典型通信設(shè)備機(jī)柜的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

郝云鵬 馮利飛 毛晨曦

摘要：以振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為手段，研究一種典型通信機(jī)柜的抗震性能，同時(shí)為后續(xù)該機(jī)柜的準(zhǔn)確數(shù)值模擬和地震易損性分析提供基礎(chǔ)。考慮機(jī)柜參數(shù)的隨機(jī)性和地震動(dòng)輸入的隨機(jī)性對(duì)機(jī)柜地震反應(yīng)的影響，試驗(yàn)中對(duì)3臺(tái)同樣規(guī)格尺寸的機(jī)柜和內(nèi)部設(shè)備共輸入9條地震動(dòng);逐漸增大地震動(dòng)幅值，直至機(jī)柜嚴(yán)重破壞，觀察機(jī)柜和設(shè)備在地震作用過(guò)程中的破壞模式和特征，記錄其地震反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：各機(jī)柜在PGA達(dá)到0.4～0.5 g后開(kāi)始出現(xiàn)損傷，表現(xiàn)為機(jī)柜內(nèi)鋼框架的立柱與底部橫梁間的焊縫開(kāi)裂;在PGA達(dá)到0.9 g后，機(jī)柜內(nèi)底部和頂部橫梁也開(kāi)始出現(xiàn)彎曲;試驗(yàn)結(jié)束后，機(jī)柜完全破壞，不可再使用。最后，建議為提升機(jī)柜的抗震性能，應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：通信機(jī)柜與設(shè)備;振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn);破壞特征;通信功能

0 引言

近年來(lái)，移動(dòng)通信極大改變了中國(guó)人的生活方式：移動(dòng)支付、網(wǎng)購(gòu)、外賣、共享單車、直播遍地開(kāi)花，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的直接和間接貢獻(xiàn)迅速攀升。如今移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到能源、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流、安保和社會(huì)管理等眾多行業(yè)和領(lǐng)域，并催生了大量新興業(yè)務(wù)。移動(dòng)通信服務(wù)業(yè)已經(jīng)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。

我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，面臨的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和遭受的損失也隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展與日俱增（陶正如，陶夏新，2004）。地震發(fā)生后，通信系統(tǒng)受損將導(dǎo)致災(zāi)區(qū)與外界通信中斷，無(wú)法為災(zāi)區(qū)救災(zāi)提供保障，耽誤搶險(xiǎn)救災(zāi)的最佳時(shí)機(jī)，使民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重?fù)p害（張競(jìng)，杜修力，1995）。

在國(guó)內(nèi)外的數(shù)次地震中，通信系統(tǒng)都發(fā)生了不同程度的破壞和中斷。1995年日本7.3級(jí)阪神地震后，通信建筑物破壞嚴(yán)重，大部分通信設(shè)備遭到破壞，41萬(wàn)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(jí)地震，導(dǎo)致整個(gè)災(zāi)區(qū)的通信幾乎中斷（張敏政，劉潔平，2000）;2010年海地7.3級(jí)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(jí)特大地震后，災(zāi)區(qū)通信一度中斷，影響了搶險(xiǎn)救災(zāi)的進(jìn)度（Lew et al，2010;Naeim et al，2011）。通過(guò)對(duì)歷次地震后通信系統(tǒng)震害的總結(jié)可發(fā)現(xiàn)，及早發(fā)現(xiàn)通信系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，提高通信系統(tǒng)抗震性能，做好震后應(yīng)急儲(chǔ)備，至關(guān)重要。

通信設(shè)備是整個(gè)通信系統(tǒng)中最核心的組成部分，任何一種設(shè)備的破壞都會(huì)影響整個(gè)通信系統(tǒng)的正常工作（李桂榮等，2005）。本文以一種在移動(dòng)通信基站機(jī)房中常用的設(shè)備機(jī)柜為研究對(duì)象，在機(jī)柜中安裝相關(guān)設(shè)備，模擬設(shè)備和機(jī)柜的正常運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究在地震作用過(guò)程中設(shè)備的破壞特征，為后續(xù)基于試驗(yàn)的數(shù)值模擬及通信機(jī)柜和設(shè)備的地震易損性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)機(jī)柜及設(shè)備

本次試驗(yàn)選用了一種在移動(dòng)通信基站中常用的綜合設(shè)備機(jī)柜，其尺寸為600 mm×800 mm×2 000 mm。為了盡量模擬機(jī)柜的正常運(yùn)行狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)在機(jī)柜中安裝了2個(gè)光纖配線架，2臺(tái)交換機(jī)，如圖1所示。每個(gè)光纖配線架和1臺(tái)交換機(jī)之間通過(guò)光纖連接，組成一組設(shè)備;兩組光纖配線架與交換機(jī)之間也用光纖連接，實(shí)現(xiàn)了兩組設(shè)備間的互通。試驗(yàn)中選擇了3臺(tái)同樣規(guī)格尺寸的機(jī)柜和內(nèi)部設(shè)備，這是因?yàn)樵谡駝?dòng)臺(tái)試驗(yàn)中對(duì)同一臺(tái)機(jī)柜不能施加過(guò)多的地震動(dòng)，以免機(jī)柜產(chǎn)生嚴(yán)重的累積損傷而影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。為充分考慮地震動(dòng)的隨機(jī)性對(duì)機(jī)柜抗震性能的影響，試驗(yàn)中對(duì)每臺(tái)機(jī)柜施加3條地震動(dòng)，3臺(tái)機(jī)柜共施加9條地震動(dòng)，3臺(tái)機(jī)柜和其內(nèi)部設(shè)備雖然型號(hào)完全相同，但有可能由于加工過(guò)程的不確定性導(dǎo)致其抗震性能存在一定的差異，選擇多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)也可以適當(dāng)考慮設(shè)備材料參數(shù)的隨機(jī)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

試驗(yàn)中每臺(tái)機(jī)柜均通過(guò)底部螺栓與底板固定連接，底板與振動(dòng)臺(tái)也通過(guò)螺栓固定連接。試驗(yàn)過(guò)程中保持設(shè)備的供電。通過(guò)交換機(jī)上的2個(gè)指示燈，可以分別觀察到設(shè)備是否維持通電狀態(tài)，以及光纖是否保持連接。

1.2 測(cè)試傳感器的布置

試驗(yàn)前，在柜頂?shù)?個(gè)水平方向（x向和y向）各布置1個(gè)位移傳感器（編號(hào)為DX2和DY2）;在機(jī)柜的頂部，以及每臺(tái)設(shè)備的安裝高度處沿2個(gè)水平方向各布置1個(gè)加速度傳感器（編號(hào)分別為AX2～AX7和AY2～AY7），目的是監(jiān)測(cè)機(jī)柜和設(shè)備在地震引起的慣性力作用下產(chǎn)生的位移和加速度反應(yīng)。在臺(tái)面的x向和y向分別布置1個(gè)加速度傳感器（編號(hào)為AX1和AY1）和1個(gè)位移傳感器（編號(hào)為DX1和DY1），以監(jiān)測(cè)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面在2個(gè)水平方向的位移和加速度。試驗(yàn)中傳感器布置如圖1d所示。

試驗(yàn)所用位移傳感器為拉線位移計(jì)，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(yàn)前均經(jīng)過(guò)標(biāo)定。

1.3 地震動(dòng)輸入的選取

為確保所選擇到的地震動(dòng)記錄對(duì)試驗(yàn)設(shè)備是較為不利的地震動(dòng)激勵(lì)，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中地震動(dòng)激勵(lì)的選擇采用了FEMA P695建議的方法（Applied Technology Council，F(xiàn)ederal Emergency Management Agency，2009），其相關(guān)選波原則如下：①M(fèi)S≥6.5地震，以排除不太可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p壞的地震;②地震波PGA≥0.2 g，以選擇對(duì)結(jié)構(gòu)地震作用明顯的地震動(dòng)記錄;③同一個(gè)地震記錄所選波不超2條，從而消除地震動(dòng)選取結(jié)果對(duì)地震事件的依賴性;④所選地震動(dòng)通過(guò)調(diào)幅使其平均反應(yīng)譜在0.2T1～ 1.5T1（T1為試驗(yàn)機(jī)柜的一階自振周期），與規(guī)范設(shè)計(jì)譜相差不超過(guò)10%。

在選取地震動(dòng)之前，首先對(duì)機(jī)柜進(jìn)行白噪聲掃頻，并依據(jù)機(jī)柜在白噪聲激勵(lì)下的反應(yīng)識(shí)別得到機(jī)柜的自振頻率。圖2為3臺(tái)機(jī)柜自振頻率的識(shí)別結(jié)果，并綜合自振頻率確定了地震動(dòng)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(dòng)隨機(jī)性造成的機(jī)柜反應(yīng)的差異，對(duì)每臺(tái)機(jī)柜施加3條不同的地震動(dòng)激勵(lì)，試驗(yàn)中共輸入了9條地震動(dòng)記錄（表1）。所有地震動(dòng)記錄均選自美國(guó)太平洋地震工程研究中心強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù)PEER。

1.4 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載工況

在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)雙向加載，將表1所列每次地震的2個(gè)水平方向的記錄作為一組地震動(dòng)，分別施加在機(jī)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(lì)”，與之垂直的水平方向的記錄稱為“從激勵(lì)”。試驗(yàn)過(guò)程中首先將主激勵(lì)和從激勵(lì)分別沿機(jī)柜的x和y方向施加，并保持主激勵(lì)和從激勵(lì)的PGA比值為1∶ 0.85;隨后將2個(gè)方向的地震動(dòng)激勵(lì)對(duì)調(diào)，即主激勵(lì)和從激勵(lì)再分別沿機(jī)柜的y和x方向施加，并維持主激勵(lì)和從激勵(lì)間PGA比值不變。按照表1中列出的地震動(dòng)記錄的順序?qū)γ颗_(tái)機(jī)柜逐一施加地震動(dòng)，并逐漸將主激勵(lì)的PGA從0.1 g逐漸增大至1.2 g，每次增幅0.1 g。在每個(gè)幅值的3條地震動(dòng)全部施加完畢后，對(duì)試驗(yàn)機(jī)柜進(jìn)行一次白噪聲掃頻，以觀察機(jī)柜自振頻率的變化。

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

2.1 自振頻率變化

表2給出了試驗(yàn)過(guò)程中3臺(tái)機(jī)柜在每一次地震激勵(lì)后自振頻率的變化。由表2可以發(fā)現(xiàn)，3臺(tái)型號(hào)材質(zhì)相同的機(jī)柜在試驗(yàn)前的自振頻率相差不大，但在不同的地震動(dòng)作用后，機(jī)柜自振頻率的變化并不相同，這體現(xiàn)了機(jī)柜在不同的地震動(dòng)作用后損傷發(fā)展歷程的差異?？傮w上看，試驗(yàn)機(jī)柜沿x和y向的自振頻率在PGA達(dá)到0.5 g后開(kāi)始降低，至0.8 g后進(jìn)一步衰減，說(shuō)明機(jī)柜在PGA達(dá)到0.5 g后損傷開(kāi)始明顯且逐漸加重。雖然試驗(yàn)機(jī)柜y向的剛度強(qiáng)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(shuō)明機(jī)柜沿y向的損傷也很嚴(yán)重。

2.2 位移反應(yīng)

圖3為在各次地震動(dòng)作用下3臺(tái)機(jī)柜柜頂?shù)姆逯滴灰啤膱D中可以看出，總體而言，3臺(tái)機(jī)柜在x向的位移反應(yīng)大于y。機(jī)柜1沿x向在PGA≤0.6 g幾乎處于彈性狀態(tài)，沿y向在PGA>0.6 g出現(xiàn)較為明顯的非線性趨勢(shì)。隨著PGA進(jìn)一步增大，機(jī)柜1沿x向和y向開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形。機(jī)柜2沿x向在PGA≤0.4 g時(shí)保持接近于彈性的變形狀態(tài)，沿y向在PGA≤0.6 g時(shí)保持近似彈性的變形狀態(tài)。機(jī)柜3沿x向在PGA≤0.5 g時(shí)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(tài)，沿y向在PGA≤0.6 g時(shí)保持近似彈性的變形狀態(tài)。不同機(jī)柜在同一個(gè)方向上的峰值位移反應(yīng)也有很大的差異。在x向，機(jī)柜2和機(jī)柜3的柜頂峰值位移比機(jī)柜1大得多，而在y向，機(jī)柜1和機(jī)柜3峰值位移反應(yīng)大致相當(dāng)，機(jī)柜2的峰值位移反應(yīng)最大，這也體現(xiàn)了地震動(dòng)的隨機(jī)性造成的機(jī)柜峰值位移反應(yīng)的差異。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

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

各試驗(yàn)機(jī)柜主體在地震作用下的典型損傷現(xiàn)象參見(jiàn)表3，損傷現(xiàn)象照片如圖4所示。從表3和圖4可以看出，機(jī)柜內(nèi)的鋼框架是其重要的抗側(cè)力承載體，鋼框立柱與頂梁、底梁的焊縫質(zhì)量對(duì)機(jī)柜的抗震能力有很大影響。因此，嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量可以有效提高機(jī)柜的抗震能力。

除了機(jī)柜的主體框架發(fā)生破壞以外，機(jī)柜上的“非結(jié)構(gòu)構(gòu)件”也發(fā)生了相應(yīng)的破壞，具體包括機(jī)柜前后門的脫落，側(cè)向板的脫落等。雖然這些“非結(jié)構(gòu)構(gòu)件”的破壞不會(huì)影響整個(gè)機(jī)柜的正常工作，但是它們的缺失會(huì)使得機(jī)柜整體上的抗側(cè)剛度受到影響，從而導(dǎo)致在地震作用下機(jī)柜的地震反應(yīng)尤其是位移反應(yīng)更加劇烈，加速了機(jī)柜的破壞。

需要指出的是，直到試驗(yàn)全部結(jié)束，3個(gè)機(jī)柜內(nèi)交換機(jī)上的電源指示燈和光纖連通指示燈均未熄滅，表明在試驗(yàn)結(jié)束后，即使機(jī)柜已經(jīng)破壞得非常嚴(yán)重，但機(jī)柜內(nèi)的2個(gè)交換機(jī)一直在維持相互連接狀態(tài)。據(jù)此推定機(jī)柜內(nèi)的交換機(jī)在這樣的地震動(dòng)強(qiáng)度下仍可正常工作還需謹(jǐn)慎。本文的試驗(yàn)中，每個(gè)工況僅針對(duì)一臺(tái)機(jī)柜和其內(nèi)部的設(shè)備進(jìn)行地震激勵(lì)，設(shè)備是在機(jī)柜內(nèi)互相連接的。在實(shí)際的通信機(jī)房?jī)?nèi)，是通過(guò)光纖將不同機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備相互連接（光纖通過(guò)機(jī)柜頂部或底部的走線架進(jìn)入機(jī)柜），在地震作用過(guò)程中是否會(huì)因?yàn)椴煌瑱C(jī)柜間地震反應(yīng)的差異而拉斷光纖還需要進(jìn)一步的研究。在后續(xù)的通信設(shè)備抗震性能研究中，還應(yīng)考慮在地震作用后對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行更為詳細(xì)的電參數(shù)檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)一種通信基站常用的通信設(shè)備機(jī)柜，進(jìn)行了地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)中對(duì)3臺(tái)同樣規(guī)格尺寸的機(jī)柜和內(nèi)部設(shè)備共輸入9條地震動(dòng)，以考慮機(jī)柜參數(shù)和地震動(dòng)輸入的隨機(jī)性對(duì)機(jī)柜地震反應(yīng)的影響。通過(guò)逐漸增大地震動(dòng)幅值，直至機(jī)柜嚴(yán)重破壞，觀察機(jī)柜和設(shè)備在地震作用過(guò)程中的破壞模式和特征，記錄機(jī)柜和設(shè)備的地震反應(yīng)。主要得到以下結(jié)論：

（1）無(wú)論從試驗(yàn)現(xiàn)象，還是從機(jī)柜的位移反應(yīng)，均可以看出本文所研究的這種通信機(jī)柜在PGA達(dá)到0.4～0.5 g后開(kāi)始出現(xiàn)損傷，具體的損傷特征表現(xiàn)為機(jī)柜內(nèi)鋼框架的立柱與底端橫梁間的焊縫開(kāi)裂。隨著PGA的增加，這些焊縫進(jìn)一步開(kāi)裂，導(dǎo)致機(jī)柜的鋼框架在地震動(dòng)作用下出現(xiàn)抬升;在PGA達(dá)到0.9 g后，機(jī)柜內(nèi)底部和頂部橫梁也開(kāi)始出現(xiàn)彎曲;試驗(yàn)結(jié)束后，機(jī)柜完全破壞，不可再使用。

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

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