環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

蔡翔宇 姚曉平

所謂振動(dòng)公害,是指交通、生產(chǎn)及建設(shè)等引起的地面或建(構(gòu))筑物等的振動(dòng)對(duì)人類(lèi)生活和工作環(huán)境、建(構(gòu))筑物安全以及精密儀器正常使用的影響等。研究振動(dòng)的受體可分為人體、結(jié)構(gòu)物及精密儀器三種,各國(guó)規(guī)范亦依此有不同規(guī)定。振動(dòng)的強(qiáng)度以振級(jí)表示,振級(jí)通常以分貝(dB)為單位,分貝的定義是物理量 Q相對(duì)于參考基準(zhǔn)物理量Q0的對(duì)數(shù)值乘以 10,即 dB=10lg Q/Q0。

1 振級(jí)的定義

其中,a0為加速度參考值,10-6m/s2;ar.m.s為振動(dòng)加速度有效值,m/s2。

1)振動(dòng)加速度級(jí) VAL。振動(dòng)加速度級(jí) VAL定義為:

其中,a(t)為某時(shí)刻 t的加速度值,m/s2;T為積分時(shí)間,s。

一般人剛剛感覺(jué)到的垂直振動(dòng)為10-3m/s2對(duì)應(yīng)60 dB,不可忍耐的加速度是5×10-1m/s2對(duì)應(yīng)114 dB。

2)振動(dòng)級(jí) VL。按ISO 2631-1-1985規(guī)定的全身振動(dòng)不同頻率計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動(dòng)加速度級(jí),簡(jiǎn)稱振級(jí),記為 VL,單位為dB。振動(dòng)級(jí) VL的計(jì)算公式為:

其中,a0為基準(zhǔn)加速度,取值與 VAL中的一致;而 a′r.m.s為修正的振動(dòng)加速度有效值,m/s2,其計(jì)算式:

其中,af.r.m.s表示頻率為f的振動(dòng)加速度有效值;cf為振動(dòng)加速度的感覺(jué)修正值[1]。

3)Z振級(jí) VLz。按ISO 2631-1-1985規(guī)定的全身鉛垂向振動(dòng)的計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動(dòng)加速度級(jí),記為 VLz,單位為dB。計(jì)算公式與式(3),式(4)完全相同,只不過(guò)公式中的 cf取垂直方向的修正值。

2 生理標(biāo)準(zhǔn)

1)ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。新頒布的ISO 2631-2:2003建筑物內(nèi)的振動(dòng)(1～80Hz)[2]廢除和取代了前期版本(ISO 2631-2:1989),ISO規(guī)定的建筑物內(nèi)振動(dòng)限值如表1所示。

2)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)于1988年頒布執(zhí)行GB 10070-88城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[4],配套標(biāo)準(zhǔn)為GB 10071-88城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法[5]。標(biāo)準(zhǔn)按照不同區(qū)域劃分規(guī)定了環(huán)境振動(dòng)限值,其中對(duì)鐵路干線兩側(cè)也作了規(guī)定,這主要考慮了鐵路運(yùn)輸引起的環(huán)境振動(dòng)。城市各類(lèi)區(qū)域鉛垂向Z振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示。

表1 ISO關(guān)于建筑物內(nèi)振動(dòng)限值的建議

表2 城市各類(lèi)區(qū)域鉛垂向Z振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值 dB

說(shuō)明:a.“特殊住宅區(qū)”是指特別需要安靜的住宅區(qū);b.“居民、文教區(qū)”是指純居民和文教、機(jī)關(guān)區(qū);c.“混合區(qū)”是指一般商業(yè)與居民混合區(qū);工業(yè)、商業(yè)、少量交通與居民混合區(qū);d.“商業(yè)中心區(qū)”是指商業(yè)集中的繁華地區(qū);e.“工業(yè)集中區(qū)”是指在一個(gè)城市或區(qū)域內(nèi)規(guī)劃明確確定的工業(yè)區(qū);f.“交通干線道路兩側(cè)”是指車(chē)流量每小時(shí)100輛以上的道路兩側(cè);g.“鐵路干線兩側(cè)”是指距每日車(chē)流量不少于20列的鐵道外軌30 m外兩側(cè)的住宅區(qū);h.本標(biāo)準(zhǔn)適用的地帶范圍,由地方人民政府劃定。

3 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

目前一些國(guó)家采用PPV作為建筑物安全的振動(dòng)控制指標(biāo)[3]。德國(guó)1996年頒布的DIN4150規(guī)范的第Ⅲ部分規(guī)定了防止建筑物振動(dòng)破壞的峰值振動(dòng)速度限值。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)建筑物對(duì)振動(dòng)的靈敏性將其分為三類(lèi),并對(duì)每類(lèi)建筑物給出了PPV上限對(duì)于建筑物振動(dòng)頻率的函數(shù)曲線。當(dāng)進(jìn)行振動(dòng)評(píng)定時(shí),所考慮的建筑物振動(dòng)速度在其基礎(chǔ)處測(cè)得,并選用三個(gè)速度分量中的最大值進(jìn)行評(píng)價(jià);所考慮的建筑物振動(dòng)頻率一般是指結(jié)構(gòu)的卓越頻率。

4 精密儀器標(biāo)準(zhǔn)

振動(dòng)對(duì)于激光、電子顯微鏡、電子天平的操作,外科手術(shù)器具、半導(dǎo)體集成電路的制作等有很大的影響。為了保證這些精密儀器的正常工作,美國(guó)和日本等有關(guān)文獻(xiàn)提出了建筑物或儀器臺(tái)座的微振動(dòng)限值要求[6],即對(duì)精密儀器的環(huán)境振動(dòng)控制容許標(biāo)準(zhǔn)在位移振幅小于1 μ m、加速度小于1 gal的量級(jí)范圍內(nèi)。

5 各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)比較與分析

1)限值比較。各國(guó)的生理限值標(biāo)準(zhǔn)大體相同,但也存在著一定的差距,如表3所示。

表3 國(guó)際振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)部分?jǐn)?shù)據(jù)比較

從表3中可以看出,我國(guó)的環(huán)境振動(dòng)限值標(biāo)準(zhǔn)較其他國(guó)家偏嚴(yán)。限值嚴(yán)格雖然能夠保證環(huán)境的舒適性,但同時(shí)對(duì)環(huán)境治理要求過(guò)于嚴(yán)格,可能會(huì)造成技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的困難。對(duì)于環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、居民舒適性等問(wèn)題,爭(zhēng)取做到限值最優(yōu)。

2)對(duì)振動(dòng)隨機(jī)特性的考慮。環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631最初是以短時(shí)間的簡(jiǎn)諧荷載試驗(yàn)為制定依據(jù)的,雖然其后經(jīng)過(guò)多次修訂,但對(duì)于隨機(jī)振動(dòng)特性的研究仍存在著很大的欠缺。而我國(guó)的GB 10070-88是在ISO 2631的基礎(chǔ)上制定出來(lái)的,顯然,它同樣存在對(duì)于振動(dòng)隨機(jī)問(wèn)題考慮不周的問(wèn)題。因此,對(duì)于我國(guó)的環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),只用一個(gè)單值來(lái)界定振動(dòng)是否超標(biāo),很難體現(xiàn)隨機(jī)特性,對(duì)于環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)如何體現(xiàn)振動(dòng)隨機(jī)特性仍需作深入研究。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)環(huán)境振動(dòng)限值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹,重點(diǎn)介紹了各國(guó)的生理標(biāo)準(zhǔn),即振動(dòng)對(duì)人體舒適性的限值標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上,主要針對(duì)我國(guó)的《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行分析,指出了我國(guó)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題及日后改進(jìn)的方向。

[1] ISO 2631-1-1985.Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure to whole-body vibration-PartⅠ:General requirements.

[2] ISO 2631-2:2003,建筑物內(nèi)的振動(dòng)(1～80Hz)[S].

[3] 夏 禾,張 楠.車(chē)輛與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[4] GB 10070-1988,城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] GB 10071-1988,城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法[S].

[6] 日本噪聲控制學(xué)會(huì).地域的環(huán)境振動(dòng)[M].東京:技報(bào)堂出版株式會(huì)社,2001.