大型鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究現(xiàn)狀與建議

劉倩 王喆 夏夢穎

摘要：近年來，我國的交通行業(yè)有了很大進展，鐵路工程建設(shè)越來越多。鐵路站房作為大型公共建筑，具有結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、人流高度密集、使用年限長等特點，一旦結(jié)構(gòu)失效，將會造成嚴(yán)重的社會影響。為了有效監(jiān)測站房結(jié)構(gòu)的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)站房結(jié)構(gòu)的損傷，最大程度地保障鐵路站房的結(jié)構(gòu)安全，有必要對鐵路站房結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測。結(jié)合大型鐵路站房的工程案例，總結(jié)大型鐵路站房的組成和結(jié)構(gòu)特點，介紹站房健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成，考慮施工和運營兩個階段，從屋面層、無柱雨棚和承軌層3個部分，分析大型鐵路站房主要的監(jiān)測對象和監(jiān)測內(nèi)容，并指出健康監(jiān)測在鐵路站房結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中有待解決的問題，以期促進健康監(jiān)測在大型鐵路站房結(jié)構(gòu)上的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鐵路站房;健康監(jiān)測;結(jié)構(gòu)安全;施工階段;運營階段

最近幾年，我國在鐵路方面的發(fā)展極快，對于鐵路站場的建設(shè)有了進一步的要求，與傳統(tǒng)的技術(shù)對比，BIM于鐵路站場的建設(shè)當(dāng)中存在顯著優(yōu)勢，能針對鐵路站場的建設(shè)達(dá)到全周期的管理要求。現(xiàn)階段，BIM已于歐美和日本等部分國家的工程當(dāng)中獲得了顯著的效果，在我國鐵路的建設(shè)當(dāng)中，也逐漸開始在站場的建設(shè)當(dāng)中應(yīng)用BIM的技術(shù)來提高整體建造的水準(zhǔn)。

1站房結(jié)構(gòu)的組成

由于建筑功能的需要，大型站房結(jié)構(gòu)由主體結(jié)構(gòu)和無柱雨棚組成。主體結(jié)構(gòu)按標(biāo)高從下往上依次是地鐵層、出站層、承軌層、高架層（含夾層）、屋面層。其中，承軌層、屋面層和無柱雨棚是站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要部分。為了適應(yīng)承軌層跨越出站層和地鐵層，同時又能支撐高架層和屋面層，大型鐵路站房多采用“橋建合一”結(jié)構(gòu)體系，橋梁結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)合，是一種“列車-橋梁-站房”一體化站房結(jié)構(gòu)形式，可以縮短進出站流線、節(jié)約建筑用地，具有柱網(wǎng)布置靈活、結(jié)構(gòu)整體性較好等特點。按兩種結(jié)構(gòu)主次類型不同，“橋建合一”結(jié)構(gòu)體系可分為兩類。第1類結(jié)構(gòu)形式是以橋梁結(jié)構(gòu)為主，先形成橋梁結(jié)構(gòu)，再在橋梁結(jié)構(gòu)上布置站廳、站臺、雨棚等建筑結(jié)構(gòu)。第2類結(jié)構(gòu)形式是以建筑結(jié)構(gòu)為主，以建筑構(gòu)件取代橋梁構(gòu)件來直接承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，將承軌層的承軌梁作為建筑的一部分，支撐于建筑結(jié)構(gòu)上，以承受列車荷載。

2站房運營過程存在的問題

（1）“橋建合一”的鐵路站房，雖然在國內(nèi)已經(jīng)有了一些實踐，但仍然是新的形式，其不是單一地把橋梁與框架結(jié)構(gòu)進行疊加。要在研究橋梁與大跨結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，借助于對不同結(jié)構(gòu)措施的分析，選擇符合具體工程要求的形式。（2）“橋建合一”的鐵路站房結(jié)構(gòu)，是跨學(xué)科的形式。由于荷載與結(jié)構(gòu)形式的差異，橋梁的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、站房結(jié)構(gòu)規(guī)范與其不是完美結(jié)合的。此外，從現(xiàn)階段的設(shè)計方案來說，針對“梁橋式”乘軌層的鐵路站房，要由不同專業(yè)的工程師去完成。（3）高鐵的運行，為“橋建合一”的鐵路站房結(jié)構(gòu)帶來了相應(yīng)的振動，而振動帶來的影響不容忽視，關(guān)系到列車運行速度、車輛的總體重量、軌道的特點、橋梁的支座形式、鐵路站房的類型等方面。（4）“橋建合一”的鐵路站房，既不是單一的橋梁結(jié)構(gòu)，也不是單一的建筑結(jié)構(gòu)，它的設(shè)計中，要結(jié)合列車運行和建筑這兩個不同角色的一些特性。

3站房的健康監(jiān)測

3.1系統(tǒng)組成

站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是指在工程結(jié)構(gòu)施工或運營階段，利用現(xiàn)場無損的檢測技術(shù)，測定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性能指標(biāo)，獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息并處理數(shù)據(jù)，通過分析結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性，評估結(jié)構(gòu)因損傷或退化而導(dǎo)致的主要性能指標(biāo)的改變，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的變化，判斷結(jié)構(gòu)是否安全。站房健康監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警子系統(tǒng)，其中，傳感器子系統(tǒng)為系統(tǒng)硬件部分，是健康監(jiān)測系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的子系統(tǒng)。它通過埋入在結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者粘貼在結(jié)構(gòu)表面的多種傳感器，以實時監(jiān)測站房結(jié)構(gòu)的作用、效應(yīng)及損傷信息，并將待測的物理量以數(shù)字信號形式輸出。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)應(yīng)對接口的匹配性和軟件的功能性進行設(shè)計，明確合理的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方案，軟件能實現(xiàn)自動采集與傳輸數(shù)據(jù)，并可進行人工干預(yù)采集與采集參數(shù)調(diào)整。

3.2鋼拱薄弱立柱應(yīng)力監(jiān)測

由于立柱屬于受壓桿件，且內(nèi)力較大，在極端荷載條件下容易發(fā)生失穩(wěn)。立柱失穩(wěn)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部破壞甚至整體結(jié)構(gòu)坍塌，應(yīng)對關(guān)鍵部位的立柱的進行應(yīng)力實時監(jiān)測，以保證運營安全。鋼拱墻邊緣處的立柱長細(xì)比較大，在極端荷載條件下更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此應(yīng)對此類桿件的應(yīng)力進行實時監(jiān)測。

3.3施工放樣和精確的計算出工程量

在施工以前，相關(guān)的技術(shù)工作者可應(yīng)用BIM的模型精確開展模擬放樣的作業(yè)，如此便能提前對各類設(shè)施等擺放位置加以規(guī)劃。能在一定的程度上提升工作的效率，提前發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題且對施工的工藝加以優(yōu)化。應(yīng)用BIM的模型能自動的項目工程的量計算出來。經(jīng)BIM能計算出工程量與提取出工程的清單，如此便能使相關(guān)的技術(shù)工作者快速了解工程實際的數(shù)量，與此同時還能對生產(chǎn)的成本加以精準(zhǔn)管控。

3.4運營階段

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068—2018）[56]，大型鐵路站房的設(shè)計使用年限為100年，其在長期運營過程中，由于受到人群荷載、列車荷載和風(fēng)荷載等多種荷載長期作用，以及環(huán)境侵蝕、材料老化和疲勞效應(yīng)等不利因素的影響，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，可能使得站房結(jié)構(gòu)存在安全隱患。因此，為了及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，需要對站房結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測，以保證鐵路客站的運營安全。為掌握運營期間的屋面層受力狀況，對結(jié)構(gòu)進行安全狀態(tài)進行評定，宜在受力關(guān)鍵部位設(shè)置應(yīng)變傳感器，如支座、跨中截面以及結(jié)構(gòu)分析的易損部位和受力較大部位。同時，屋面層因受不確定性環(huán)境作用的影響，存在較多偶然振動，為了掌握結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，應(yīng)采用加速度傳感器進行監(jiān)測，并分析其振型、頻率等結(jié)果。另外，在大跨空間結(jié)構(gòu)中，桁架跨中易產(chǎn)生變形，累積變形過大也會成為安全隱患，需監(jiān)測桁架的豎向變形。此外，屋面層由于跨度大、且長期直接與外部環(huán)境接觸，受溫度應(yīng)力、內(nèi)外溫差及施工因素的影響，通常會設(shè)置變形縫。為了掌握溫度對結(jié)構(gòu)受力及整體變形的影響，需對屋面層進行溫度監(jiān)測和變形縫的寬度監(jiān)測。

4結(jié)束語

綜上所述，闡述了大型鐵路站房的組成和結(jié)構(gòu)特點，介紹了站房健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成，分總結(jié)了各結(jié)構(gòu)層次的監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測對象，并針對鐵路站房健康監(jiān)測應(yīng)用中存在的問題，給出了相應(yīng)的建議。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：深圳市簡測智能技術(shù)有限公司大連分公司1

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