典型IDC通信机柜抗震性能拟静力试验研究

毛晨曦 刘光涛 张亮泉

摘要：对一种典型IDC机柜进行了往复拟静力加载试验，以研究其损伤特征，获得力学性能参数。试验中对两个相同的机柜分别进行了沿短边和沿长边方向的往复加载，逐渐增大机柜顶部位移幅值，直至机柜严重破坏，观察其损伤发展过程、特征损伤现象，记录其承载力-位移滞回曲线。试验结果表明：对于此类通信机柜，门板和侧板丧失支撑作用，随后立柱-横梁节点焊缝持续开裂是关键的损伤机制，在建立有限元分析模型时应重点考虑。关键词：IDC机柜;拟静力试验;抗震性能;损伤特征;力-变形滞回特性

中图分类号：TU352文献标识码：A文章编号：1000-0666（2021）04-0700-10

0引言

近年来我国通信技术飞速发展，尤其自2013年12月4G投入商用以来，通信系统极大地改变了国人的生活方式和我国社会经济运行的模式。今天的中国，移动支付、网购、外卖、共享单车、直播带货等遍地开花，互联网和移动通信已经渗透到能源、矿业、农业、物流、安保和社会管理等众多行业和领域，催生了大量新兴业务，创造了大量新生就业机会。基础电信服务业增加值每增加1个单位的产出，经济增长将增加6.7个单位的产出，对经济增长的全部贡献率为5.8%（杨宇，2018）。通信服务业已经在我国国民经济中占有重要地位。

我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间，面临的地震灾害风险和可能遭受的损失随着城市现代化建设的发展与日俱增（陶正如，陶夏新，2004）。地震发生后，通信系统受损，导致灾区与外界通信中断，无法为灾区救灾提供保障，耽误最佳的抢险救灾时机，使人民的生命财产安全受到严重损害（张竞等，1995）。在数次国内外的地震中，通信系统都发生了不同程度的破坏甚至中断。1995年日本阪神7.3级地震后，通信建筑物严重损坏，大部分通信设备受到严重破坏，41万通信线路中断（李腾雁等，1996）;1999年土耳其7.4级地震致使整个灾区的通信几乎全部中断（张敏政，刘洁平，2000）;2010年海地7.3级地震后，通信电缆被破坏，电话线路和部分通信基站铁塔受损，通信系统几乎全部瘫痪（陈虹等，2011）;2010年智利8.8级特大地震后，灾区通信一度中断，严重影响了抢险救灾的进度（Naeim etal，2011）。通过多次对地震后通信系统震害情况的总结可以发现，尽早发现通信系统中的薄弱環节，提高通信系统的抗震性能，做好震后应急储备，十分重要。

数据中心（Internet Data Center ，简称IDC）是通信网络的核心节点，承担网络互连、流量和资源交换的任务，是通信系统的最重要基础设施。IDC通信机柜则是数据中心内最重要的设备之一，数量众多，内部安装的服务器是数据中心机房的最主要构成部分。IDC通信机柜的抗震能力对数据中心在地震后能否维持正常的通信服务至关重要。目前对于通信设备的抗震能力研究尚不多见，少数的相关研究包括：黄维学等（2012）制定了通信设备的震害等级划分标准，并给出了通信设备的地震易损性模型，建立了通信设备地震灾害损失的评估方法;康文利等（2019）模拟了斜撑连接方式以及斜撑摆放位置对机柜抗震性能的影响;郝云鹏等（2020）进行了通信设备的振动台试验，给出了蓄电池组和设备机柜的损伤指标和损伤水平的定义;冯利飞（2019）统计出了蓄电池组和设备机柜的地震易损性曲线。

本文以一组（2个）标准IDC通信机柜为研究对象，在机柜正常使用状态配重下，进行了机柜沿两个水平方向的静力往复加载试验，旨在观察IDC机柜的损伤发展过程，掌握机柜的特征损伤模式，获得机柜的变形能力和侧向抗力水平、力-变形滞回规则等，从而为后续IDC机柜的准确有限元模拟、地震易损性分析提供数据支撑。

1IDC机柜概况

IDC机柜是一种专业机房机柜，根据通信行业数据中心的高要求进行设计，具有散热性好、信号屏蔽性好的特点，可确保机柜内的服务器稳定运行、数据和信息可靠存储。通常，IDC机柜由Q235钢或Q345钢制造，其内部框架多采用型钢焊接而成。图1给出了典型IDC机柜内部承力框架的形式，一般而言，IDC机柜设置有内外两套承力框架：外框架梁柱截面较大，承担设备重力的同时为机柜提供抵抗侧向力的能力（图1a）;内框架梁柱截面较小，主要用于承担放置在隔板上的服务器的重力（图1b，c）。

本文试验选用的IDC机柜如图2a所示。机柜尺寸为600mm×1200mm×2200mm，柜内共5层隔板，每层隔板间距为400mm，底层隔板与机柜底板之间距离为200mm。每一层隔板处加入100kg配重（图2b），柜体和配重的总质量为228kg+5×100kg=728kg，是机柜在正常使用状态下的承载重量。试验中，每台机柜均通过底部螺栓与底板固定连接，底板则与地梁连接（图2c）。沿机柜的X方向和Y方向（两个水平方向）对2台同样规格尺寸的机柜进行拟静力试验，以获得机柜在两个水平方向的特征损伤模式、变形能力、恢复力模型等。

2机柜所用钢材的拉伸试验和力学性能参数

为了确定机柜所用钢材的实际力学参数，以便在后续的有限元模拟中使用，笔者在拟静力试验结束后在柜体上没有被损伤的部位取样，裁剪为标准钢材拉伸性能测试件，进行了钢材拉伸性能试验。从顶板、底板、两侧侧板各裁取3个共12个标准拉伸试件进行拉伸试验（图3a，b）。机柜的顶、底板厚度为3mm，取得的试件厚3mm，拉伸段宽20mm、长60mm;机柜侧板厚2mm，因而侧板拉伸试件厚2mm，拉伸段宽10mm、长60mm，这两种拉伸件的尺寸见图3c。试验是在材料拉伸试验机上完成的（图4c），拉伸加载速度为4mm/min。图4a，b为两组试件试验后的破坏照片。图5给出了厚度分别为3mm和2mm的两组试件的应力-应变曲线，表1给出了这两组试件钢材的主要力学性能指标。需要说明的是，表1内的数值为每组6个试件的平均值。

3IDC机柜拟静力试验

试验中对两台机柜分别进行往复拟静力加载，一台机柜沿X方向（短边方向）加载（图6a），另一台机柜沿Y方向（长边方向）加载（图6b）。加载装置采用了MTS电液伺服程控结构试验机，最大出力为300kN，最大加載速度为10mm/s。

3.1测试传感器的布置

为测量加载过程中机柜的变形，在机柜的底部、1/2柜高、柜顶3个高度处布置了拉线位移计，具体布置方案如图6所示。为监测加载过程中机柜是否存在转动，在柜顶和1/2柜高处均布置了两个拉线位移计，柜底位置则只布置了1个拉线位移计。机柜在水平方向的抗力则是通过内置在作动器内部的力传感器测出。

3.2拟静力试验加载工况

在每台机柜开始进行拟静力加载之前，对其施加冲击激励并测量柜顶的加速度，以识别机柜在完好状态下的自振频率。然后，对两台IDC机柜分别沿X、Y方向施加往复荷载。加载过程采用位移控制（邱法维，2004），对机柜顶部施加三角波位移历程，逐级增大每一级的位移幅值，加载速度均为1mm/s，加载位移历程如图7所示，X、Y方向每一级加载的位移幅值见表2。在施加往复荷载的过程中，观察机柜的损伤发展状况，当机柜出现严重破坏或其承载力下降为峰值的85%时，停止试验。试验结束后再次对破坏的机柜施加冲击激励，测量损伤后机柜的自振频率。

4IDC机柜拟静力试验结果

4.1损伤发展过程及特征损伤现象

对第一台机柜沿X方向往复加载试验中，采用柜顶位移角进行损伤定义（“柜顶位移角”定义为柜顶水平位移与机柜高度之比），观察到的机柜损伤发展过程及每个阶段的特征损伤现象（表3）如下：

（1）当顶部位移不大于40mm（柜顶位移角为1.8%）时，机柜基本完好。

（2）当柜顶位移超过40mm时，机柜门开始出现屈曲，柜门转轴破坏。

（3）当顶部位移达到72mm（柜顶位移角为3.2%）时，柜门破坏严重且与柜体分离，机柜承载力显著降低。

（4）当顶部位移达到90mm（柜顶位移角为4.1%）时，机柜顶部和底部横梁与立柱连接的节点处，开始出现焊缝开裂，且在随后的加载中这种焊缝开裂不断发展直至贯通。此外，机柜北侧的框架柱出现局部屈曲。

（5）当顶部位移大于90mm后，机柜承载力逐渐下降，直至机柜顶部和底部横梁与立柱连接的节点处裂缝贯通，机柜完全破坏。

对第二台机柜沿Y方向往复加载试验中，观察到的机柜损伤发展过程及每个阶段的特征损伤现象（表4）如下：

（1）当顶部位移不大于16mm（柜顶位移角为0.7%）时，机柜基本完好。

（2）当顶部位移达到16mm时，机柜侧板开始出现轻微鼓曲，且随着顶部位移增大鼓曲继续增大。

（3）当顶部位移达到32mm（柜顶位移角为1.5%）时，机柜两侧的侧板中部和端部铆钉先后崩开，侧板与柜体分离，侧板不再对机柜的水平承载力有贡献，同时机柜两侧顶部和底部共有7个梁柱节点出现细微裂缝。

（4）当顶部位移达到48mm（柜顶位移角为2.2%）时，第8个梁柱连接处焊缝出现开裂且随着顶部位移的增加所有焊缝逐渐发展直至贯通。

（5）当顶部位移大于48mm后，机柜承载力缓慢上升，当顶部位移达到170mm（柜顶位移角为7.7%）时，承载力达到最高，随后机柜承载力显著下降，机柜完全破坏。

4.2试验数据及机柜破坏机理分析

图8为机柜1沿X方向，机柜2沿Y方向加载后的力-位移滞回曲线。为便于分析宏观损伤对机柜承载能力的影响，图中还标出了与表3、表4对应的损伤阶段编号。

结合图8a和表3可以看出，在加载的初始阶段，机柜的侧向抗力主要来源于X方向的承生了节点的焊缝开裂，然后才出现立柱受压力框架，以及机柜的前后门板，此时门板起到了类似斜撑的作用;当达到损伤阶段X-2后，由于门锁和门轴破坏，门板不再起斜撑作用，承载力下降了约14%;之后，侧向力主要由承力框架承担，由于机柜的立柱与上、下横梁的连接节点为焊接，且节点的承载力弱于立柱，因而先发屈曲;此后，机柜损伤集中在了立柱-横梁的节点位置，焊缝开裂并逐步扩展，直至最终贯通，在力-位移滞回曲线上表现为刚度和承载力的逐步降低。

从图8b和表4可以看出，与X方向的破坏机理类似，在Y方向加载拟静力的初始阶段，机柜的侧板起到了斜撑的作用，与Y方向的承力框架共同工作;在达到损伤阶段Y-2之后，侧板鼓曲，失去斜撑作用，机柜的侧向承载力下降了约61%;随后，侧向力由Y向框架承担，与X向相似，Y向承力框架的损伤始于立柱与横梁的节点焊缝开裂，并且此后损伤一直集中在节点位置，焊缝开裂逐步扩展直至贯通，力-位移滞回曲线的刚度和承载力逐步降低;但与X方向不同的是，Y方向并未出现立柱的压屈。

从上述分析可以看出，在机柜的X、Y方向，门板和侧板的支撑作用丧失、立柱-横梁节点焊缝持续开裂是这种通信机柜的关键损伤机制，应作为此类通信机柜力学性能数值模拟的关键考虑因素。

图9对机柜X、Y方向的力-变形滞回曲线进行了比较。从图中可以看出，机柜沿Y方向的抗力和变形能力均大于其在X方向的相应性能，这主要是因为机柜的4根立柱在Y方向的宽度（95mm，图1）大于其在X方向的宽度（30mm），因此对于这类IDC机柜而言，X方向（即短边方向）为柜体水平承载的弱方向。在后续对此类IDC机柜进行抗震能力分析和地震易损性分析时，可以考虑仅对X方向进行分析，所得的分析结果也是偏于安全的。

4.3IDC机柜损伤前后的频率变化

如前所述，在试验开始前以及试验结束后，对两台IDC机柜均采用冲击激励法测量了其自振频率，以观察IDC机柜自振频率的变化。冲击激励法使用meas三轴压电式加速度传感器吸附于机柜顶部，使用橡胶锤锤击柜体使机柜发生自由振动，传感器数据通过STAP信号测试分析处理系统转换输出为频率。图10给出了两台IDC机柜在试验前后的频率。

从图10可以看出，两台机柜的频率在试验前基本相同，试验后都出现了明显的下降。机柜1在X方向频率下降幅度比机柜2大，这是由于机柜1进行X方向加载后，在X方向的破坏情况比机柜2严重。同样，机柜2由于进行Y方向的加载后，在Y方向的破坏情况比机柜1严重，在該方向的频率下降幅度比机柜1大。

5结论

本文针对一种在互联网数据中心（IDC）中常用的综合设备机柜，进行了沿机柜短边和长边方向的往复加载拟静力试验，以研究其在两个水平方向上的力学性能。试验针对两台质量、结构、规格、尺寸都相同的机柜进行，通过逐渐增大机柜顶部位移，直至机柜严重破坏，观察机柜在加载过程中的破坏模式和破坏特征，记录机柜承载能力的变化。通过上述试验研究主要得到以下结论：

（1）在机柜的短边方向（即X方向），在水平往复荷载作用下，机柜的损伤发展过程为：前后门鼓曲，丧失斜撑作用→立柱与顶部、底部横梁间的节点焊缝开裂→立柱底部压屈→损伤集中在节点，焊缝持续开裂直至贯通。

（2）在机柜的长边方向（即Y方向），其损伤发展过程为：机柜侧板鼓曲，丧失斜撑作用→立柱与顶部、底部横梁间的节点焊缝开裂→损伤集中在节点，焊缝持续开裂直至贯通。

（3）对于此类通信机柜，无论在短边方向还是在长边方向，门板和侧板的支撑作用丧失、立柱-横梁节点焊缝持续开裂都是关键的损伤机制，在采用数值模拟手段建立机柜力学分析模型时都应作为关键模拟因素。

参考文献：

陈虹，王志秋，李成日。2011。海地地震灾害及其经验教训[J].国际地震动态，（9）：36-41。

冯利飞。2019。基于振动台试验的关键通信设备地震易损性研究[D].哈尔滨：中国地震局工程力学研究所

郝云鹏，冯利飞，毛晨曦。2020。典型通信设备机柜的振动台试验研究[J].地震研究，43（3）：485-490。

黄维学，臧战胜，汲书强，等。2012。通信设备地震灾害损失快速评估研究[J].电信工程技术与标准化，25（12）：73-77。

康文利，孙国良，李倩，等。2019。基于Hyperworks的斜撑对机柜抗震性能影响的研究[J].现代制造工程，（1）：144-150。

李腾雁，马宁，严斌。1996。日本阪神大地震概要[J].工程抗震，（1）：34-38.

邱法维。2004。结构抗震实验方法进展[J].土木工程学报，37（10） 19-27.

陶正如，陶夏新。2004。基于地震动参数的建筑物震害预测[J].地震工程与工程振动，24（2）：88-94。

杨宇。2018。中国基础电信服务业与经济增长关系的研究[D].北京：北京邮电大学

张竞，杜修力，赵成刚。1995。珠江三角洲通信系统震害预测[J].华南地震，15（3）：47-51。

张敏政，刘洁平。2000。土耳其伊兹米特地震（1999，M7.4）的强地震动[J].世界地震工程，16（2）：1-7。

Naeim F， Lew M， Carpenter LD， et a.2011. Performance of tall buildings in Santiago， Chile during the 27 February 2010 offshore Maule， Chile earthquake[ J]. The Structural Design of Tall and Special Buildings 20（1）：1-16.

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