鐵路機房設備的防震支座研究

王耀安

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司通號院，陜西 西安710000）

隨著我國經濟的發展，鐵路路網正在迅速建設，例如青藏高原等地震帶沿線均有鐵路經過，沿線設置的鐵路設備機房至今尚未使用任何防震措施。震動對于鐵路設備的影響較大，在GB50174-2017《數據中心設計規范》[1]中，明確規定了電子信息機房的抗震要求。

現其他具有震動敏感度的行業已經在大范圍使用防震支座，如博物館已廣泛采用防震支座[2]，保證在震動產生時，震動位移被防震支座吸收，被保護的文物只產生微弱震動或者晃動，不會導致傾倒、碰撞等。更多更普遍的防震、抗震研究集中于設備安裝行業，特別是室內設備的安裝[3]，部分室內設備，例如發電機等，不僅僅是外部震動會對設備本身產生影響，而且自身的震動同樣會對相鄰設備產生影響，室內設備的防震、抗震研究顯得非常重要。

鐵路機房設備也同屬于室內電子設備，例如青藏線、蘭新線，沿線部分車站的設備機房分布于地震帶、地裂帶上，容易發生地震，但由于鐵路機房的特殊性，使得現在市場上適用的防震支座很難直接應用于現場的安裝。因此，本文將從鐵路設備機房的特殊性出發，通過多個通用方案的比選，探究并設計出適合于鐵路機房設備的防震支座方案。

1 鐵路設備機房的特殊性

當前，鐵路設備機房內陳列的設備多以電子設備為主，且大多數一直處于運行狀態。鐵路設備機房[4]內根據這些設備對防護環境的需要，考慮機房電磁環境、等電位連接、機房和線路屏蔽、設置防雷器材等綜合防護措施。

防震技術能顯著降低信號室內設備機柜結構的自振，通過適當的阻尼大大減弱柜體結構的加速度響應，同時使柜體結構的位移保持在上部機柜與下部結構之間的隔震層上，而不由機柜結構本身的塑形形變承擔。在地震過程中，防震支座可以保持上部機柜本身發生的形變較小，僅發生微小的剛性形變。信號系統作為鐵路運輸系統的控制子系統，需要有較強的可靠性與抗外界干擾性，而放置著信號設備的室內機柜的抗震性尤為重要。

1.1 電磁環境與室內綜合接地

以鐵路信號機房為例，通常會在設備機房建筑周圍設置避雷帶和避雷網，室內會設置電磁屏蔽“法拉第籠”。這些措施減少了室內設備受雷電或其他強電磁環境的影響，保證了設備長時間的穩定運行。

鐵路機房內設備通常需要進行接地，諸如信號電源屏、聯鎖機、電力備用發電機等，這些接地在經過室內匯集之后，與室外等電位體相接，室外等電位體在與大地或者貫通地線等可靠連接，使得系統內接地系統成為一個等電位的整體。這些等電位不僅是設備正常運行的保證，同樣也是某些電子邏輯能正確達成的基礎。

1.2 走線架

以鐵路信號機房為例，通常鐵路信號設備機房柜上走線架與下走線排同時使用，并需使用防靜電地板。上走線架通常固定于柜體，下走線架通常固定于房屋地面，并使用金屬支架支起鋪設防靜電地板。這使得室內防震支座不僅需要考慮設備、柜體，還應考慮上走線架。

除此之外，承載力、照明需求、溫度與濕度需求等這些特殊需求使得鐵路機房設備的防震支座與其他行業的防震支座實現方式大不相同。還需考慮通用性要求，例如經濟性、易安裝性等。

2 防震方案的比選

防震的本質為吸收震動所帶來的位移，從空間上，可將位移分解為豎直位移與水平位移，水平位移在一個水平面上又可以分為橫向位移與縱向位移。本次方案主要以使用阻尼彈簧或橡膠吸收縱向位移，以及阻尼彈簧或橫向限位等方式吸收水平位移的方式進行設計。

2.1 整體性方案

如圖1所示，將房屋地面作為一個單位整體，鋪設多條縱梁與橫梁。縱梁上設置吸收縱向位移的橡膠，再與地面相接；縱、橫梁與四周墻壁以限位器相連，保證在豎直方向上能夠吸收位移，水平方向起到固定作用，梁上設縱、橫兩條軌道，在軌道面上設置支承裝置，支承裝置與設備、機柜相連。為了保證設備、機柜便捷的分類接地，在防震支座上設置走線槽，與支座外部的接地匯流排相連接。

圖1 整體性方案結構圖

2.2 分散性方案

如圖2所示，將設備、機柜的四角做為分散式單位，分別設置四個防震支座。防震支座與設備、機柜可靠連接，并通過導線連接接地端子。防震支座均設有接地線，與接地匯流排可靠連接。為提升分散式防震支座的整體性與可靠性，防震支座表面設連接口，使用鋼帶、鋼管等方式，將四個防震支座連接起來。

圖2 分散性方案結構圖

防震功能實現于單個支座，每個支座分上下兩部分，上部為吸收水平位移，下部為吸收縱向位移。上部又分為橫向導軌與縱向導軌，以吸收橫向位移與縱向位移。

2.3 上掛式方案

上掛式防震支座的方案結構圖如圖3所示，主要由縱梁、橫梁、縱向固定裝置、橫向固定裝置構成主體結構與承載結構，在縱橫梁下部設置懸掛支架，懸掛支架與設備機柜相連，使得設備機柜懸掛于縱橫梁上。接地線等按照標準安裝工程設置。上掛式防震支座吸收所有形變，與地面式方案不同的是，其主要承載力為向下的重力，而非承載力，主要承載結構為頂部縱橫梁，力的傳導方式不同，這也使得其吸收形變的主要部分為上掛的連接器。

圖3 上掛式方案結構圖

2.4 分析與比選

整體性方案的優勢在于防震整體性好，上部載荷比較大時，依然能夠穩定放置；后期在設備移設時，無需對防震支座進行改造；并且縱、橫梁的設置可以與地網、室內接地連接預留件等相互配合，在一定程度上對綜合接地起到補充作用。

但整體性方案的實施難度較大，對房屋形狀的要求較高，相比分散性方案不夠靈活。鐵路機房室內需要上走線架與下走線架共同使用的情況，對走線架的走向有干擾，可能會出現設備與設備之間距離增加使得信息傳輸速度不足，導致設備使用情況不佳等問題。且整體性方案費用與分散性方案相比較高，若后期不對設備間進行改造，則會造成巨大浪費。

相比整體性方案，分散性方案在經濟性上較好，每增加一個設備或機柜則增加一組防震支座即可；支架對房屋形狀無要求，無需較為規整的房屋形狀；安裝時對墻面無需改造，工程量較小；對下走線架無影響，可按常規設計。通過連接鋼帶、鋼管，可以提升整體可靠性。但對綜合接地無補充作用，為提高接地的可靠性，每一組支架需分別進行接地。

對于上掛式方案，相比地面式方案，其水平位移與縱向位移的吸收結構相對簡單，無需多結構組合式設計，但由于需要架設縱橫梁，在支架材料費用方面消耗較大，但較小于地面整體性方案。相對于地面方案，其震動所帶來的水平位移與縱向位移的吸收效果較好，在房屋不產生倒塌等情況下，受保護的設備機柜不會出現傾倒等問題。

鐵路信號常涉及上走線架，雖然上掛式可以避開走線架設置，但需單獨的整體設計，該設計難度較大，且沒有普適性。與其他兩個方案相比，施工難度大，且人工量增加，無法重復利用設計，因此操作性差。上掛式需要較多的頂部縱梁、橫梁，經濟性、易改造性與易施工性不強。

綜上所述，地面整體性方案與上掛式方案更適合于防震要求很高、新設立的鐵路設備機房，且需投資較大；而分散性方案的普適性更好，對于新設立的機房、更新改造的機房均可適用，經濟性好。鑒于對大多數工程的普適性設計，地面分散式方案具有代表性與進一步研究的意義，因此選用地面分散性方案做進一步設計。

3 防震設計

通過鐵路機房的特殊性可知，以下四點是防震支座設計中的關鍵因素：

（1）需設置接地線，接入接地網。

（2）需有一定的承載能力與穩定性，才能滿足部分較重的設備。

（3）需有一定的抗腐蝕性。

（4）需吸收地震時的水平位移與豎直位移，能夠達到“房不倒，設備不倒”。

通過上述分析，設計方案如圖4所示。

圖4 防震支座設計結構圖

防震支架選用高強度不銹鋼作為主體材料，滿足抗腐蝕性與承載力的需求。從總體上分為三部分：上面板、軌道式水平位移吸收層、阻尼彈簧式豎直位移吸收層。

上面板：上面板主要作用為支承設備、機柜，在上面板上設置加強架安裝口，若遇上部設備較重、防震支座安裝難度大等情況，可使用不銹鋼帶進行焊接，使得四個分散式支架構成同一整體。上面板還設有接地引出線，接地引出線為直徑2.5mm的銅線，與上部設備可靠連接，并與接地網可靠連接，保證接地的需求。

軌道式水平位移吸收層：與上面板相接，又分為軌道式橫向位移吸收層、軌道式縱向位移吸收層。通過高強度復合材料滾輪與不銹鋼軌道構成每一層的位移吸收層，兩位移吸收層的運動方向成90°，能夠吸收地震所帶來的水平面上的位移。

阻尼彈簧式豎直位移吸收層：與軌道式水平位移吸收層相接，為吸收豎直位移而設置。由于鐵路機房設備普遍存在重量較大的問題，因此采用阻尼彈簧式，使得防震支座更為穩定，安裝便捷性也有所提升。且阻尼彈簧可調整性較好，對于不同重量區間的設備，均可進行配套性調整。

防震支座以四個為一組，分別置于設備機柜的四個直角處。有以下兩種使用方式：四個防震支座相互不關聯，分離設計；或在水平位移模塊間與角鋼架相連，角鋼架應通過焊接、鉸接與防震支架可靠連接。第一種方式安裝方便，更換方便，但整體性不強。第二種方式整體穩定性較強，但應同時滿足以下兩個條件：

（1）地面水平，不應出現明顯凹陷或與高程不一致等現象。

（2）縱向位移模塊阻尼大小、高度等因素調整一致。

4 結束語

本文通過鐵路設備機房的特殊性，構建了整體性、分散性與上掛式三種防震支座方案，通過比較，以分散性方案為主要研究方向，圍繞防震支座應具有的四個關鍵因素，設計了防震支座。

防震支座包括水平位移吸收模塊、縱向位移吸收模塊、防靜電模塊及附屬固定單元；水平位移吸收模塊位于防震支座上部，采用滾珠與限位器結合吸收震動帶來的水平位移；縱向位移吸收模塊，位于防震支座下部，采用液壓阻尼器吸收震動帶來的縱向位移；防靜電模塊上接于水平位移吸收模塊頂部，與機柜電氣連接，沿支架向下，與地網等接地體電氣連接。其中水平位移吸收模塊上可使用角鋼架，增強整體穩定性。本項目所提出的設計能有效吸收震動帶來的水平方向位移與縱向位移，并能夠滿足鐵路電務設備機房內防靜電的需求。該設備對現場既實用又方便，安裝維護簡單，具有重大的意義和廣闊的應用前景。

鐵路設備機房防震支座作為室內設備防護震動、可靠接地的關鍵部件，具有較強的推廣意義。對于例如青藏線、蘭新線等地震情況較為復雜的長大干線，防震支座的存在可以進一步保護設備，保證運輸生產的效率與質量。