貝殼狀鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)鐵路客站健康監(jiān)測(cè)方案探討

張濤

（鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院高級(jí)工程師，北京100844）

貝殼狀鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)鐵路客站健康監(jiān)測(cè)方案探討

張濤

（鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院高級(jí)工程師，北京100844）

近年來鐵路新建客站呈現(xiàn)出體型新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大、運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求高等特點(diǎn)。結(jié)合某貝殼狀骨架膜屋面鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)站房綜合樓工程實(shí)例，指出屋面鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的必要性。重點(diǎn)研究了客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)判識(shí)和主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容以及健康監(jiān)測(cè)方案，并提出了使用維護(hù)方案建議,為保證客站結(jié)構(gòu)的安全性、正常使用、維護(hù)管理和異常情況下的風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)、維護(hù)搶修等工作，提供必要的依據(jù)和參考。

鐵路；客站；網(wǎng)殼；鋼結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測(cè)

為適應(yīng)鐵路運(yùn)輸需求及適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、文化的發(fā)展和人們快速、便捷出行的要求，近年來已經(jīng)建成或正在建設(shè)多座集鐵路客站與城市軌道交通、公交車、出租車、社會(huì)車輛停車場(chǎng)為一體的大型綜合型交通樞紐，鐵路客站也呈現(xiàn)出體型新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大、運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求高等特點(diǎn)。由于鐵路客站人員高度聚集，公眾關(guān)注度高，所處地區(qū)的風(fēng)荷載、雪荷載、溫度作用、地震作用和腐蝕、疲勞工作等環(huán)境條件復(fù)雜，對(duì)鐵路客站進(jìn)行動(dòng)態(tài)健康監(jiān)測(cè)，開展制定使用維護(hù)手冊(cè)、風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)與預(yù)案應(yīng)急處理等工作，已成為大型鐵路客站設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工、維護(hù)工作者的共識(shí)。近期有關(guān)建設(shè)單位，組織設(shè)計(jì)、施工單位和石家莊鐵道大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)等單位，對(duì)于家堡、寧波、石家莊東、鄭州東、杭州東、貴陽(yáng)北、蘭州西、烏魯木齊南、昆明南、重慶北、重慶西、濱海等大型鐵路客站結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行了研究，并予組織實(shí)施。

1 工程概況

某站房綜合樓為集1條高速城際鐵路、3條城市軌道交通車場(chǎng)及其候車、換乘通道和城市地面公交場(chǎng)站、地下出租車站、社會(huì)車輛停車場(chǎng)和商業(yè)設(shè)施為一體的綜合交通樞紐（詳圖1、圖2）。地面一層、地下三層，總建筑面積為276 000 m2。其中地下一層為鐵路站房候車區(qū)、售票區(qū)、設(shè)備用房及地鐵B1、B2、Z1線站廳層；地下二層為鐵路站臺(tái)層及地鐵B1站臺(tái)層、B2站臺(tái)層，鐵路車場(chǎng)設(shè)有3座450 m×11 m×1.25 m島式站臺(tái)層、并與地鐵B1站臺(tái)層共側(cè)壁緊貼布置；地下三層為地鐵Z1站臺(tái)層；地面層為地面出入口和環(huán)形走廊[4]。

圖1 某站房綜合樓平面圖

圖2 某站房綜合樓剖面圖

該工程安全等級(jí)為一級(jí)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年、耐久性滿足100年要求，抗震設(shè)防烈度7度、抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類、Ⅲ類場(chǎng)地土類別。其地面以上采用扁平貝殼狀骨架膜鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，地下采用鋼筋混凝土框架抗震墻結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土連續(xù)墻基坑支護(hù)方案。其屋面鋼結(jié)構(gòu)36根正反螺旋線鋼梁底環(huán)梁支座落在地面一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)頂板上（詳圖3），有2 178個(gè)桿件、1 134個(gè)節(jié)點(diǎn)；采用場(chǎng)外分塊組裝散拼結(jié)合局部提升拼裝施工方案（詳圖4）。其提升面積46 m×72 m，吊裝重量910 t。

2 客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)判識(shí)

由于該工程為集大型鐵路客站和城市軌道交通為一體的綜合交通樞紐，多種交通方式共存，聚集人員較多。客站結(jié)構(gòu)新穎，跨度大，受力復(fù)雜，受風(fēng)、雪、溫度場(chǎng)環(huán)境影響大，地震烈度高。其結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、加載方式與實(shí)際情況會(huì)存在一定的偏差，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工難度大，大量散拼桿件的材料加固、運(yùn)輸?shù)确矫娴娜毕菖c高空吊裝、定位、網(wǎng)殼的合攏、嵌補(bǔ)桿件的安裝，以及使用過程的腐蝕、偶然火災(zāi)和撞擊作用等因素，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的初始缺陷和損傷，應(yīng)對(duì)該鐵路客站鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)。

圖3 地下一層頂板結(jié)構(gòu)圖

圖4 主要構(gòu)件安裝方法

鐵路客站可通過直觀經(jīng)驗(yàn)、專家評(píng)審、工程類比和系統(tǒng)安全分析等方法，對(duì)其全壽命期的危險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行判識(shí)。通過對(duì)該工程客站結(jié)構(gòu)的受力、變形及施工吊裝方案、使用維護(hù)等諸多因素分析，發(fā)現(xiàn)其頂部、底部環(huán)梁及其相連支座所承受的軸力、扭矩、豎向彎矩較大，桿件的應(yīng)力比較高，其構(gòu)件布置、截面剛度與連接支座的工作狀態(tài)及其連接板的剛度、強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)的可靠性，對(duì)結(jié)構(gòu)受力、變形及約束作用影響很大，屬于第一類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)；該工程分塊吊裝與高空散裝構(gòu)件之間要焊接箱型鋼管嵌入桿件，其構(gòu)件長(zhǎng)度、受力、變形特點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)焊接質(zhì)量，對(duì)保證結(jié)構(gòu)的整體形態(tài)、承載能力與正常使用工作狀態(tài)有較大影響，屬于第二類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)；該客站為貝殼狀骨架膜鋼結(jié)構(gòu)，底部要設(shè)置主入口，會(huì)帶來局部正反螺旋線鋼管構(gòu)件的不連續(xù)布置，發(fā)生應(yīng)力與變形的局部集中突變，故底部入口及其周邊鋼管構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)屬于第三類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)；該客站天窗部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分格尺度與桿件密集度相差較大，天窗部位受屋面風(fēng)荷載、積水（冰）荷載以及溫度（特別是火災(zāi)）作用影響較大，屬于第四類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)殼南部部分網(wǎng)格尺寸大的構(gòu)件受力較大，屬于第五類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)構(gòu)件。

3 客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容

3.1 結(jié)構(gòu)的風(fēng)速場(chǎng)、溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)

該工程所處地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷、少雪，春季干旱多風(fēng)，夏季氣溫高、濕度大、降雨集中，全年平均氣溫12.3℃、最高溫度40.9℃、最低溫度-18.3℃，全年8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)達(dá)57 d。貝殼狀骨架膜鋼結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載、溫度作用比較敏感，不同朝向、部位構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變差異較大；同時(shí)屋面局部積水或積冰會(huì)引起膜結(jié)構(gòu)的皺褶與撕裂，也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成次生破壞，故需要對(duì)該結(jié)構(gòu)的風(fēng)速場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

由于該結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸尺度為143 m、斷軸尺度為80 m、矢高24 m，屬于異形三維空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載、雪荷載、溫度作用下，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于疲勞承載、變形與桿件拉壓應(yīng)力反復(fù)交替變化等工作狀態(tài)。特別是風(fēng)荷載、溫度作用復(fù)雜、隨機(jī)性較大，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的局部剛度退化，構(gòu)件失效。若某個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件突然發(fā)生失穩(wěn)或屋蓋系統(tǒng)發(fā)生較大振動(dòng)，會(huì)帶來對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性破壞，故需要對(duì)其主要結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.3 結(jié)構(gòu)和支座沉降變形監(jiān)測(cè)

空間結(jié)構(gòu)喪失承載能力與正常使用工作狀態(tài)，除與結(jié)構(gòu)自身的承載能力和設(shè)計(jì)的安全儲(chǔ)備有關(guān)外，還受空間結(jié)構(gòu)與支座沉降變形的大小及其變化速度，支座的選用、邊界條件的計(jì)算假定與實(shí)際工作狀態(tài)的差異等因素的影響。通過對(duì)該結(jié)構(gòu)的變形、支座沉降進(jìn)行檢測(cè)，可以調(diào)整原結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型與結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，分析主要構(gòu)件、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變，提出預(yù)警與維修補(bǔ)強(qiáng)方案，保證結(jié)構(gòu)在服役過程的健康狀態(tài)，滿足其使用功能與維護(hù)需求。

3.4 主要構(gòu)件與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)

鋼結(jié)構(gòu)鋼材本身、加工制作、運(yùn)輸?shù)跹b、現(xiàn)場(chǎng)高空焊接和使用過程中自然、人為因素等方面的缺陷，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)承載與變形能力、耐久性、正常使用帶來較大的影響。主要構(gòu)件與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力超限或異常重分布，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全帶來較大的隱患。應(yīng)結(jié)合環(huán)境、振動(dòng)、變形等，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)主要構(gòu)件與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，分析其應(yīng)力、變形、剛度等變化規(guī)律，判識(shí)其正常工作狀態(tài)。

3.5 結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)焊縫、銹蝕工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)

該工程位于海濱地區(qū)，其主要構(gòu)件、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的銹蝕、焊縫缺陷及發(fā)展變化情況，是造成鋼結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。應(yīng)通過重點(diǎn)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)焊縫附近構(gòu)件的銹蝕情況與應(yīng)力、應(yīng)變變化情況，來判識(shí)其結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)與維修方案。

4 客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方案

4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該鐵路客站健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分傳感器子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲(chǔ)子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理中心子系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)健康安全評(píng)定和預(yù)警子系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲(chǔ)子系統(tǒng)主要將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集站，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和預(yù)處理，并存入數(shù)據(jù)管理中心；數(shù)據(jù)管理中心子系統(tǒng)主要通過風(fēng)速場(chǎng)和溫度場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析模塊、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)位移和支座沉降分析模塊、結(jié)構(gòu)支座位移分析模塊、桿件應(yīng)力分析模塊、節(jié)點(diǎn)焊縫工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、振動(dòng)特性分析模塊和整體安全整體分析模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判識(shí)結(jié)構(gòu)的安全性與舒適性；運(yùn)營(yíng)健康安全評(píng)定和預(yù)警子系統(tǒng)可在監(jiān)控中心的監(jiān)視器上實(shí)時(shí)顯示安全評(píng)定結(jié)果，在特殊情況下進(jìn)行預(yù)警，并將數(shù)據(jù)存入中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，或傳輸至用戶相關(guān)終端設(shè)備。4.2監(jiān)測(cè)方案

4.2.1 監(jiān)測(cè)傳感器的選擇與布置原則

傳感器一般分環(huán)境類傳感器、外部荷載傳感器、幾何類傳感器、結(jié)構(gòu)反應(yīng)傳感器和材料特性傳感器。按照對(duì)結(jié)構(gòu)、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)敏感，能夠充分反映結(jié)構(gòu)特性，與結(jié)構(gòu)理論分析有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)稱性和重點(diǎn)布置在結(jié)構(gòu)最不利位置，便于安裝、維修、更換，減少傳輸距離等原則，該客站共設(shè)置503個(gè)風(fēng)速場(chǎng)、溫度場(chǎng)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)、位移、支座沉降與環(huán)向位移、桿件應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)焊縫傳感器，分別占監(jiān)測(cè)桿件、節(jié)點(diǎn)、支座數(shù)量的0.9%～33.3%。

4.2.1.1 風(fēng)速場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器

該客站周邊建筑稠密，其風(fēng)環(huán)境場(chǎng)復(fù)雜，屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)雪飄移理論，確定作用于建筑物上的風(fēng)荷載及風(fēng)致振動(dòng)特性，局部的雪（積冰）的漂移、荷載及其分布范圍。該工程在客站頂部天窗部位，設(shè)置1個(gè)三維超聲式風(fēng)速儀，對(duì)其繞流與自然風(fēng)速場(chǎng)的極值風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速與風(fēng)向角與順風(fēng)向、橫風(fēng)向、豎風(fēng)向的脈動(dòng)風(fēng)遄流強(qiáng)度、風(fēng)功率與相互干擾函數(shù)等參數(shù)和環(huán)境溫度，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行預(yù)警。

4.2.1.2 溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器

由于該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)溫度的變化會(huì)對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力、應(yīng)力和應(yīng)變的分布產(chǎn)生重大影響。通過對(duì)不同時(shí)段陽(yáng)光照射下溫度場(chǎng)的分布情況分析，在客站東南、東北、西南和西北4個(gè)方向正反螺旋線鋼管構(gòu)件相交約90°溫度相差較大的區(qū)域，布置26個(gè)光纖光柵溫度傳感器（詳圖5）。其中沿兩個(gè)方向同時(shí)布置溫度傳感器，沿其他兩個(gè)方向鋼梁溫差不大區(qū)域僅在一個(gè)方向布置溫度傳感器。

4.2.1.3 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)變形與支座沉降監(jiān)測(cè)

該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)梁的相對(duì)變形是保證該結(jié)構(gòu)整體形體的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，設(shè)置14個(gè)測(cè)點(diǎn)（詳圖6）對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中沿內(nèi)環(huán)梁共均勻布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，在網(wǎng)殼長(zhǎng)跨方向布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，短跨方向布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)?？紤]到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)卸載后若發(fā)生較大的支座沉降位移，會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)局部過大的應(yīng)力和變形，沿底部環(huán)梁設(shè)置11個(gè)支座沉降測(cè)點(diǎn)（詳圖7），采用全站儀對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)變形與支座沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.2.1.4 支座位移傳感器

該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、雪荷載和溫度作用下，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)東、南和西面的支座位移變化相差較大，北側(cè)支座位移相對(duì)較小。支座位移直接影響到結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，支座位移監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)相結(jié)合能夠更為準(zhǔn)確地了解結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)模型修正的準(zhǔn)確性，并對(duì)超限位移及時(shí)預(yù)警。對(duì)客站網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)12個(gè)單項(xiàng)滑動(dòng)支座，設(shè)36個(gè)拉伸式位移傳感器（詳圖8）。

圖5 溫度傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖

圖6 網(wǎng)殼變形測(cè)點(diǎn)布置圖

圖7 網(wǎng)殼支座沉降測(cè)點(diǎn)布置圖

圖8 支座位移傳感器布點(diǎn)位置圖

4.2.1.5 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)變（應(yīng)力）和節(jié)點(diǎn)焊縫工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)

根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在恒荷載、活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載和溫度作用下桿件截面最不利正應(yīng)力分布圖（詳圖9），在地震作用、恒荷載和雪荷載作用下桿件截面最不利正應(yīng)力分布圖（詳圖10）分析以及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)判識(shí)，對(duì)第一類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)構(gòu)件的底環(huán)梁選擇4根位于北面、東南面和西南面，承受軸力、彎矩、剪力較大的扇形截面構(gòu)件與3根位于東面、南面和西面，主要承受軸力和單向彎矩的矩形截面構(gòu)件設(shè)置光纖光柵應(yīng)變傳感器，頂環(huán)梁選擇3根承受軸力、彎矩、剪力較大的構(gòu)件設(shè)置光纖光柵應(yīng)變傳感器；對(duì)第二、五類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)構(gòu)件選擇東南面、南面、西南面、東北面、西北面承受較大軸力、彎矩、剪力和扭矩共同作用且接近支座部位構(gòu)件，以及南面中間區(qū)域承受較大軸力、剪力構(gòu)件（共33根）設(shè)置光纖光柵應(yīng)變傳感器；對(duì)第三類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)構(gòu)件選擇15根受力較大的入口處鋼箱梁設(shè)置光纖光柵應(yīng)變傳感器；對(duì)第四類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)構(gòu)件選擇6根天窗部位受力較大的構(gòu)件設(shè)置光纖光柵應(yīng)變傳感器。網(wǎng)殼應(yīng)變檢測(cè)桿件分布（詳圖11）。

圖9 網(wǎng)殼在恒、活、雪、風(fēng)和溫度等荷載作用下桿件最不利正應(yīng)力分布圖

圖10 網(wǎng)殼在地震、恒和雪荷載組合作用下桿件最不利正應(yīng)力分布圖

圖11 網(wǎng)殼應(yīng)變監(jiān)測(cè)桿件分布圖

該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)選擇14個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置45個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器（詳圖12），來監(jiān)測(cè)該處節(jié)點(diǎn)板兩側(cè)受拉區(qū)焊縫的工作狀態(tài)。

4.2.1.6 結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)

通過對(duì)該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模態(tài)特性的分析，設(shè)置5個(gè)單向與5個(gè)雙向加速度傳感器（詳圖13），對(duì)其豎向和水平雙向振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與傳輸

該客站網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通過設(shè)置503個(gè)傳感器和PXI機(jī)箱數(shù)據(jù)模塊，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)分析，將相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)采集站、中心管理站。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有利于提高數(shù)據(jù)對(duì)象信息應(yīng)用的時(shí)效性，做到即使人員不在場(chǎng)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)了解現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況和監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化情況，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)出指令，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸分有線傳輸系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)，其中有線傳輸系統(tǒng)通過大量的信號(hào)傳輸線，把傳感器與數(shù)據(jù)中心連在一起，其系統(tǒng)安裝、維修

圖12 網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)焊縫工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

圖13加速度傳感器位置分布圖工作量大、成本高，并且傳輸線對(duì)客站室內(nèi)裝修影響較大。無線傳輸系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)處理單元和控制單元組成，直接在傳感器之間、傳感器與控制中心之間通信。其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無線發(fā)射設(shè)備和強(qiáng)電磁環(huán)境的屏蔽要求高，信號(hào)有一定的干擾和衰減。該工程擬采用有線傳感系統(tǒng)，在站房?jī)?nèi)設(shè)1間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)機(jī)房。

4.2.3 結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)與預(yù)警系統(tǒng)

按照能夠保證結(jié)構(gòu)有足夠的安全度，能夠滿足可能承受的外部荷載、作用，具有良好的工作性能與耐久性能，在偶然作用下能夠保證結(jié)構(gòu)必要的整體穩(wěn)定性能等原則，該客站確定了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)速統(tǒng)計(jì)分析模塊、溫度場(chǎng)分析模塊、結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析模塊、網(wǎng)殼位移和支座沉降分析模塊、支座位移分析模塊、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力/應(yīng)變分析模塊、節(jié)點(diǎn)焊縫工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊和結(jié)構(gòu)整體安全狀態(tài)分析模塊共8個(gè)子系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)與預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)溫度、變形、支座位移和構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等信息進(jìn)行分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行修正和結(jié)構(gòu)損傷判識(shí)、安全評(píng)估。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)過程中，通過計(jì)算機(jī)分析模塊對(duì)可能威脅到結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全和正常使用狀態(tài)的可變荷載及構(gòu)件內(nèi)力、變形、振動(dòng)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，提醒管理人員關(guān)注結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)與安全狀況。該客站支座位移預(yù)警值為90%容許位移，結(jié)構(gòu)變形預(yù)警值為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)短向跨度的1/400，桿件應(yīng)力的預(yù)警值為90%材料容許應(yīng)力，并設(shè)黃色、紅色兩級(jí)預(yù)警系統(tǒng)。其中當(dāng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)溫度、位移支座側(cè)向與沉降位移、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)位移和構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等數(shù)據(jù)發(fā)生異常波動(dòng)，預(yù)示結(jié)構(gòu)可能發(fā)生局部損傷時(shí)，給出黃色預(yù)警，提示客站管理與技術(shù)人員要組織專家深入現(xiàn)場(chǎng)，認(rèn)真分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，查找安全隱患，并制定維修或更換方案；當(dāng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)溫度、位移支座側(cè)向與沉降位移、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)位移和構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等數(shù)據(jù)接近保證結(jié)構(gòu)安全使用的極限值時(shí)，預(yù)示結(jié)構(gòu)可能已發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，給出紅色預(yù)警，提示客站管理者立即進(jìn)行人員疏散，通過相關(guān)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全檢查和評(píng)估。

5 使用維護(hù)方案建議

一般鐵路客站的使用單位為車站站段，維修歸鐵路局房建段下屬車間或工區(qū)管理。由于該工程維修部門人員介入較晚，對(duì)客站健康監(jiān)測(cè)體系了解程度不夠，需要制定用戶維修手冊(cè)。其主要內(nèi)容應(yīng)包括工程概述、健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)理念、監(jiān)測(cè)組織機(jī)構(gòu)、人員和設(shè)備與零狀態(tài)初檢、日常監(jiān)測(cè)與軟件的操作指南、報(bào)警與特殊事件的管理與處置、數(shù)據(jù)的累積與深度分析等內(nèi)容，并對(duì)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的防范，主要傳感器及傳輸、分析設(shè)備的保護(hù)、維修、更換，以及特殊情況的應(yīng)急處理程序與處置方案等方面，提出建議。

6 結(jié)論

1）對(duì)大型綜合樞紐的鐵路客站，應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)安全與正常使用狀態(tài)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。首先要進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)判識(shí)，據(jù)此制定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容與監(jiān)測(cè)方案。

2）客站的健康監(jiān)測(cè)方案，要考慮結(jié)構(gòu)的各種最不利荷載工況、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形特性，主要構(gòu)件、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的加工、運(yùn)輸、吊裝與卸載方案及現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，合理確定傳感器與傳輸設(shè)備的設(shè)置數(shù)量、埋設(shè)方式與施工保護(hù)、維護(hù)保養(yǎng)、更換等監(jiān)測(cè)方案。由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜，傳感器成活率不高，并可能有初始誤差，故傳感器的設(shè)置要能夠充分反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力與變形狀態(tài)，重點(diǎn)布置在結(jié)構(gòu)最不利位置，對(duì)傳感器要進(jìn)行初始校核，數(shù)量要有一定的儲(chǔ)備；同時(shí)要充分利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，盡可能控制同類構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)傳感器的數(shù)量。

3）鐵路客站健康監(jiān)測(cè)的安全評(píng)價(jià)與預(yù)警系統(tǒng)，要結(jié)合具體工程特點(diǎn)，能夠保證結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全、正常使用與異常事故的應(yīng)急處理。

4）鐵路客站健康監(jiān)測(cè)維護(hù)手冊(cè)，要通俗易懂，有較強(qiáng)的可操作性。

[1]韓志偉.鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究與思考[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究,2011(6):28-32

[2]李京.關(guān)于建立鐵路客站安全評(píng)價(jià)體系的研究與思考[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究，2011(6):33-37,41

[3]姜紹飛，吳兆旗.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與智能信息處理技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011

[4]張濤，馬謹(jǐn).貝殼狀骨架膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011（8）（第41卷增刊）：64-68

（責(zé)任編輯：魏艷紅）

In recentyears,some new railway stations have novelshape,complicated structure,difficultconstruction and highstandard maintenance requirements.Based on an example ofa conchoidalskeleton membrane roofsteelreticulated shellstructure building project,this article points outthe necessity of roofsteelstructure health monitoring.Focus on the risk judgment, health monitoring contentand plan ofrailway station structure,the suggestionson maintenance scheme are proposed.To ensure the safety ofnormaluse,maintenance,managementand therisk judgment,repairunderabnormalsituations,some necessary basisand referenceareprovided.

railway;station;shell;steelstructure;health monitoring

A

1004-9746（2014）05-0026-06

0 引言

2014-09-20）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑材料、建造工藝與建筑技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)步，近年來呈現(xiàn)出許多體型新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及大跨、超高的工業(yè)與民用建筑、公共建筑、橋梁結(jié)構(gòu)和特種結(jié)構(gòu)。由于這類結(jié)構(gòu)所承受的活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度作用等可變荷載及地震、爆炸、撞擊等偶然作用比較復(fù)雜，同時(shí)受工作環(huán)境、材料老化腐蝕、施工安裝誤差、維護(hù)措施不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，近年來發(fā)生了如1999年重慶綦江彩虹橋坍塌、2011年四川省宜賓市南門大橋的4對(duì)鋼吊桿突然斷裂[1]與巴黎戴高樂機(jī)場(chǎng)航站樓坍塌、美國(guó)明尼阿波利斯體育場(chǎng)屋頂垮塌等不少工程事故[2]。為了保證這類結(jié)構(gòu)的安全，在總結(jié)過去經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用有效的檢測(cè)手段，檢測(cè)其服役期的安全狀況，建立全壽命期的健康監(jiān)測(cè)體系，已成為國(guó)內(nèi)外建設(shè)者和工程界共同關(guān)注的課題。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指通過對(duì)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能進(jìn)行無損檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進(jìn)行診斷，對(duì)結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠性、耐久性和承載力進(jìn)行評(píng)估，為結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件和使用狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)[3]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)體系涉及建筑、結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、通信、信息、傳感器和材料等學(xué)科，在下述各方面具有重要的意義：對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的損傷檢測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的損傷進(jìn)行定性、定位和定量分析，防患于未然；對(duì)檢測(cè)的損傷原因分析，提出維護(hù)建議；對(duì)新建工程結(jié)構(gòu)使用前進(jìn)行安全驗(yàn)證測(cè)試；對(duì)結(jié)構(gòu)突發(fā)事件后進(jìn)行壽命評(píng)估；提高建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工人員對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)；為類似工程的建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工提供經(jīng)驗(yàn)等。