多层走线架抗震性能的数值模拟研究

（中国移动通信集团设计院有限公司陕西分公司，西安 710077）

1 工程背景

中国地处全球两大地震带之间，近年来国内外地震频发，为确保通信网络的安全运行，必须重视通信设备的抗震加固工作。

目前，大部分通信设备为架式设备，机柜高度在2200mm以上，重心较高，在地震中的稳定性较差。《电信设备安装抗震设计规范》中指出，架式电信设备顶部应采取由上梁、连固铁、列间撑铁、旁侧撑铁、斜撑和立柱组成的加固联结架（简称铁架）的安装方式，将设备、铁架及建筑物联结为一个整体，可以有效抵抗地震作用力，达到设备抗震加固的目的。

但在实际工程中，核心机房内布置着通信设备、空调、走线架、消防管路、防排烟设施、照明设施及各种复杂的管线，机房环境非常复杂，机房空间也很紧张。尤其是空调风管需占用设备顶部一定的空间，而用于架式设备上加固的铁架一般安装在机柜顶部以上、第一层走线架以下的空间，有时会发生冲突，如图1所示。由于空间被占用、方案复杂、施工难度大、建设单位接受度低等多种原因，规范要求的铁架安装多数情况下在核心机房并未实施，给通信设备的运行带来了一定的安全隐患。

2 多层走线架抗震性能数值模拟的提出

针对上述问题，我们提出将电信设备、多层走线架及建筑物联结为一个整体的抗震加固新思路。目前，我国抗震设防烈度7度以上（含7度）的在网设备均经过了抗震性能的相关检测，具备较好的抗震性能。通信建筑在抗震方面也有相对成熟的考虑，可以说建筑物本身也具备良好的抗震性能。走线架作为空间框架结构本身具备一定的强度和刚度，可以考虑将其作为设备上加固的中间转化结构，但多层走线架在垂直列架方向的支撑构件少、整体刚度小，不利于抵抗该方向的水平地震作用力，在通信设备、多层走线架及建筑物联结的抗震加固整体结构中比较薄弱。为了保证整体结构的抗震效果，需对走线架进行加强改造，使之具备良好的抗震性能。

图1 核心机房立面空间分布示意图

本文以中国移动局房标准化设计为平台，使用3D3S钢结构计算软件，采用概念设计及数值模拟相结合的方法，对不同机房在不同抗震设防烈度下的走线架进行数值模拟，必要时对多层走线架进行加强改造，使走线架具备良好的抗震性能，从而保证通信设备的安全运行。

3 多层走线架抗震性能的数值模拟过程

我们以本地区抗震设防烈度为7度（0.15g）的数据机房为例，采用U型钢走线架（钢材牌号为Q345），进行受力和变形的数值模拟计算，抗震效果不理想时对多层走线架进行加强改造，通过反复试算和对比分析，使走线架具有良好的抗震性能。

3.1 建模及加载

中国移动标准化局房采用多层框架结构，柱距一般在7.2～7.6 m之间。选取机房一个区隔的走线架作为计算单元，同时保证连固铁和主走线架终端与建筑物可靠连接，且每层走线架与柱子的连接不少于两处。数据机房的主流设备型号为600 mm×800 mm×2200 mm（宽×深×高），单机柜满配重量约430 kg，列长以不超过柱距为宜，最长不超过10 m，设备面对面列间距为1.4 m，背对背列间距为1.2 m。

根据布线需求数据机房一般设置两层走线架，主走线架每隔1.0～1.2 m设置一处吊挂，列走线架每隔1.5 m设置一处吊挂（如图2所示）。根据以上参数，采用3D3S钢结构计算软件空间任意结构模块进行建模（如图3所示），建模过程中应注意材料及截面的选取、截面方位的定义、构件的连接、删除重复节点、模型检查等细节。

走线架本身的重力荷载程序会自动计算，承受的外部荷载主要为线缆的竖向荷载和通过连接构件传递的设备水平地震作用力。主走线架和列走线架的线缆重量分别约为150 kg/m、100 kg/m，换算为竖向面荷载分别为1.25 kN/m2、0.625 kN/m2。参考《电信设备安装抗震设计规范》（4.1.1-3）、（4.2.1）及（4.3.1-1）等公式，计算列走线架主梁在7度（0.15 g）抗震设防烈度下承受的水平地震作用力为1.461 kN/m。在软件的使用中通过建立荷载库、施加单元荷载、施加杆件导荷载、自动导荷载等命令实现走线架的加载。

图2 数据机房走线架的平面、立面布置示意图

图3 数据机房走线架的空间立体模型

3.2 初次数值模拟

经过内力组合、线性分析、单元验算等环节，软件呈现初次数值模拟的结果：结构构件数1 469个，当主材采用35 mm×40 mm×35 mm（壁厚t=3.0 mm）的U型钢时，673个构件不满足强度及变形要求，且这些构件大部分为吊挂和列走线架主梁等主要受力杆件。

参考《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB 50292-1999）关于结构构件可靠性鉴定评级标准的相关规定，根据“小震不坏、中震可修、大震不倒”和“弱支撑、强主体”的抗震设计原则，当结构遭受本地区抗震设防烈度的水平地震作用力时，允许部分非重要杆件出现破坏。如果结构小于10%的构件不满足强度及变形要求，且不满足的构件大部分为支撑杆件，我们就可以认为抗震性能良好。依据该判定原则可以看出，本次数值模拟的走线架的结构形式，采用较大的截面时仍有39.0%的构件不满足要求，且不满足构件大部分为主体构件，抗震性能较差，需要通过改进结构形式的方法改善走线架的抗震性能。

3.3 概念设计及对比分析

从概念设计的角度讲，走线架在垂直列架方向的支撑构件少、整体刚度小，不利于抵抗该方向的水平地震作用力，因此对多层走线架的改造主要考虑增加列间的横向支撑，必要时需增加斜撑。参考规范铁架列间撑铁和斜撑的设置方式，走线架每隔2.0 m～2.5 m设置一道横向支撑，设置斜撑时隔列设置。图4和图5分别为仅增加横向支撑、增加横向支撑和斜撑两种改造方式。

如前所述，空调系统支风管的设置，多数情况下同走线架互相避让后占用机柜顶部以上500 mm高或第一层走线架以上500 mm高的空间，与之相对应的，第二层走线架或第一层走线架未被占用，可以考虑作为走线架加强改造的空间使用，具体工程中还应根据实际情况，多专业配合协调确定各自在机房中的占用空间。在概念设计和数值模拟中，我们统一采用对第二层走线架（最不利位置）进行加强改造的方式，结果同样适用对第一层走线架的加强改造，且偏于安全、适用面更广。

图4 增加横向支撑的改造方式

图5 增加横向支撑和斜撑的改造方式

对改造后的走线架重新进行数值模拟，得到不同的计算结果。从表1中可以看出：对于每一种结构形式，随着主材截面规格的逐渐增大，抗震性能逐步加强；对于同一种主材截面规格，原走线架、仅增加横向支撑的走线架、增加横向支撑和斜撑的走线架的抗震性能逐渐加强。

通过对不满足构件的占比及主要形式的对比分析，最终选取主材截面规格为35 mm×40 mm×35 mm（t=3.0 mm）U型钢、增加横向支撑和斜撑的走线架形式，不满足构件占比7.8%，且不满足构件主要为支撑构件。

4 多层走线架抗震性能的数值模拟结论

重复上述的算例过程，我们收集了大量的数据，对不同机房、不同抗震设防烈度、主材截面为U型钢（钢材牌号为Q345）多层走线架的抗震性能进行了概念设计、数值模拟和对比分析，得出了如表2所示结论，供通信工程设计参考使用。

表1 走线架抗震性能的对比分析

表2 U型钢走线架的主材规格和加强改造方式表

在工程实际中，如果采用角钢走线架，由于比U型钢走线架的强度和刚度更高，多层走线架加强改造的方式可略微减弱；如果采用铝合金走线架，材料宜选用塑性较好的Al-Mg系列铝合金（牌号为5×××）或Al-Mg-Si系列铝合金（牌号为6×××），同时参考U型钢走线架概念设计和数值模拟的结果，秉承适当加强的原则，选择主材规格和加强改造方式。

5 结束语

鉴于铁架安装的实际困难，我们提出将电信设备、多层走线架及建筑物联结为一个整体的抗震加固新思路，采用概念设计和数值模拟相结合的方法，分别从定性和定量的角度提出不同机房在不同抗震设防烈度下多层走线架的加强改造方式，从而解决了规范要求的铁架安装难以实施的问题，在有限的机房空间内，用较低的经济投入实现了设备抗震加固的目的，保证了通信设备的安全运行和机房整体美观性。