高速鐵路站房結(jié)構(gòu)健康自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

劉滿意， 盧嘉鑫

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧阜新 123000 )

1 高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

隨著社會(huì)的發(fā)展，高速鐵路工程不斷興建，鐵路站房的建設(shè)是鐵路建設(shè)工程中的重中之重，目前，許多鐵路站房均設(shè)置了自動(dòng)化健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如杭州南站、石家莊站、雄安站、豐臺(tái)站等。針對(duì)杭州東站研制的適用于鋼結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用應(yīng)力傳感器、加速度傳感器、風(fēng)荷載傳感器和溫度傳感器等作為結(jié)構(gòu)特征、施工程序和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的測(cè)量組件，對(duì)整個(gè)生命周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集[1]。上海虹橋站設(shè)置的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，在鋼骨混凝土梁內(nèi)預(yù)先埋設(shè)了傳感器，長(zhǎng)期不間斷監(jiān)測(cè)軌道層超長(zhǎng)梁結(jié)構(gòu)中鋼骨、鋼筋、混凝土部分的應(yīng)力情況，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工作是通過(guò)監(jiān)測(cè)建筑物各結(jié)構(gòu)狀態(tài)，獲取相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，完成有效數(shù)據(jù)的原始積累。然后通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，判別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，為后續(xù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及建設(shè)提供輔助決策依據(jù)，為站房投入運(yùn)營(yíng)階段提供必要的安全運(yùn)維保障。劉輝[2]以柳州站為研究對(duì)象，采用有限元模擬等方法構(gòu)建了站房結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)并驗(yàn)證了該系統(tǒng)先進(jìn)性和高效性；張濤、潘毅等[3-4]結(jié)合站房監(jiān)測(cè)成功案例，從主要監(jiān)測(cè)對(duì)象和內(nèi)容等方面總結(jié)了站房監(jiān)測(cè)中亟需解決的實(shí)際問(wèn)題；沈磊、伊順林、滕軍等[5-7]分別從傳感器布設(shè)和監(jiān)測(cè)方案等角度分析總結(jié)了監(jiān)測(cè)實(shí)施方案的優(yōu)化；姜銳、Dong Liang等[8-9]從結(jié)構(gòu)損傷判識(shí)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化、運(yùn)維管理等方面提出站房監(jiān)測(cè)的相關(guān)建議；Kim, Robin E.等[10]提出了一種利用低成本GPS接收機(jī)的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)同步感知的新方法，具有很高的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)所需的精確同步傳感。

本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究成果，結(jié)合現(xiàn)有高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成功的案例，從高鐵站房監(jiān)測(cè)區(qū)域、監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)傳感器、數(shù)據(jù)采集儀及健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等方面進(jìn)行總結(jié)，為高速鐵路站房結(jié)構(gòu)健康自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案編制、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)優(yōu)化、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面提供借鑒；同時(shí)，自主研發(fā)了一款多功能數(shù)據(jù)采集儀，對(duì)其數(shù)據(jù)采集精度進(jìn)行了對(duì)比分析，滿足站房監(jiān)測(cè)項(xiàng)目生產(chǎn)實(shí)際需求。

2 監(jiān)測(cè)區(qū)域及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

我國(guó)的鐵路事業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期，在目前階段推行鐵路站房復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工作有著重要的意義。一般來(lái)說(shuō)，在高鐵站房初步規(guī)劃并施工建設(shè)之前，建設(shè)單位會(huì)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出具站房健康監(jiān)測(cè)的初步批復(fù)文件，高鐵站房施工到一定階段后，由設(shè)計(jì)單位依據(jù)初步設(shè)計(jì)批復(fù)的要求，給出詳細(xì)的站房監(jiān)測(cè)區(qū)域、監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖，監(jiān)測(cè)實(shí)施單位按照初步設(shè)計(jì)批復(fù)的要求及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖，進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè)方案的編制并逐步開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作。

不同高鐵站房在建設(shè)規(guī)模、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面存在著差異，本節(jié)在總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果并借鑒站房監(jiān)測(cè)成功的工程案例基礎(chǔ)上，對(duì)高鐵站房需監(jiān)測(cè)的區(qū)域及監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，主要包括荷載(作用)與環(huán)境監(jiān)測(cè)、站房結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力反應(yīng)及幾何監(jiān)測(cè)，下文詳細(xì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

2.1 荷載(作用)與環(huán)境監(jiān)測(cè)

(1)溫度監(jiān)測(cè)：鋼屋蓋、雨棚溫度場(chǎng)。

(2)風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)：鋼屋蓋、雨棚風(fēng)速風(fēng)向。

2.2 結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力反應(yīng)

(1)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)：鋼屋蓋桁架應(yīng)力；鋼筋混凝土柱應(yīng)力；雨棚柱、梁應(yīng)力；承軌層柱、梁應(yīng)變；高架層梁應(yīng)變；玻璃幕墻鋼骨應(yīng)變等。

(2)振動(dòng)監(jiān)測(cè)：鋼屋蓋、雨棚、玻璃幕墻振動(dòng)；承軌層、高架層加速度等。

2.3 幾何監(jiān)測(cè)

(1)位移監(jiān)測(cè)：站房屋蓋支撐的位移；雨棚柱和支撐在站房立柱處雨棚梁端部的水平位移；高架層位移；玻璃幕墻位移等。

(2)變形監(jiān)測(cè)：鋼屋蓋懸挑位置及跨中撓度；雨棚的跨中撓度；承軌層軌道梁撓度等。

詳細(xì)的監(jiān)測(cè)區(qū)域及監(jiān)測(cè)內(nèi)容如表1所示。

表1 高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)區(qū)域及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

3 監(jiān)測(cè)傳感器

根據(jù)高鐵站房結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)區(qū)域及監(jiān)測(cè)內(nèi)容的不同，所用的自動(dòng)化傳感器主要包括風(fēng)速風(fēng)向儀、溫度傳感器、位移傳感器、加速度計(jì)、振弦類應(yīng)變(力)計(jì)等。國(guó)家鐵路局最新頒布的TB/T 10184-2021《鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中，對(duì)傳感器的精度、量程、分辨率、靈敏度等作出了明確要求[11]。

3.1 風(fēng)速風(fēng)向儀

風(fēng)速風(fēng)向儀是專門(mén)用于監(jiān)測(cè)大型設(shè)施、設(shè)備的儀器，如圖1所示，在高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，其量程應(yīng)大于當(dāng)?shù)匕倌暌挥鲲L(fēng)速值，并能夠滿足監(jiān)測(cè)8個(gè)方向風(fēng)速的要求，風(fēng)速啟動(dòng)動(dòng)力應(yīng)不大于0.6 m/s，監(jiān)測(cè)精度應(yīng)不大于0.1 m/s，風(fēng)向監(jiān)測(cè)精度應(yīng)為3°。

圖1 風(fēng)速風(fēng)向儀

3.2 溫度傳感器

當(dāng)高鐵站房結(jié)構(gòu)(如桁架)的受力發(fā)生變化時(shí)，其表面溫度會(huì)隨之產(chǎn)生變化，布設(shè)在結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的溫度傳感器由于監(jiān)測(cè)精度、分辨率較高，能夠從側(cè)面及時(shí)反映站房結(jié)構(gòu)的受力情況，相關(guān)規(guī)范中對(duì)溫度傳感器的量程、精度及分辨率等作出明確要求，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，大部分監(jiān)測(cè)傳感器(如振弦類應(yīng)變計(jì))中均集成溫度傳感器，其量程、精度及分辨率能夠滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的要求，在布設(shè)其他類型傳感器時(shí)，可同時(shí)獲取其溫度監(jiān)測(cè)信息。

3.3 位移傳感器

位移監(jiān)測(cè)應(yīng)根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象選擇位移傳感器的具體型號(hào)，主要包括靜力水準(zhǔn)儀(豎向位移)和測(cè)斜儀(水平位移)等。

靜力水準(zhǔn)儀分為壓差式、電感式、超聲波式等幾種類型，雖然不同類型的靜力水準(zhǔn)儀在測(cè)量原理上有所差別，但絕大多數(shù)都是通過(guò)獲取各個(gè)傳感器之間的相對(duì)位移關(guān)系，經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)換算得出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)高程信息，壓差式靜力水準(zhǔn)儀如圖2所示。

圖2 壓差式靜力水準(zhǔn)儀

3.4 加速度計(jì)

加速度計(jì)是為監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)物振動(dòng)變化情況的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳感器，如圖3所示。高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中宜選用低頻、性能優(yōu)良的振動(dòng)傳感器，量程不小于±2g，橫向靈敏度一般為軸向靈敏度的1%～5%，頻率響應(yīng)在0.2 ～1 500 Hz(±10%)，使用溫度范圍在-50～+70 ℃。

圖3 壓電式加速度計(jì)

3.5 振弦類應(yīng)變(力)計(jì)

由于振弦類應(yīng)變(力)計(jì)輸出的是自振頻率信號(hào)，其具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、使用壽命長(zhǎng)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于土木工程監(jiān)測(cè)行業(yè)中，如圖4所示。

圖4 振弦類應(yīng)變(力)計(jì)

用于高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的振弦類應(yīng)變(力)計(jì)的量程一般控制在±1 500 με，精度±0.1%F.S.，非線性度0.5%F.S.，靈敏度1.0 με，使用溫度范圍在-50～+70 ℃。

振弦類應(yīng)變(力)計(jì)能直接反映高鐵站房的受力變化情況，一般來(lái)說(shuō)，振弦類應(yīng)變(力)計(jì)在高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中占傳感器總量的70%以上。

振弦類應(yīng)變(力)中的鋼弦具有一定的固有頻率，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變形時(shí)，鋼弦的長(zhǎng)度會(huì)產(chǎn)生變形，其固有頻率隨之產(chǎn)生變化，這時(shí)，鋼弦會(huì)在磁感線圈磁力作用下產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)獲取鋼弦此時(shí)的振動(dòng)頻率，即可確定結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力變化情況[12-14]。

鋼弦振動(dòng)頻率與其受應(yīng)力的關(guān)系如式(1)所示[14]。

(1)

式中:f為鋼弦振動(dòng)頻率，Lx為鋼弦的長(zhǎng)度，σ為鋼弦的應(yīng)力值，ρx為鋼弦的線密度。

將式(1)進(jìn)行公式變換后，如式(2)所示[14]。

(2)

即鋼弦受到的應(yīng)力變化如式(3)所示。

(3)

式中：f0為鋼弦無(wú)受力狀態(tài)下的初始頻率，σ0為鋼弦無(wú)受力狀態(tài)下的初始應(yīng)力，Δσ為鋼弦受力的應(yīng)力變化。

眾所眾知，應(yīng)力及應(yīng)變的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(4)所示。

(4)

式中:ε為鋼弦的應(yīng)變值，Ex為鋼弦的彈性模量。

將式(3)代入式(4)可得：

(5)

由于振弦類應(yīng)變(力)計(jì)安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部，鋼弦受力產(chǎn)生的應(yīng)變變化即為被測(cè)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的應(yīng)變變化，所以，通過(guò)式(5)即可確定被測(cè)結(jié)構(gòu)受力后頻率變化和應(yīng)變變化的關(guān)系曲線。

4 數(shù)據(jù)采集儀

目前市面上的數(shù)據(jù)采集儀可分為模擬量類、RS485類及振弦類傳感器采集模塊，可分別獲取不同類型的傳感器數(shù)據(jù)。由于各個(gè)廠家的傳感器與采集儀之間可自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，一般來(lái)說(shuō)，各個(gè)廠家的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議會(huì)略有差別，在使用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳感器時(shí)需配套該廠家專用的數(shù)據(jù)采集儀。

為了滿足高速鐵路站房結(jié)構(gòu)健康自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的需求，本文設(shè)計(jì)一款多功能專用云端采集儀，主要由8路振弦傳感器處理終端、4路模擬量類傳感器處理終端和8路云端采集單元組成，可分別實(shí)現(xiàn)振弦類傳感器、模擬量類傳感器及RS485類傳感器的數(shù)據(jù)采集，完成數(shù)據(jù)采集后通過(guò)集成的4G模塊同步將當(dāng)前采樣的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，設(shè)計(jì)原理如圖5所示，自研數(shù)據(jù)采集儀如圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集儀設(shè)計(jì)原理

將本文研制的振弦類傳感器處理終端獲取的多個(gè)振弦類應(yīng)變(力)計(jì)數(shù)據(jù)，與市面上高精度的手持讀數(shù)儀獲取的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2和圖7所示。

圖6 自研數(shù)據(jù)采集儀

圖7 數(shù)據(jù)采集儀誤差統(tǒng)計(jì)

從圖7和表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，本文研制的振弦類傳感器數(shù)據(jù)采集儀獲取的數(shù)據(jù)與手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀獲取的數(shù)據(jù)誤差

表2 數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì) 單位：Hz

均在1Hz之內(nèi)，說(shuō)明本文研制的數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量精度完全能夠滿足實(shí)際監(jiān)測(cè)的需求。

5 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是站房健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的最終表現(xiàn)形式，代表了工程的實(shí)用性與成熟度，是項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

施工現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備是否先進(jìn)，數(shù)據(jù)是否能夠得到完整的體現(xiàn)，項(xiàng)目建成后是否能得到充分的運(yùn)用，則完全由該系統(tǒng)呈現(xiàn)給最終用戶，因此該部分的架構(gòu)設(shè)計(jì)，決定了該項(xiàng)目的科學(xué)性、實(shí)用性、穩(wěn)定性及易操作性(圖8)。

圖8 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

隨著自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳感器的發(fā)展，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)也出現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢(shì)，近年來(lái)，基于BIM或其他三維建筑模型的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用是市場(chǎng)上各個(gè)科技公司研究的熱門(mén)，通過(guò)將傳感器模型布設(shè)于三維建筑模型上，能夠更加直觀的在系統(tǒng)前端頁(yè)面對(duì)傳感器的位置、狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，增強(qiáng)了系統(tǒng)使用的既視感，更加符合現(xiàn)階段大數(shù)據(jù)、真三維、云計(jì)算等科技發(fā)展理念。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的成果，分別從高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)區(qū)域、監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等方面進(jìn)行總結(jié)，得出振弦類應(yīng)變(力)計(jì)是高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的主要傳感器，詳細(xì)介紹了振弦類應(yīng)變(力)計(jì)的監(jiān)測(cè)原理，得出結(jié)構(gòu)物應(yīng)變變化與應(yīng)變(力)計(jì)頻率的關(guān)系曲線。

(2)通過(guò)自研各種類型傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊，并將自研模塊獲取的應(yīng)變(力)計(jì)的數(shù)據(jù)與手持讀數(shù)儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行精度對(duì)比。結(jié)果表明，自研模塊獲取的各個(gè)應(yīng)變(力)計(jì)的數(shù)據(jù)誤差均在1 Hz以內(nèi)，與手持讀數(shù)儀測(cè)量結(jié)果相當(dāng)，完全能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目對(duì)于數(shù)據(jù)采集模塊的精度要求，并且自研的數(shù)據(jù)采集模塊綜合多個(gè)廠家的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，能夠方便獲取不同廠家傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，為實(shí)際生產(chǎn)提供較大便利。

(3)利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳感器能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)被測(cè)結(jié)構(gòu)物的受力、變形、振動(dòng)等狀態(tài)，能夠?yàn)楦哞F站房結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供指導(dǎo)，是未來(lái)高鐵站房運(yùn)維的主要手段之一。