鐵路機(jī)房設(shè)備的防震支座研究

王耀安

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通號(hào)院，陜西 西安710000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路路網(wǎng)正在迅速建設(shè)，例如青藏高原等地震帶沿線均有鐵路經(jīng)過，沿線設(shè)置的鐵路設(shè)備機(jī)房至今尚未使用任何防震措施。震動(dòng)對于鐵路設(shè)備的影響較大，在GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中，明確規(guī)定了電子信息機(jī)房的抗震要求。

現(xiàn)其他具有震動(dòng)敏感度的行業(yè)已經(jīng)在大范圍使用防震支座，如博物館已廣泛采用防震支座[2]，保證在震動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，震動(dòng)位移被防震支座吸收，被保護(hù)的文物只產(chǎn)生微弱震動(dòng)或者晃動(dòng)，不會(huì)導(dǎo)致傾倒、碰撞等。更多更普遍的防震、抗震研究集中于設(shè)備安裝行業(yè)，特別是室內(nèi)設(shè)備的安裝[3]，部分室內(nèi)設(shè)備，例如發(fā)電機(jī)等，不僅僅是外部震動(dòng)會(huì)對設(shè)備本身產(chǎn)生影響，而且自身的震動(dòng)同樣會(huì)對相鄰設(shè)備產(chǎn)生影響，室內(nèi)設(shè)備的防震、抗震研究顯得非常重要。

鐵路機(jī)房設(shè)備也同屬于室內(nèi)電子設(shè)備，例如青藏線、蘭新線，沿線部分車站的設(shè)備機(jī)房分布于地震帶、地裂帶上，容易發(fā)生地震，但由于鐵路機(jī)房的特殊性，使得現(xiàn)在市場上適用的防震支座很難直接應(yīng)用于現(xiàn)場的安裝。因此，本文將從鐵路設(shè)備機(jī)房的特殊性出發(fā)，通過多個(gè)通用方案的比選，探究并設(shè)計(jì)出適合于鐵路機(jī)房設(shè)備的防震支座方案。

1 鐵路設(shè)備機(jī)房的特殊性

當(dāng)前，鐵路設(shè)備機(jī)房內(nèi)陳列的設(shè)備多以電子設(shè)備為主，且大多數(shù)一直處于運(yùn)行狀態(tài)。鐵路設(shè)備機(jī)房[4]內(nèi)根據(jù)這些設(shè)備對防護(hù)環(huán)境的需要，考慮機(jī)房電磁環(huán)境、等電位連接、機(jī)房和線路屏蔽、設(shè)置防雷器材等綜合防護(hù)措施。

防震技術(shù)能顯著降低信號(hào)室內(nèi)設(shè)備機(jī)柜結(jié)構(gòu)的自振，通過適當(dāng)?shù)淖枘岽蟠鬁p弱柜體結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，同時(shí)使柜體結(jié)構(gòu)的位移保持在上部機(jī)柜與下部結(jié)構(gòu)之間的隔震層上，而不由機(jī)柜結(jié)構(gòu)本身的塑形形變承擔(dān)。在地震過程中，防震支座可以保持上部機(jī)柜本身發(fā)生的形變較小，僅發(fā)生微小的剛性形變。信號(hào)系統(tǒng)作為鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)，需要有較強(qiáng)的可靠性與抗外界干擾性，而放置著信號(hào)設(shè)備的室內(nèi)機(jī)柜的抗震性尤為重要。

1.1 電磁環(huán)境與室內(nèi)綜合接地

以鐵路信號(hào)機(jī)房為例，通常會(huì)在設(shè)備機(jī)房建筑周圍設(shè)置避雷帶和避雷網(wǎng)，室內(nèi)會(huì)設(shè)置電磁屏蔽“法拉第籠”。這些措施減少了室內(nèi)設(shè)備受雷電或其他強(qiáng)電磁環(huán)境的影響，保證了設(shè)備長時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。

鐵路機(jī)房內(nèi)設(shè)備通常需要進(jìn)行接地，諸如信號(hào)電源屏、聯(lián)鎖機(jī)、電力備用發(fā)電機(jī)等，這些接地在經(jīng)過室內(nèi)匯集之后，與室外等電位體相接，室外等電位體在與大地或者貫通地線等可靠連接，使得系統(tǒng)內(nèi)接地系統(tǒng)成為一個(gè)等電位的整體。這些等電位不僅是設(shè)備正常運(yùn)行的保證，同樣也是某些電子邏輯能正確達(dá)成的基礎(chǔ)。

1.2 走線架

以鐵路信號(hào)機(jī)房為例，通常鐵路信號(hào)設(shè)備機(jī)房柜上走線架與下走線排同時(shí)使用，并需使用防靜電地板。上走線架通常固定于柜體，下走線架通常固定于房屋地面，并使用金屬支架支起鋪設(shè)防靜電地板。這使得室內(nèi)防震支座不僅需要考慮設(shè)備、柜體，還應(yīng)考慮上走線架。

除此之外，承載力、照明需求、溫度與濕度需求等這些特殊需求使得鐵路機(jī)房設(shè)備的防震支座與其他行業(yè)的防震支座實(shí)現(xiàn)方式大不相同。還需考慮通用性要求，例如經(jīng)濟(jì)性、易安裝性等。

2 防震方案的比選

防震的本質(zhì)為吸收震動(dòng)所帶來的位移，從空間上，可將位移分解為豎直位移與水平位移，水平位移在一個(gè)水平面上又可以分為橫向位移與縱向位移。本次方案主要以使用阻尼彈簧或橡膠吸收縱向位移，以及阻尼彈簧或橫向限位等方式吸收水平位移的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 整體性方案

如圖1所示，將房屋地面作為一個(gè)單位整體，鋪設(shè)多條縱梁與橫梁?？v梁上設(shè)置吸收縱向位移的橡膠，再與地面相接；縱、橫梁與四周墻壁以限位器相連，保證在豎直方向上能夠吸收位移，水平方向起到固定作用，梁上設(shè)縱、橫兩條軌道，在軌道面上設(shè)置支承裝置，支承裝置與設(shè)備、機(jī)柜相連。為了保證設(shè)備、機(jī)柜便捷的分類接地，在防震支座上設(shè)置走線槽，與支座外部的接地匯流排相連接。

圖1 整體性方案結(jié)構(gòu)圖

2.2 分散性方案

如圖2所示，將設(shè)備、機(jī)柜的四角做為分散式單位，分別設(shè)置四個(gè)防震支座。防震支座與設(shè)備、機(jī)柜可靠連接，并通過導(dǎo)線連接接地端子。防震支座均設(shè)有接地線，與接地匯流排可靠連接。為提升分散式防震支座的整體性與可靠性，防震支座表面設(shè)連接口，使用鋼帶、鋼管等方式，將四個(gè)防震支座連接起來。

圖2 分散性方案結(jié)構(gòu)圖

防震功能實(shí)現(xiàn)于單個(gè)支座，每個(gè)支座分上下兩部分，上部為吸收水平位移，下部為吸收縱向位移。上部又分為橫向?qū)к壟c縱向?qū)к?，以吸收橫向位移與縱向位移。

2.3 上掛式方案

上掛式防震支座的方案結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要由縱梁、橫梁、縱向固定裝置、橫向固定裝置構(gòu)成主體結(jié)構(gòu)與承載結(jié)構(gòu)，在縱橫梁下部設(shè)置懸掛支架，懸掛支架與設(shè)備機(jī)柜相連，使得設(shè)備機(jī)柜懸掛于縱橫梁上。接地線等按照標(biāo)準(zhǔn)安裝工程設(shè)置。上掛式防震支座吸收所有形變，與地面式方案不同的是，其主要承載力為向下的重力，而非承載力，主要承載結(jié)構(gòu)為頂部縱橫梁，力的傳導(dǎo)方式不同，這也使得其吸收形變的主要部分為上掛的連接器。

圖3 上掛式方案結(jié)構(gòu)圖

2.4 分析與比選

整體性方案的優(yōu)勢在于防震整體性好，上部載荷比較大時(shí)，依然能夠穩(wěn)定放置；后期在設(shè)備移設(shè)時(shí)，無需對防震支座進(jìn)行改造；并且縱、橫梁的設(shè)置可以與地網(wǎng)、室內(nèi)接地連接預(yù)留件等相互配合，在一定程度上對綜合接地起到補(bǔ)充作用。

但整體性方案的實(shí)施難度較大，對房屋形狀的要求較高，相比分散性方案不夠靈活。鐵路機(jī)房室內(nèi)需要上走線架與下走線架共同使用的情況，對走線架的走向有干擾，可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間距離增加使得信息傳輸速度不足，導(dǎo)致設(shè)備使用情況不佳等問題。且整體性方案費(fèi)用與分散性方案相比較高，若后期不對設(shè)備間進(jìn)行改造，則會(huì)造成巨大浪費(fèi)。

相比整體性方案，分散性方案在經(jīng)濟(jì)性上較好，每增加一個(gè)設(shè)備或機(jī)柜則增加一組防震支座即可；支架對房屋形狀無要求，無需較為規(guī)整的房屋形狀；安裝時(shí)對墻面無需改造，工程量較??；對下走線架無影響，可按常規(guī)設(shè)計(jì)。通過連接鋼帶、鋼管，可以提升整體可靠性。但對綜合接地?zé)o補(bǔ)充作用，為提高接地的可靠性，每一組支架需分別進(jìn)行接地。

對于上掛式方案，相比地面式方案，其水平位移與縱向位移的吸收結(jié)構(gòu)相對簡單，無需多結(jié)構(gòu)組合式設(shè)計(jì)，但由于需要架設(shè)縱橫梁，在支架材料費(fèi)用方面消耗較大，但較小于地面整體性方案。相對于地面方案，其震動(dòng)所帶來的水平位移與縱向位移的吸收效果較好，在房屋不產(chǎn)生倒塌等情況下，受保護(hù)的設(shè)備機(jī)柜不會(huì)出現(xiàn)傾倒等問題。

鐵路信號(hào)常涉及上走線架，雖然上掛式可以避開走線架設(shè)置，但需單獨(dú)的整體設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)難度較大，且沒有普適性。與其他兩個(gè)方案相比，施工難度大，且人工量增加，無法重復(fù)利用設(shè)計(jì)，因此操作性差。上掛式需要較多的頂部縱梁、橫梁，經(jīng)濟(jì)性、易改造性與易施工性不強(qiáng)。

綜上所述，地面整體性方案與上掛式方案更適合于防震要求很高、新設(shè)立的鐵路設(shè)備機(jī)房，且需投資較大；而分散性方案的普適性更好，對于新設(shè)立的機(jī)房、更新改造的機(jī)房均可適用，經(jīng)濟(jì)性好。鑒于對大多數(shù)工程的普適性設(shè)計(jì)，地面分散式方案具有代表性與進(jìn)一步研究的意義，因此選用地面分散性方案做進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

3 防震設(shè)計(jì)

通過鐵路機(jī)房的特殊性可知，以下四點(diǎn)是防震支座設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素：

（1）需設(shè)置接地線，接入接地網(wǎng)。

（2）需有一定的承載能力與穩(wěn)定性，才能滿足部分較重的設(shè)備。

（3）需有一定的抗腐蝕性。

（4）需吸收地震時(shí)的水平位移與豎直位移，能夠達(dá)到“房不倒，設(shè)備不倒”。

通過上述分析，設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 防震支座設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

防震支架選用高強(qiáng)度不銹鋼作為主體材料，滿足抗腐蝕性與承載力的需求。從總體上分為三部分：上面板、軌道式水平位移吸收層、阻尼彈簧式豎直位移吸收層。

上面板：上面板主要作用為支承設(shè)備、機(jī)柜，在上面板上設(shè)置加強(qiáng)架安裝口，若遇上部設(shè)備較重、防震支座安裝難度大等情況，可使用不銹鋼帶進(jìn)行焊接，使得四個(gè)分散式支架構(gòu)成同一整體。上面板還設(shè)有接地引出線，接地引出線為直徑2.5mm的銅線，與上部設(shè)備可靠連接，并與接地網(wǎng)可靠連接，保證接地的需求。

軌道式水平位移吸收層：與上面板相接，又分為軌道式橫向位移吸收層、軌道式縱向位移吸收層。通過高強(qiáng)度復(fù)合材料滾輪與不銹鋼軌道構(gòu)成每一層的位移吸收層，兩位移吸收層的運(yùn)動(dòng)方向成90°，能夠吸收地震所帶來的水平面上的位移。

阻尼彈簧式豎直位移吸收層：與軌道式水平位移吸收層相接，為吸收豎直位移而設(shè)置。由于鐵路機(jī)房設(shè)備普遍存在重量較大的問題，因此采用阻尼彈簧式，使得防震支座更為穩(wěn)定，安裝便捷性也有所提升。且阻尼彈簧可調(diào)整性較好，對于不同重量區(qū)間的設(shè)備，均可進(jìn)行配套性調(diào)整。

防震支座以四個(gè)為一組，分別置于設(shè)備機(jī)柜的四個(gè)直角處。有以下兩種使用方式：四個(gè)防震支座相互不關(guān)聯(lián)，分離設(shè)計(jì)；或在水平位移模塊間與角鋼架相連，角鋼架應(yīng)通過焊接、鉸接與防震支架可靠連接。第一種方式安裝方便，更換方便，但整體性不強(qiáng)。第二種方式整體穩(wěn)定性較強(qiáng)，但應(yīng)同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件：

（1）地面水平，不應(yīng)出現(xiàn)明顯凹陷或與高程不一致等現(xiàn)象。

（2）縱向位移模塊阻尼大小、高度等因素調(diào)整一致。

4 結(jié)束語

本文通過鐵路設(shè)備機(jī)房的特殊性，構(gòu)建了整體性、分散性與上掛式三種防震支座方案，通過比較，以分散性方案為主要研究方向，圍繞防震支座應(yīng)具有的四個(gè)關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)了防震支座。

防震支座包括水平位移吸收模塊、縱向位移吸收模塊、防靜電模塊及附屬固定單元；水平位移吸收模塊位于防震支座上部，采用滾珠與限位器結(jié)合吸收震動(dòng)帶來的水平位移；縱向位移吸收模塊，位于防震支座下部，采用液壓阻尼器吸收震動(dòng)帶來的縱向位移；防靜電模塊上接于水平位移吸收模塊頂部，與機(jī)柜電氣連接，沿支架向下，與地網(wǎng)等接地體電氣連接。其中水平位移吸收模塊上可使用角鋼架，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性。本項(xiàng)目所提出的設(shè)計(jì)能有效吸收震動(dòng)帶來的水平方向位移與縱向位移，并能夠滿足鐵路電務(wù)設(shè)備機(jī)房內(nèi)防靜電的需求。該設(shè)備對現(xiàn)場既實(shí)用又方便，安裝維護(hù)簡單，具有重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

鐵路設(shè)備機(jī)房防震支座作為室內(nèi)設(shè)備防護(hù)震動(dòng)、可靠接地的關(guān)鍵部件，具有較強(qiáng)的推廣意義。對于例如青藏線、蘭新線等地震情況較為復(fù)雜的長大干線，防震支座的存在可以進(jìn)一步保護(hù)設(shè)備，保證運(yùn)輸生產(chǎn)的效率與質(zhì)量。