毛晨曦 劉光濤 張亮泉

摘要：對一種典型IDC機柜進行了往復(fù)擬靜力加載試驗，以研究其損傷特征，獲得力學(xué)性能參數(shù)。試驗中對兩個相同的機柜分別進行了沿短邊和沿長邊方向的往復(fù)加載，逐漸增大機柜頂部位移幅值，直至機柜嚴重破壞，觀察其損傷發(fā)展過程、特征損傷現(xiàn)象，記錄其承載力-位移滯回曲線。試驗結(jié)果表明：對于此類通信機柜，門板和側(cè)板喪失支撐作用，隨后立柱-橫梁節(jié)點焊縫持續(xù)開裂是關(guān)鍵的損傷機制，在建立有限元分析模型時應(yīng)重點考慮。關(guān)鍵詞：IDC機柜;擬靜力試驗;抗震性能;損傷特征;力-變形滯回特性

中圖分類號：TU352文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2021）04-0700-10

0引言

近年來我國通信技術(shù)飛速發(fā)展，尤其自2013年12月4G投入商用以來，通信系統(tǒng)極大地改變了國人的生活方式和我國社會經(jīng)濟運行的模式。今天的中國，移動支付、網(wǎng)購、外賣、共享單車、直播帶貨等遍地開花，互聯(lián)網(wǎng)和移動通信已經(jīng)滲透到能源、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流、安保和社會管理等眾多行業(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)機會。基礎(chǔ)電信服務(wù)業(yè)增加值每增加1個單位的產(chǎn)出，經(jīng)濟增長將增加6.7個單位的產(chǎn)出，對經(jīng)濟增長的全部貢獻率為5.8%（楊宇，2018）。通信服務(wù)業(yè)已經(jīng)在我國國民經(jīng)濟中占有重要地位。

我國地處環(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，無法為災(zāi)區(qū)救災(zāi)提供保障，耽誤最佳的搶險救災(zāi)時機，使人民的生命財產(chǎn)安全受到嚴重損害（張競等，1995）。在數(shù)次國內(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級地震后，通信建筑物嚴重損壞，大部分通信設(shè)備受到嚴重破壞，41萬通信線路中斷（李騰雁等，1996）;1999年土耳其7.4級地震致使整個災(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級特大地震后，災(zāi)區(qū)通信一度中斷，嚴重影響了搶險救災(zāi)的進度（Naeim etal，2011）。通過多次對地震后通信系統(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)急儲備，十分重要。

數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center ，簡稱IDC）是通信網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，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)中心機房的最主要構(gòu)成部分。IDC通信機柜的抗震能力對數(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。目前對于通信設(shè)備的抗震能力研究尚不多見，少數(shù)的相關(guān)研究包括：黃維學(xué)等（2012）制定了通信設(shè)備的震害等級劃分標準，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機柜抗震性能的影響;郝云鵬等（2020）進行了通信設(shè)備的振動臺試驗，給出了蓄電池組和設(shè)備機柜的損傷指標和損傷水平的定義;馮利飛（2019）統(tǒng)計出了蓄電池組和設(shè)備機柜的地震易損性曲線。

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

1IDC機柜概況

IDC機柜是一種專業(yè)機房機柜，根據(jù)通信行業(yè)數(shù)據(jù)中心的高要求進行設(shè)計，具有散熱性好、信號屏蔽性好的特點，可確保機柜內(nèi)的服務(wù)器穩(wěn)定運行、數(shù)據(jù)和信息可靠存儲。通常，IDC機柜由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機柜內(nèi)部承力框架的形式，一般而言，IDC機柜設(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)備重力的同時為機柜提供抵抗側(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）。

本文試驗選用的IDC機柜如圖2a所示。機柜尺寸為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，是機柜在正常使用狀態(tài)下的承載重量。試驗中，每臺機柜均通過底部螺栓與底板固定連接，底板則與地梁連接（圖2c）。沿機柜的X方向和Y方向（兩個水平方向）對2臺同樣規(guī)格尺寸的機柜進行擬靜力試驗，以獲得機柜在兩個水平方向的特征損傷模式、變形能力、恢復(fù)力模型等。

2機柜所用鋼材的拉伸試驗和力學(xué)性能參數(shù)

為了確定機柜所用鋼材的實際力學(xué)參數(shù)，以便在后續(xù)的有限元模擬中使用，筆者在擬靜力試驗結(jié)束后在柜體上沒有被損傷的部位取樣，裁剪為標準鋼材拉伸性能測試件，進行了鋼材拉伸性能試驗。從頂板、底板、兩側(cè)側(cè)板各裁取3個共12個標準拉伸試件進行拉伸試驗（圖3a，b）。機柜的頂、底板厚度為3mm，取得的試件厚3mm，拉伸段寬20mm、長60mm;機柜側(cè)板厚2mm，因而側(cè)板拉伸試件厚2mm，拉伸段寬10mm、長60mm，這兩種拉伸件的尺寸見圖3c。試驗是在材料拉伸試驗機上完成的（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。需要說明的是，表1內(nèi)的數(shù)值為每組6個試件的平均值。

3IDC機柜擬靜力試驗

試驗中對兩臺機柜分別進行往復(fù)擬靜力加載，一臺機柜沿X方向（短邊方向）加載（圖6a），另一臺機柜沿Y方向（長邊方向）加載（圖6b）。加載裝置采用了MTS電液伺服程控結(jié)構(gòu)試驗機，最大出力為300kN，最大加載速度為10mm/s。

3.1測試傳感器的布置

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

3.2擬靜力試驗加載工況

在每臺機柜開始進行擬靜力加載之前，對其施加沖擊激勵并測量柜頂?shù)募铀俣?，以識別機柜在完好狀態(tài)下的自振頻率。然后，對兩臺IDC機柜分別沿X、Y方向施加往復(fù)荷載。加載過程采用位移控制（邱法維，2004），對機柜頂部施加三角波位移歷程，逐級增大每一級的位移幅值，加載速度均為1mm/s，加載位移歷程如圖7所示，X、Y方向每一級加載的位移幅值見表2。在施加往復(fù)荷載的過程中，觀察機柜的損傷發(fā)展狀況，當機柜出現(xiàn)嚴重破壞或其承載力下降為峰值的85%時，停止試驗。試驗結(jié)束后再次對破壞的機柜施加沖擊激勵，測量損傷后機柜的自振頻率。

4IDC機柜擬靜力試驗結(jié)果

4.1損傷發(fā)展過程及特征損傷現(xiàn)象

對第一臺機柜沿X方向往復(fù)加載試驗中，采用柜頂位移角進行損傷定義（“柜頂位移角”定義為柜頂水平位移與機柜高度之比），觀察到的機柜損傷發(fā)展過程及每個階段的特征損傷現(xiàn)象（表3）如下：

（1）當頂部位移不大于40mm（柜頂位移角為1.8%）時，機柜基本完好。

（2）當柜頂位移超過40mm時，機柜門開始出現(xiàn)屈曲，柜門轉(zhuǎn)軸破壞。

（3）當頂部位移達到72mm（柜頂位移角為3.2%）時，柜門破壞嚴重且與柜體分離，機柜承載力顯著降低。

（4）當頂部位移達到90mm（柜頂位移角為4.1%）時，機柜頂部和底部橫梁與立柱連接的節(jié)點處，開始出現(xiàn)焊縫開裂，且在隨后的加載中這種焊縫開裂不斷發(fā)展直至貫通。此外，機柜北側(cè)的框架柱出現(xiàn)局部屈曲。

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

對第二臺機柜沿Y方向往復(fù)加載試驗中，觀察到的機柜損傷發(fā)展過程及每個階段的特征損傷現(xiàn)象（表4）如下：

（1）當頂部位移不大于16mm（柜頂位移角為0.7%）時，機柜基本完好。

（2）當頂部位移達到16mm時，機柜側(cè)板開始出現(xiàn)輕微鼓曲，且隨著頂部位移增大鼓曲繼續(xù)增大。

（3）當頂部位移達到32mm（柜頂位移角為1.5%）時，機柜兩側(cè)的側(cè)板中部和端部鉚釘先后崩開，側(cè)板與柜體分離，側(cè)板不再對機柜的水平承載力有貢獻，同時機柜兩側(cè)頂部和底部共有7個梁柱節(jié)點出現(xiàn)細微裂縫。

（4）當頂部位移達到48mm（柜頂位移角為2.2%）時，第8個梁柱連接處焊縫出現(xiàn)開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）當頂部位移大于48mm后，機柜承載力緩慢上升，當頂部位移達到170mm（柜頂位移角為7.7%）時，承載力達到最高，隨后機柜承載力顯著下降，機柜完全破壞。

4.2試驗數(shù)據(jù)及機柜破壞機理分析

圖8為機柜1沿X方向，機柜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機柜承載能力的影響，圖中還標出了與表3、表4對應(yīng)的損傷階段編號。

結(jié)合圖8a和表3可以看出，在加載的初始階段，機柜的側(cè)向抗力主要來源于X方向的承生了節(jié)點的焊縫開裂，然后才出現(xiàn)立柱受壓力框架，以及機柜的前后門板，此時門板起到了類似斜撐的作用;當達到損傷階段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)，由于機柜的立柱與上、下橫梁的連接節(jié)點為焊接，且節(jié)點的承載力弱于立柱，因而先發(fā)屈曲;此后，機柜損傷集中在了立柱-橫梁的節(jié)點位置，焊縫開裂并逐步擴展，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方向的破壞機理類似，在Y方向加載擬靜力的初始階段，機柜的側(cè)板起到了斜撐的作用，與Y方向的承力框架共同工作;在達到損傷階段Y-2之后，側(cè)板鼓曲，失去斜撐作用，機柜的側(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)點焊縫開裂，并且此后損傷一直集中在節(jié)點位置，焊縫開裂逐步擴展直至貫通，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)點焊縫持續(xù)開裂是這種通信機柜的關(guān)鍵損傷機制，應(yīng)作為此類通信機柜力學(xué)性能數(shù)值模擬的關(guān)鍵考慮因素。

圖9對機柜X、Y方向的力-變形滯回曲線進行了比較。從圖中可以看出，機柜沿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，這主要是因為機柜的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），因此對于這類IDC機柜而言，X方向（即短邊方向）為柜體水平承載的弱方向。在后續(xù)對此類IDC機柜進行抗震能力分析和地震易損性分析時，可以考慮僅對X方向進行分析，所得的分析結(jié)果也是偏于安全的。

4.3IDC機柜損傷前后的頻率變化

如前所述，在試驗開始前以及試驗結(jié)束后，對兩臺IDC機柜均采用沖擊激勵法測量了其自振頻率，以觀察IDC機柜自振頻率的變化。沖擊激勵法使用meas三軸壓電式加速度傳感器吸附于機柜頂部，使用橡膠錘錘擊柜體使機柜發(fā)生自由振動，傳感器數(shù)據(jù)通過STAP信號測試分析處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換輸出為頻率。圖10給出了兩臺IDC機柜在試驗前后的頻率。

從圖10可以看出，兩臺機柜的頻率在試驗前基本相同，試驗后都出現(xiàn)了明顯的下降。機柜1在X方向頻率下降幅度比機柜2大，這是由于機柜1進行X方向加載后，在X方向的破壞情況比機柜2嚴重。同樣，機柜2由于進行Y方向的加載后，在Y方向的破壞情況比機柜1嚴重，在該方向的頻率下降幅度比機柜1大。

5結(jié)論

本文針對一種在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）中常用的綜合設(shè)備機柜，進行了沿機柜短邊和長邊方向的往復(fù)加載擬靜力試驗，以研究其在兩個水平方向上的力學(xué)性能。試驗針對兩臺質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、規(guī)格、尺寸都相同的機柜進行，通過逐漸增大機柜頂部位移，直至機柜嚴重破壞，觀察機柜在加載過程中的破壞模式和破壞特征，記錄機柜承載能力的變化。通過上述試驗研究主要得到以下結(jié)論：

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

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

（3）對于此類通信機柜，無論在短邊方向還是在長邊方向，門板和側(cè)板的支撐作用喪失、立柱-橫梁節(jié)點焊縫持續(xù)開裂都是關(guān)鍵的損傷機制，在采用數(shù)值模擬手段建立機柜力學(xué)分析模型時都應(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