結構及其在運動地板系統上的應用
 
1． M結構
發明國：德國

    這種結構設計精巧、緊湊，全部構件在工廠高精度的流水線上加工制造，施工現場組裝快捷，且通過科學的拼裝設計，整個地板系統與地面無須剛性連接，即可保障系統的平整和牢固。
這種運動地板系統已通過DIN檢測
    該結構已由MERRYSPORTS在中國申請專利。

2． L結構
發明人：中國上海叢學娣體育發展公司

    這種靈巧的結構設計充分吸取了M型運動地板系統的特點，但卻充分考慮了非專業性輕巧型體育運動的特點，如藝術表演、小球運動、青少年體育運動等，簡化了不必要的高強度結構，從而大大降低了建造成本。

3． H結構
發明人：中國上海美凱地板工業公司

    這是一種典型的傳統體育地板結構，但由于采用了先進的三維實木運動地板作為面板，從而使系統的穩定性和強度大大提高。但較M、L、NH等結構相比，H型結構體育運動地板的減震性能遜色許多，一般來說，其震動吸收值在國際標準的65%左右。

4． 金屬槽結構
發明國：美國

    該設計所采用的金屬滑槽，可以確保運動地板的向下矢量的位移，并實現對表面所受沖擊的均勻吸收。

5． 雙層龍骨結構
    發明國：丹麥

    結合M和L結構原理建造，可滿足DIN標準要求
5、施工過程中影響運動地板減震效果的因素
5.1.建筑施工地面質量和平整度
5.2.結構形式和膠墊性能；
5.3.嚴格的材料和施工質量管理。

結束語
     運動地板的減震技術是體育運動地板系統質量的重要保障，目前歐美等國在體育運動地板的結構與建造設計和施工，以及減震膠墊的設計和開發方面均高度重視，并投入大量的科研人員和經費，并取得實效。中國的運動地板建造公司起步雖較晚，但由于背靠中國巨大的體育運動場地場館建設市場，加之勤勞善學，已經取得了長足進步，有些技術已經接近甚至超過國外的同行技術發展，并在美國和PCT成員國申請注冊了發明專利。如果中國的運動地板建造企業能夠運動地面技術上給予充分重視，就一定可以攀上國際運動地面設計建造技術的最高峰！