大型鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀與發(fā)展思考

杜彥良,張 浩,劉伯奇

(1.石家莊鐵道大學(xué)安全工程與應(yīng)急管理學(xué)院,石家莊 050043；2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,深圳 518061；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081)

1 概述

鐵路客站是鐵路系統(tǒng)服務(wù)旅客和社會(huì)的重要場(chǎng)所，是展示鐵路系統(tǒng)形象的窗口，是城市的名片，是一個(gè)時(shí)期鐵路建設(shè)、城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、文化傳播的集中體現(xiàn)。近年來(lái)，我國(guó)鐵路事業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，大型鐵路站房以及鐵路站房為主體的大型綜合交通樞紐開(kāi)始出現(xiàn)并迅速增加，截至 2021年底，已新建高鐵客站1 000余座，其中中型及以上鐵路客站300余座。目前，我國(guó)鐵路客運(yùn)客站逐漸向空間形態(tài)多樣化、結(jié)構(gòu)立體化、層次化和多功能性方向發(fā)展，其中大跨度、大柱網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)體系在站房及無(wú)站臺(tái)柱雨棚開(kāi)始廣泛應(yīng)用[1]。大型鐵路站房結(jié)構(gòu)人流密集，屬于整個(gè)交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，受社會(huì)關(guān)注度高，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞將會(huì)引起極其嚴(yán)重的后果，造成嚴(yán)重?fù)p失的同時(shí)，還可能引發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)輿論影響。因此，鐵路客站作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分和城市綜合交通樞紐，其建設(shè)質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)安全備受關(guān)注。有必要對(duì)大體量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鐵路客站前期施工和后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程進(jìn)行深入研究，運(yùn)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、振動(dòng)測(cè)試?yán)碚?、?shù)據(jù)傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)等專門(mén)學(xué)科建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2-6]，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)客站的工作運(yùn)行情況，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常受力狀態(tài)或處于危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，以便采取相應(yīng)的應(yīng)急措施降低人員和財(cái)產(chǎn)損失。

2 鐵路客站結(jié)構(gòu)形式與空間布局

我國(guó)鐵路客站的發(fā)展經(jīng)歷了從城市大門(mén)(1代)—交通樞紐(2代)—綜合樞紐(3代)—交通綜合體(4代)的歷程[7-8]，其中千禧年之初修建的大批高鐵車(chē)站屬于我國(guó)第三代火車(chē)站，如北京南站、武漢站、廣州南站、上海虹橋站等。其重要特征是以火車(chē)站為交通樞紐，將鐵路干線與各類對(duì)外交通方式緊密銜接，形成完整的交通體系。根據(jù)建筑功能劃分，大型站房結(jié)構(gòu)由主體結(jié)構(gòu)和無(wú)柱雨棚兩部分組成，主體結(jié)構(gòu)按標(biāo)高從上往下依次是屋面層、高架層(含夾層)、承軌層、出站層、地鐵層，如圖1所示。

圖1 北京南站總體布局

近年來(lái)，國(guó)家接續(xù)推進(jìn)站城融合發(fā)展配套政策的逐步完善，使TOD(Transit-Oriented Development)可持續(xù)發(fā)展理念得到社會(huì)大眾廣泛認(rèn)可，眾多鐵路客站結(jié)合所在城市發(fā)展規(guī)劃在工程前期就進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)論證，工程各方都為城市的更好發(fā)展而共同努力[7]。隨著北京市副中心通州站、杭州西站、廣州白云站等一批創(chuàng)新性客站方案的制定和付諸實(shí)施，中國(guó)的鐵路客站建設(shè)終于進(jìn)入了第四代發(fā)展時(shí)期。這一代鐵路客站的最主要特征是“交通綜合、站城融合、質(zhì)效結(jié)合、人網(wǎng)結(jié)合”[7]，如圖2、圖3所示。鐵路客站的功能不再局限于轉(zhuǎn)運(yùn)乘客、運(yùn)輸貨物，而是能夠帶動(dòng)周邊經(jīng)濟(jì)并形成“一站助多產(chǎn)”的綜合發(fā)展模式載體，助力城市生機(jī)盎然、經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展。

圖2 廣州白云站總體布局[7]

圖3 杭州西站城市客廳“云門(mén)”效果圖[7]

采用“橋建合一”結(jié)構(gòu)形式的鐵路站房作為第四代站房形式是“功能性、系統(tǒng)性、文明性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性”的集中體現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)體系主要包括如下形式。

2.1 承軌層結(jié)構(gòu)形式

承軌層位于整個(gè)車(chē)站結(jié)構(gòu)的中間部位，既承受上部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)下來(lái)的各種作用，也直接承受列車(chē)荷載，因此其荷載形式也是整個(gè)站房結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的。其結(jié)構(gòu)體系按照形式區(qū)分有“梁橋式”和“框架式”兩種[9]。

2.2 高架層結(jié)構(gòu)形式[9]

高架層結(jié)構(gòu)位于站臺(tái)層之上，由于鐵路站房結(jié)構(gòu)形式的特殊性，框剪、框架-中心支撐等結(jié)構(gòu)形式對(duì)高架層均不合適，對(duì)于高架層結(jié)構(gòu)而言，框架結(jié)構(gòu)體系是最為合適的形式。對(duì)于這種大跨框架結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件的形式按照構(gòu)件種類可以分為豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件。

豎向構(gòu)件：常采用鋼管、型鋼、鋼管混凝土(圓形、矩形)、鋼骨混凝土構(gòu)件等。

水平構(gòu)件：常采用 H 形鋼梁、箱形鋼梁或桁架；在某些情況下，采用鋼-混凝土組合梁也能取得良好效果。

2.3 屋面層結(jié)構(gòu)形式[9]

屋面層結(jié)構(gòu)形式是典型的大跨結(jié)構(gòu)。目前，大跨屋蓋結(jié)構(gòu)常用形式為實(shí)腹梁(含桁架、拱等)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、雜交結(jié)構(gòu)4種。

2.4 站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)形式

無(wú)站臺(tái)柱雨棚(無(wú)柱雨棚)是高鐵客站雨棚的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式。無(wú)站臺(tái)柱雨棚跨越整個(gè)站臺(tái)和線路，長(zhǎng)度覆蓋站臺(tái)全長(zhǎng)，柱子立設(shè)于軌道間。在雨棚設(shè)計(jì)中需要綜合考慮客站特殊建筑與結(jié)構(gòu)形式、使用性能與安全性能，以及較好的視覺(jué)效果與較快的施工速度。如果無(wú)柱雨棚與站臺(tái)形成相對(duì)封閉空間，過(guò)路列車(chē)可引發(fā)復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)，無(wú)柱雨棚存在振動(dòng)過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)。因此各高速鐵路客站無(wú)柱雨棚的設(shè)計(jì)基本采用平面鋼結(jié)構(gòu)體系。

2.5 “橋建合一”結(jié)構(gòu)形式

“橋建合一”是新時(shí)期鐵路站房普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，所謂“橋建合一”是指在站房中間層架設(shè)鐵路橋梁，支撐于埋入地面的橋墩上，上層結(jié)構(gòu)(包括候車(chē)大廳、大跨度屋蓋等)支撐于鐵路橋梁上的豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件(鋼筋混凝土柱、屋蓋斜撐等)，下層(高架橋以下)設(shè)置出站口、換乘大廳和地鐵等。

3 客站運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)與典型病害

通過(guò)對(duì)在役高速鐵路客站運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀普查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前鐵路客站主要運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)源為客站附屬構(gòu)件，存在病害類型多、分布廣、檢測(cè)不充分、維修困難等問(wèn)題，主要病害有：屋蓋和雨棚的金屬屋面板涂裝層脫落、銹蝕；壓型鋼板和檁條彎折變形嚴(yán)重、咬口松脫，壓型鋼板固定不到位或固定點(diǎn)撕裂、漏雨；非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)構(gòu)件螺栓連接預(yù)緊力降低、松動(dòng)，焊縫連接處裂紋擴(kuò)展，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在腐蝕、銹蝕等病害，鋼架防腐涂層破損、脫落，檁條連接節(jié)點(diǎn)做法與設(shè)計(jì)不符，采光板邊框四周密封膠開(kāi)裂、老化，屋面部分擋雪板板件變形、板件缺失，鋼柱表面銹蝕，焊縫未焊滿、漏焊、焊腳尺寸不足，焊縫處有鋼筋填充現(xiàn)象，個(gè)別桿件存在安裝初始變形，部分檁托處螺栓缺損病害嚴(yán)重，天溝防塵罩脫落，檐口板密封膠開(kāi)裂，螺栓錯(cuò)位等安全隱患。同時(shí)，高速鐵路旅客車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如玻璃幕墻、外掛石材、保溫飾面層，由于橫向風(fēng)載大、結(jié)構(gòu)膠老化、錨固件失效等原因，存在高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能影響客站的正常運(yùn)行。客站典型病害圖集見(jiàn)圖4。

圖4 客站典型病害圖集

4 監(jiān)測(cè)對(duì)象與監(jiān)測(cè)指標(biāo)

鐵路客站在服役環(huán)境與荷載條件、結(jié)構(gòu)體系等方面與其他工程結(jié)構(gòu)之間存在較大不同，其運(yùn)行服役環(huán)境條件惡劣，四季溫差及雨雪使結(jié)構(gòu)受溫度應(yīng)力影響較大，結(jié)構(gòu)易腐蝕，材料易老化；大跨度站房屋蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大部分懸挑較大，造型輕巧，結(jié)構(gòu)的基本頻率較低、阻尼較小，是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)類型，在強(qiáng)風(fēng)作用下必將產(chǎn)生較大的表面風(fēng)壓和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)；鐵路客站無(wú)站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚、站臺(tái)和軌道層等長(zhǎng)期受交變荷載影響，結(jié)構(gòu)對(duì)于振動(dòng)十分敏感，高速列車(chē)行車(chē)、風(fēng)振及空調(diào)機(jī)房等引起的振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)都會(huì)有一定影響。因此，目前的大型鐵路客站主要監(jiān)測(cè)對(duì)象均重點(diǎn)關(guān)注大跨鋼結(jié)構(gòu)屋蓋、無(wú)站臺(tái)柱雨棚及承軌層結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)《鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》編寫(xiě)組系統(tǒng)論證，確定了各監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)指標(biāo)[10]。

4.1 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋包括桁架、剛架或拱等平面結(jié)構(gòu)，以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)等。隨著科技的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋逐漸由空間的網(wǎng)架、網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)體系向新型組合結(jié)構(gòu)體系發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越新穎和復(fù)雜。大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在復(fù)雜環(huán)境及復(fù)雜荷載作用下，典型的薄弱部位主要有：屋蓋結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)(風(fēng)荷載最大)、懸挑部分、支座節(jié)點(diǎn)與跨中節(jié)點(diǎn)、跨中邊節(jié)點(diǎn)、變形縫區(qū)域的支座及跨中節(jié)點(diǎn)、吊點(diǎn)節(jié)點(diǎn)等變形控制點(diǎn)、應(yīng)力集中的位置、動(dòng)力響應(yīng)敏感點(diǎn)。使用期間監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可包括變形與裂縫、應(yīng)變、索力、環(huán)境及效應(yīng)；變形監(jiān)測(cè)包括結(jié)構(gòu)豎向變形與水平變形，環(huán)境及效應(yīng)監(jiān)測(cè)包括風(fēng)及風(fēng)致響應(yīng)、溫濕度、地震動(dòng)及地震響應(yīng)、腐蝕等。對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置和數(shù)量，根據(jù)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析結(jié)果確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件易損部位、結(jié)構(gòu)控制部位和損傷敏感部位，如變形控制點(diǎn)、應(yīng)力集中的位置、動(dòng)力響應(yīng)敏感點(diǎn)等；根據(jù)監(jiān)測(cè)的目的和功能要求，如監(jiān)測(cè)的信息類型，預(yù)計(jì)的結(jié)構(gòu)性能與行為，所要記錄的響應(yīng)數(shù)量等；充分利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱性原則，并考慮一定的冗余度；應(yīng)用有關(guān)優(yōu)化理論進(jìn)行測(cè)點(diǎn)優(yōu)化等，對(duì)于大體量鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)潔，數(shù)量不宜太龐大。鐵路客站鋼結(jié)構(gòu)屋蓋健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表1。

表1 鐵路客站鋼結(jié)構(gòu)屋蓋健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

4.2 鋼結(jié)構(gòu)雨棚

鋼結(jié)構(gòu)雨棚的監(jiān)測(cè)內(nèi)容一般包括應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)、變形、溫度、濕度、風(fēng)荷載、雪荷載和銹蝕狀態(tài)等。鋼結(jié)構(gòu)雨棚監(jiān)測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)選取原則如下。

(1)整體響應(yīng)監(jiān)測(cè)。對(duì)無(wú)站臺(tái)柱雨棚水平構(gòu)件的振動(dòng)、位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體部位為懸臂構(gòu)件端部，簡(jiǎn)支構(gòu)件跨中、連續(xù)構(gòu)件跨中等部位，水平構(gòu)件的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)應(yīng)為豎向參數(shù)；對(duì)無(wú)站臺(tái)柱雨棚豎向構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)、位移監(jiān)測(cè)，豎向構(gòu)件的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)應(yīng)為水平參數(shù)，必要時(shí)對(duì)易損構(gòu)件，如屋面板、封檐板進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

(2)結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測(cè)。對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，具體部位為懸臂構(gòu)件根部，簡(jiǎn)支構(gòu)件跨中和支座、連續(xù)構(gòu)件跨中和支座等部位；具有張力構(gòu)件(索、吊桿、拉桿)的索力監(jiān)測(cè)；腐蝕監(jiān)測(cè)以及約束體系中關(guān)鍵受力支座的反力監(jiān)測(cè)。

(3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇。對(duì)于荷載與環(huán)境監(jiān)測(cè)，環(huán)境風(fēng)荷載和列車(chē)氣動(dòng)力監(jiān)測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向，環(huán)境風(fēng)荷載測(cè)點(diǎn)選擇在雨棚屋面結(jié)構(gòu)的頂部和底部以及雨棚四周，其安裝位置能測(cè)出風(fēng)荷載的直接作用；列車(chē)氣動(dòng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在雨棚屋面結(jié)構(gòu)的底面、橫梁和立柱處，測(cè)點(diǎn)位置能測(cè)量出列車(chē)氣動(dòng)力的風(fēng)場(chǎng)分布；對(duì)無(wú)站臺(tái)柱雨棚的四邊，屋面頂面和底面進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，濕度較大地區(qū)的無(wú)站臺(tái)柱雨棚外部和內(nèi)部進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)；對(duì)雪荷載較大地區(qū)的無(wú)站臺(tái)柱雨棚頂部依據(jù)體型特征進(jìn)行積雪深度監(jiān)測(cè)。

4.3 承軌層

承軌層一般為混凝土梁、板組成的肋梁樓蓋結(jié)構(gòu)形式，是水平承重體系，屬于受彎構(gòu)件。依據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果，承軌梁、框架梁和板的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)選內(nèi)力較大及受力復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行布置，如跨中、支座等位置，在高速鐵路列車(chē)進(jìn)站期間，結(jié)構(gòu)受車(chē)輛動(dòng)荷載作用產(chǎn)生變形，應(yīng)選擇測(cè)量結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定、不需要(或者少需要)后期維護(hù)的構(gòu)件進(jìn)行撓度量測(cè)。承軌層健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表2。

表2 承軌層健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

4.4 非結(jié)構(gòu)件

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件或附屬結(jié)構(gòu)是指建筑中結(jié)構(gòu)部分以外的所有構(gòu)件，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件是建筑達(dá)到其預(yù)期功能必不可少的部分。高速鐵路客站非結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般包括鋼結(jié)構(gòu)檁條、玻璃幕墻、裝飾板、外墻飾面層等?？紤]非結(jié)構(gòu)構(gòu)件病害多、分布廣，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容為：各類構(gòu)件的質(zhì)量控制及缺陷檢測(cè)，包括各類構(gòu)件的組裝、粘結(jié)等安裝環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)測(cè)；對(duì)構(gòu)件表觀狀態(tài)和受損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；通過(guò)相應(yīng)的傳感器對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、變形、振動(dòng)、溫度及風(fēng)壓等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

5.1 基于有限元分析軟件的鐵路站房施工過(guò)程監(jiān)測(cè)

趙中偉[11]使用 ANSYS 對(duì)于家堡交通樞紐站房“貝殼”形空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程進(jìn)行仿真分析，對(duì)實(shí)際施工步驟中的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件利用單元生死技術(shù)分析其應(yīng)力變化過(guò)程。此外，在對(duì)提升工序進(jìn)行詳細(xì)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)提升吊點(diǎn)分布滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，在保證同步提升的前提下，主體結(jié)構(gòu)及胎架不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。針對(duì)該結(jié)構(gòu)中同時(shí)受到較大軸力、剪力、彎矩及扭矩作用的箱形截面構(gòu)件，制定了專門(mén)的監(jiān)測(cè)方案，將數(shù)值模擬位移結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有限元分析結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合較好。利用非線性彈簧單元模擬了該工程支座的受力特性，基于該工程雙支座的受力特征，重點(diǎn)研究了施工過(guò)程中支座位移的變化趨勢(shì)。發(fā)現(xiàn)由于施工順序及溫度的影響，各支座產(chǎn)生不同程度的位移，應(yīng)采取措施加以固定；提升施工中提升點(diǎn)附近應(yīng)力較大，卸載后殘余應(yīng)力較小。

李凌峰[12]通過(guò)分析得到了最適合太原南站的分段分塊吊裝施工方法。在MIDAS軟件中，用生死單元法模擬了施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)荷載和變形累加的整個(gè)吊裝過(guò)程，用等效桿端位移法模擬了傘形屋蓋的落架過(guò)程，通過(guò)模擬結(jié)果對(duì)施工方案進(jìn)行了安全性評(píng)估。利用ANSYS對(duì)太原南站的臨時(shí)支撐進(jìn)行了非線性屈曲分析，對(duì)臨時(shí)支撐的選擇進(jìn)行了評(píng)估，同時(shí)在施工過(guò)程中，對(duì)應(yīng)力和位移情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析證明了施工過(guò)程的安全性。

劉鈍[13]分析“生死單元法”和施工多階段分析理論在研究整體提升施工中的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：二者受限于各自的原理，擁有各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)存在一定的局限性，并最終比選出了一種更為實(shí)用的分析方法；根據(jù)施工方案建立了提升過(guò)程的力學(xué)模型，經(jīng)過(guò)直接靜力分析總結(jié)了一種判斷提升點(diǎn)不利組合的方法和根據(jù)提升力反算高差的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)提升點(diǎn)高差對(duì)結(jié)構(gòu)影響的定量描述。使用無(wú)線傳感技術(shù)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)杭州東站鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行了全生命周期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)日照造成結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分布復(fù)雜，均勻溫度場(chǎng)作用下溫度應(yīng)力有一定規(guī)律，與計(jì)算值相符，得出非均勻溫度場(chǎng)是大跨空間結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算時(shí)研究的重難點(diǎn)。

汪永平[14]利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)蕪湖市高鐵站房屋蓋的半結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工過(guò)程模擬，得到了鋼桁架屋蓋系統(tǒng)在6種工況下的位移和應(yīng)力情況，得出在施工過(guò)程中，屋蓋系統(tǒng)在卸載工況下出現(xiàn)最大壓應(yīng)力和最大豎向變形。同時(shí)施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)也驗(yàn)證了有限元模擬的結(jié)果，證明了大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工全過(guò)程是可以進(jìn)行仿真分析并擁有相當(dāng)準(zhǔn)確性的。

羅堯治[15]以杭州鐵路東站為工程背景，基于自主研發(fā)的無(wú)線應(yīng)力傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)施工階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。全面詳盡介紹了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置及監(jiān)測(cè)結(jié)果。通過(guò)對(duì)屋蓋桁架提升和整體屋蓋結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，總結(jié)出屋蓋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力變化規(guī)律。將健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果共同分析發(fā)現(xiàn)，二者吻合情況良好。但整體形成過(guò)程中實(shí)測(cè)與理論計(jì)算存在一定差距。

5.2 鐵路站房損傷識(shí)別

趙海濤[16]針對(duì)襄陽(yáng)東津站進(jìn)行了疲勞累積損傷評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)研究，首先利用兩種隨機(jī)子空間法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別以得到結(jié)構(gòu)的真實(shí)頻率，發(fā)現(xiàn)這兩種方法都能很好地識(shí)別出結(jié)構(gòu)的頻率，且識(shí)別誤差較小，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的子空間法較基于協(xié)方差的子空間法計(jì)算誤差要小一些，但這兩種方法對(duì)于結(jié)構(gòu)的阻尼比識(shí)別效果都不太好。再結(jié)合識(shí)別得到的結(jié)構(gòu)頻率信息對(duì)模型進(jìn)一步完善，發(fā)現(xiàn)ANSYS的一階優(yōu)化方法能夠很好地對(duì)東津站有限元模型進(jìn)行模型修正，且修正后的有限元模型頻率與真實(shí)結(jié)構(gòu)頻率誤差大大降低[17]，從而使得修正后的有限元模型能夠更加真實(shí)、全面地反映結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)。分別對(duì)站房結(jié)構(gòu)在多種荷載作用下進(jìn)行瞬態(tài)分析，在提取出熱點(diǎn)單元的應(yīng)力時(shí)程數(shù)據(jù)后采用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，利Goodman曲線法和Gerber曲線法進(jìn)行應(yīng)力修正，最后采用Miner理論與修正的Miner理論對(duì)結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)單元進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。發(fā)現(xiàn)Miner理論與修正的Miner理論的損傷度計(jì)算結(jié)果相差不大。

黃祖光[18]提出了一種能夠有效減少外界環(huán)境和荷載等效應(yīng)對(duì)傳感器信號(hào)影響的識(shí)別、鐵路客站健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器故障與結(jié)構(gòu)損傷的方法，對(duì)模型方法和非模型方法的各自優(yōu)點(diǎn)兼而有之。具體做法是：先將鄰近傳感器的分組編號(hào)；同時(shí)，鄰近傳感器對(duì)于同一反應(yīng)輸出的信號(hào)數(shù)值大小應(yīng)接近；此外，考慮傳感器均在同一工況下工作，對(duì)于工況改變所作出的反應(yīng)有相同變化趨勢(shì)的特征，進(jìn)而給出傳感器所輸出信號(hào)的正常輸出范圍。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這一方法在有效減少環(huán)境對(duì)傳感器影響的同時(shí)，還能夠正確區(qū)分當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化究竟是環(huán)境導(dǎo)致還是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了損傷。在研究傳感器故障和機(jī)構(gòu)損傷時(shí)發(fā)現(xiàn)：依據(jù)移動(dòng)主成分分析和多元控制圖法的原理，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整窗口大小解決樣本數(shù)量影響控制線的問(wèn)題并且使計(jì)算效率得到了提升。此外，適當(dāng)移動(dòng)窗口策略的優(yōu)點(diǎn)能夠更方便、有效地識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷和傳感器故障所導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)。

5.3 基于有效獨(dú)立法及蒙特卡洛法高鐵站房傳感器優(yōu)化布置

張高明等[19]指出，傳感器優(yōu)化配置基本思路是在保證得到研究所需的線性無(wú)關(guān)模態(tài)數(shù)據(jù)的同時(shí)，減少傳感器數(shù)量。常見(jiàn)的模態(tài)動(dòng)能法、有效獨(dú)立法、隨機(jī)類法、模型縮聚法以及奇異值分解法均符合這一原則。而對(duì)于“橋建合一”式的大型鐵路客站站房，可以根據(jù)框架式承軌層結(jié)構(gòu)跨度的5種不同工況，動(dòng)力傳感器優(yōu)化使用了有效獨(dú)立法，如圖5、圖6所示。為分析模態(tài)階數(shù)對(duì)傳感器布設(shè)的影響，在傳感器數(shù)量一定的前提下，分別對(duì)前5階以及前25階模態(tài)使用有效獨(dú)立法進(jìn)行計(jì)算，并分析5種工況對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，得出結(jié)論：不建議在傳感器數(shù)量一定的前提下盲目擴(kuò)大目標(biāo)階數(shù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中靜力傳感器的布設(shè)結(jié)合蒙特卡洛法通過(guò)仿真分析進(jìn)行優(yōu)化。在5種工況下，在構(gòu)件自身敏感度的基礎(chǔ)上，分別以多點(diǎn)豎向位移、第一階頻率、以前十階頻率之和為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析。3種目標(biāo)函數(shù)各有特點(diǎn)，但結(jié)合設(shè)計(jì)時(shí)所關(guān)注的重點(diǎn)，以撓度控制點(diǎn)的豎向位移之和作為目標(biāo)函數(shù)更為適合。類似地，對(duì)于識(shí)別承軌層的損傷，分別采取單頻率法、單位移法、頻率位移法進(jìn)行模型修正法的損傷識(shí)別。識(shí)別效果表明，3種方法均可應(yīng)用于工程中進(jìn)行有效的損傷識(shí)別。

圖5 濟(jì)南東站整體模型傳感器布置結(jié)果[20]

圖6 徐州東站整體模型傳感器布置結(jié)果[20]

鮑華[20]根據(jù)高鐵站房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)重點(diǎn)放到了屋蓋層。針對(duì)屋蓋層常見(jiàn)的兩種結(jié)構(gòu)形式—拱形屋架和桁架型屋蓋，采用有效獨(dú)立法和蒙特卡洛法進(jìn)行傳感器優(yōu)化布置。將濟(jì)南東站作為拱形屋蓋的分析對(duì)象，桁架型屋蓋則以徐州東站為例。結(jié)論發(fā)現(xiàn)：拱形屋蓋的動(dòng)力傳感器在沿拱跨方向應(yīng)均勻分布，與垂直拱跨方向分布規(guī)律相同；靜力傳感器的布設(shè)重點(diǎn)則在順拱跨方向的拱腳處于拱跨中位置，垂直拱跨方向基本保證均勻布設(shè)即可。對(duì)于桁架型屋蓋站房的動(dòng)力傳感器布置，與桁架形式無(wú)關(guān)，在垂直跨度方向均應(yīng)均勻布設(shè)即可。桁架跨度方向，大跨桁架的跨中、連續(xù)桁架的負(fù)彎矩點(diǎn)則是連續(xù)型桁架結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注位置；單跨桁架結(jié)構(gòu)站房大跨桁架上均勻布設(shè)便能滿足需要。桁架跨中對(duì)于連續(xù)型和單跨桁架結(jié)構(gòu)站房的靜力傳感器布置同樣重要。此外，連續(xù)型還應(yīng)重視負(fù)彎矩位置，單跨則應(yīng)關(guān)注柱根處。

此外，還根據(jù)優(yōu)化結(jié)果布置傳感器，以結(jié)構(gòu)的自振頻率為主要參數(shù)，利用隨機(jī)子空間法進(jìn)行參數(shù)識(shí)別進(jìn)而檢驗(yàn)優(yōu)化效果。研究發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)伍Y(jié)構(gòu)和整體屋蓋結(jié)構(gòu)的自振頻率識(shí)別效果均較好。

沈磊等[21]在對(duì)鐵路站房傳感器優(yōu)化布置進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，通過(guò)蒙特卡洛法找出結(jié)構(gòu)眾多桿件中更為敏感的桿件并確定為應(yīng)變傳感器的布設(shè)位置，加速度傳感器的布置則為獲取盡可能多線性無(wú)關(guān)的加速度數(shù)據(jù)使用了有效獨(dú)立法。研究結(jié)果表明：將恰當(dāng)?shù)奈灰颇繕?biāo)函數(shù)和站房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)綜合考慮能夠快速識(shí)別出哪些桿件對(duì)結(jié)構(gòu)整體變形更為敏感；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型影響加速度傳感器的布設(shè)位置，大跨度區(qū)域與懸挑區(qū)域起支撐作用的桿件對(duì)應(yīng)變更為敏感，這部分關(guān)鍵桿件作為應(yīng)變傳感器的主要布設(shè)位置。布設(shè)在承軌層傳感器分布在大跨柱、中跨柱、順軌向主梁根部及大跨垂軌向主梁根部。傳感器布置見(jiàn)圖7～圖11。

圖7 屋蓋層加速度傳感器布置[21]

圖8 承軌層加速度傳感器布置[21]

圖9 屋蓋層應(yīng)變傳感器布置[21]

圖10 承軌層柱應(yīng)變傳感器布置[21]

圖11 承軌層梁應(yīng)變傳感器布置[21]

吳少偉[22]從空間鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合太原南站MIDAS軟件仿真分析結(jié)果，總結(jié)單一工況改變下，桿件應(yīng)力變化規(guī)律，將應(yīng)力變化顯著的桿件定義為敏感桿件，提出了桿件荷載敏感系數(shù)的計(jì)算方法，在后期運(yùn)維中對(duì)敏感性桿件進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并對(duì)傳感器布置方案進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)提出荷載敏感性系數(shù)公式。

SZi=|γ風(fēng)Si風(fēng)+γ雪Si雪+γ溫度Si溫度|

(1)

式中，Si風(fēng)、Si雪、Si溫度分別為第i號(hào)桿件對(duì)風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載的敏感度；γ風(fēng)、γ雪、γ溫度分別為荷載影響權(quán)重系數(shù)(0<γ<1)。

此外，對(duì)于結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載(雪荷載、溫度荷載)由 50 年一遇的設(shè)計(jì)值變?yōu)?100 年一遇的設(shè)計(jì)值時(shí)，結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力改變量Δσ即為桿件對(duì)該荷載的敏感度，計(jì)算公式如下

Si=Δσi=σi100+σi50

(2)

式中，σi100為第i號(hào)桿件在某類荷載100年一遇的設(shè)計(jì)值下的應(yīng)力；σi50為第i號(hào)桿件在某類荷載50年一遇的設(shè)計(jì)值下的應(yīng)力。

實(shí)際中，將桿件敏感度大小進(jìn)行排序從而合理布置傳感器。

5.4 基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同工況下整體站房車(chē)致動(dòng)力響應(yīng)

郭暉等[23]通過(guò)對(duì)太原南站健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的3種工況實(shí)測(cè)加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，研究表明：列車(chē)、人群、施工3種工況下，站房的加速度響應(yīng)極值及ESPA值均小于美國(guó)規(guī)范值，滿足舒適度要求。

陳勤[24]基于杭州火車(chē)站東站實(shí)際工程背景，利用SAP2000建立杭州火車(chē)東站有限元模型，針對(duì)不同工況下列車(chē)通過(guò)車(chē)站進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，對(duì)列車(chē)振動(dòng)荷載作用下候車(chē)大廳樓板的加速度、位移大小及其分布規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)，結(jié)果表明：候車(chē)廳樓板滿足舒適性和安全性的規(guī)范性要求。

何思思[25]以天津西站為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的方法，依據(jù)天津西站施工及運(yùn)營(yíng)階段實(shí)測(cè)加速度數(shù)據(jù)，對(duì)“房橋合一”型鐵路客站中車(chē)致振動(dòng)的響應(yīng)特性和振動(dòng)傳播規(guī)律進(jìn)行全面，研究分析，通過(guò)將高速列車(chē)荷載簡(jiǎn)化模擬為移動(dòng)質(zhì)量荷載列對(duì)“房橋合一”鐵路客站車(chē)致振動(dòng)的站房加速度響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，將數(shù)值模擬結(jié)果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的峰值加速度進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值分析結(jié)果的可靠性。

6 工程應(yīng)用情況

相比于橋梁結(jié)構(gòu)，鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)開(kāi)展較晚，首個(gè)完整的大型鐵路客站健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始于2009年，但近年來(lái)工程應(yīng)用發(fā)展迅速，目前已有約40座高鐵車(chē)站陸續(xù)建立完整的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，部分高鐵站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)情況如表3所示。

表3 部分高鐵客站站房健康監(jiān)測(cè)工程應(yīng)用

7 總結(jié)及展望

從我國(guó)近十年鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研發(fā)應(yīng)用情況看，雖然技術(shù)研發(fā)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍然存在技術(shù)研發(fā)不全面、實(shí)際工程應(yīng)用效果不明顯等問(wèn)題，根據(jù)鐵路客站運(yùn)營(yíng)狀況，當(dāng)前急待解決問(wèn)題及研發(fā)建議如下。

(1)目前鐵路客站監(jiān)測(cè)重點(diǎn)主要針對(duì)主體結(jié)構(gòu)，然而運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)主要源于附屬構(gòu)件病害，站房結(jié)構(gòu)形式多樣、附屬構(gòu)件病害存在形式(類型、尺度、位置)復(fù)雜等因素導(dǎo)致病害情況感知存在嚴(yán)重困難，急需大力研發(fā)非接觸式、快速機(jī)動(dòng)鐵路客站病害信息精準(zhǔn)獲取技術(shù)，構(gòu)建站房信息檢測(cè)、監(jiān)測(cè)一體化立體感知體系。

(2)針對(duì)客站荷載和環(huán)境荷載時(shí)空作用特征及其對(duì)站房結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響機(jī)理認(rèn)識(shí)不清的難題，急需明確荷載時(shí)空作用模型，研究客站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其劣化行為，構(gòu)建關(guān)鍵材料性能劣化和病害導(dǎo)致的客站結(jié)構(gòu)服役性能動(dòng)態(tài)演變分析模型，揭示復(fù)雜環(huán)境和荷載循環(huán)耦合作用下鐵路站房性能演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)鐵路客站運(yùn)行態(tài)勢(shì)智能分析與預(yù)測(cè)。

(3)鐵路客站數(shù)字化建模中虛擬仿真模型與物理實(shí)體之間缺乏有效的信息交互，導(dǎo)致鐵路客站運(yùn)行態(tài)勢(shì)分析與表示困難，急需從結(jié)構(gòu)-病害-行為參數(shù)編碼構(gòu)建、數(shù)字化基礎(chǔ)模型生成、感知數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)映射等3個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)建立站房結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生模型。

(4)鐵路站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)工作缺乏長(zhǎng)期有效的管理機(jī)制，在實(shí)際應(yīng)用中，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在重建設(shè)、輕管理的情況，應(yīng)及時(shí)出臺(tái)相關(guān)規(guī)定，對(duì)大型復(fù)雜鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)費(fèi)來(lái)源、建設(shè)及維護(hù)歸口管理，建設(shè)、管理程序以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)施單位資格和技術(shù)水平提出明確要求。