朱建華，劉勇志，鐘 浩，金 敏

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，深圳 518055）

引言

電信設(shè)備抗震性能的重要性已不言而喻，既是基于我國(guó)震害嚴(yán)重這一客觀事實(shí)，也是工業(yè)社會(huì)發(fā)展對(duì)產(chǎn)品性能所提出的必然要求。電信設(shè)備抗震性能的提高，有賴于完善的抗震性能檢測(cè)方法及規(guī)范的形成并最終達(dá)成廣泛的共識(shí)，且付諸于工業(yè)實(shí)踐。

與電信設(shè)備相關(guān)的抗震試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范已經(jīng)存在，如YD 5083、GB/T 2424.25、IEC 60068-3-3、EN 300019-2-3、EN 300019-2-4、GR-63-CORE等。YD 5083作為國(guó)內(nèi)主要的電信設(shè)備抗震試驗(yàn)檢測(cè)依據(jù)，雖然提及人工合成波的試驗(yàn)方法，但在實(shí)踐過程中，五周五拍頻的試驗(yàn)方法依然是主要的選擇。就目前狀況來看，多數(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中要求的波形試驗(yàn)是采用人工合成波，如EN 300019-2-3、EN 300019-2-4和GR-63-CORE。這主要是因?yàn)槿斯ず铣傻卣鸩ǜ咏卣饘?shí)際發(fā)生的情形，且抗震試驗(yàn)的實(shí)際效果也更具有參考性和信賴性。

基于人工合成波的抗震試驗(yàn)，其應(yīng)用已不再局限于電信設(shè)備，其他行業(yè)設(shè)備也有了很好的普及。如電力設(shè)施設(shè)備的GB 50260、 GB/T 13540等。因此，對(duì)其研究具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于人工合成波的抗震試驗(yàn)方法

人工合成波，就是一組人工合成的時(shí)間歷程。它由具有模擬動(dòng)態(tài)應(yīng)力特性的響應(yīng)譜規(guī)定?；谌斯ず铣刹ǖ目拐鹪囼?yàn)方法，由兩部分組成，一部分是初始響應(yīng)檢測(cè)，另一部分是波形試驗(yàn)。多軸激勵(lì)方式的抗震試驗(yàn)雖已經(jīng)出現(xiàn)，但鑒于目前相關(guān)設(shè)備的發(fā)展、普及狀況比較緩慢，這里不作過多的闡述。本文主要討論單軸激勵(lì)的抗震試驗(yàn)方法。

1.1 初始響應(yīng)檢測(cè)

初始響應(yīng)檢測(cè)，目的在于了解電信設(shè)備自身的振動(dòng)特性，掌握結(jié)構(gòu)的共振頻率、阻尼比等參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)技術(shù)人員，可通過對(duì)被測(cè)設(shè)備振動(dòng)特性的了解而預(yù)判最終的抗震性能結(jié)果。

一般來說，初始響應(yīng)檢測(cè)可以采用兩種試驗(yàn)方法進(jìn)行，一種是正弦掃頻試驗(yàn)法，也稱正弦激勵(lì)法；另一種是隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)法，也稱白噪聲法。

由于地震波的低頻特性，一般頻率在1～35 Hz內(nèi)振動(dòng)具有最大能量，頻率在1～10 Hz的振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品更具破壞性。因此，研究1～35 Hz頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)特性具有實(shí)用性。實(shí)際測(cè)試中，常選取1～35 Hz作為初始響應(yīng)的頻率范圍，如YD 5083、EN 300019-2-3、EN 300019-2-4、IEC 60068-3-3（GB/T 2424.25）等。當(dāng)然，如有必要，可適當(dāng)?shù)胤艑挘鏕R-63-CORE將初始響應(yīng)檢測(cè)的頻率范圍界定在1～50 Hz范圍。

在量級(jí)選擇方面，應(yīng)遵循這樣一個(gè)原則，即不得造成被測(cè)設(shè)備的任何機(jī)械損傷，因此應(yīng)采用較低的量級(jí)水平。

表1中列出了一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的初始響應(yīng)檢測(cè)參數(shù)。

1.2 基于人工合成波的抗震試驗(yàn)

基于人工合成波的抗震試驗(yàn)，因更接近實(shí)際的地震形式，且抗震試驗(yàn)的實(shí)際效果具有良好的參考性和信賴度，必將會(huì)是今后抗震試驗(yàn)的主流試驗(yàn)方法。

由人工合成波的定義可知，采用人工合成波的抗震試驗(yàn)，有兩個(gè)基本要素：一個(gè)是要求響應(yīng)譜，另一個(gè)是人工合成波的持續(xù)時(shí)間。兩者共同約束，組成并最終擬合成有效的人工合成波，進(jìn)而再開展抗震試驗(yàn)。

要求響應(yīng)譜，體現(xiàn)了電信設(shè)備不同的安裝使用環(huán)境。進(jìn)行人工合成波抗震試驗(yàn)前，必須依據(jù)設(shè)備的安裝使用環(huán)境，約定響應(yīng)譜或測(cè)得實(shí)際環(huán)境的響應(yīng)譜。

地震發(fā)生時(shí)，巨大的能量從震源出發(fā)，經(jīng)地面?zhèn)鬟f，直接作用于電信設(shè)備或通過建（構(gòu)）筑物、支撐物等間接作用于電信設(shè)備。直接作用于電信設(shè)備與間接作用于電信設(shè)備，兩者響應(yīng)值相差很大，因?yàn)榻ǎ?gòu)）物、支撐物在這過程中既起到濾波作用，也起到了放大的效應(yīng)。

因此，要求響應(yīng)譜可分為兩種情形，一種是電信設(shè)備安裝使用于室外的（非特定的支撐物或建筑物上），另一種情形是電信設(shè)備安裝于室內(nèi)的（特定的支撐物或建筑物上）。EN 300019-2-3和EN 300019-2-4充分闡述了上述兩種情形，前者代表電信設(shè)備安裝于室內(nèi)環(huán)境，后者代表電信設(shè)備安裝于室外環(huán)境。由于EN 300019-2-3和EN 300019-2-4對(duì)地震環(huán)境條件響應(yīng)譜進(jìn)行了針對(duì)性的研究，業(yè)內(nèi)對(duì)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可度很高，故按此作為電信設(shè)備抗震性能檢測(cè)的要求響應(yīng)譜。

圖1～圖2是EN 300019-2-3、EN 300019-2-4的要求響應(yīng)譜。由圖可知，標(biāo)準(zhǔn)的要求響應(yīng)譜的頻率范圍在1～35 Hz內(nèi)，符合地震試驗(yàn)的頻率特性，同時(shí)也從另一個(gè)側(cè)面反應(yīng)出初始響應(yīng)檢測(cè)頻率范圍選擇的合理性。

表1 初始響應(yīng)檢測(cè)試驗(yàn)參數(shù)

明顯地，室內(nèi)安裝設(shè)備的嚴(yán)酷等級(jí)高于室外設(shè)備，這也從另一角度說明了建筑物、支撐物在地震過程中具有響應(yīng)放大作用。

當(dāng)基于人工合成地震波的要求響應(yīng)譜已經(jīng)明確，接下來就應(yīng)確定其持續(xù)時(shí)間。IEC 60721-2-6對(duì)地震的振動(dòng)特性進(jìn)行了描述：“中等的地震可以持續(xù)15～30 s，強(qiáng)烈的可以持續(xù)60～120 s。一般來說，具有最大地面加速度的強(qiáng)部可達(dá)10 s?！?/p>

人工合成波的持續(xù)時(shí)間，通常也據(jù)此進(jìn)行規(guī)定。如YD 5083規(guī)定人工合成地震波的持續(xù)時(shí)間不少于30 s，強(qiáng)震部分不少于20 s；EN 300019-2-3和EN 300019-2-4則規(guī)定人工合成地震波的持續(xù)時(shí)間為30 s，強(qiáng)震部分不少于15 s。

圖1 EN 300019-2-3 要求響應(yīng)譜（室內(nèi)）

圖2 EN 300019-2-4 要求響應(yīng)譜（室外）

2 案例分析

抗震試驗(yàn)的過程中，極可能發(fā)生門、螺栓、部件等脫落、拋離設(shè)備主體或主體傾倒的現(xiàn)象。因此，試驗(yàn)過程中應(yīng)采取充分的人身、設(shè)備安全防護(hù)措施。

本試驗(yàn)依據(jù)EN 300019-2-4進(jìn)行。案例從抗震試驗(yàn)的主要試驗(yàn)設(shè)備要求、被測(cè)樣品的安裝與工況調(diào)試、波形試驗(yàn)與響應(yīng)監(jiān)測(cè)三個(gè)方面進(jìn)行講述。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備的要求

基于人工合成波的抗震試驗(yàn)，具有實(shí)際地震情形的特點(diǎn)，如頻率低、動(dòng)態(tài)行程大等。因此，試驗(yàn)的開展，必須依賴于此類特性的液壓模擬地震振動(dòng)臺(tái)。

本案例所采用的液壓地震振動(dòng)臺(tái)特性如下：

1）頻率范圍：0.1～500 Hz；

2）動(dòng)態(tài)行程：270 mm；

3）抗傾覆力矩：7.0×106in-lb；

4）扭矩：7.0×106in-lb；

5）動(dòng)態(tài)推力：7636 kgf等。

然而，液壓模擬地震振動(dòng)臺(tái)僅僅是進(jìn)行抗震試驗(yàn)的基礎(chǔ)，由單軸向（或三軸向）加速度傳感器、位移傳感器及控制器等組成多功能多通道數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，則豐富并滿足了抗震檢測(cè)試驗(yàn)的全部需求。

2.2 被測(cè)樣品的安裝與工況調(diào)試

被測(cè)設(shè)備的安裝應(yīng)遵循這樣的原則，即按照實(shí)際使用時(shí)的安裝的方式，將被測(cè)設(shè)備安裝到液壓模擬地震振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上。在所有情況下，應(yīng)使用實(shí)際工程安裝推薦的緊固件數(shù)量、尺寸、墊片、加載的力矩值等，并應(yīng)形成記錄文檔。

案例中，被測(cè)設(shè)備的安裝方式是屬于掛桿式的，如圖3所示。因此，在進(jìn)行抗震試驗(yàn)的過程中，按照其實(shí)際的安裝方式進(jìn)行安裝。例如：安裝高度為1 m（從地面至被測(cè)設(shè)備的下端計(jì)算安裝高度）、使用喉扣將被測(cè)設(shè)備固定在掛桿上等。

為更好地表征抗震試驗(yàn)的有效性，應(yīng)在抗震試驗(yàn)前，監(jiān)測(cè)掛桿的振動(dòng)特性，確保其固有頻率應(yīng)避開地震的振動(dòng)頻率特性范圍。這既是對(duì)安全檢測(cè)作業(yè)進(jìn)行有效控制的需要，也是為了避免不合理的夾（制）具發(fā)生放大作用導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果誤判。

另外，抗震試驗(yàn)的考察點(diǎn)不僅體現(xiàn)在被測(cè)設(shè)備的物理性能方面，對(duì)被測(cè)設(shè)備在抗震試驗(yàn)過程中和抗震試驗(yàn)后的功能及電性參數(shù)也應(yīng)做出要求。為此，被測(cè)設(shè)備安裝完畢后，必須將其工作模式、工作狀態(tài)調(diào)試到預(yù)定的情形下并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在試驗(yàn)的過程中，如能對(duì)被測(cè)設(shè)備重要的核心參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，那是最好不過的了。不過，這有賴于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的明確約定或在抗震試驗(yàn)項(xiàng)目開展之前，生產(chǎn)制造商和需方已經(jīng)達(dá)成對(duì)被測(cè)設(shè)備某些參量的共同要求。

2.3 抗震試驗(yàn)與響應(yīng)監(jiān)測(cè)

被測(cè)樣品進(jìn)行抗震試驗(yàn)，運(yùn)作過程與常規(guī)的機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)大體相同。在確保被測(cè)樣品已經(jīng)穩(wěn)固安裝，且安裝、調(diào)試工作人員已撤離到安全區(qū)域后，運(yùn)行地震試驗(yàn)臺(tái)即可，這里不作過多闡述。響應(yīng)監(jiān)測(cè)伴隨著抗震試驗(yàn)的整個(gè)過程，如果說抗震試驗(yàn)的最終目的是檢驗(yàn)被測(cè)樣品的物理性能和電參數(shù)，那么抗震試驗(yàn)過程中的響應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一方面是佐證被測(cè)樣品的抗震試驗(yàn)的有效性，另一方面又為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供原始的數(shù)據(jù)。因此，響應(yīng)監(jiān)測(cè)的重要性不言而喻。響應(yīng)監(jiān)測(cè)參數(shù)主要體現(xiàn)為關(guān)鍵部位的加速度響應(yīng)值、形變量、力矩值等。

當(dāng)被測(cè)設(shè)備需要安裝于特定的夾具或工裝上進(jìn)行抗震試驗(yàn)時(shí)，對(duì)夾具的量值傳遞效果應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果監(jiān)測(cè)得到的響應(yīng)值表明夾具的放大作用過大，那么試驗(yàn)的有效性就值得商榷。因此，約束夾具的響應(yīng)值，對(duì)如掛桿設(shè)備、掛墻設(shè)備、子架級(jí)設(shè)備等尤為重要。

響應(yīng)監(jiān)測(cè)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供原始數(shù)據(jù)，主要體現(xiàn)在通過對(duì)某一位置的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，掌握材料的特性或結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)。如螺栓的動(dòng)態(tài)特性，掌握選材是否合理；結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，了解當(dāng)前結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

本案例中，對(duì)被測(cè)樣品激勵(lì)軸向上的加速度值進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并且只選擇了一個(gè)部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)然，如試驗(yàn)需要，可對(duì)多個(gè)部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

初始響應(yīng)檢測(cè)，通過對(duì)設(shè)備的激勵(lì)方向安裝加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備響應(yīng)的監(jiān)測(cè)。圖4～圖6是初始響應(yīng)檢測(cè)的譜圖，從圖中可知，X軸向的固有頻率為9.7 052 Hz，Y軸向的固有頻率為34.2 070 Hz，Z軸向的固有頻率為27.0 515 Hz。

圖3 掛桿式被測(cè)設(shè)備及加速度傳感器的安裝

圖4 初始響應(yīng)檢測(cè)譜圖（X 軸向）

圖5 初始響應(yīng)檢測(cè)譜圖（Y 軸向）

從固有頻率分布來看，在X軸向的固有頻率較低，處于地震振動(dòng)的頻率特性的危險(xiǎn)頻率段內(nèi)。因此，在試驗(yàn)的過程中應(yīng)特別關(guān)注。Y軸向的固有頻率接近地震振動(dòng)的頻率特性的上限，因此認(rèn)為地震試驗(yàn)在該軸向?qū)﹄娦旁O(shè)備的影響較小。對(duì)于Z軸向，YD 5083、EN 300019-2-3、EN 300019-2-4均有明確規(guī)定，如該軸向固有頻率大于20 Hz，抗震試驗(yàn)可不進(jìn)行。本案例中，Z軸向的抗震試驗(yàn)也是忽略的。

圖6 初始響應(yīng)檢測(cè)譜圖（Z 軸向）

圖7 抗震試驗(yàn)譜圖（時(shí)程）

圖8 抗震試驗(yàn)譜圖（頻程）

抗震試驗(yàn)的時(shí)程譜圖描述了抗震試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間及量值分布，根據(jù)EN 300019-2-4的要求，人工合成地震波的持續(xù)時(shí)間為30 s，強(qiáng)震部分不少于15 s，從圖7可知，該要求是滿足的。

抗震試驗(yàn)頻程譜圖（圖8）應(yīng)大于要求響應(yīng)譜圖，對(duì)離散頻率點(diǎn)進(jìn)行采集和分析，同樣也是滿足要求的。

因此，此次抗震試驗(yàn)是合理且有效的。

抗震試驗(yàn)過程中，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明被測(cè)樣品能正確傳輸數(shù)據(jù)，功能及性能均正常?？拐鹪囼?yàn)后，對(duì)被測(cè)樣品的物理結(jié)構(gòu)和功能及性能進(jìn)行檢查，均無異常；對(duì)連接部件的緊固件進(jìn)行扭矩測(cè)量，測(cè)得值處于初始加載的扭矩的誤差范圍內(nèi)。因此，可認(rèn)為被測(cè)樣品滿足預(yù)期的抗震能力要求。

3 總結(jié)

基于人工合成波的抗震試驗(yàn)方法，因其優(yōu)勢(shì)而逐漸被推廣并成為主流的抗震試驗(yàn)方式。通過對(duì)電信設(shè)備的初始響應(yīng)檢測(cè)，了解其振動(dòng)特性；根據(jù)其不同的安裝、工作條件，選擇不同的要求響應(yīng)譜，擬合成規(guī)定持續(xù)時(shí)間的人工合成波時(shí)間歷程，進(jìn)而可以開展電信設(shè)備的抗震試驗(yàn)，其結(jié)果具有較高的信賴度和參考性。

[1]YD 5083, 電信設(shè)備抗地震性能檢測(cè)規(guī)范[S].

[2]GR-63-CORE, NEBSTM Requirements: Physical Protection[S].

[3]ETSI EN 30019-2-3, Environmental Engineering (EE);Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment; Part 2-3: Specification of environmental tests; Stationary use at weatherprotected locations[S].

[4]ETSI EN 300019-2-4, Environmental Engineering (EE);Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment; Part 2-4: Specification of environmental tests; Stationary use at non-weatherprotected locations[S].

[5]IEC 60721-2-6, Classifi cation of environmental conditions; part 2: environmental conditions appearing in nature; earthquake vibration and shock[S].

[6]IEC 60068-3-3, Environmental testing; Part 3: Guidance Seismic test methods for equipments[S].

[7]胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京:地震出版社,2006.

[8]黃浩華.地震模擬振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù) [M].北京:地震出版社,2008.

[9]汲書強(qiáng).國(guó)外通信設(shè)備抗震性能鑒定對(duì)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備的要求 [J].世界地震工程, 2012,12[4]:105-110.