北京環(huán)球影城異形鋼結(jié)構(gòu)地鐵車站監(jiān)測分析*

劉魁剛，葉新豐，朱 拓，龔潔英，吳麗麗

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068；3.北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；4.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

0 引言

隨著城市的發(fā)展和人民文化生活水平的提高，大型游樂場開始進(jìn)入城市周邊，游樂場內(nèi)設(shè)軌道交通可極大地方便人民出行。為匹配周邊游樂場風(fēng)格，地鐵車站采用鋼結(jié)構(gòu)更利于車站外觀多樣性設(shè)計(jì)和景觀設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)施工過程復(fù)雜、易變形、受力轉(zhuǎn)換多，設(shè)計(jì)和施工不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)工程事故,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此, 對于復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程，有必要通過工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、信息化施工與現(xiàn)場監(jiān)測分析等措施來解決工程中復(fù)雜的技術(shù)問題, 保障鋼結(jié)構(gòu)安全。本文結(jié)合北京首座鋼結(jié)構(gòu)地鐵環(huán)球影城站工程, 介紹鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測，并對主要監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 工程概況

北京地鐵7號(hào)線環(huán)球影城站位于通州區(qū)梨園鎮(zhèn)、張家灣鎮(zhèn)、臺(tái)湖鎮(zhèn)三鎮(zhèn)交匯處，是國內(nèi)首座位于大型主題公園內(nèi)部的地鐵車站，同時(shí)也是國內(nèi)首座地景式地鐵車站、國內(nèi)首座屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用種植屋面的交通建筑。車站為雙島型站臺(tái)，總長304m，標(biāo)準(zhǔn)段寬60.7m，雙層高14.4m，單層段高8.15m，底板埋深15.344～15.877m。車站公共區(qū)采用四柱五跨結(jié)構(gòu)形式，為匹配環(huán)球影城公園的景觀效果，中間跨設(shè)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，鋼結(jié)構(gòu)長200m、寬78.2m。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用單層空間結(jié)構(gòu)體系，主要水平受力構(gòu)件為箱形截面及H型鋼組成的空間曲面結(jié)構(gòu)，水平抗側(cè)力構(gòu)件主要包括8根傘狀柱、東西兩側(cè)各布置的3根搖擺柱、北側(cè)的6根幕墻抗風(fēng)柱，在傘狀柱和搖擺柱間設(shè)置水平支撐，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的平面穩(wěn)定性。中板標(biāo)高處用水平撐桿將傘狀柱與中板勁性側(cè)接，以增強(qiáng)傘狀柱的側(cè)向穩(wěn)定性。車站中部為站房，西側(cè)起大拱，東側(cè)起小拱。屋蓋上依次設(shè)置混凝土板、綠植，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體示意

2 鋼結(jié)構(gòu)施工階段模擬分析

2.1 有限元模型建立

考慮到鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)在站廳層通過水平支撐桿連接，采用有限元軟件Midas Gen對屋蓋整體進(jìn)行建模與分析，有限元模型如圖2所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋有限元空間模型

2.2 施工過程模擬

車站鋼結(jié)構(gòu)施工階段主要包括安裝傘狀柱→安裝桁架，設(shè)置臨時(shí)支撐架→安裝傘狀柱間鋼梁→安裝外側(cè)懸挑鋼梁→安裝混凝土板→種植植被。

根據(jù)本工程鋼結(jié)構(gòu)平面布置特點(diǎn)，現(xiàn)場施工總體擬劃分為西部、東部、中部3大施工區(qū)域；根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、土建結(jié)構(gòu)、平面布置特點(diǎn)及現(xiàn)場施工條件等因素，擬在結(jié)構(gòu)分段位置設(shè)置臨時(shí)支撐架，共105根；平面桁架采用散件原位安裝。

具體屋蓋施工主要階段模擬如下。

1)屋面鋼梁分段 安裝西部區(qū)屋面鋼梁→安裝東部區(qū)屋面鋼梁→安裝中部區(qū)屋面鋼梁(即合龍)→安裝懸挑端鋼結(jié)構(gòu)。

2)臨時(shí)支架拆除，即卸載。

3)屋面輕型混凝土施工。

4)屋面綠植種植。

2.3 模擬結(jié)果分析

主要施工過程各階段模擬結(jié)果如表1所示。

由表1可知，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)在綠植加載完成后最大豎向位移為104.9mm，左、右兩側(cè)較平區(qū)域在恒荷載作用下最大豎向位移為59.9mm。

表1 屋蓋在各施工階段豎向變形模擬結(jié)果 mm

3 鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)球影城站單層高度大，監(jiān)測范圍廣，測點(diǎn)布設(shè)作業(yè)難；測點(diǎn)布置工作需與施工作業(yè)同步進(jìn)行，布設(shè)時(shí)逢嚴(yán)冬、大風(fēng)、霧霾等惡劣極端天氣，測點(diǎn)布置條件差，增加了監(jiān)測工作難度。為此研究了一套集變形、應(yīng)力于一體的無線傳輸自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。

無線傳輸自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)由全站儀自動(dòng)掃描、傳感器、數(shù)據(jù)采集與無線傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析4個(gè)子系統(tǒng)組成(見圖3)，各子系統(tǒng)的功能如下。

圖3 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1)全站儀自動(dòng)掃描子系統(tǒng) 根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容，在位移監(jiān)測部位設(shè)置小棱鏡，通過全站儀自動(dòng)掃描，獲得目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算得到變形值。

2)傳感器子系統(tǒng) 根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容，在應(yīng)力監(jiān)測部位設(shè)置振弦式應(yīng)變計(jì)，用于獲取鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力信息。

3)數(shù)據(jù)采集與無線傳輸子系統(tǒng) 采集全站儀自動(dòng)掃描和應(yīng)力傳感器傳輸?shù)男畔?，通過局部有線傳至各基站(見圖4)，然后對模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)整、處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過GPRS/4G無線通信，將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測基站位置示意

4)數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng) 處理、分析傳輸來的數(shù)字信號(hào)，加工得到所需的圖表，存入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)好的控制值及過程預(yù)警、報(bào)警值進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警并報(bào)送。

4 監(jiān)測項(xiàng)目及測點(diǎn)優(yōu)化布置

為確保結(jié)構(gòu)安全性，對鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的屋蓋箱形梁、傘狀柱、水平桿等關(guān)鍵部位的變形和應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以便根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)指導(dǎo)施工。

4.1 豎向位移監(jiān)測

1)屋蓋豎向位移 結(jié)合現(xiàn)場施工情況確定位移測點(diǎn)，選取站房中心、東側(cè)小拱、東側(cè)20m跨、東側(cè)邊緣、西側(cè)大拱、西側(cè)20m跨、西側(cè)邊緣7個(gè)主測斷面，共布設(shè)25個(gè)測點(diǎn)，如圖5所示。圖中，應(yīng)力、應(yīng)變測點(diǎn)編號(hào)：A1-1表示測點(diǎn)A1在上表面布置測點(diǎn)，A1-2表示測點(diǎn)A1在下表面布置測點(diǎn)，A1-3和A1-4表示測點(diǎn)A1分別在左、右表面布置測點(diǎn)。

圖5 屋蓋監(jiān)測點(diǎn)位置示意

2)傘狀柱豎向變形 傘狀柱為主要承重構(gòu)件，每根傘狀柱選取3根弧形箱形主桿，共布設(shè)24個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖6所示。圖中，應(yīng)力、應(yīng)變測點(diǎn)編號(hào)：C1-1表示測點(diǎn)C1在上表面布置測點(diǎn)，C1-2表示測點(diǎn)C1在下表面布置測點(diǎn)，C1-3和C1-4表示測點(diǎn)C1分別在左、右表面布置測點(diǎn)。

圖6 傘狀柱監(jiān)測點(diǎn)位置示意

4.2 應(yīng)力監(jiān)測

1)屋蓋箱形梁應(yīng)力監(jiān)測 選取8根傘狀柱、6根搖擺柱、與搖擺柱同軸的2根抗風(fēng)柱及站房中心、西側(cè)大拱中心、東側(cè)小拱中心對應(yīng)的屋蓋主桁架進(jìn)行分析。在典型桁架節(jié)點(diǎn)的上、下、側(cè)表面分別布設(shè)應(yīng)力測點(diǎn)，共計(jì)63個(gè)(見圖5)。

2)傘狀柱應(yīng)力監(jiān)測 選取各傘狀柱不同位置共16個(gè)弧形箱形主桿進(jìn)行分析。在其上、下、左、右表面布設(shè)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，共計(jì)64個(gè)(見圖6)。

3)水平桿應(yīng)力監(jiān)測 在各傘狀柱的1根水平桿布設(shè)1個(gè)水平桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，共布設(shè)8個(gè)。

5 監(jiān)測成果及分析

5.1 屋蓋箱形梁豎向位移監(jiān)測

監(jiān)測成果顯示，屋蓋變形最大值位于站房中心位置B1-13測點(diǎn)，沉降量為103.2mm，模擬結(jié)果為最大變形位置與監(jiān)測結(jié)果相同，沉降值為104.9mm，二者相符；變形最小值位于結(jié)構(gòu)邊緣B1-25，沉降量為7.2mm。

站房中心向兩側(cè)對稱位置變形規(guī)律一致，站房中心以東屋蓋在合龍階段變形較小，卸載階段產(chǎn)生一定量沉降，混凝土板澆筑施工和綠植種植施工發(fā)生較大變形。以B1-13測點(diǎn)為例，合龍階段沉降6.1mm，卸載階段沉降27.1mm，混凝土板澆筑施工沉降35.5mm，綠植種植施工沉降61.2mm。

對屋蓋站房中心、東側(cè)小拱、東側(cè)20m跨、西側(cè)大拱、西側(cè)20m跨所處斷面上的主要測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測值與模擬值對比，如表2所示，可得到屋蓋監(jiān)測變形值與模擬變形值基本一致。

表2 屋蓋在各施工階段豎向變形實(shí)測與模擬值對比 mm

5.2 傘狀柱變形監(jiān)測

傘狀柱豎向位移變形監(jiān)測與分析和屋蓋類似，結(jié)果表明，合龍階段變形較小，卸載和混凝土板澆筑施工發(fā)生一定變形，屋面綠植種植施工豎向發(fā)生較大變形。以B1-8-3測點(diǎn)為例，合龍階段沉降0.6mm，卸載階段沉降3.7mm，混凝土板澆筑施工沉降3.4mm，綠植種植施工沉降13.8mm。

縱截面1～4號(hào)傘狀柱最終豎向位移分別為-18.6，-21.8，-20.4，-17.5mm，5～8號(hào)傘狀柱最終豎向位移分別為-21.0,-24.2，-23.7，-21.2mm。每個(gè)縱向斷面中部傘狀柱沉降較兩側(cè)傘狀柱更明顯，且位于屋面綠植種植區(qū)域下方的5～8號(hào)傘狀柱較玻璃屋面下方的1～4號(hào)傘狀柱變形大。

5.3 應(yīng)力變形監(jiān)測

選取同一構(gòu)件不同表面的3個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖7所示。

由圖7可知，卸載完成后，應(yīng)力逐漸增大，最大值出現(xiàn)在混凝土板澆筑期間，構(gòu)件下表面受壓較明顯，安裝完成后構(gòu)件各表面應(yīng)力變化幅度減小。

圖7 應(yīng)力監(jiān)測時(shí)程曲線

6 結(jié)語

對環(huán)球影城屋蓋結(jié)構(gòu)施工過程的監(jiān)測結(jié)果表明，集變形、應(yīng)力于一體的無線傳輸自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性，且抗干擾能力較強(qiáng)，靈敏度較高，獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)可較好地反映鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的變形和應(yīng)力、應(yīng)變情況。

施工過程中模擬值與實(shí)測值變形較一致，伴隨加載過程，各部位測點(diǎn)產(chǎn)生明顯沉降，中部傘狀柱沉降較兩側(cè)傘狀柱更顯著，且種植區(qū)域傘狀柱沉降較玻璃屋面采光區(qū)域傘狀柱變形更大。