典型IDC通信機(jī)柜抗震性能擬靜力試驗(yàn)研究

毛晨曦 劉光濤 張亮泉

摘要：對(duì)一種典型IDC機(jī)柜進(jìn)行了往復(fù)擬靜力加載試驗(yàn)，以研究其損傷特征，獲得力學(xué)性能參數(shù)。試驗(yàn)中對(duì)兩個(gè)相同的機(jī)柜分別進(jìn)行了沿短邊和沿長(zhǎng)邊方向的往復(fù)加載，逐漸增大機(jī)柜頂部位移幅值，直至機(jī)柜嚴(yán)重破壞，觀察其損傷發(fā)展過(guò)程、特征損傷現(xiàn)象，記錄其承載力-位移滯回曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于此類通信機(jī)柜，門板和側(cè)板喪失支撐作用，隨后立柱-橫梁節(jié)點(diǎn)焊縫持續(xù)開(kāi)裂是關(guān)鍵的損傷機(jī)制，在建立有限元分析模型時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。關(guān)鍵詞：IDC機(jī)柜;擬靜力試驗(yàn);抗震性能;損傷特征;力-變形滯回特性

中圖分類號(hào)：TU352文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2021）04-0700-10

0引言

近年來(lái)我國(guó)通信技術(shù)飛速發(fā)展，尤其自2013年12月4G投入商用以來(lái)，通信系統(tǒng)極大地改變了國(guó)人的生活方式和我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的模式。今天的中國(guó)，移動(dòng)支付、網(wǎng)購(gòu)、外賣、共享單車、直播帶貨等遍地開(kāi)花，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信已經(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，催生了大量新興業(yè)務(wù)，創(chuàng)造了大量新生就業(yè)機(jī)會(huì)?；A(chǔ)電信服務(wù)業(yè)增加值每增加1個(gè)單位的產(chǎn)出，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將增加6.7個(gè)單位的產(chǎn)出，對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的全部貢獻(xiàn)率為5.8%（楊宇，2018）。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)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)和可能遭受的損失隨著城市現(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，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，耽誤最佳的搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)機(jī)，使人民的生命財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重?fù)p害（張競(jìng)等，1995）。在數(shù)次國(guó)內(nèi)外的地震中，通信系統(tǒng)都發(fā)生了不同程度的破壞甚至中斷。1995年日本阪神7.3級(jí)地震后，通信建筑物嚴(yán)重?fù)p壞，大部分通信設(shè)備受到嚴(yán)重破壞，41萬(wàn)通信線路中斷（李騰雁等，1996）;1999年土耳其7.4級(jí)地震致使整個(gè)災(zāi)區(qū)的通信幾乎全部中斷（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，通信系統(tǒng)幾乎全部癱瘓（陳虹等，2011）;2010年智利8.8級(jí)特大地震后，災(zāi)區(qū)通信一度中斷，嚴(yán)重影響了搶險(xiǎn)救災(zāi)的進(jìn)度（Naeim etal，2011）。通過(guò)多次對(duì)地震后通信系統(tǒng)震害情況的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，盡早發(fā)現(xiàn)通信系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，提高通信系統(tǒng)的抗震性能，做好震后應(yīng)急儲(chǔ)備，十分重要。

數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center ，簡(jiǎn)稱IDC）是通信網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)互連、流量和資源交換的任務(wù)，是通信系統(tǒng)的最重要基礎(chǔ)設(shè)施。IDC通信機(jī)柜則是數(shù)據(jù)中心內(nèi)最重要的設(shè)備之一，數(shù)量眾多，內(nèi)部安裝的服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心機(jī)房的最主要構(gòu)成部分。IDC通信機(jī)柜的抗震能力對(duì)數(shù)據(jù)中心在地震后能否維持正常的通信服務(wù)至關(guān)重要。目前對(duì)于通信設(shè)備的抗震能力研究尚不多見(jiàn)，少數(shù)的相關(guān)研究包括：黃維學(xué)等（2012）制定了通信設(shè)備的震害等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，并給出了通信設(shè)備的地震易損性模型，建立了通信設(shè)備地震災(zāi)害損失的評(píng)估方法;康文利等（2019）模擬了斜撐連接方式以及斜撐擺放位置對(duì)機(jī)柜抗震性能的影響;郝云鵬等（2020）進(jìn)行了通信設(shè)備的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，給出了蓄電池組和設(shè)備機(jī)柜的損傷指標(biāo)和損傷水平的定義;馮利飛（2019）統(tǒng)計(jì)出了蓄電池組和設(shè)備機(jī)柜的地震易損性曲線。

本文以一組（2個(gè)）標(biāo)準(zhǔn)IDC通信機(jī)柜為研究對(duì)象，在機(jī)柜正常使用狀態(tài)配重下，進(jìn)行了機(jī)柜沿兩個(gè)水平方向的靜力往復(fù)加載試驗(yàn)，旨在觀察IDC機(jī)柜的損傷發(fā)展過(guò)程，掌握機(jī)柜的特征損傷模式，獲得機(jī)柜的變形能力和側(cè)向抗力水平、力-變形滯回規(guī)則等，從而為后續(xù)IDC機(jī)柜的準(zhǔn)確有限元模擬、地震易損性分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1IDC機(jī)柜概況

IDC機(jī)柜是一種專業(yè)機(jī)房機(jī)柜，根據(jù)通信行業(yè)數(shù)據(jù)中心的高要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有散熱性好、信號(hào)屏蔽性好的特點(diǎn)，可確保機(jī)柜內(nèi)的服務(wù)器穩(wěn)定運(yùn)行、數(shù)據(jù)和信息可靠存儲(chǔ)。通常，IDC機(jī)柜由Q235鋼或Q345鋼制造，其內(nèi)部框架多采用型鋼焊接而成。圖1給出了典型IDC機(jī)柜內(nèi)部承力框架的形式，一般而言，IDC機(jī)柜設(shè)置有內(nèi)外兩套承力框架：外框架梁柱截面較大，承擔(dān)設(shè)備重力的同時(shí)為機(jī)柜提供抵抗側(cè)向力的能力（圖1a）;內(nèi)框架梁柱截面較小，主要用于承擔(dān)放置在隔板上的服務(wù)器的重力（圖1b，c）。

本文試驗(yàn)選用的IDC機(jī)柜如圖2a所示。機(jī)柜尺寸為600mm×1200mm×2200mm，柜內(nèi)共5層隔板，每層隔板間距為400mm，底層隔板與機(jī)柜底板之間距離為200mm。每一層隔板處加入100kg配重（圖2b），柜體和配重的總質(zhì)量為228kg+5×100kg=728kg，是機(jī)柜在正常使用狀態(tài)下的承載重量。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，底板則與地梁連接（圖2c）。沿機(jī)柜的X方向和Y方向（兩個(gè)水平方向）對(duì)2臺(tái)同樣規(guī)格尺寸的機(jī)柜進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，以獲得機(jī)柜在兩個(gè)水平方向的特征損傷模式、變形能力、恢復(fù)力模型等。

2機(jī)柜所用鋼材的拉伸試驗(yàn)和力學(xué)性能參數(shù)

為了確定機(jī)柜所用鋼材的實(shí)際力學(xué)參數(shù)，以便在后續(xù)的有限元模擬中使用，筆者在擬靜力試驗(yàn)結(jié)束后在柜體上沒(méi)有被損傷的部位取樣，裁剪為標(biāo)準(zhǔn)鋼材拉伸性能測(cè)試件，進(jìn)行了鋼材拉伸性能試驗(yàn)。從頂板、底板、兩側(cè)側(cè)板各裁取3個(gè)共12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（圖3a，b）。機(jī)柜的頂、底板厚度為3mm，取得的試件厚3mm，拉伸段寬20mm、長(zhǎng)60mm;機(jī)柜側(cè)板厚2mm，因而側(cè)板拉伸試件厚2mm，拉伸段寬10mm、長(zhǎng)60mm，這兩種拉伸件的尺寸見(jiàn)圖3c。試驗(yàn)是在材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成的（圖4c），拉伸加載速度為4mm/min。圖4a，b為兩組試件試驗(yàn)后的破壞照片。圖5給出了厚度分別為3mm和2mm的兩組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表1給出了這兩組試件鋼材的主要力學(xué)性能指標(biāo)。需要說(shuō)明的是，表1內(nèi)的數(shù)值為每組6個(gè)試件的平均值。

3IDC機(jī)柜擬靜力試驗(yàn)

試驗(yàn)中對(duì)兩臺(tái)機(jī)柜分別進(jìn)行往復(fù)擬靜力加載，一臺(tái)機(jī)柜沿X方向（短邊方向）加載（圖6a），另一臺(tái)機(jī)柜沿Y方向（長(zhǎng)邊方向）加載（圖6b）。加載裝置采用了MTS電液伺服程控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)，最大出力為300kN，最大加載速度為10mm/s。

3.1測(cè)試傳感器的布置

為測(cè)量加載過(guò)程中機(jī)柜的變形，在機(jī)柜的底部、1/2柜高、柜頂3個(gè)高度處布置了拉線位移計(jì)，具體布置方案如圖6所示。為監(jiān)測(cè)加載過(guò)程中機(jī)柜是否存在轉(zhuǎn)動(dòng)，在柜頂和1/2柜高處均布置了兩個(gè)拉線位移計(jì)，柜底位置則只布置了1個(gè)拉線位移計(jì)。機(jī)柜在水平方向的抗力則是通過(guò)內(nèi)置在作動(dòng)器內(nèi)部的力傳感器測(cè)出。

3.2擬靜力試驗(yàn)加載工況

在每臺(tái)機(jī)柜開(kāi)始進(jìn)行擬靜力加載之前，對(duì)其施加沖擊激勵(lì)并測(cè)量柜頂?shù)募铀俣?，以識(shí)別機(jī)柜在完好狀態(tài)下的自振頻率。然后，對(duì)兩臺(tái)IDC機(jī)柜分別沿X、Y方向施加往復(fù)荷載。加載過(guò)程采用位移控制（邱法維，2004），對(duì)機(jī)柜頂部施加三角波位移歷程，逐級(jí)增大每一級(jí)的位移幅值，加載速度均為1mm/s，加載位移歷程如圖7所示，X、Y方向每一級(jí)加載的位移幅值見(jiàn)表2。在施加往復(fù)荷載的過(guò)程中，觀察機(jī)柜的損傷發(fā)展?fàn)顩r，當(dāng)機(jī)柜出現(xiàn)嚴(yán)重破壞或其承載力下降為峰值的85%時(shí)，停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后再次對(duì)破壞的機(jī)柜施加沖擊激勵(lì)，測(cè)量損傷后機(jī)柜的自振頻率。

4IDC機(jī)柜擬靜力試驗(yàn)結(jié)果

4.1損傷發(fā)展過(guò)程及特征損傷現(xiàn)象

對(duì)第一臺(tái)機(jī)柜沿X方向往復(fù)加載試驗(yàn)中，采用柜頂位移角進(jìn)行損傷定義（“柜頂位移角”定義為柜頂水平位移與機(jī)柜高度之比），觀察到的機(jī)柜損傷發(fā)展過(guò)程及每個(gè)階段的特征損傷現(xiàn)象（表3）如下：

（1）當(dāng)頂部位移不大于40mm（柜頂位移角為1.8%）時(shí)，機(jī)柜基本完好。

（2）當(dāng)柜頂位移超過(guò)40mm時(shí)，機(jī)柜門開(kāi)始出現(xiàn)屈曲，柜門轉(zhuǎn)軸破壞。

（3）當(dāng)頂部位移達(dá)到72mm（柜頂位移角為3.2%）時(shí)，柜門破壞嚴(yán)重且與柜體分離，機(jī)柜承載力顯著降低。

（4）當(dāng)頂部位移達(dá)到90mm（柜頂位移角為4.1%）時(shí)，機(jī)柜頂部和底部橫梁與立柱連接的節(jié)點(diǎn)處，開(kāi)始出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂，且在隨后的加載中這種焊縫開(kāi)裂不斷發(fā)展直至貫通。此外，機(jī)柜北側(cè)的框架柱出現(xiàn)局部屈曲。

（5）當(dāng)頂部位移大于90mm后，機(jī)柜承載力逐漸下降，直至機(jī)柜頂部和底部橫梁與立柱連接的節(jié)點(diǎn)處裂縫貫通，機(jī)柜完全破壞。

對(duì)第二臺(tái)機(jī)柜沿Y方向往復(fù)加載試驗(yàn)中，觀察到的機(jī)柜損傷發(fā)展過(guò)程及每個(gè)階段的特征損傷現(xiàn)象（表4）如下：

（1）當(dāng)頂部位移不大于16mm（柜頂位移角為0.7%）時(shí)，機(jī)柜基本完好。

（2）當(dāng)頂部位移達(dá)到16mm時(shí)，機(jī)柜側(cè)板開(kāi)始出現(xiàn)輕微鼓曲，且隨著頂部位移增大鼓曲繼續(xù)增大。

（3）當(dāng)頂部位移達(dá)到32mm（柜頂位移角為1.5%）時(shí)，機(jī)柜兩側(cè)的側(cè)板中部和端部鉚釘先后崩開(kāi)，側(cè)板與柜體分離，側(cè)板不再對(duì)機(jī)柜的水平承載力有貢獻(xiàn)，同時(shí)機(jī)柜兩側(cè)頂部和底部共有7個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)細(xì)微裂縫。

（4）當(dāng)頂部位移達(dá)到48mm（柜頂位移角為2.2%）時(shí)，第8個(gè)梁柱連接處焊縫出現(xiàn)開(kāi)裂且隨著頂部位移的增加所有焊縫逐漸發(fā)展直至貫通。

（5）當(dāng)頂部位移大于48mm后，機(jī)柜承載力緩慢上升，當(dāng)頂部位移達(dá)到170mm（柜頂位移角為7.7%）時(shí)，承載力達(dá)到最高，隨后機(jī)柜承載力顯著下降，機(jī)柜完全破壞。

4.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及機(jī)柜破壞機(jī)理分析

圖8為機(jī)柜1沿X方向，機(jī)柜2沿Y方向加載后的力-位移滯回曲線。為便于分析宏觀損傷對(duì)機(jī)柜承載能力的影響，圖中還標(biāo)出了與表3、表4對(duì)應(yīng)的損傷階段編號(hào)。

結(jié)合圖8a和表3可以看出，在加載的初始階段，機(jī)柜的側(cè)向抗力主要來(lái)源于X方向的承生了節(jié)點(diǎn)的焊縫開(kāi)裂，然后才出現(xiàn)立柱受壓力框架，以及機(jī)柜的前后門板，此時(shí)門板起到了類似斜撐的作用;當(dāng)達(dá)到損傷階段X-2后，由于門鎖和門軸破壞，門板不再起斜撐作用，承載力下降了約14%;之后，側(cè)向力主要由承力框架承擔(dān)，由于機(jī)柜的立柱與上、下橫梁的連接節(jié)點(diǎn)為焊接，且節(jié)點(diǎn)的承載力弱于立柱，因而先發(fā)屈曲;此后，機(jī)柜損傷集中在了立柱-橫梁的節(jié)點(diǎn)位置，焊縫開(kāi)裂并逐步擴(kuò)展，直至最終貫通，在力-位移滯回曲線上表現(xiàn)為剛度和承載力的逐步降低。

從圖8b和表4可以看出，與X方向的破壞機(jī)理類似，在Y方向加載擬靜力的初始階段，機(jī)柜的側(cè)板起到了斜撐的作用，與Y方向的承力框架共同工作;在達(dá)到損傷階段Y-2之后，側(cè)板鼓曲，失去斜撐作用，機(jī)柜的側(cè)向承載力下降了約61%;隨后，側(cè)向力由Y向框架承擔(dān)，與X向相似，Y向承力框架的損傷始于立柱與橫梁的節(jié)點(diǎn)焊縫開(kāi)裂，并且此后損傷一直集中在節(jié)點(diǎn)位置，焊縫開(kāi)裂逐步擴(kuò)展直至貫通，力-位移滯回曲線的剛度和承載力逐步降低;但與X方向不同的是，Y方向并未出現(xiàn)立柱的壓屈。

從上述分析可以看出，在機(jī)柜的X、Y方向，門板和側(cè)板的支撐作用喪失、立柱-橫梁節(jié)點(diǎn)焊縫持續(xù)開(kāi)裂是這種通信機(jī)柜的關(guān)鍵損傷機(jī)制，應(yīng)作為此類通信機(jī)柜力學(xué)性能數(shù)值模擬的關(guān)鍵考慮因素。

圖9對(duì)機(jī)柜X、Y方向的力-變形滯回曲線進(jìn)行了比較。從圖中可以看出，機(jī)柜沿Y方向的抗力和變形能力均大于其在X方向的相應(yīng)性能，這主要是因?yàn)闄C(jī)柜的4根立柱在Y方向的寬度（95mm，圖1）大于其在X方向的寬度（30mm），因此對(duì)于這類IDC機(jī)柜而言，X方向（即短邊方向）為柜體水平承載的弱方向。在后續(xù)對(duì)此類IDC機(jī)柜進(jìn)行抗震能力分析和地震易損性分析時(shí)，可以考慮僅對(duì)X方向進(jìn)行分析，所得的分析結(jié)果也是偏于安全的。

4.3IDC機(jī)柜損傷前后的頻率變化

如前所述，在試驗(yàn)開(kāi)始前以及試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)兩臺(tái)IDC機(jī)柜均采用沖擊激勵(lì)法測(cè)量了其自振頻率，以觀察IDC機(jī)柜自振頻率的變化。沖擊激勵(lì)法使用meas三軸壓電式加速度傳感器吸附于機(jī)柜頂部，使用橡膠錘錘擊柜體使機(jī)柜發(fā)生自由振動(dòng)，傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)STAP信號(hào)測(cè)試分析處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換輸出為頻率。圖10給出了兩臺(tái)IDC機(jī)柜在試驗(yàn)前后的頻率。

從圖10可以看出，兩臺(tái)機(jī)柜的頻率在試驗(yàn)前基本相同，試驗(yàn)后都出現(xiàn)了明顯的下降。機(jī)柜1在X方向頻率下降幅度比機(jī)柜2大，這是由于機(jī)柜1進(jìn)行X方向加載后，在X方向的破壞情況比機(jī)柜2嚴(yán)重。同樣，機(jī)柜2由于進(jìn)行Y方向的加載后，在Y方向的破壞情況比機(jī)柜1嚴(yán)重，在該方向的頻率下降幅度比機(jī)柜1大。

5結(jié)論

本文針對(duì)一種在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）中常用的綜合設(shè)備機(jī)柜，進(jìn)行了沿機(jī)柜短邊和長(zhǎng)邊方向的往復(fù)加載擬靜力試驗(yàn)，以研究其在兩個(gè)水平方向上的力學(xué)性能。試驗(yàn)針對(duì)兩臺(tái)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、規(guī)格、尺寸都相同的機(jī)柜進(jìn)行，通過(guò)逐漸增大機(jī)柜頂部位移，直至機(jī)柜嚴(yán)重破壞，觀察機(jī)柜在加載過(guò)程中的破壞模式和破壞特征，記錄機(jī)柜承載能力的變化。通過(guò)上述試驗(yàn)研究主要得到以下結(jié)論：

（1）在機(jī)柜的短邊方向（即X方向），在水平往復(fù)荷載作用下，機(jī)柜的損傷發(fā)展過(guò)程為：前后門鼓曲，喪失斜撐作用→立柱與頂部、底部橫梁間的節(jié)點(diǎn)焊縫開(kāi)裂→立柱底部壓屈→損傷集中在節(jié)點(diǎn)，焊縫持續(xù)開(kāi)裂直至貫通。

（2）在機(jī)柜的長(zhǎng)邊方向（即Y方向），其損傷發(fā)展過(guò)程為：機(jī)柜側(cè)板鼓曲，喪失斜撐作用→立柱與頂部、底部橫梁間的節(jié)點(diǎn)焊縫開(kāi)裂→損傷集中在節(jié)點(diǎn)，焊縫持續(xù)開(kāi)裂直至貫通。

（3）對(duì)于此類通信機(jī)柜，無(wú)論在短邊方向還是在長(zhǎng)邊方向，門板和側(cè)板的支撐作用喪失、立柱-橫梁節(jié)點(diǎn)焊縫持續(xù)開(kāi)裂都是關(guān)鍵的損傷機(jī)制，在采用數(shù)值模擬手段建立機(jī)柜力學(xué)分析模型時(shí)都應(yīng)作為關(guān)鍵模擬因素。

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Quasi-static Experiments on One Type of Typical IDc Communication Cabinet

MAO Chenxi， LU Guangtao， ZHANG Liangquan"

（1. Key Laboratory of earthquake Engineering and Engineering Vibration， Institute of Engineering Mechanics China Earthquake Administration Harbin 150080， Heilongjiang， China）

（2. School of Civil Engineering Northeast Forestry University， Harbin 150040， Heilongjiang， China）

Abstract

Internet data center （idc） is the core node of telecommunication networks， and IDC cabinet is one of the most important devices in internet data centers. In this study， quasi-static loading tests of a kind of typical IDC cab-inets， whose results can help to understand the damage characteristics of this kind of IDC cabinets and to obtain the key parameters describing their mechanical performance， were carried out. In the tests， the same two cabinets were loaded along the short-side direction and the long-side direction respectively. The displacement on the top of the cabinets is increased gradually until the cabinets were seriously damaged. During the tests， the damage charac-teristics and the failure process of the cabinets were observed. The bearing capacity-displacement curves of the cabi-nets were obtained. The test results indicated that for this kind of cabinets， the failure of the door and side plates along with the cracking of the column-beam weld were two key damage characteristics. which should be considered when establishing the finite element models for this kind of IDC cabinets

Keywords： IDC cabinet; quasi-static test; earthquake resistance capacity; damage characteristics; force-deformation hysteretic property