多層走線架抗震性能的數(shù)值模擬研究

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司陜西分公司，西安 710077）

1 工程背景

中國地處全球兩大地震帶之間，近年來國內(nèi)外地震頻發(fā)，為確保通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行，必須重視通信設(shè)備的抗震加固工作。

目前，大部分通信設(shè)備為架式設(shè)備，機(jī)柜高度在2200mm以上，重心較高，在地震中的穩(wěn)定性較差?！峨娦旁O(shè)備安裝抗震設(shè)計規(guī)范》中指出，架式電信設(shè)備頂部應(yīng)采取由上梁、連固鐵、列間撐鐵、旁側(cè)撐鐵、斜撐和立柱組成的加固聯(lián)結(jié)架（簡稱鐵架）的安裝方式，將設(shè)備、鐵架及建筑物聯(lián)結(jié)為一個整體，可以有效抵抗地震作用力，達(dá)到設(shè)備抗震加固的目的。

但在實際工程中，核心機(jī)房內(nèi)布置著通信設(shè)備、空調(diào)、走線架、消防管路、防排煙設(shè)施、照明設(shè)施及各種復(fù)雜的管線，機(jī)房環(huán)境非常復(fù)雜，機(jī)房空間也很緊張。尤其是空調(diào)風(fēng)管需占用設(shè)備頂部一定的空間，而用于架式設(shè)備上加固的鐵架一般安裝在機(jī)柜頂部以上、第一層走線架以下的空間，有時會發(fā)生沖突，如圖1所示。由于空間被占用、方案復(fù)雜、施工難度大、建設(shè)單位接受度低等多種原因，規(guī)范要求的鐵架安裝多數(shù)情況下在核心機(jī)房并未實施，給通信設(shè)備的運(yùn)行帶來了一定的安全隱患。

2 多層走線架抗震性能數(shù)值模擬的提出

針對上述問題，我們提出將電信設(shè)備、多層走線架及建筑物聯(lián)結(jié)為一個整體的抗震加固新思路。目前，我國抗震設(shè)防烈度7度以上（含7度）的在網(wǎng)設(shè)備均經(jīng)過了抗震性能的相關(guān)檢測，具備較好的抗震性能。通信建筑在抗震方面也有相對成熟的考慮，可以說建筑物本身也具備良好的抗震性能。走線架作為空間框架結(jié)構(gòu)本身具備一定的強(qiáng)度和剛度，可以考慮將其作為設(shè)備上加固的中間轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，但多層走線架在垂直列架方向的支撐構(gòu)件少、整體剛度小，不利于抵抗該方向的水平地震作用力，在通信設(shè)備、多層走線架及建筑物聯(lián)結(jié)的抗震加固整體結(jié)構(gòu)中比較薄弱。為了保證整體結(jié)構(gòu)的抗震效果，需對走線架進(jìn)行加強(qiáng)改造，使之具備良好的抗震性能。

圖1 核心機(jī)房立面空間分布示意圖

本文以中國移動局房標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計為平臺，使用3D3S鋼結(jié)構(gòu)計算軟件，采用概念設(shè)計及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對不同機(jī)房在不同抗震設(shè)防烈度下的走線架進(jìn)行數(shù)值模擬，必要時對多層走線架進(jìn)行加強(qiáng)改造，使走線架具備良好的抗震性能，從而保證通信設(shè)備的安全運(yùn)行。

3 多層走線架抗震性能的數(shù)值模擬過程

我們以本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度（0.15g）的數(shù)據(jù)機(jī)房為例，采用U型鋼走線架（鋼材牌號為Q345），進(jìn)行受力和變形的數(shù)值模擬計算，抗震效果不理想時對多層走線架進(jìn)行加強(qiáng)改造，通過反復(fù)試算和對比分析，使走線架具有良好的抗震性能。

3.1 建模及加載

中國移動標(biāo)準(zhǔn)化局房采用多層框架結(jié)構(gòu)，柱距一般在7.2～7.6 m之間。選取機(jī)房一個區(qū)隔的走線架作為計算單元，同時保證連固鐵和主走線架終端與建筑物可靠連接，且每層走線架與柱子的連接不少于兩處。數(shù)據(jù)機(jī)房的主流設(shè)備型號為600 mm×800 mm×2200 mm（寬×深×高），單機(jī)柜滿配重量約430 kg，列長以不超過柱距為宜，最長不超過10 m，設(shè)備面對面列間距為1.4 m，背對背列間距為1.2 m。

根據(jù)布線需求數(shù)據(jù)機(jī)房一般設(shè)置兩層走線架，主走線架每隔1.0～1.2 m設(shè)置一處吊掛，列走線架每隔1.5 m設(shè)置一處吊掛（如圖2所示）。根據(jù)以上參數(shù)，采用3D3S鋼結(jié)構(gòu)計算軟件空間任意結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行建模（如圖3所示），建模過程中應(yīng)注意材料及截面的選取、截面方位的定義、構(gòu)件的連接、刪除重復(fù)節(jié)點、模型檢查等細(xì)節(jié)。

走線架本身的重力荷載程序會自動計算，承受的外部荷載主要為線纜的豎向荷載和通過連接構(gòu)件傳遞的設(shè)備水平地震作用力。主走線架和列走線架的線纜重量分別約為150 kg/m、100 kg/m，換算為豎向面荷載分別為1.25 kN/m2、0.625 kN/m2。參考《電信設(shè)備安裝抗震設(shè)計規(guī)范》（4.1.1-3）、（4.2.1）及（4.3.1-1）等公式，計算列走線架主梁在7度（0.15 g）抗震設(shè)防烈度下承受的水平地震作用力為1.461 kN/m。在軟件的使用中通過建立荷載庫、施加單元荷載、施加桿件導(dǎo)荷載、自動導(dǎo)荷載等命令實現(xiàn)走線架的加載。

圖2 數(shù)據(jù)機(jī)房走線架的平面、立面布置示意圖

圖3 數(shù)據(jù)機(jī)房走線架的空間立體模型

3.2 初次數(shù)值模擬

經(jīng)過內(nèi)力組合、線性分析、單元驗算等環(huán)節(jié)，軟件呈現(xiàn)初次數(shù)值模擬的結(jié)果：結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)1 469個，當(dāng)主材采用35 mm×40 mm×35 mm（壁厚t=3.0 mm）的U型鋼時，673個構(gòu)件不滿足強(qiáng)度及變形要求，且這些構(gòu)件大部分為吊掛和列走線架主梁等主要受力桿件。

參考《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50292-1999）關(guān)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠性鑒定評級標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)“小震不壞、中震可修、大震不倒”和“弱支撐、強(qiáng)主體”的抗震設(shè)計原則，當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的水平地震作用力時，允許部分非重要桿件出現(xiàn)破壞。如果結(jié)構(gòu)小于10%的構(gòu)件不滿足強(qiáng)度及變形要求，且不滿足的構(gòu)件大部分為支撐桿件，我們就可以認(rèn)為抗震性能良好。依據(jù)該判定原則可以看出，本次數(shù)值模擬的走線架的結(jié)構(gòu)形式，采用較大的截面時仍有39.0%的構(gòu)件不滿足要求，且不滿足構(gòu)件大部分為主體構(gòu)件，抗震性能較差，需要通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式的方法改善走線架的抗震性能。

3.3 概念設(shè)計及對比分析

從概念設(shè)計的角度講，走線架在垂直列架方向的支撐構(gòu)件少、整體剛度小，不利于抵抗該方向的水平地震作用力，因此對多層走線架的改造主要考慮增加列間的橫向支撐，必要時需增加斜撐。參考規(guī)范鐵架列間撐鐵和斜撐的設(shè)置方式，走線架每隔2.0 m～2.5 m設(shè)置一道橫向支撐，設(shè)置斜撐時隔列設(shè)置。圖4和圖5分別為僅增加橫向支撐、增加橫向支撐和斜撐兩種改造方式。

如前所述，空調(diào)系統(tǒng)支風(fēng)管的設(shè)置，多數(shù)情況下同走線架互相避讓后占用機(jī)柜頂部以上500 mm高或第一層走線架以上500 mm高的空間，與之相對應(yīng)的，第二層走線架或第一層走線架未被占用，可以考慮作為走線架加強(qiáng)改造的空間使用，具體工程中還應(yīng)根據(jù)實際情況，多專業(yè)配合協(xié)調(diào)確定各自在機(jī)房中的占用空間。在概念設(shè)計和數(shù)值模擬中，我們統(tǒng)一采用對第二層走線架（最不利位置）進(jìn)行加強(qiáng)改造的方式，結(jié)果同樣適用對第一層走線架的加強(qiáng)改造，且偏于安全、適用面更廣。

圖4 增加橫向支撐的改造方式

圖5 增加橫向支撐和斜撐的改造方式

對改造后的走線架重新進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同的計算結(jié)果。從表1中可以看出：對于每一種結(jié)構(gòu)形式，隨著主材截面規(guī)格的逐漸增大，抗震性能逐步加強(qiáng)；對于同一種主材截面規(guī)格，原走線架、僅增加橫向支撐的走線架、增加橫向支撐和斜撐的走線架的抗震性能逐漸加強(qiáng)。

通過對不滿足構(gòu)件的占比及主要形式的對比分析，最終選取主材截面規(guī)格為35 mm×40 mm×35 mm（t=3.0 mm）U型鋼、增加橫向支撐和斜撐的走線架形式，不滿足構(gòu)件占比7.8%，且不滿足構(gòu)件主要為支撐構(gòu)件。

4 多層走線架抗震性能的數(shù)值模擬結(jié)論

重復(fù)上述的算例過程，我們收集了大量的數(shù)據(jù)，對不同機(jī)房、不同抗震設(shè)防烈度、主材截面為U型鋼（鋼材牌號為Q345）多層走線架的抗震性能進(jìn)行了概念設(shè)計、數(shù)值模擬和對比分析，得出了如表2所示結(jié)論，供通信工程設(shè)計參考使用。

表1 走線架抗震性能的對比分析

表2 U型鋼走線架的主材規(guī)格和加強(qiáng)改造方式表

在工程實際中，如果采用角鋼走線架，由于比U型鋼走線架的強(qiáng)度和剛度更高，多層走線架加強(qiáng)改造的方式可略微減弱；如果采用鋁合金走線架，材料宜選用塑性較好的Al-Mg系列鋁合金（牌號為5×××）或Al-Mg-Si系列鋁合金（牌號為6×××），同時參考U型鋼走線架概念設(shè)計和數(shù)值模擬的結(jié)果，秉承適當(dāng)加強(qiáng)的原則，選擇主材規(guī)格和加強(qiáng)改造方式。

5 結(jié)束語

鑒于鐵架安裝的實際困難，我們提出將電信設(shè)備、多層走線架及建筑物聯(lián)結(jié)為一個整體的抗震加固新思路，采用概念設(shè)計和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分別從定性和定量的角度提出不同機(jī)房在不同抗震設(shè)防烈度下多層走線架的加強(qiáng)改造方式，從而解決了規(guī)范要求的鐵架安裝難以實施的問題，在有限的機(jī)房空間內(nèi)，用較低的經(jīng)濟(jì)投入實現(xiàn)了設(shè)備抗震加固的目的，保證了通信設(shè)備的安全運(yùn)行和機(jī)房整體美觀性。