網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心典型通信機(jī)柜抗震性能擬靜力對(duì)比試驗(yàn)*

張亮泉，劉光濤，毛晨曦

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center，簡(jiǎn)稱IDC)是通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的核心節(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)中最重要的一環(huán)(毛晨曦等，2021)。通信機(jī)柜則是數(shù)據(jù)中心內(nèi)最重要的設(shè)備之一，內(nèi)置各種服務(wù)器：KVM切換機(jī)、接入/匯聚交換機(jī)、路由器、光纖跳線、網(wǎng)絡(luò)跳線、理線/配線架等，用來銜接客戶與服務(wù)器，其承載空間大，能夠保證設(shè)備安全性，保證上網(wǎng)的安全、訪問速度等。地震發(fā)生時(shí)，許多建筑物都會(huì)發(fā)生不同程度的震害損傷甚至倒塌(陳振納等，2008)，而通信機(jī)柜一旦發(fā)生破壞，將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)中心功能水平，使其受損甚至發(fā)生癱瘓，所以通信機(jī)柜的抗震能力對(duì)數(shù)據(jù)中心在地震后是否能維持正常的通信服務(wù)至關(guān)重要。

目前對(duì)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心通信設(shè)備抗震性能的研究主要集中在兩個(gè)方面：對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行震害調(diào)查分析和采用抗震試驗(yàn)或有限元分析等方法進(jìn)行研究。杜鵬(2011)在總結(jié)國(guó)內(nèi)外通信設(shè)備震損情況和結(jié)合不同功能通信設(shè)備的地震易損性分析方法的基礎(chǔ)上，給出了室內(nèi)通信設(shè)備在不同等級(jí)地震烈度時(shí)的破壞狀態(tài)；黃維學(xué)等(2012)對(duì)汶川地震中通信設(shè)備震害損失情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出了通信設(shè)備震害等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，建立了通信設(shè)備地震易損性模型和地震災(zāi)害損失評(píng)估方法；劉詩(shī)語(yǔ)(2014)對(duì)廣東省惠州市和陽(yáng)江市通信設(shè)備進(jìn)行了全面的震害預(yù)測(cè)分析；李波等(2020)實(shí)地調(diào)研統(tǒng)計(jì)了四川長(zhǎng)寧6.0級(jí)地震后通信設(shè)備的震損情況；毛晨曦和李帆(2021)對(duì)云南漾濞6.4級(jí)地震震區(qū)通信系統(tǒng)進(jìn)行了震害調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大量通信設(shè)備出現(xiàn)不同程度的損壞。

除了在震害調(diào)查方面的研究，有些學(xué)者從試驗(yàn)或有限元分析方面入手進(jìn)行相關(guān)研究。周金榮和黃維學(xué)(2003)對(duì)通信電源設(shè)備的抗震性能試驗(yàn)和抗震檢測(cè)簡(jiǎn)況進(jìn)行了歸納總結(jié)；孫國(guó)良等(2014)建立了某開關(guān)電源設(shè)備機(jī)柜的模型，并通過HyperWorks軟件對(duì)該模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析；康文利等(2019)基于抗震試驗(yàn)研究了通信機(jī)柜斜撐連接方式及擺放位置對(duì)抗震性能的影響；韓明超等(2019)提出了通信電源設(shè)備抗震性能在線監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)系統(tǒng)，用以研究通信電源在地震過程中的實(shí)時(shí)工作狀況，進(jìn)而達(dá)到改良設(shè)計(jì)提高其抗震能力的目的；還有學(xué)者進(jìn)行了蓄電池組(馮利飛，2019)和綜合設(shè)備機(jī)柜(郝云鵬等，2020)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分別總結(jié)出2種設(shè)備出現(xiàn)特征損傷和功能失效時(shí)的設(shè)備參數(shù)，并完成了損傷水平和損傷指標(biāo)的劃分，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出了蓄電池組和設(shè)備機(jī)柜的地震易損性曲線；尚慶學(xué)等(2022)進(jìn)行了36款通信機(jī)柜的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，并基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果建立了機(jī)柜的地震易損性模型。

通信機(jī)柜的地震易損性是數(shù)據(jù)中心震后功能評(píng)估的基礎(chǔ)，而要獲得準(zhǔn)確可靠的通信機(jī)柜地震易損性，需要建立準(zhǔn)確的有限元模型，因而通過試驗(yàn)掌握典型通信機(jī)柜的力學(xué)性能參數(shù)及其損傷模式很重要?；诖罅繉?shí)地調(diào)研及課題組前期研究，本文選擇了數(shù)據(jù)中心常用的3組(共6個(gè))標(biāo)準(zhǔn)通信機(jī)柜，對(duì)其進(jìn)行擬靜力往復(fù)加載試驗(yàn)，觀察其損傷發(fā)展過程，掌握特征損傷模式，獲得機(jī)柜的側(cè)向變形能力和側(cè)向抗力水平，以及力-變形滯回規(guī)則和滯回曲線等，為后續(xù)IDC通信機(jī)柜的準(zhǔn)確有限元模擬、地震易損性分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 通信機(jī)柜概況

通信機(jī)柜作為數(shù)據(jù)中心使用數(shù)量最多的設(shè)備，是數(shù)據(jù)中心的“大腦”，不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的工作，里面放著各種服務(wù)器，用來銜接客戶與服務(wù)器，其承載空間大，能夠保證設(shè)備安全性，保證上網(wǎng)的安全、訪問速度等。機(jī)柜主體材料為鋼材，表1給出了本文試驗(yàn)所選3種通信機(jī)柜的機(jī)械參數(shù)，圖1給出了機(jī)柜尺寸及內(nèi)部承力框架的形式示意。3種IDC通信機(jī)柜均設(shè)置了內(nèi)外兩套抗側(cè)力和承載框架：外框架梁柱(圖1a)需承擔(dān)設(shè)備重力，同時(shí)為機(jī)柜提供抵抗側(cè)向力的能力，具有較大截面，梁柱之間多采用型鋼焊接而成；內(nèi)框架梁柱(圖1b)截面較小，主要用于承受放置在隔板上服務(wù)器的重力，每個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)以及每個(gè)內(nèi)外框架的節(jié)點(diǎn)連接由2根鉚釘固定，將重力傳遞給外框架；服務(wù)器隔板(圖1c)與每根內(nèi)框架柱節(jié)點(diǎn)由一根鉚釘連接。

(a)機(jī)柜外框架

(b)機(jī)柜內(nèi)框架

(c)服務(wù)器放置隔板圖1 通信機(jī)柜主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The main structure of the cabinet

表1 試驗(yàn)中通信機(jī)柜主要機(jī)械參數(shù)Tab.1 Main mechanical parameters of the cabinets in the experiment

如圖2a所示，試驗(yàn)選用的3種IDC通信機(jī)柜具有相同的寬度和高度，但厚度不同，在數(shù)據(jù)中心中用來放置不同的通信設(shè)備。機(jī)柜尺寸分別為600 mm×600/800/1 000 mm×2 000 mm(以下用600、800、1 000代替3種尺寸機(jī)柜，用、區(qū)分加載方向)，且3種機(jī)柜的梁、柱截面完全相同，柜內(nèi)共有3層隔板，每層隔板間距為500 mm，每一層隔板處加入100 kg配重(圖2b)，柜體和配重的總質(zhì)量為87.5 kg/95 kg/122 kg+3×100 kg=387.5 kg/395 kg/422 kg，為機(jī)柜正常使用狀態(tài)的承載重量。試驗(yàn)中每臺(tái)機(jī)柜均通過底部螺栓與底座固定連接，底座則與反力架連接，如圖2c所示。每種機(jī)柜選擇了2臺(tái)同樣規(guī)格尺寸的機(jī)柜，沿機(jī)柜的方向和方向(兩個(gè)水平方向)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，以獲得不同尺寸機(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。

圖2 試驗(yàn)機(jī)柜(a)、配重(b)及傳感器布置(c)Fig.2 The test cabinet(a)，weight stack(b) and sensor arrangement(c)

2 通信機(jī)柜主體鋼材拉伸試驗(yàn)及主要物理指標(biāo)

為了獲得3種機(jī)柜柜體所用鋼材實(shí)際力學(xué)性能參數(shù)，為數(shù)值建模提供材料本構(gòu)關(guān)系，依據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)的規(guī)定，擬靜力試驗(yàn)結(jié)束后在機(jī)柜側(cè)板未損傷的部位取樣，裁剪為標(biāo)準(zhǔn)鋼材拉伸性能測(cè)試件，進(jìn)行鋼材拉伸性能試驗(yàn)。從每1個(gè)機(jī)柜未損壞側(cè)板各裁取3個(gè)試件，則6個(gè)機(jī)柜共18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(圖3)。機(jī)柜的柜門、側(cè)板、梁柱型鋼厚度均為2 mm，制作成拉伸試件厚2 mm、拉伸段寬10 mm、長(zhǎng)60 mm，如圖3d所示。試驗(yàn)加載裝置為SHT4106微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(圖4d)，加載速率為4 mm/min。圖4a～c為3組試件試驗(yàn)后的破壞照片，圖5給出了試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表2給出了試件鋼材的主要力學(xué)性能指標(biāo)平均值。

(a)600機(jī)柜取樣試件

(b)800機(jī)柜取樣試件

(c)1000機(jī)柜取樣試件

(d)鋼材拉伸試驗(yàn)試件尺寸圖3 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件(取自機(jī)柜主體)Fig.3 The standard tensile specimens(taken from the cabinet body)

(a)600機(jī)柜取樣試件

(b)800機(jī)柜取樣試件

(c)1000機(jī)柜取樣試件

(d)拉伸試驗(yàn)裝置圖4 試驗(yàn)后破壞試件及加載裝置Fig.4 The destroyed specimens and the loading device

圖5 600(a)、800(b)、1000(c)3組試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of specimens with length of 600 mm(a)，800 mm(b)，and 1 000 mm(c)in tensile test

表2 機(jī)柜主體鋼材主要力學(xué)參數(shù)Tab.2 The main mechanical parameters of cabinets

3 擬靜力加載試驗(yàn)

試驗(yàn)中對(duì)3種尺寸機(jī)柜分別進(jìn)行往復(fù)擬靜力加載，每種尺寸機(jī)柜一臺(tái)沿方向(寬度方向)加載、另一臺(tái)沿方向(厚度方向)加載。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600 kN、最大加載速度為10 mm/s。

3.1 試驗(yàn)中傳感器應(yīng)用及布置情況

為獲得試驗(yàn)加載過程中機(jī)柜的變形情況，在每個(gè)機(jī)柜的柜頂、1/2柜高、柜底3個(gè)高度處均布置了位移計(jì)；為監(jiān)測(cè)加載過程中機(jī)柜轉(zhuǎn)動(dòng)情況，在柜頂和1/2柜高處均布置了2個(gè)拉線位移計(jì)，柜底位置布置1 個(gè)頂桿位移計(jì)，如圖6所示。機(jī)柜在水平方向的抗力則是通過串聯(lián)在作動(dòng)器端頭處的力傳感器測(cè)出，串聯(lián)的力傳感器最大量程為100 kN。

圖6 X方向(a)和Y方向(b)位移計(jì)布置圖Fig.6 The displacement sensor layout in X(a) and Y(b)direction

3.2 擬靜力試驗(yàn)加載工況

在每臺(tái)機(jī)柜開始進(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。擬靜力試驗(yàn)采用位移控制方式(建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程，JGJ/T101—2015)，在每臺(tái)機(jī)柜的柜頂施加控制位移。與以往的擬靜力往復(fù)加載試驗(yàn)不同，本試驗(yàn)在加載歷程的設(shè)計(jì)上力求考慮到機(jī)柜在未來地震動(dòng)作用下將遭受的各種情況，以觀察機(jī)柜的力-變形滯回規(guī)則。在隨機(jī)地震動(dòng)作用下，機(jī)柜可能會(huì)遭受加載、卸載不完全的情況，因而設(shè)計(jì)了如下的兩周期加載機(jī)制(圖7a)：①位移角(柜頂位移除以機(jī)柜高度)小于3%時(shí)，每個(gè)加卸載循環(huán)均采用完全加卸載歷程，每個(gè)位移幅值重復(fù)兩次；②位移角大于3%后，每個(gè)位移幅值重復(fù)3次：第一次為目標(biāo)幅值()的完全加卸載；第二次加載34后卸載；第三次則加載到，卸載至14，反向再加載至34，然后卸載，采用三周期加載方式(圖7b)。圖7c給出了上述兩階段加載歷程的示意圖。對(duì)柜頂施加三角波位移歷程，逐級(jí)增大位移幅值，每一級(jí)加載的位移幅值分別為±6、±12、±18、±24、±30、±36、±42、±48、±54、±60、±70、±80、±90、±100，加載速度為1 mm/s。在施加往復(fù)荷載的過程中，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。

(a)雙周期加載階段

(b)三周期加載階段

(c)加載歷程圖7 擬靜力試驗(yàn)加載位移歷程Fig.7 The displacement history of pseudo-static loading experiments

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 機(jī)柜損傷發(fā)展及特征現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中觀察3組IDC通信機(jī)柜的損傷隨“柜頂相對(duì)柜底位移角”(以下簡(jiǎn)稱為“柜頂位移角”)的變化，柜頂位移角定義為柜頂位移與柜底位移差的絕對(duì)值與柜體高度的比值。以800機(jī)柜為例，在其沿方向往復(fù)加載試驗(yàn)中，觀察到的機(jī)柜損傷發(fā)展過程及每個(gè)階段的特征損傷現(xiàn)象如下：

(1)當(dāng)頂部位移不大于18 mm(柜頂位移角為0.9%)時(shí)，機(jī)柜基本完好。

(2)當(dāng)柜頂位移超過18 mm(柜頂位移角為0.9%)時(shí)，柜底橫、縱梁節(jié)點(diǎn)處開始出現(xiàn)裂縫，并隨加載幅值增大不斷擴(kuò)大。

(3)當(dāng)頂部位移達(dá)到36 mm(柜頂位移角為1.8%)時(shí)，柜門門軸從底座拔出，柜門下部脫離柜體，隨著位移幅值增大，機(jī)柜承載力逐漸下降。

(4)當(dāng)頂部位移達(dá)到90 mm(柜頂位移角為4.5%)時(shí)，一側(cè)柜門從門框脫出，與柜體分離。

(5)當(dāng)頂部位移達(dá)到100 mm(柜頂位移角為5.0%)后，機(jī)柜柜門全部脫出門框，承載力顯著下降，柜底橫、縱梁節(jié)點(diǎn)處裂縫貫通，機(jī)柜完全破壞。

表3詳細(xì)展示了800 mm機(jī)柜沿方向加載時(shí)各階段的特征損傷現(xiàn)象。600和1000機(jī)柜沿方向往復(fù)加載試驗(yàn)中觀察到的機(jī)柜損傷發(fā)展過程及每個(gè)階段的特征損傷現(xiàn)象與800機(jī)柜基本相同，具體損傷發(fā)展過程見表4。

表3 沿X方向加載時(shí)厚度800 mm機(jī)柜的損傷發(fā)展過程Tab.3 Damage process of 800 mm long cabinets when being loaded in X direction

表4 沿X方向加載時(shí)3種機(jī)柜的損傷發(fā)展過程Tab.4 Damage preocess of three types of cabinets when being loaded in X direction.

對(duì)800機(jī)柜沿方向往復(fù)加載試驗(yàn)中，觀察到的機(jī)柜損傷發(fā)展過程及每個(gè)階段的特征損傷現(xiàn)象如下：

(1)當(dāng)頂部位移不大于24 mm(柜頂位移角為1.2%)時(shí)，機(jī)柜基本完好。

(2)當(dāng)柜頂位移超過24 mm(柜頂位移角為1.2%)時(shí)，柜底橫、縱梁節(jié)點(diǎn)處開始出現(xiàn)裂縫，并隨加載幅值增大不斷擴(kuò)大。

(3)當(dāng)頂部位移達(dá)到36 mm(柜頂位移角為1.8%)時(shí)，柜門側(cè)板從底座拔出，側(cè)板下部脫離柜體，機(jī)柜承載力略有下降。

(4)當(dāng)頂部位移達(dá)到80 mm(柜頂位移角為4.0%)時(shí)，一側(cè)側(cè)板從柜體脫出，機(jī)柜承載力顯著下降。

(5)當(dāng)頂部位移達(dá)到120 mm(柜頂位移角為6.0%)時(shí)，外框架柱與機(jī)柜底板間焊縫開裂。

(6)當(dāng)頂部位移達(dá)到180 mm(柜頂位移角為9.0%)后，機(jī)柜側(cè)板全部脫出門框，柜底橫、縱梁節(jié)點(diǎn)處裂縫貫通，機(jī)柜完全破壞。

表5給出了800 機(jī)柜沿方向加載時(shí)各階段的特征損傷現(xiàn)象。600和1000機(jī)柜沿方向往復(fù)加載試驗(yàn)中觀察到的機(jī)柜損傷發(fā)展過程及每個(gè)階段的特征損傷現(xiàn)象與800機(jī)柜基本相同，具體損傷發(fā)展過程見表6。

表5 沿Y方向加載時(shí)厚度800mm機(jī)柜的損傷發(fā)展過程Tab.5 Damage process of the 800 mm long cabinet when being loaded in Y direction.

表6 沿Y方向加載時(shí)3種機(jī)柜的損傷發(fā)展過程Tab.6 Damage process of three types of cabinets when being loaded in X direction

4.2 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)柜破壞機(jī)理分析

圖8給出了3種不同尺寸機(jī)柜沿、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，圖中標(biāo)出了與表4、6對(duì)應(yīng)的損傷階段編號(hào)。

圖8 600(a)、800(b)、1000(c)機(jī)柜沿X、Y方向力-位移滯回曲線Fig.8 The force-displacement curves of cabinets with lenth of 600 mm(a)， 800 mm(b)，1 000 mm(c)in X and Y direction respectively

結(jié)合圖8a-1、b-1、c-1中的力-位移滯回曲線和表3的特征損傷現(xiàn)象可知：在加載的初始階段，機(jī)柜的方向側(cè)向抗力主要來源于機(jī)柜的承力框架和前后門板，此時(shí)門板起到了類似斜撐的作用；由于機(jī)柜的立柱與底板、橫梁與縱梁的連接節(jié)點(diǎn)為焊接，且節(jié)點(diǎn)的承載力弱于立柱，階段損傷達(dá)到-1時(shí)，發(fā)生了橫梁與縱梁焊縫開裂，但此時(shí)機(jī)柜的剛度無明顯變化，承載力隨機(jī)柜頂部位移增大仍在線性增加；當(dāng)達(dá)到損傷階段-2后，隨著柜門門軸從柜體拔出，柜門與柜體部分脫離，斜撐作用下降，承載力出現(xiàn)大幅下降(約降低60%)，再加載的剛度也明顯降低(降低約80%)；此后，隨位移幅值增大，柜門先后從柜體脫落，機(jī)柜損傷集中在了立柱-橫梁的節(jié)點(diǎn)位置，焊縫開裂逐步擴(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。

為了進(jìn)一步清晰地觀察到不完全加卸載情況下機(jī)柜沿方向荷載-位移曲線的滯回規(guī)則，圖9a以800機(jī)柜為例給出了位移達(dá)到-3水平時(shí)三周加卸載的滯回曲線，分別用、、表示。從圖中可以看出，在卸載未達(dá)到零點(diǎn)即反向再加載的情況下(曲線)，反向再加載剛度與卸載剛度幾乎相同，因而周期曲線包圍的面積非常小，幾乎可以忽略。

方向的損傷發(fā)展與方向不同。從圖8a-2、b-2、c-2的力-位移滯回曲線和表5內(nèi)特征損傷現(xiàn)象可以看出：在方向加載的初始階段，與方向類似，機(jī)柜的側(cè)板起到了斜撐的作用，與方向的承力框架共同工作；在達(dá)到損傷階段-1時(shí)發(fā)生了橫梁與縱梁焊縫開裂，但機(jī)柜剛度無明顯變化，承載力隨機(jī)柜頂部位移增大也繼續(xù)線性增加；達(dá)到損傷階段-2之后，側(cè)板部分脫出柜體，承載力略有下降(下降約10%)，損傷發(fā)展表現(xiàn)出了與方向的不同；在達(dá)到損傷階段-3之后，一側(cè)側(cè)板脫出柜體，機(jī)柜的側(cè)向承載力下降了約20%；隨后側(cè)向力主要由向框架承擔(dān)，向承力框架的底部橫梁與縱梁的節(jié)點(diǎn)焊縫開裂逐步擴(kuò)展直至貫通。與方向不同的是，方向在側(cè)板脫落后，框架仍能夠承擔(dān)大部分承載力，并且在-4損傷階段后出現(xiàn)了立柱與底板焊縫開裂的現(xiàn)象。同時(shí)也應(yīng)注意到，厚度600 mm和800 mm的機(jī)柜在沿方向加載過程中峰值承載力出現(xiàn)在側(cè)板脫落之后，而厚度1 000 mm機(jī)柜峰值承載力出現(xiàn)在側(cè)板脫落前，這說明隨著機(jī)柜寬度增加，側(cè)板尺寸對(duì)機(jī)柜方向承載力有一定影響。

圖9b給出了800機(jī)柜沿方向加載時(shí)，位移達(dá)到-4水平三周加卸載滯回曲線。從圖中可以看出，當(dāng)卸載未達(dá)到零點(diǎn)即反向再加載的情況下(曲線)，反向再加載剛度略高于卸載剛度，周期曲線有一定的包圍面積和耗能能力。

圖9 800機(jī)柜沿X向X-3階段(a)Y方向 Y-4階段(b)力-位移曲線Fig.9 Force-displacement curves of cabinets with length of 800 mm in the loading phase X-3 in X direction(a)and Y-4 in Y direction(b)

從上述分析可以看出，在機(jī)柜的和方向，底部橫縱梁節(jié)點(diǎn)與立柱-底板節(jié)點(diǎn)焊縫持續(xù)開裂、門板和側(cè)板的支撐作用喪失是這種通信機(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。此外，機(jī)柜在不完全加卸載情況下荷載-位移曲線所表現(xiàn)出來的滯回規(guī)則也是數(shù)值建模時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的。

圖10對(duì)機(jī)柜在和方向的力-變形滯回曲線進(jìn)行了比較，可以看出機(jī)柜沿方向的抗力和變形能力均大于其在方向的相應(yīng)性能，這主要是因?yàn)闄C(jī)柜的4根立柱在方向的寬度(120 mm，圖1)大于其在方向的寬度(30 mm)，因此對(duì)于這類IDC機(jī)柜而言，方向(即寬度方向)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)方向進(jìn)行分析，所得的分析結(jié)果也是偏于安全的。

圖10 600(a)、800(b)、1000(c)機(jī)柜在X方向和Y方向力-位移滯回性能的比較Fig.10 Comparison of the force-displacement behavior of cabinets with length of 600 mm(a)， 800 mm(b)，and 1000 mm(c)in X direction and Y direction respectively

4.3 試驗(yàn)前后的機(jī)柜一階頻率變化

如前所述，在擬靜力試驗(yàn)前后，采用錘擊法分別對(duì)3種機(jī)柜抗側(cè)力框架施加激勵(lì)，通過FBA-12型力平衡加速度計(jì)和MTS系統(tǒng)電子控制臺(tái)采集柜頂加速度反應(yīng)時(shí)程，再由快速傅立葉變換(FFT)將所采集的時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域，進(jìn)而得到6臺(tái)機(jī)柜損傷前后的一階固有頻率(表7)，圖11給出了6臺(tái)IDC機(jī)柜在試驗(yàn)前后的頻率。從圖中可以看出，各機(jī)柜在方向頻率均在9.4 Hz左右、方向頻率均在14.0 Hz左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后無論是沿方向還是方向，6個(gè)機(jī)柜一階頻率均顯著降低，這是由柜體各部位發(fā)生不同程度損傷、破壞，其剛度大幅下降，結(jié)構(gòu)抵抗外力的能力基本喪失所致。

表7 6臺(tái)機(jī)柜損傷前后頻率Tab.7 Frequencies before and after the six cabinets being damaged

圖11 600(a)、800(b)、1000(c)機(jī)柜試驗(yàn)前后頻率Fig.11 Frequencies of cabinets with length of 600 mm(a)，800 mm(b)， and 1000 mm(c)before and after the experiment

5 結(jié)論

本文針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)中常用的3種不同尺寸的機(jī)柜，進(jìn)行了沿機(jī)柜兩個(gè)水平方向的往復(fù)加載擬靜力試驗(yàn)，研究其在兩個(gè)水平方向上的力學(xué)性能和力學(xué)參數(shù)。每組試驗(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。通過試驗(yàn)得到的主要結(jié)論為：

(1)在方向(即寬度方向)水平往復(fù)荷載作用下，3種機(jī)柜的損傷發(fā)展過程基本相同：底部橫、縱梁焊縫開裂→門軸拔出，門板部分脫離柜體→柜門逐漸脫落，與柜體分離→損傷集中在節(jié)點(diǎn)，焊縫持續(xù)開裂直至貫通。

(2)在方向(即厚度方向)水平往復(fù)荷載作用下，3種機(jī)柜的損傷發(fā)展過程基本相同：底部橫、縱梁焊縫開裂→側(cè)板逐漸脫落，與柜體分離→立柱與底板焊縫開裂→損傷集中在節(jié)點(diǎn)，焊縫持續(xù)開裂直至貫通。

(3)隨機(jī)柜方向尺寸逐漸增大，-3損傷階段(側(cè)板脫落)前承載力逐漸增大，側(cè)板尺寸對(duì)方向承載力有一定影響。

(4)對(duì)于此類通信機(jī)柜，無論在寬度方向還是在厚度方向，橫縱梁節(jié)點(diǎn)、立柱與底板焊縫持續(xù)開裂，門板和側(cè)板的支撐作用喪失都是關(guān)鍵的損傷機(jī)制，當(dāng)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。