環境振動評價標準研究

蔡翔宇 姚曉平

所謂振動公害,是指交通、生產及建設等引起的地面或建(構)筑物等的振動對人類生活和工作環境、建(構)筑物安全以及精密儀器正常使用的影響等。研究振動的受體可分為人體、結構物及精密儀器三種,各國規范亦依此有不同規定。振動的強度以振級表示,振級通常以分貝(dB)為單位,分貝的定義是物理量 Q相對于參考基準物理量Q0的對數值乘以 10,即 dB=10lg Q/Q0。

1 振級的定義

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

1)振動加速度級 VAL。振動加速度級 VAL定義為:

其中,a(t)為某時刻 t的加速度值,m/s2;T為積分時間,s。

一般人剛剛感覺到的垂直振動為10-3m/s2對應60 dB,不可忍耐的加速度是5×10-1m/s2對應114 dB。

2)振動級 VL。按ISO 2631-1-1985規定的全身振動不同頻率計權因子修正后得到的振動加速度級,簡稱振級,記為 VL,單位為dB。振動級 VL的計算公式為:

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

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

3)Z振級 VLz。按ISO 2631-1-1985規定的全身鉛垂向振動的計權因子修正后得到的振動加速度級,記為 VLz,單位為dB。計算公式與式(3),式(4)完全相同,只不過公式中的 cf取垂直方向的修正值。

2 生理標準

1)ISO國際標準。新頒布的ISO 2631-2:2003建筑物內的振動(1～80Hz)[2]廢除和取代了前期版本(ISO 2631-2:1989),ISO規定的建筑物內振動限值如表1所示。

2)中國標準。我國于1988年頒布執行GB 10070-88城市區域環境振動標準[4],配套標準為GB 10071-88城市區域環境振動測量方法[5]。標準按照不同區域劃分規定了環境振動限值,其中對鐵路干線兩側也作了規定,這主要考慮了鐵路運輸引起的環境振動。城市各類區域鉛垂向Z振級標準值如表2所示。

表1 ISO關于建筑物內振動限值的建議

表2 城市各類區域鉛垂向Z振級標準值 dB

說明:a.“特殊住宅區”是指特別需要安靜的住宅區;b.“居民、文教區”是指純居民和文教、機關區;c.“混合區”是指一般商業與居民混合區;工業、商業、少量交通與居民混合區;d.“商業中心區”是指商業集中的繁華地區;e.“工業集中區”是指在一個城市或區域內規劃明確確定的工業區;f.“交通干線道路兩側”是指車流量每小時100輛以上的道路兩側;g.“鐵路干線兩側”是指距每日車流量不少于20列的鐵道外軌30 m外兩側的住宅區;h.本標準適用的地帶范圍,由地方人民政府劃定。

3 結構標準

目前一些國家采用PPV作為建筑物安全的振動控制指標[3]。德國1996年頒布的DIN4150規范的第Ⅲ部分規定了防止建筑物振動破壞的峰值振動速度限值。該標準根據建筑物對振動的靈敏性將其分為三類,并對每類建筑物給出了PPV上限對于建筑物振動頻率的函數曲線。當進行振動評定時,所考慮的建筑物振動速度在其基礎處測得,并選用三個速度分量中的最大值進行評價;所考慮的建筑物振動頻率一般是指結構的卓越頻率。

4 精密儀器標準

振動對于激光、電子顯微鏡、電子天平的操作,外科手術器具、半導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,美國和日本等有關文獻提出了建筑物或儀器臺座的微振動限值要求[6],即對精密儀器的環境振動控制容許標準在位移振幅小于1 μ m、加速度小于1 gal的量級范圍內。

5 各國標準比較與分析

1)限值比較。各國的生理限值標準大體相同,但也存在著一定的差距,如表3所示。

表3 國際振動標準部分數據比較

從表3中可以看出,我國的環境振動限值標準較其他國家偏嚴。限值嚴格雖然能夠保證環境的舒適性,但同時對環境治理要求過于嚴格,可能會造成技術和經濟上的困難。對于環境振動標準應綜合考慮經濟、技術、居民舒適性等問題,爭取做到限值最優。

2)對振動隨機特性的考慮。環境振動評價標準ISO 2631最初是以短時間的簡諧荷載試驗為制定依據的,雖然其后經過多次修訂,但對于隨機振動特性的研究仍存在著很大的欠缺。而我國的GB 10070-88是在ISO 2631的基礎上制定出來的,顯然,它同樣存在對于振動隨機問題考慮不周的問題。因此,對于我國的環境振動評價標準,只用一個單值來界定振動是否超標,很難體現隨機特性,對于環境振動標準如何體現振動隨機特性仍需作深入研究。

6 結語

本文針對環境振動限值標準進行了系統的介紹,重點介紹了各國的生理標準,即振動對人體舒適性的限值標準。在此基礎上,主要針對我國的《城市區域環境振動標準》進行分析,指出了我國振動標準存在的問題及日后改進的方向。

[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,建筑物內的振動(1～80Hz)[S].

[3] 夏 禾,張 楠.車輛與結構動力相互作用[M].北京:科學出版社,2004.

[4] GB 10070-1988,城市區域環境振動標準[S].

[5] GB 10071-1988,城市區域環境振動測量方法[S].

[6] 日本噪聲控制學會.地域的環境振動[M].東京:技報堂出版株式會社,2001.