1、運(yùn)動場地地面沖擊衰減性能測試儀概述

國外，每年有成千上萬兒童及成年人在運(yùn)動場地、公共的或私人的運(yùn)動設(shè)施上，由于跌倒在不合適的地面而受傷。據(jù)美國消費(fèi)者產(chǎn)品安全委員會統(tǒng)計(jì)，美國每年超過15萬人在運(yùn)動場地上受傷。澳大利亞每年也有1300名兒童因玩滑梯、秋千等游戲，從高處跌下受傷住院。在標(biāo)準(zhǔn)制定前，雖然由此引起訴訟費(fèi)達(dá)幾百萬美元，但是保險(xiǎn)公司仍然拒絕承擔(dān)多種與此有關(guān)險(xiǎn)項(xiàng)的保險(xiǎn)義務(wù)。因此，國外立法建立限制條例，如美國制定的ASTM F 1292-2004、歐洲制定的EN 1177:1997和澳大利亞制定的 AS/NZS4422:1999等對運(yùn)動場地地面安全性能檢測方法及設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，以評估運(yùn)動場地地面鋪墊的材料是否合格。

國內(nèi)也有報(bào)道小孩蕩秋千時(shí)，設(shè)施連鉤突然脫鉤，致小孩頭部被摔成頭骨粉碎性骨折的重傷。記者看到出事現(xiàn)場地面沒有裝保險(xiǎn)墊，也無防緩沖作用的橡膠地板。事實(shí)上，有很多采用各種吸收沖擊能量的彈性材料作為地面鋪層，可以防止人們跌倒而損傷，特別是頭部損傷。問題是彈性材料的特性和鋪墊厚度都與安全有關(guān)，需要有相關(guān)的測試設(shè)備測定。

2、運(yùn)動場地地面沖擊衰減性能測試儀有關(guān)術(shù)語簡介

運(yùn)動場地地面(playground surface)，被用于鋪在運(yùn)動場設(shè)施下面一種人工或天然的材料，包括地基、地層、和其他用于抗沖擊的地面材料。

臨界跌落高度（critical fall height，CFH），衡量運(yùn)動場地地面材料的沖擊衰減性能，由符合標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定的沖擊衰減性能指標(biāo)的地面的理論跌落高度來定義。臨界跌落高度是接近但不希望會引起威脅生命的頭部傷害的高度。

頭部傷害判據(jù)（head injury criterion，HIC），一個(gè)沖擊加速度與時(shí)間關(guān)系的特殊積分，以測定頭部受到傷害的相關(guān)性。

加速度（g-max），當(dāng)模擬頭形落體與地面碰撞時(shí)的沖擊加速度，以重力加速度g為單位。

沖擊衰減（impact attenuation），通過地面局部變形或位移來減少峰值沖擊力和峰值加速度以吸收沖擊過程中的能量的運(yùn)動場地地面特性。

3、運(yùn)動場地地面沖擊衰減性能測試儀國外標(biāo)準(zhǔn)介紹的沖擊測試方法及設(shè)備

國外已有不少國家制定了運(yùn)動場地地面安全性能檢測的沖擊測試方法及設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，如美國制定的ASTM F 1292-2004、加拿大制定的CAN/CSA-03、歐洲制定的EN 1177:1997和澳大利亞制定的 AS/NZS4422:1999。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(CEN)和歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(CENELEC) 聯(lián)合成立的機(jī)構(gòu)“共同的歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織”CEN/CENELEC國際規(guī)則，英國、德國、法國、丹麥、奧地利等成員國執(zhí)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)。如英國執(zhí)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1177:1997編號改為英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN 1177:1998。下面簡介典型的二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

3.1  歐洲EN 1177：1997標(biāo)準(zhǔn)簡介

歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會（European Committee for Standardization, CEN）為防止人們在運(yùn)動場地上活動跌倒受傷，特別是頭部受傷，制定了相關(guān)的安全要求和試驗(yàn)方法EN 1177:1997《Impact absorbing playground surfacing – Safety Requirements and test methods》。

EN 1177:1997給出了測試運(yùn)動場地地面材料特性時(shí)的沖擊試驗(yàn)裝置（見圖1）及試驗(yàn)方法、典型的加速度gn與時(shí)間t的試驗(yàn)曲線（見圖2）、典型的HIC與跌落高度H的試驗(yàn)曲線（見圖3）及評估頭部受沖擊傷害程度HIC的計(jì)算公式，從而確定臨界跌落高度（CFH）的小值。即，人們在運(yùn)動場地上活動時(shí)跌落高度不大于CFH的小值，被認(rèn)為滿足標(biāo)準(zhǔn)的安全要求。

圖1 沖擊試驗(yàn)裝置

在圖1中，重4.6kg的模擬沖擊頭(headform)②裝有加速度傳感器(accelerometer)⑤，試驗(yàn)時(shí)需多次從不同高度跌落沖擊被測樣品①，每個(gè)高度對被測樣品需進(jìn)行多個(gè)不同位置的試驗(yàn)。加速度傳感器的輸出信號經(jīng)電荷放大器③放大后，由計(jì)算機(jī)④進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲和處理，終確定該試驗(yàn)樣品在滿足EN 1177:1997規(guī)定HIC不大于1000的安全評估指標(biāo)下的臨界跌落高度（CFH）小值Hc，并給出試驗(yàn)。

圖2 加速度gn與時(shí)間t的試驗(yàn)曲線

圖2是典型的加速度gn與時(shí)間t的試驗(yàn)曲線，EN 1177:1997規(guī)定在數(shù)據(jù)采集過程中的采樣頻率小為8,000Hz。

根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)，EN 1177:1997給出了頭部受沖擊傷害判據(jù)HIC的計(jì)算公式：

式中：

  a——加速度，單位g

  t1,t2——沖擊時(shí)間間隔，單位s

對每個(gè)試驗(yàn)位置，需計(jì)算出不同高度的HIC值，圖3為典型的HIC與跌落高度H的試驗(yàn)曲線。根據(jù)曲線擬合求出HIC=1000時(shí)不同高度的臨界跌落高度Hc值，并將該試驗(yàn)樣品所有測試得到的多個(gè)Hc中取小的一個(gè)值作為臨界跌落高度（CFH）值。

圖3 HIC與跌落高度H的試驗(yàn)曲線

3.2  美國ASTM F 1292-2004標(biāo)準(zhǔn)簡介

美國材料試驗(yàn)協(xié)會（American Society of Testing Materials）制定了ASTM F 1292-2004《Standard Specification for Impact Attenuation of Surfacing Materials Within the Use Zone of Playground Equipment》。1991年制定的ASTM F 1292在1996年被次修訂，再到1999年的第二次修訂版，直至現(xiàn)在新的2004版從標(biāo)準(zhǔn)題目和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容已修訂三次，說明了美國對運(yùn)動場地地面安全性能的重視，也說明了對在運(yùn)動場上活動的人身安全的重視程度。

ASTM F 1292-2004制定了對于安裝在運(yùn)動設(shè)備周圍的運(yùn)動場地地面材料沖擊衰減的要求；制定了運(yùn)動場地地面材料沖擊衰減的性能標(biāo)準(zhǔn)，明確了跌落高度臨界值（CFH）；確定了運(yùn)動場地地面材料在實(shí)驗(yàn)室條件下的跌落高度臨界值程序；制定了已安裝地面材料現(xiàn)場的測試規(guī)程；數(shù)據(jù)采集后的計(jì)算、記錄有二個(gè)評價(jià)指標(biāo)： HIC和g-max；還對試驗(yàn)樣品尺寸、環(huán)境溫度、測試時(shí)間等等作出了具體的規(guī)定。

其中，ASTM F 1292-2004第9.5.2條中制定了在測試運(yùn)動場地地面材料特性時(shí)判定頭部受沖擊傷害的HIC計(jì)算公式：

在數(shù)據(jù)采集過程中ASTM F 1292-2004推薦采樣頻率不低于20kHz。對測量也提出了準(zhǔn)確度要求：加速度傳感器電路g-max的測量準(zhǔn)確度5％，HIC測量準(zhǔn)確度10％。與EN 1177:1997標(biāo)準(zhǔn)的要求相比，ASTM F 1292-2004在4.2條中除規(guī)定HIC測得值不能大于1000外，還規(guī)定g-max測得值不能大于200g。即，在試驗(yàn)樣品所有測試得到的多個(gè)HIC所對應(yīng)的跌落高度Hc值中取小的一個(gè)，及在試驗(yàn)樣品所有測試得到的多個(gè)g-max所對應(yīng)的跌落高度Hc值中取小的一個(gè)，后取HIC和g-max所對應(yīng)的跌落高度Hc值小的一個(gè)作為臨界跌落高度（CFH）值。因此，ASTM F 1292-2004標(biāo)準(zhǔn)比EN 1177:1997標(biāo)準(zhǔn)相對嚴(yán)格。

4、國內(nèi)引用的標(biāo)準(zhǔn)及沖擊設(shè)備

國內(nèi)已有不少廠商或銷售三元乙丙橡膠(EPDM)的彈性安全地墊(Rubber Safety Cushion)。我們近參觀了國際第九屆地面材料展覽會（上海）和第20屆中國國際體育用品博覽會（成都）并獲得一些樣品，了解到有些安全地墊廠的測量是按GB/T 14833－1993（塑膠跑道）標(biāo)準(zhǔn)檢測的，也有廠商稱其產(chǎn)品符合歐洲EN 1176標(biāo)準(zhǔn)，但是在介紹時(shí)都沒有提及對頭部受沖擊傷害程度的HIC進(jìn)行測量評估。EN 1176-1:1998《Playground equipment — Part 1：General safety requirements and test methods》至EN 1176-7的七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是針對運(yùn)動場器材（如秋千、滑梯、木馬等）指定的安全要求和試驗(yàn)方法，其中EN 1176-1:1998在4.2.8.4條中特地提到：跌落到兒童運(yùn)動地面免受傷害的安全地墊性能試驗(yàn)要根據(jù)EN 1177，測試通用的沖擊衰減材料以符合臨界跌落高度（CFH）值。

我國還沒有測量評估運(yùn)動場地、兒童游樂場地HIC的要求，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 19272-2003，《健身器材室外健身器材的安全通用要求》 第5.7.4條規(guī)定：“……天梯、秋千等上下運(yùn)動彈跳或可能從空中運(yùn)動跌落的器材，其運(yùn)動地面應(yīng)為松軟或富有彈性的地面，例如：沙土層、橡塑地板等。若為橡塑地板時(shí)，其地板的結(jié)構(gòu)厚度應(yīng)不小于25mm；若為沙坑時(shí)，沙層厚度應(yīng)不小于200mm，……” 。而且強(qiáng)調(diào)該標(biāo)準(zhǔn)第5章為強(qiáng)制性條款。

上海樂傲試驗(yàn)儀器有限公司成功的HS2005沖擊強(qiáng)度測試儀（出口型號Uniaxe-II Impact Tester ）（見圖4），符合美國ASTM、澳大利亞AS、歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)的要求，已推向國際市場，在歐洲和澳洲得到了應(yīng)用。

圖4 沖擊強(qiáng)度測試儀

我們從EPDM安全地墊樣品的彈性手感及采用HS2005沖擊強(qiáng)度測試儀自行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外的產(chǎn)品對沖擊衰減的特性有較大差異，測試記錄數(shù)據(jù)見表1。

表1 安全地墊樣品試驗(yàn)數(shù)據(jù)

序號被測樣品商安全地墊厚度注1彈性手感臨界跌落高度（CFH）

1樣品125mm較硬0.6m

2樣品227mm較硬0.7m

3樣品325mm較軟0.7m

4樣品125mm＋25mm較硬1.1m

5樣品325mm＋25mm較軟1.3m

6美國和樣品1美國25mm

＋樣品1  25mm美國材料：軟

樣品1材料：較硬1.4m

7澳大利亞注250mm軟1.8m

注1：試驗(yàn)時(shí)，安全地墊鋪墊在水泥地面或大理石地面上；

注2：該試驗(yàn)數(shù)據(jù)由澳大利亞Acousto-Scan公司提供。

圖5 序號6樣品g-max、HIC與跌落高度H的試驗(yàn)曲線

圖5顯示的是序號6樣品三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線,分別顯示在g-max＝200時(shí)對應(yīng)的跌落高度和顯示HIC＝1000時(shí)對應(yīng)的跌落高度 。根據(jù)ASTM F 1292-2004標(biāo)準(zhǔn)，取HIC和g-max所對應(yīng)的跌落高度Hc值小的一個(gè)作為臨界跌落高度（CFH）值，即CFH值為1.4m。

再分析表1的數(shù)據(jù)?？梢钥吹綇椥允指熊浀陌踩貕|比彈性手感硬的安全地墊有更好的沖擊衰減性能。我們把試驗(yàn)數(shù)據(jù)與英國Wicksteed公司（www.wicksteed.co.uk）安全地墊產(chǎn)品的厚度與自由跌落高度的關(guān)系圖進(jìn)行比較（圖6），可以看到我們試驗(yàn)序號6和序號7國外產(chǎn)品的CFH數(shù)據(jù)與圖6接近，即安全地墊厚50mm時(shí)的CFH＝1.5m左右；而彈性手感較硬的國內(nèi)產(chǎn)品CFH明顯低于1.5m，甚至于CFH＝1.1m，這樣的安全地墊的防護(hù)性能能否滿足設(shè)計(jì)要求就需要用測試設(shè)備來驗(yàn)證了，當(dāng)然也可以加大安全地墊的厚度來滿足CFH的要求，但是增加了工程成本。

圖6  Wicksteed公司安全地墊厚度與自由跌落高度的關(guān)系

5、結(jié)語

我們注意到國內(nèi)運(yùn)動場地、兒童游樂場地的安全不應(yīng)該出了大量事故才重視起來，“以人為本”、“安全”不是口號，我國政府部門及社會各界現(xiàn)在都應(yīng)引起重視，防患于未然，筆者建議：

a)加強(qiáng)宣傳運(yùn)動場地有沖擊衰減特性的安全要求，盡快制訂國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的或?qū)?yīng)（等效或非等效）于國外的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，或補(bǔ)充GB19272-2003的內(nèi)容；

b)研究運(yùn)動場地安全性能的檢測技術(shù)，有自己知識產(chǎn)權(quán)的檢測設(shè)備；

c)在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)尚未頒布之前，是否可以參考國外標(biāo)準(zhǔn)（如EN 1177）, 對安全地墊或其它沖擊衰減材料（如沙灘，沙地）沖擊衰減特性檢測，以控制安全地墊質(zhì)量、控制運(yùn)動場地工程質(zhì)量和驗(yàn)收、定期（如二年）對場地的安全性能復(fù)測。

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