铁路客站大型复杂结构健康监测研究与思考

韩志伟

（铁道部工程设计鉴定中心 副总工程师，北京 100844）

0 引言

现代公共建筑伴随着材料技术的发展、设计技术的创新、建造技术的进步，正在不断地向高度、跨度极限发起一个又一个的挑战。

现代大型工程坍塌事故时有发生，如法国巴黎戴高乐机场候机楼坍塌事故，如图1；美国明尼阿波利斯，明尼苏达维京人队体育场的圆型屋顶被积雪压塌，如图2。保证“大型结构”的使用安全，已日渐成为工程界关注和研究的课题。铁路综合交通枢纽客站人流密集，公众关注度高，一旦发生重大结构安全事故，会造成严重的社会影响。因而，加强对铁路客站大型复杂结构使用期间结构状态的动态监测，确保其能够“健康服役”，是铁路客站设计、建设、运营需要深入研究的课题。

图1 巴黎戴高乐机场登机楼结构垮塌

图2 美国明尼阿波利斯体育场屋顶垮塌

1 铁路客站大型复杂结构健康监测意义

我国铁路客站建设、运营已经进入一个新的时期。目前，已建成综合枢纽客站19座，在建20余座，未来还要规划建设十几座，有必要在铁路客站大型复杂结构中开展健康监测工作。

1.1 铁路客站结构安全面临新挑战

新建的交通枢纽客站，如北京南站（图3），武汉站（图4），广州南站（图5），虹桥站（图6）等客站体量大，结构方面有许多创新，结构的复杂程度、结构跨度都超过了以往的铁路客站。

这类客站地上、地下分为多层，结构体系复杂。在设计过程中，结构选型经过了精心推敲、严格计算，其结构安全理论上都是有保证的。但是，随着柱网的增大，空间的增高以及体系的多样化，结构的“抗连续倒塌能力”也会有所降低。另外，结构设计时，计算假定边界条件与实际边界条件难免存在差异，以及材料力学性质的不确定性等因素，都会或多或少地影响到结构的安全冗余度。其次，结构在使用过程中的材料老化，预应力松弛以及风荷载的反复作用都有可能造成材料损伤，这些都会随着使用时间的推移，对结构安全带来影响，甚至降低结构自身的安全度。因此，通过监测手段，及时了解掌握铁路客站大型复杂结构健康状态非常必要。

1．2 结构健康监测技术应用广泛

1.2.1 结构健康监测概念

结构健康监测是指对工程结构实施损伤检测和识别。是通过对结构的物理力学性能进行无损监测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护、异常情况下的抢险与管理决策提供依据和指导[1-3]。

1.2.2 结构健康监测技术的发展和应用

结构健康监测系统最先应用于桥梁结构，并已在大跨度桥梁结构、特种结构、超高层建筑结构、大跨空间钢结构、深基坑支护工程中得到广泛应用[4-5]。

桥梁结构。从上世纪80年代开始，结构健康监测技术就得到应用，发展到今天，许多超大跨度桥梁都设有健康监测系统。英国Foyle大桥[6]，美国的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥，丹麦的Great Belt East悬索桥[7]，加拿大的 Confederation Bridge 桥[8]，以及国内的香港青马大桥、汲水门大桥、汀九大桥，内地的上海徐浦大桥、江阴长江大桥、苏通大桥、滨州黄河大桥等，都建立了不同规模的结构监测系统。

特种结构。上世纪80年代中国石油总公司在海上钻井平台结构上安装监测设备，以监测冰荷载、冰压力和海洋平台结构的冰激振动响应情况[9]。

超高层结构。如对广州新电视塔、广州西塔、深圳京基金融中心、深圳证券大厦、上海金茂大厦等结构都进行了必要的监测。

大跨度结构。2002年，深圳市民中心屋顶网架结构中搭建了国内较早的大跨度结构健康监测系统[10]。2006年，国家游泳中心钢膜结构健康监测系统开始施工安装[11]。另外，实施了结构健康监测系统的大跨度空间钢结构还有国家体育馆屋盖、深圳大学城体育场结构等建筑。

深基坑工程。近年来，深基坑的施工广泛采用了结构健康监测系统，通过对基坑支护、支撑的变形、应力进行监测，为预防基坑事故、抢险、准备应急预案提供科学依据，实现信息化施工。监测系统的应用，既可提高基坑工程的施工安全性，又可适当降低基坑的支护费用。

近年来，从奥运会体育场馆的建设开始，大跨度建筑结构健康监测技术逐渐在国内被广泛应用起来。新建的大跨度体育场馆及其他公共建筑普遍采用了结构健康监测技术[10，12-13]，如图7所示。结构健康监测技术已经进入实际应用阶段，并且成为预防重要结构安全事故的常见手段。

图7 济南全运会体育馆

1.3 结构健康监测技术日渐成熟

结构健康监测从开始应用到现在已有30多年的时间。在这期间，无论是监测的硬件设备，还是监测的理论储备和工程经验，各方面都有了长足的发展。监测设备从早期简单的电阻式应变测量装置，发展到目前可以对环境作用、结构响应等众多参数进行全面监测的光纤、压电式传感器，以及配套的无线数据传输系统、数据处理系统等。理论储备方面，早期的研究较少，现在对于监测系统、测点布置、模型修正、损伤识别、数据分析等方面已有了较为全面的研究。尽管目前还存在着类似监测设备寿命与监测周期不匹配的问题，但这些问题可以通过采取具体措施，提高管理水平予以解决。推进复杂大跨度铁路客站结构健康监测工作的技术条件已日益成熟。

1.4 健康监测是预防结构安全事故的有效手段

随着社会的发展，大跨度、超高层建筑结构不断兴建。这些重要建筑一旦发生结构安全事故，将造成重大人员伤亡和经济损失，并造成严重社会影响。建立重大土木工程的结构健康监测系统，可以对结构在施工与服役阶段的安全性、耐久性有实时的把握，有效预防结构安全事故，同时也可对同类新型结构的设计理念完善提供依据[14]。

铁路客站建设要想实现科学发展、健康持续发展，在积极推进铁路客站安全硬件建设的同时还必须不断加强软件建设，建立健全各种能够对安全风险预警的信息化管理系统，提高管理水平，实现铁路客站安全动态管理。

2 铁路客站大型复杂结构健康监测关键技术

客站结构健康监测技术是一门多领域跨学科的综合性技术，包括土木工程、动力学、材料学、传感技术、测试技术、信号处理、网络通信技术、计算机技术、模式识别等多个方面。

2.1 客站结构健康监测技术路线图

图8为结构健康监测的研究范畴和流程[15]。

图8 结构健康监测的研究范畴和流程

2.2 铁路客站大型复杂结构健康监测的范围和布置

客站结构健康监测过程中，想获得比较完备的数据，就需要足够多的传感器，然而，传感器多，成本就会增大，在结构大部分自由度上安置传感器是不可能也是不现实的，这就需要确定最优的传感器数量。同时，即使使用相同数量的传感器，如果采用不同的布置方式将会采集到不同的信号和数据，这些信息将直接影响模态分析和损伤识别的精度和可靠性，因此传感器位置的优化布置十分重要。

良好的传感器布置方案应做到：1）在含噪声的环境中，能够利用尽可能少的传感器获取全面、精确的结构参数信息；2）实测分析得出的模态能够与有限元模型分析的结果建立起对应关系；3）能够通过合理添加传感器对感兴趣的部分模态进行数据重点采集，针对铁路客站结构可以重点监测大跨度屋盖、轨道层、雨棚等具体部位；4）测得的时程记录将对模态参数的变化最为敏感；5）使模态试验结果具有良好的可视性和稳定性。目前，工程界已发展出多种方法来决定测点传感器的最佳布置位置。

2.3 客站健康监测的结构参数

现代结构健康监测技术，已经允许对结构的各种参数进行监测，包括：结构位移，如静位移和动位移；结构变形，如静动挠度、静动应变等；内力，如杆件和索的拉力；动力参数，如速度、加速度等；外观和完整性，如气蚀、磨损、裂缝、剥落；环境作用，如风速、温度、地震、外部荷载等。

客站结构健康监测应针对大型复杂结构开展，健康监测内容应主要包含外部荷载作用和结构反应两大部分。外部荷载作用主要为地面运动加速度和风环境及结构表面风压等，结构反应主要为结构应力、变形、振动加速度、表面温度、表面裂缝开展等。鉴于大跨度结构的特点，风环境及结构表面风压是大跨度结构外部荷载作用监测的重点，而结构应力监测包含主要结构表面应力、拉索力等[16]，结构变形包含主要结构构件的位移、挠度及关键部位的应变。

2.4 客站结构健康监测数据的采集传递与分析

客站结构健康监测传感器所获取的数据需要及时传递并进行信息分析处理，数据信息产生后以信号的方式存在，既有的信号传递方式都可以用于结构监测数据的传递。可以应用有线系统传递，也可以通过无线系统进行传递，由于通常结构距离数据分析中心距离较远，目前应用比较多的是无线数据传递方式。获取结构监测数据后可以对其进行分析，其目的是为了判断结构是否存在损伤及判断损伤的程度。其原理是通过对结构静、动力参数变化的分析来判定结构的损伤情况。结构整体的损伤可以通过整体静、动力参数反映，局部损伤可以通过具体测点的信息来反映。

2.5 客站结构安全评价与预警

客站结构健康监测工作的最终目的，是通过所监测的各结构参数判别其安全状态，以便采取相应措施，避免结构安全事故的发生。目前结构健康状态的评价标准是结构健康监测领域研究的热点之一，已有许多成果。客站健康监测可通过将结构划分为不同的安全等级，并采取适宜的措施。这样既可以避免不必要的浪费，又可以保证结构的安全。

3 推进铁路客站大型复杂结构健康监测的建议

目前，在铁路客站工程建设中也开展了一些结构健康监测的工作，如，北京站无站台柱雨棚安全监测工作，上海虹桥站超长梁监测工作，南京南站结构应力、动力响应和变形测试三部分监测工作，深圳福田站地下结构施工的变形监测工作，取得了一定的成果。但总体上讲，铁路客站结构健康监测工作还处于起步阶段，缺乏统一的规范指导，没有形成完整的铁路客站结构健康监测标准和体系。另外，结构健康监测需要相应的成本投入。对客站实施健康监测，也要避免盲目性：一是要避免随意扩大监测项目范围，对一些结构不复杂的项目盲目实施监测。二是要避免随意增加监测内容，对非关键部位也开展监测。过分扩大监测范围，过多设定监测内容，都是不科学、不合理、不必要的，都会增加不必要的建设成本，实施中要严格加以甄别。因此，为了有效地在铁路系统内推进复杂大跨度客站结构的健康监测工作，需要研究建立规范和技术标准，以便指导后续工作的开展。

3.1 制定适宜的客站结构健康监测及健康状态评价标准

制定相应的实施细则，明确客站健康监测的范围、内容、标准，在结构设计过程中就制定结构健康监测方案，并纳入客站设计说明书及维护手册中。

3.2 明确客站健康监测实施主体

大型铁路客站的建设方和运营方通常都是同一铁路局，通过立法，明确由路局统一实施该项工作，可以使得结构健康监测工作连续不断地进行。同时，铁路系统中既有的防灾监控系统以及便捷的路内通信系统，也可以使客站结构健康监测数据统一化、专业化、系统化管理成为可能。

3.3 建立客站健康监测长效管理机制

结构健康监测工作是一项需要长期坚持的工作。通常结构的设计使用年限为50年，有的重要结构更是达到100年，这就注定了结构的健康监测工作是一项长期的工作，没有制度化的管理，就不能保证工作的持续性。绝大部分结构在其使用周期内是安全的，不会发生破坏，但这并不能说明结构健康监测工作不重要。正常人需要定期体检，客站结构健康监测工作也需要逐步建立长效管理机制，使结构健康监测定期化、制度化、规范化。

3.4 有序推进已建成客站结构健康监测工作

既有客站系统的安全监测是一项较为复杂的工作。笔者认为，可通过对使用超过一定年限的大跨复杂结构进行安全检查，对其结构健康状况进行评价，根据结构安全性高低对结构风险进行评估，将安全度评价低的结构确定为重点结构安全风险源。对于不同级别的风险源分别采取实时监测、定期检测等不同级别的安全策略，以保证结构安全。

3.5 严格设定客站健康监测范围

笔者认为，目前，铁路客站健康监测对象应仅限于“大型复杂结构”。对大型复杂结构可针对不同的监测对象，研究确定相应的监测内容。一般只需要对损伤敏感部位的应力应变、位移和加速度等监测。某个项目是否需要监测，监测哪些内容要具体研究论证后确定。

4 结语

综合交通枢纽客站结构复杂，对其使用期间的结构安全应特别予以重视。将日益成熟的结构健康监测技术应用于大型复杂结构铁路客站，可及时掌握复杂结构的“健康”状况、对客站在使用阶段的维护保养和运营策略制定都有着十分重要的意义。在铁路客站工程建设中科学有序地开展结构健康监测工作，有利于促进铁路客站结构技术的进步，有利于实现对客站安全的动态管理，有利于推动铁路事业的健康持续发展。

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