徐州東站健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立及應(yīng)用研究

范 偉

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 030024)

1 引言

徐州東站位于江蘇省徐州市鼓樓區(qū)鯤鵬路中段，是徐蘭高速鐵路、徐連高速鐵路、徐鹽高速鐵路的始發(fā)站，京滬高鐵七大中心高鐵樞紐站之一，又是國家鐵路網(wǎng)中重要的綜合性樞紐站。

健康監(jiān)測(cè)作為建筑結(jié)構(gòu)健康建造及安全運(yùn)行的前提[1]，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷并評(píng)估其使用性能和壽命，同時(shí)也可以在對(duì)結(jié)構(gòu)無損傷的條件下迅速判斷建筑結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞區(qū)域，進(jìn)而針對(duì)薄弱部位的加固提供專業(yè)技術(shù)方案，采取相應(yīng)維修措施[2-3]。這不僅對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性具有重大科學(xué)意義，而且可以降低結(jié)構(gòu)運(yùn)行和維護(hù)管理費(fèi)用，此外對(duì)于保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全、加快維修效率也有重大意義[4-7]。

當(dāng)前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究逐漸受到越來越多的重視，已成為國內(nèi)外專家學(xué)者研究的重點(diǎn)課題[8-10]。張方[11]基于混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)技術(shù)，并結(jié)合隧道本身特點(diǎn)，提出在隧道結(jié)構(gòu)中運(yùn)用健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法。魏奇峰[12]基于模態(tài)分析提出了建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。陳虹宇[13]等研發(fā)了運(yùn)營地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，為地鐵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行智能分析和決策提供了理論支持。盡管當(dāng)前我國對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究已取得一定進(jìn)展，但尚未形成一套完整的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)理論，且較少與工程實(shí)際結(jié)合。為了充分發(fā)揮其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)作用，需對(duì)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

基于此，建立了一套集三維可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警服務(wù)軟件系統(tǒng)為一體的健康監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，同時(shí)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)徐州東站建筑結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際工程探究健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用性與有效性，為大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)提供理論基礎(chǔ)，使其能夠更加廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。

2 工程概況

徐州東站主要包括高架站房鋼結(jié)構(gòu)、側(cè)式站房鋼結(jié)構(gòu)和站前雨棚鋼結(jié)構(gòu)。其中高架站房平面尺寸為(131.3×116.5)m，結(jié)構(gòu)最高標(biāo)高為＋30.819 m；側(cè)式站房平面尺寸為(192.4×104.9)m，結(jié)構(gòu)最高標(biāo)高為＋30.819 m；2個(gè)雨棚位于站房兩側(cè)，單個(gè)雨棚平面尺寸為(168.0×133.1)m，結(jié)構(gòu)最高標(biāo)高為＋20.000 m。

3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

針對(duì)徐州東站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以站房屋蓋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)為主，同時(shí)考慮外部環(huán)境作用可能對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，從外部作用和結(jié)構(gòu)響應(yīng)兩方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)包括結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測(cè)和易發(fā)生損傷的局部監(jiān)測(cè)。整體監(jiān)測(cè)包括結(jié)構(gòu)變形、加速度等；局部監(jiān)測(cè)包括應(yīng)變、溫度等。

3.2 健康監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)

為徐州東站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目提供一套基于BIM技術(shù)和云平臺(tái)的三維可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警服務(wù)軟件，該軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)系統(tǒng)模塊完成一個(gè)特定的子功能，可完成對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)信息資料查詢、監(jiān)測(cè)設(shè)備管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示及管理、安全預(yù)警及安全評(píng)估、模型三維動(dòng)態(tài)顯示。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用客戶端訪問的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫配置于采集服務(wù)器中，應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)方式與測(cè)量單元進(jìn)行通訊，將測(cè)得數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫中。

3.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)客戶端主機(jī)收到采集系統(tǒng)傳來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，經(jīng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)一步將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心服務(wù)端主機(jī)，通過監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、安全預(yù)警、安全評(píng)估等。

3.2.3 安全預(yù)警系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)功能包括:(1)圖表顯示；(2)三維動(dòng)態(tài)顯示；(3)報(bào)警功能；(4)監(jiān)控系統(tǒng)健康監(jiān)控；(5)日志系統(tǒng)；(6)用戶權(quán)限管理；(7)配置管理；(8)數(shù)據(jù)云服務(wù)。按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系劃分，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“云”計(jì)算如圖1所示。

3.2.4 安全評(píng)估系統(tǒng)

徐州東站站房結(jié)構(gòu)安全評(píng)定內(nèi)容根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定，結(jié)構(gòu)當(dāng)前所處的安全等級(jí)應(yīng)根據(jù)安全系數(shù)大小確定，具體有三個(gè)安全級(jí)別:安全、比較安全、不安全。針對(duì)本工程實(shí)際情況，提出可行結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)價(jià)策略。結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)估由四個(gè)模塊組成，分別為:評(píng)級(jí)系統(tǒng)、適用性評(píng)估、耐久性評(píng)估和安全性評(píng)估，四個(gè)模塊之間需要相輔相成。

(1)構(gòu)件需進(jìn)行重要性、危險(xiǎn)性和易損性分級(jí)，其目的是為結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢查維護(hù)提供指導(dǎo)。

(2)采用可靠度分析方法進(jìn)行安全性評(píng)估(包括構(gòu)件安全性評(píng)估、整體安全性評(píng)估)，極限荷載和臨界強(qiáng)度通過極限狀態(tài)確定，最終得到失效概率、可靠度及可靠度指標(biāo)。

(3)適用性評(píng)估主要目的是為了確定本工程在施工和使用壽命內(nèi)其位移、撓度等的改變是否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

(4)耐久性評(píng)估主要包括結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件等的狀態(tài)(如腐蝕率等)，評(píng)估結(jié)果用于構(gòu)件日常管理維護(hù)和提供構(gòu)件耐久性資料。

3.2.5 云平臺(tái)可視化動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)

基于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)理論和軟件技術(shù)，針對(duì)徐州東站屋蓋結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測(cè)要求，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于BIM技術(shù)和云平臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)施工與運(yùn)營期間的三維可視化動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，該技術(shù)能直觀動(dòng)態(tài)顯示結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全與健康監(jiān)測(cè)，可為結(jié)構(gòu)施工和運(yùn)營提供技術(shù)保障。系統(tǒng)具體實(shí)施方式如下:

(1)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)三維模型。

(2)安裝監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫并調(diào)試客戶端與服務(wù)器端主機(jī)連接與通信。

(3)對(duì)接預(yù)警模塊、安全評(píng)估模塊。

(4)結(jié)構(gòu)三維動(dòng)態(tài)顯示。

(5)可視化動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)研發(fā)。

3.2.6 軟件集成與整體框架

徐州東站站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將分為高架候車廳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與站臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，考慮健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涵蓋服役期間，因此，系統(tǒng)采用云平臺(tái)在線監(jiān)測(cè)。

軟件系統(tǒng)的核心部分為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并與安全預(yù)警系統(tǒng)、安全評(píng)估系統(tǒng)和三維可視化動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)三大模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提供給用戶所需的各類信息。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

4.1 結(jié)構(gòu)易損性分析

在靜力和動(dòng)力荷載作用下對(duì)徐州東站站房工程屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，為傳感器優(yōu)化布置提供理論依據(jù)。根據(jù)圖紙建立模型并計(jì)算分析，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，結(jié)構(gòu)易損點(diǎn)即結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需重點(diǎn)關(guān)注位置如下:

(1)結(jié)構(gòu)最大豎向變形位置；高架候車廳出現(xiàn)在跨中，站臺(tái)區(qū)出現(xiàn)在圓孔附近及邊緣區(qū)。

(2)最大水平變形位置:高架候車廳出現(xiàn)在邊緣跨中，站臺(tái)區(qū)出現(xiàn)在懸挑部分。

(3)桿件應(yīng)力:站臺(tái)區(qū)及高架候車廳發(fā)生在屋面以及桁架梁下弦桿上。

4.2 傳感器位置確定

4.2.1 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)

根據(jù)結(jié)構(gòu)易損性分析計(jì)算結(jié)果，采用靜力水準(zhǔn)儀對(duì)結(jié)構(gòu)Z向位形服役階段數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，具體位置如圖4所示。

服役階段位形測(cè)試需事先全自動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過結(jié)構(gòu)易損性分析可知，高架候車廳的跨中及站臺(tái)區(qū)圓孔附近及邊緣區(qū)對(duì)于X、Y、Z三個(gè)方向的位形變化均比較敏感，因此，采用GPS對(duì)這8個(gè)位置測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行測(cè)試，加上1個(gè)控制點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)，具體位置如圖5所示。

4.2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力及溫度監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)應(yīng)力和溫度監(jiān)測(cè)的目的是獲取網(wǎng)架主要桿件應(yīng)力和溫度狀況，從而了解整個(gè)高架候車廳及站臺(tái)結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境下結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)。以上弦桿、腹桿和下弦桿為本次桿件測(cè)試位置。

根據(jù)結(jié)構(gòu)易損性分析計(jì)算結(jié)果可知，屋蓋結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力均發(fā)生在跨中下弦桿和屋面右側(cè)上弦桿處。圖6為上弦桿應(yīng)力傳感器布設(shè)位置。

4.3 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)及分析

4.3.1 GPS系統(tǒng)監(jiān)控

徐州東站站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用GPS系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的懸挑端X、Y、Z三個(gè)方向的位形變化，采集頻次為10 s/次，2020年7月1日至10月14日期間的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析如圖7所示。

由圖7可知:

(1)徐州東站站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯的超大波動(dòng)與異常，說明GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正?？尚拧?/p>

(2)站房水平方向位形變化很小，x向最大位形約0.031 6 m，y向最大位形約0.010 5 m；z向所測(cè)數(shù)據(jù)代表站房豎直方向的位形變化數(shù)據(jù)，其位形變化相對(duì)水平方向較大。

(3)GPS系統(tǒng)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)有效，數(shù)據(jù)均已存儲(chǔ)于云平臺(tái)內(nèi)，隨時(shí)可以查詢和導(dǎo)出，用于結(jié)構(gòu)安全分析。

4.3.2 靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)易損性分析計(jì)算結(jié)果，采用靜力水準(zhǔn)儀補(bǔ)充結(jié)構(gòu)Z向位形服役階段的數(shù)據(jù)采集。本文選取2020年7月1日至9月29日靜力水準(zhǔn)儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖8所示。

由圖8可知:

(1)采用靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)Z向的位形變化數(shù)據(jù)全自動(dòng)實(shí)時(shí)采集，且徐州東站站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的超大波動(dòng)與異常，從而說明靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可信度較高。

(2)5個(gè)靜力水準(zhǔn)儀所測(cè)數(shù)據(jù)代表站房豎直方向的位形變化數(shù)據(jù)，站房豎直方向位形變化很小，最大位形約0.05 m。

(3)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)有效，數(shù)據(jù)均已存儲(chǔ)于云平臺(tái)內(nèi)，隨時(shí)可以查詢和導(dǎo)出，用于結(jié)構(gòu)安全分析。

綜上可知:結(jié)構(gòu)位形保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的超大波動(dòng)與異常，說明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容緊密圍繞徐州東站站房的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行規(guī)劃，主要包括:服役階段關(guān)鍵點(diǎn)位形監(jiān)測(cè)、服役階段關(guān)鍵桿件應(yīng)力監(jiān)測(cè)、服役階段風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及服役階段結(jié)構(gòu)整體模態(tài)分析。以有線監(jiān)測(cè)為主、無線監(jiān)測(cè)為輔建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得到各時(shí)間維度下的結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以用于保障施工有序進(jìn)行和結(jié)構(gòu)安全性能。

(2)徐州東站站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和人工斷點(diǎn)采集系統(tǒng)相結(jié)合的方式，服役階段采用BIM技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)相結(jié)合的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析獲取結(jié)構(gòu)運(yùn)營全過程安全狀況，為結(jié)構(gòu)相應(yīng)處置方法提供意見與建議。