淺談網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)

宮　濤（北京鐵路局土地房產(chǎn)管理處,北京　100086）

淺談網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)

宮濤
（北京鐵路局土地房產(chǎn)管理處,北京100086）

摘要：隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的突飛猛進(jìn)，北京鐵路局管內(nèi)大跨度鋼結(jié)構(gòu)車站22座，站房建筑面積達(dá)到55.06萬(wàn)平方米，如何保證高鐵鋼結(jié)構(gòu)站房在預(yù)期年限內(nèi)的安全服役，成為了多方關(guān)注的一個(gè)課題。以京津城際延伸線于家堡站為例，淺談一下網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：淺談;網(wǎng)殼式;鋼結(jié)構(gòu);安全;防護(hù)

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的突飛猛進(jìn)，截止2014年12月，北京鐵路局管內(nèi)大跨度鋼結(jié)構(gòu)車站22座，站房建筑面積達(dá)到55.06萬(wàn)平方米，高鐵鋼結(jié)構(gòu)車站寬敞明亮的造型，深受候車旅客的關(guān)注和喜愛(ài)。鑒于近幾年國(guó)內(nèi)外大型鋼結(jié)構(gòu)建筑事故頻發(fā)，如何保證高鐵鋼結(jié)構(gòu)站房在預(yù)期年限內(nèi)的安全服役，成為了多方關(guān)注的一個(gè)課題。本文以京津城際延伸線于家堡站為例，淺談一下網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全防護(hù)措施。

1　于家堡站建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

于家堡站地處濱海新區(qū)，站房整體結(jié)構(gòu)形式為大跨度網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)(跨度143米)，結(jié)構(gòu)由72根鋼箱梁采取順、逆時(shí)針來(lái)編織組成，其頂部和底部各交織出36個(gè)鋼節(jié)點(diǎn)，并與底部鋼環(huán)梁牢牢相連，網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)是通過(guò)雙向鉸支座與地下結(jié)構(gòu)和牛腿相連。遠(yuǎn)望站房屋蓋，整體呈現(xiàn)螺旋線形。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)每個(gè)節(jié)點(diǎn)間其單元方向均是不同，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處連接的桿件方向都是不斷改變的，995個(gè)不同的桿件加上500個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)，其加工、制作難度在國(guó)內(nèi)高鐵建設(shè)中是非常大的，無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)安裝、后期維修、安全防護(hù)，都是對(duì)高鐵建設(shè)和管理的一項(xiàng)前所未有的挑戰(zhàn)。

2　網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)安全防護(hù)的必要性

2.1不規(guī)則網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)

于家堡站房屋頂網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)，是中國(guó)高鐵站房建設(shè)中的一個(gè)創(chuàng)新，143m的超大跨度、單層正反螺旋形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其造型新穎時(shí)尚，其結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)復(fù)雜。雖然受多種偏差（如溫度、節(jié)點(diǎn)剛性、異型網(wǎng)殼形式等）因素影響，網(wǎng)殼實(shí)際的內(nèi)力和變形與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生很大不同，但是通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以取得真實(shí)信息從而對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行修正，確定偏差的影響程度，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全可靠度。

2.2施工工藝采用大量焊接

于家堡站的網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)共有節(jié)點(diǎn)1134個(gè)，桿件2178個(gè)，大批量的散拼桿件是在現(xiàn)場(chǎng)高空焊接，施工難度增大的同時(shí)可能會(huì)加大出現(xiàn)質(zhì)量瑕疵的概率，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的初始缺陷，危及結(jié)構(gòu)的安全。通過(guò)監(jiān)測(cè)在初始缺陷下結(jié)構(gòu)的受力情況，使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)判斷缺陷的影響程度，從而實(shí)時(shí)不間斷的診斷結(jié)構(gòu)安全與否，確保旅客候車安全。

2.3不確定的外部載荷影響

由于存在地震、環(huán)境、溫度、地下結(jié)構(gòu)的上浮等不確定的荷載因素變化，可能會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)中未能預(yù)見(jiàn)的荷載作用，結(jié)構(gòu)的受力情況會(huì)產(chǎn)生變化，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以防患于未然，確保結(jié)構(gòu)的使用安全。

2.4鋼材壽命影響

于家堡站房網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的生命周期為100年，考慮到結(jié)構(gòu)和防護(hù)使用的各種材料自身壽命有限，車站在長(zhǎng)期開(kāi)通運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，對(duì)鋼材和涂料可能會(huì)產(chǎn)生腐蝕、破壞等損害整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的事情，因此在車站運(yùn)營(yíng)期間需要對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握控制性桿件的受力狀態(tài)，對(duì)控制性桿件的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的定性、定位和定量分析，確保結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)處在健康范圍，有序可控。

3　高鐵網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)措施

考慮高鐵站房旅客流量的密集性、鐵路專運(yùn)任務(wù)的特殊性、建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成為了網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)措施的最佳選擇。于家堡網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目主要包括環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)整體和局部響應(yīng)特征，具體如下：

（1）風(fēng)速監(jiān)測(cè)：穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)天窗中部布置三維超聲風(fēng)速儀，通過(guò)風(fēng)和環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，了解作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載和溫度荷載。風(fēng)荷載是控制大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要側(cè)向荷載，正確了解風(fēng)荷載的作用，關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)型，其監(jiān)測(cè)值可作為結(jié)構(gòu)安全和舒適度評(píng)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）溫度監(jiān)測(cè)：由于溫度場(chǎng)的變化，使結(jié)構(gòu)變形伸縮，車站網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布在外界溫度影響的情況下會(huì)產(chǎn)生重大的變化。當(dāng)主要構(gòu)件受到約束時(shí)，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度產(chǎn)生不利影響，有時(shí)甚至裂縫，降低結(jié)構(gòu)壽命。在網(wǎng)殼部分桿件上安裝溫度傳感器，利用測(cè)量溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合插值算法，獲得作用在整個(gè)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上的完整溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)變測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正；結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)也是結(jié)構(gòu)模型修正和安全評(píng)定的重要內(nèi)容。

（3）結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支座位移變化，將直接影響到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，監(jiān)測(cè)支座位移狀態(tài)與結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)結(jié)合，可以更準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)。同時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)支座位移超過(guò)給定的限值時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以給出及時(shí)的預(yù)警。于家堡站網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)滑動(dòng)支座共有36個(gè)，根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)支座位移的情況，選取了12個(gè)單向滑動(dòng)支座，用來(lái)作為支座位移監(jiān)測(cè)。

（4）結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)：結(jié)構(gòu)振動(dòng)的信息主要為加速度信號(hào)，利用加速度傳感器，監(jiān)測(cè)網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)加速度響應(yīng)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)頻率和模態(tài)等振動(dòng)特征的變化。引起振動(dòng)的有風(fēng)和地震，通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)模態(tài)特性與健康結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性進(jìn)行比較，判斷結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)是否發(fā)生變化以及變化的幅度。進(jìn)一步對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，從而進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)做深入分析，并做出安全評(píng)定和預(yù)警。通過(guò)對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模態(tài)特性的分析，安裝完成5個(gè)單項(xiàng)和5個(gè)雙向加速度傳感器。

（5）應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)焊縫狀態(tài)監(jiān)測(cè)。于家堡站的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)頂部和底部環(huán)梁之間由36道順時(shí)針和36道逆時(shí)針?shù)撓淞合嗷ゾ幙棙?gòu)成的網(wǎng)殼組成。由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，各部分構(gòu)件受力狀態(tài)差異很大且十分復(fù)雜。因此，監(jiān)測(cè)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件以及內(nèi)力和應(yīng)力水平較高的易損桿件是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最重要部分。根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件和受力特點(diǎn)的分析，確定網(wǎng)殼各部分監(jiān)測(cè)桿件的位置，以及所需監(jiān)測(cè)的內(nèi)容。

4　結(jié)語(yǔ)

總而言之，鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)作為一種新的結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目比較全面，能體現(xiàn)出整體結(jié)構(gòu)受外部和內(nèi)部多種因素的影響狀態(tài)，并可以結(jié)合監(jiān)測(cè)獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而了解結(jié)構(gòu)局部和整體的健康情況。高鐵車站應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)代替人工定期檢測(cè)工作，節(jié)約了大量人力、物力，降低了職工登高作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、客觀性，確保了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有序可控，結(jié)構(gòu)始終處于健康狀態(tài)，為候車旅客提供一個(gè)安全舒適的候車環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社,2001.

[2]李愛(ài)群,丁幼亮.工程結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警理論及其應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,2007.

[3]董聰,范立礎(chǔ),陳肇元.結(jié)構(gòu)智能健康診斷的理論與方法[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2002,23(01):11-24.

[4]袁慎芳.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控[M].國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[5]李宏男,李東升.土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估、健康監(jiān)測(cè)及診斷述評(píng)[Z].2002,22(03):82-90.

作者簡(jiǎn)介：宮濤(1977-),男,北京人,工程師,高鐵車站房屋建筑及設(shè)備設(shè)施管理。