典型通信設備機柜的振動臺試驗研究

郝云鵬 馮利飛 毛晨曦

摘要：以振動臺試驗為手段，研究一種典型通信機柜的抗震性能，同時為后續該機柜的準確數值模擬和地震易損性分析提供基礎。考慮機柜參數的隨機性和地震動輸入的隨機性對機柜地震反應的影響，試驗中對3臺同樣規格尺寸的機柜和內部設備共輸入9條地震動;逐漸增大地震動幅值，直至機柜嚴重破壞，觀察機柜和設備在地震作用過程中的破壞模式和特征，記錄其地震反應。試驗結果表明：各機柜在PGA達到0.4～0.5 g后開始出現損傷，表現為機柜內鋼框架的立柱與底部橫梁間的焊縫開裂;在PGA達到0.9 g后，機柜內底部和頂部橫梁也開始出現彎曲;試驗結束后，機柜完全破壞，不可再使用。最后，建議為提升機柜的抗震性能，應嚴格控制焊縫質量。

關鍵詞：通信機柜與設備;振動臺試驗;破壞特征;通信功能

0 引言

近年來，移動通信極大改變了中國人的生活方式：移動支付、網購、外賣、共享單車、直播遍地開花，為中國經濟發展帶來的直接和間接貢獻迅速攀升。如今移動互聯網已經滲透到能源、礦業、農業、物流、安保和社會管理等眾多行業和領域，并催生了大量新興業務。移動通信服務業已經在我國國民經濟中占有重要地位。

我國是一個多地震國家，地處環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，面臨的地震災害風險和遭受的損失也隨著城市現代化建設的發展與日俱增（陶正如，陶夏新，2004）。地震發生后，通信系統受損將導致災區與外界通信中斷，無法為災區救災提供保障，耽誤搶險救災的最佳時機，使民眾的生命財產安全受到嚴重損害（張競，杜修力，1995）。

在國內外的數次地震中，通信系統都發生了不同程度的破壞和中斷。1995年日本7.3級阪神地震后，通信建筑物破壞嚴重，大部分通信設備遭到破壞，41萬通信線路中斷（李騰雁等，1996;楊光，沈繁鑾，2005）;1999年土耳其7.4級地震，導致整個災區的通信幾乎中斷（張敏政，劉潔平，2000）;2010年海地7.3級地震后，通信電纜被破壞，電話線路和部分通信基站鐵塔受損，通信幾乎全部癱瘓（陳虹，2011）;2010年智利8.8級特大地震后，災區通信一度中斷，影響了搶險救災的進度（Lew et al，2010;Naeim et al，2011）。通過對歷次地震后通信系統震害的總結可發現，及早發現通信系統中的薄弱環節，提高通信系統抗震性能，做好震后應急儲備，至關重要。

通信設備是整個通信系統中最核心的組成部分，任何一種設備的破壞都會影響整個通信系統的正常工作（李桂榮等，2005）。本文以一種在移動通信基站機房中常用的設備機柜為研究對象，在機柜中安裝相關設備，模擬設備和機柜的正常運行狀態，同時進行振動臺試驗，研究在地震作用過程中設備的破壞特征，為后續基于試驗的數值模擬及通信機柜和設備的地震易損性研究提供基礎數據。

1 振動臺試驗方案

1.1 試驗機柜及設備

本次試驗選用了一種在移動通信基站中常用的綜合設備機柜，其尺寸為600 mm×800 mm×2 000 mm。為了盡量模擬機柜的正常運行狀態，試驗時在機柜中安裝了2個光纖配線架，2臺交換機，如圖1所示。每個光纖配線架和1臺交換機之間通過光纖連接，組成一組設備;兩組光纖配線架與交換機之間也用光纖連接，實現了兩組設備間的互通。試驗中選擇了3臺同樣規格尺寸的機柜和內部設備，這是因為在振動臺試驗中對同一臺機柜不能施加過多的地震動，以免機柜產生嚴重的累積損傷而影響試驗結果的可靠性。為充分考慮地震動的隨機性對機柜抗震性能的影響，試驗中對每臺機柜施加3條地震動，3臺機柜共施加9條地震動，3臺機柜和其內部設備雖然型號完全相同，但有可能由于加工過程的不確定性導致其抗震性能存在一定的差異，選擇多臺設備進行試驗也可以適當考慮設備材料參數的隨機性對試驗結果的影響。

試驗中每臺機柜均通過底部螺栓與底板固定連接，底板與振動臺也通過螺栓固定連接。試驗過程中保持設備的供電。通過交換機上的2個指示燈，可以分別觀察到設備是否維持通電狀態，以及光纖是否保持連接。

1.2 測試傳感器的布置

試驗前，在柜頂的2個水平方向（x向和y向）各布置1個位移傳感器（編號為DX2和DY2）;在機柜的頂部，以及每臺設備的安裝高度處沿2個水平方向各布置1個加速度傳感器（編號分別為AX2～AX7和AY2～AY7），目的是監測機柜和設備在地震引起的慣性力作用下產生的位移和加速度反應。在臺面的x向和y向分別布置1個加速度傳感器（編號為AX1和AY1）和1個位移傳感器（編號為DX1和DY1），以監測振動臺臺面在2個水平方向的位移和加速度。試驗中傳感器布置如圖1d所示。

試驗所用位移傳感器為拉線位移計，量程為±400 mm，精度為±1 mm;加速度傳感器量程為±10 g，精度為1%;各傳感器試驗前均經過標定。

1.3 地震動輸入的選取

為確保所選擇到的地震動記錄對試驗設備是較為不利的地震動激勵，振動臺試驗中地震動激勵的選擇采用了FEMA P695建議的方法（Applied Technology Council，Federal Emergency Management Agency，2009），其相關選波原則如下：①MS≥6.5地震，以排除不太可能對結構造成嚴重損壞的地震;②地震波PGA≥0.2 g，以選擇對結構地震作用明顯的地震動記錄;③同一個地震記錄所選波不超2條，從而消除地震動選取結果對地震事件的依賴性;④所選地震動通過調幅使其平均反應譜在0.2T1～ 1.5T1（T1為試驗機柜的一階自振周期），與規范設計譜相差不超過10%。

在選取地震動之前，首先對機柜進行白噪聲掃頻，并依據機柜在白噪聲激勵下的反應識別得到機柜的自振頻率。圖2為3臺機柜自振頻率的識別結果，并綜合自振頻率確定了地震動記錄選擇的頻率范圍，即0.2 T1～1.5 T1。為了較好地考慮地震動隨機性造成的機柜反應的差異，對每臺機柜施加3條不同的地震動激勵，試驗中共輸入了9條地震動記錄（表1）。所有地震動記錄均選自美國太平洋地震工程研究中心強震數據庫PEER。

1.4 振動臺試驗加載工況

在振動臺試驗過程中，為實現雙向加載，將表1所列每次地震的2個水平方向的記錄作為一組地震動，分別施加在機柜的x和y方向。將每組地震記錄里PGA較大方向的記錄稱為“主激勵”，與之垂直的水平方向的記錄稱為“從激勵”。試驗過程中首先將主激勵和從激勵分別沿機柜的x和y方向施加，并保持主激勵和從激勵的PGA比值為1∶ 0.85;隨后將2個方向的地震動激勵對調，即主激勵和從激勵再分別沿機柜的y和x方向施加，并維持主激勵和從激勵間PGA比值不變。按照表1中列出的地震動記錄的順序對每臺機柜逐一施加地震動，并逐漸將主激勵的PGA從0.1 g逐漸增大至1.2 g，每次增幅0.1 g。在每個幅值的3條地震動全部施加完畢后，對試驗機柜進行一次白噪聲掃頻，以觀察機柜自振頻率的變化。

2 振動臺試驗結果

2.1 自振頻率變化

表2給出了試驗過程中3臺機柜在每一次地震激勵后自振頻率的變化。由表2可以發現，3臺型號材質相同的機柜在試驗前的自振頻率相差不大，但在不同的地震動作用后，機柜自振頻率的變化并不相同，這體現了機柜在不同的地震動作用后損傷發展歷程的差異。總體上看，試驗機柜沿x和y向的自振頻率在PGA達到0.5 g后開始降低，至0.8 g后進一步衰減，說明機柜在PGA達到0.5 g后損傷開始明顯且逐漸加重。雖然試驗機柜y向的剛度強于x向，但在地震作用下，y向的自振頻率降低幅度也很大，說明機柜沿y向的損傷也很嚴重。

2.2 位移反應

圖3為在各次地震動作用下3臺機柜柜頂的峰值位移。從圖中可以看出，總體而言，3臺機柜在x向的位移反應大于y。機柜1沿x向在PGA≤0.6 g幾乎處于彈性狀態，沿y向在PGA>0.6 g出現較為明顯的非線性趨勢。隨著PGA進一步增大，機柜1沿x向和y向開始產生塑性變形。機柜2沿x向在PGA≤0.4 g時保持接近于彈性的變形狀態，沿y向在PGA≤0.6 g時保持近似彈性的變形狀態。機柜3沿x向在PGA≤0.5 g時保持接近于彈性的

1.2 2.0 3.8 未加載 未加載 未加載 未加載

變形狀態，沿y向在PGA≤0.6 g時保持近似彈性的變形狀態。不同機柜在同一個方向上的峰值位移反應也有很大的差異。在x向，機柜2和機柜3的柜頂峰值位移比機柜1大得多，而在y向，機柜1和機柜3峰值位移反應大致相當，機柜2的峰值位移反應最大，這也體現了地震動的隨機性造成的機柜峰值位移反應的差異。

3 試驗現象及結果分析

通信機柜是依靠其內部沿x方向布置的2個鋼框架來抵抗側向力的（如圖1d所示）。這2個鋼框架均是由2根立柱和柜頂、柜底的橫梁焊接而成。在機柜內部沿y方向，則在機柜的底部、1/2高度處、頂部有橫梁連接2個x方向的鋼框架，這樣就形成了整個機柜沿2個水平方向的抗側力體系。

各試驗機柜主體在地震作用下的典型損傷現象參見表3，損傷現象照片如圖4所示。從表3和圖4可以看出，機柜內的鋼框架是其重要的抗側力承載體，鋼框立柱與頂梁、底梁的焊縫質量對機柜的抗震能力有很大影響。因此，嚴格控制焊縫質量可以有效提高機柜的抗震能力。

除了機柜的主體框架發生破壞以外，機柜上的“非結構構件”也發生了相應的破壞，具體包括機柜前后門的脫落，側向板的脫落等。雖然這些“非結構構件”的破壞不會影響整個機柜的正常工作，但是它們的缺失會使得機柜整體上的抗側剛度受到影響，從而導致在地震作用下機柜的地震反應尤其是位移反應更加劇烈，加速了機柜的破壞。

需要指出的是，直到試驗全部結束，3個機柜內交換機上的電源指示燈和光纖連通指示燈均未熄滅，表明在試驗結束后，即使機柜已經破壞得非常嚴重，但機柜內的2個交換機一直在維持相互連接狀態。據此推定機柜內的交換機在這樣的地震動強度下仍可正常工作還需謹慎。本文的試驗中，每個工況僅針對一臺機柜和其內部的設備進行地震激勵，設備是在機柜內互相連接的。在實際的通信機房內，是通過光纖將不同機柜內的設備相互連接（光纖通過機柜頂部或底部的走線架進入機柜），在地震作用過程中是否會因為不同機柜間地震反應的差異而拉斷光纖還需要進一步的研究。在后續的通信設備抗震性能研究中，還應考慮在地震作用后對通信設備進行更為詳細的電參數檢測。

4 結論

本文針對一種通信基站常用的通信設備機柜，進行了地震模擬振動臺試驗。試驗中對3臺同樣規格尺寸的機柜和內部設備共輸入9條地震動，以考慮機柜參數和地震動輸入的隨機性對機柜地震反應的影響。通過逐漸增大地震動幅值，直至機柜嚴重破壞，觀察機柜和設備在地震作用過程中的破壞模式和特征，記錄機柜和設備的地震反應。主要得到以下結論：

（1）無論從試驗現象，還是從機柜的位移反應，均可以看出本文所研究的這種通信機柜在PGA達到0.4～0.5 g后開始出現損傷，具體的損傷特征表現為機柜內鋼框架的立柱與底端橫梁間的焊縫開裂。隨著PGA的增加，這些焊縫進一步開裂，導致機柜的鋼框架在地震動作用下出現抬升;在PGA達到0.9 g后，機柜內底部和頂部橫梁也開始出現彎曲;試驗結束后，機柜完全破壞，不可再使用。

（2）針對本文所研究的這種典型通信機柜，機柜內的鋼框架是其重要的抗側力承載體，鋼框立柱與頂梁、底梁的焊縫質量對機柜的抗震能力有很大影響。因此，嚴格控制焊縫質量可以有效提高機柜的抗震能力。

參考文獻：

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