贝壳状钢网壳结构铁路客站健康监测方案探讨

张涛

（铁道部经济规划研究院高级工程师，北京100844）

贝壳状钢网壳结构铁路客站健康监测方案探讨

张涛

（铁道部经济规划研究院高级工程师，北京100844）

近年来铁路新建客站呈现出体型新颖、结构复杂、施工难度大、运营维护要求高等特点。结合某贝壳状骨架膜屋面钢网壳结构站房综合楼工程实例，指出屋面钢结构健康监测的必要性。重点研究了客站结构健康监测的风险点判识和主要监测内容以及健康监测方案，并提出了使用维护方案建议,为保证客站结构的安全性、正常使用、维护管理和异常情况下的风险判识、维护抢修等工作，提供必要的依据和参考。

铁路；客站；网壳；钢结构；健康监测

为适应铁路运输需求及适应当地社会、经济、文化的发展和人们快速、便捷出行的要求，近年来已经建成或正在建设多座集铁路客站与城市轨道交通、公交车、出租车、社会车辆停车场为一体的大型综合型交通枢纽，铁路客站也呈现出体型新颖、结构复杂、施工难度大、运营维护要求高等特点。由于铁路客站人员高度聚集，公众关注度高，所处地区的风荷载、雪荷载、温度作用、地震作用和腐蚀、疲劳工作等环境条件复杂，对铁路客站进行动态健康监测，开展制定使用维护手册、风险判识与预案应急处理等工作，已成为大型铁路客站设计、建设、施工、维护工作者的共识。近期有关建设单位，组织设计、施工单位和石家庄铁道大学、哈尔滨工业大学、同济大学、天津大学、浙江大学、武汉大学等单位，对于家堡、宁波、石家庄东、郑州东、杭州东、贵阳北、兰州西、乌鲁木齐南、昆明南、重庆北、重庆西、滨海等大型铁路客站结构的健康监测方案进行了研究，并予组织实施。

1 工程概况

某站房综合楼为集1条高速城际铁路、3条城市轨道交通车场及其候车、换乘通道和城市地面公交场站、地下出租车站、社会车辆停车场和商业设施为一体的综合交通枢纽（详图1、图2）。地面一层、地下三层，总建筑面积为276 000 m2。其中地下一层为铁路站房候车区、售票区、设备用房及地铁B1、B2、Z1线站厅层；地下二层为铁路站台层及地铁B1站台层、B2站台层，铁路车场设有3座450 m×11 m×1.25 m岛式站台层、并与地铁B1站台层共侧壁紧贴布置；地下三层为地铁Z1站台层；地面层为地面出入口和环形走廊[4]。

图1 某站房综合楼平面图

图2 某站房综合楼剖面图

该工程安全等级为一级、结构设计基准期为50年、耐久性满足100年要求，抗震设防烈度7度、抗震设防类别为重点设防类、Ⅲ类场地土类别。其地面以上采用扁平贝壳状骨架膜钢网壳结构，地下采用钢筋混凝土框架抗震墙结构和钢筋混凝土连续墙基坑支护方案。其屋面钢结构36根正反螺旋线钢梁底环梁支座落在地面一层钢筋混凝土结构顶板上（详图3），有2 178个杆件、1 134个节点；采用场外分块组装散拼结合局部提升拼装施工方案（详图4）。其提升面积46 m×72 m，吊装重量910 t。

2 客站结构健康监测的风险点判识

由于该工程为集大型铁路客站和城市轨道交通为一体的综合交通枢纽，多种交通方式共存，聚集人员较多。客站结构新颖，跨度大，受力复杂，受风、雪、温度场环境影响大，地震烈度高。其结构计算模型、加载方式与实际情况会存在一定的偏差，同时现场施工难度大，大量散拼杆件的材料加固、运输等方面的缺陷与高空吊装、定位、网壳的合拢、嵌补杆件的安装，以及使用过程的腐蚀、偶然火灾和撞击作用等因素，会对结构产生一定的初始缺陷和损伤，应对该铁路客站钢网壳结构进行实时健康监测。

图3 地下一层顶板结构图

图4 主要构件安装方法

铁路客站可通过直观经验、专家评审、工程类比和系统安全分析等方法，对其全寿命期的危险源和风险点进行判识。通过对该工程客站结构的受力、变形及施工吊装方案、使用维护等诸多因素分析，发现其顶部、底部环梁及其相连支座所承受的轴力、扭矩、竖向弯矩较大，杆件的应力比较高，其构件布置、截面刚度与连接支座的工作状态及其连接板的刚度、强度、节点的可靠性，对结构受力、变形及约束作用影响很大，属于第一类风险点构件与节点；该工程分块吊装与高空散装构件之间要焊接箱型钢管嵌入杆件，其构件长度、受力、变形特点与节点焊接质量，对保证结构的整体形态、承载能力与正常使用工作状态有较大影响，属于第二类风险点构件与节点；该客站为贝壳状骨架膜钢结构，底部要设置主入口，会带来局部正反螺旋线钢管构件的不连续布置，发生应力与变形的局部集中突变，故底部入口及其周边钢管构件、节点属于第三类风险点构件与节点；该客站天窗部位结构构件的分格尺度与杆件密集度相差较大，天窗部位受屋面风荷载、积水（冰）荷载以及温度（特别是火灾）作用影响较大，属于第四类风险点构件与节点；网壳南部部分网格尺寸大的构件受力较大，属于第五类风险点构件。

3 客站结构健康监测的主要内容

3.1 结构的风速场、温度场监测

该工程所处地区属于大陆性季风气候，冬季寒冷、少雪，春季干旱多风，夏季气温高、湿度大、降雨集中，全年平均气温12.3℃、最高温度40.9℃、最低温度-18.3℃，全年8级以上大风日数达57 d。贝壳状骨架膜钢结构对风荷载、温度作用比较敏感，不同朝向、部位构件的应力、应变差异较大；同时屋面局部积水或积冰会引起膜结构的皱褶与撕裂，也会对结构造成次生破坏，故需要对该结构的风速场、温度场进行监测。

3.2 结构的振动、稳定性监测

由于该结构长轴尺度为143 m、断轴尺度为80 m、矢高24 m，属于异形三维空间网壳结构，在风荷载、雪荷载、温度作用下，结构长期处于疲劳承载、变形与杆件拉压应力反复交替变化等工作状态。特别是风荷载、温度作用复杂、随机性较大，可能会造成结构的局部刚度退化，构件失效。若某个结构构件突然发生失稳或屋盖系统发生较大振动，会带来对整个结构的灾难性破坏，故需要对其主要结构的振动、稳定性进行监测。

3.3 结构和支座沉降变形监测

空间结构丧失承载能力与正常使用工作状态，除与结构自身的承载能力和设计的安全储备有关外，还受空间结构与支座沉降变形的大小及其变化速度，支座的选用、边界条件的计算假定与实际工作状态的差异等因素的影响。通过对该结构的变形、支座沉降进行检测，可以调整原结构的计算模型与结构计算分析，分析主要构件、关键节点的应力、应变，提出预警与维修补强方案，保证结构在服役过程的健康状态，满足其使用功能与维护需求。

3.4 主要构件与关键节点的应力监测

钢结构钢材本身、加工制作、运输吊装、现场高空焊接和使用过程中自然、人为因素等方面的缺陷，会对结构承载与变形能力、耐久性、正常使用带来较大的影响。主要构件与关键节点的应力超限或异常重分布，会对结构安全带来较大的隐患。应结合环境、振动、变形等，重点监测主要构件与关键节点的应力，分析其应力、变形、刚度等变化规律，判识其正常工作状态。

3.5 结构构件节点焊缝、锈蚀工作状态的监测

该工程位于海滨地区，其主要构件、关键节点的锈蚀、焊缝缺陷及发展变化情况，是造成钢结构破坏的主要原因之一。应通过重点监测关键节点焊缝附近构件的锈蚀情况与应力、应变变化情况，来判识其结构构件节点的工作状态与维修方案。

4 客站结构健康监测方案

4.1 监测系统总体设计

该铁路客站健康监测系统分传感器子系统，数据采集、传输与存储子系统，数据管理中心子系统和运营健康安全评定和预警子系统。其中数据采集、传输与存储子系统主要将传感器采集的数据传输至数据采集站，对数据进行判断和预处理，并存入数据管理中心；数据管理中心子系统主要通过风速场和温度场统计分析模块、网壳结构位移和支座沉降分析模块、结构支座位移分析模块、杆件应力分析模块、节点焊缝工作状态监测模块、振动特性分析模块和整体安全整体分析模块，对数据进行分析，判识结构的安全性与舒适性；运营健康安全评定和预警子系统可在监控中心的监视器上实时显示安全评定结果，在特殊情况下进行预警，并将数据存入中心服务器的数据库中，或传输至用户相关终端设备。4.2监测方案

4.2.1 监测传感器的选择与布置原则

传感器一般分环境类传感器、外部荷载传感器、几何类传感器、结构反应传感器和材料特性传感器。按照对结构、环境监测数据敏感，能够充分反映结构特性，与结构理论分析有一定的对应关系，对称性和重点布置在结构最不利位置，便于安装、维修、更换，减少传输距离等原则，该客站共设置503个风速场、温度场和网壳结构振动、位移、支座沉降与环向位移、杆件应力、节点焊缝传感器，分别占监测杆件、节点、支座数量的0.9%～33.3%。

4.2.1.1 风速场监测传感器

该客站周边建筑稠密，其风环境场复杂，属于风敏感结构。根据风洞试验和风雪飘移理论，确定作用于建筑物上的风荷载及风致振动特性，局部的雪（积冰）的漂移、荷载及其分布范围。该工程在客站顶部天窗部位，设置1个三维超声式风速仪，对其绕流与自然风速场的极值风速、10 min平均风速与风向角与顺风向、横风向、竖风向的脉动风遄流强度、风功率与相互干扰函数等参数和环境温度，进行实时监测，并对风效应进行预警。

4.2.1.2 温度场监测传感器

由于该网壳结构属于高次超静定结构，结构温度的变化会对网壳结构杆件内力、应力和应变的分布产生重大影响。通过对不同时段阳光照射下温度场的分布情况分析，在客站东南、东北、西南和西北4个方向正反螺旋线钢管构件相交约90°温度相差较大的区域，布置26个光纤光栅温度传感器（详图5）。其中沿两个方向同时布置温度传感器，沿其他两个方向钢梁温差不大区域仅在一个方向布置温度传感器。

4.2.1.3 网壳结构变形与支座沉降监测

该网壳结构内环梁的相对变形是保证该结构整体形体的关键环节之一，设置14个测点（详图6）对网壳结构变形进行监测。其中沿内环梁共均匀布置4个测点，在网壳长跨方向布设4个测点，短跨方向布设6个测点。考虑到网壳结构卸载后若发生较大的支座沉降位移，会导致上部结构局部过大的应力和变形，沿底部环梁设置11个支座沉降测点（详图7），采用全站仪对网壳结构变形与支座沉降进行监测。

4.2.1.4 支座位移传感器

该网壳结构在风荷载、雪荷载和温度作用下，网壳结构东、南和西面的支座位移变化相差较大，北侧支座位移相对较小。支座位移直接影响到结构内力分布，支座位移监测与结构变形监测相结合能够更为准确地了解结构内力状态，提高结构模型修正的准确性，并对超限位移及时预警。对客站网壳结构12个单项滑动支座，设36个拉伸式位移传感器（详图8）。

图5 温度传感器测点布置图

图6 网壳变形测点布置图

图7 网壳支座沉降测点布置图

图8 支座位移传感器布点位置图

4.2.1.5 网壳结构杆件应变（应力）和节点焊缝工作状态监测

根据网壳结构在恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载和温度作用下杆件截面最不利正应力分布图（详图9），在地震作用、恒荷载和雪荷载作用下杆件截面最不利正应力分布图（详图10）分析以及风险点判识，对第一类风险点构件的底环梁选择4根位于北面、东南面和西南面，承受轴力、弯矩、剪力较大的扇形截面构件与3根位于东面、南面和西面，主要承受轴力和单向弯矩的矩形截面构件设置光纤光栅应变传感器，顶环梁选择3根承受轴力、弯矩、剪力较大的构件设置光纤光栅应变传感器；对第二、五类风险点构件选择东南面、南面、西南面、东北面、西北面承受较大轴力、弯矩、剪力和扭矩共同作用且接近支座部位构件，以及南面中间区域承受较大轴力、剪力构件（共33根）设置光纤光栅应变传感器；对第三类风险点构件选择15根受力较大的入口处钢箱梁设置光纤光栅应变传感器；对第四类风险点构件选择6根天窗部位受力较大的构件设置光纤光栅应变传感器。网壳应变检测杆件分布（详图11）。

图9 网壳在恒、活、雪、风和温度等荷载作用下杆件最不利正应力分布图

图10 网壳在地震、恒和雪荷载组合作用下杆件最不利正应力分布图

图11 网壳应变监测杆件分布图

该网壳结构选择14个关键节点设置45个光纤光栅应变传感器（详图12），来监测该处节点板两侧受拉区焊缝的工作状态。

4.2.1.6 结构振动监测

通过对该网壳结构模态特性的分析，设置5个单向与5个双向加速度传感器（详图13），对其竖向和水平双向振动进行监测。

4.2.2 监测数据的采集与传输

该客站网壳结构通过设置503个传感器和PXI机箱数据模块，通过监测数据管理系统分析，将相关数据存入数据采集站、中心管理站。数据传输系统有利于提高数据对象信息应用的时效性，做到即使人员不在场，也可以通过网络了解现场监测系统的运行情况和监测参数的变化情况，并对现场服务器计算机的控制系统发出指令，从而达到远程控制的目的。监测数据传输分有线传输系统和无线传输系统，其中有线传输系统通过大量的信号传输线，把传感器与数据中心连在一起，其系统安装、维修

图12 网壳节点焊缝工作状态监测点分布图

图13加速度传感器位置分布图工作量大、成本高，并且传输线对客站室内装修影响较大。无线传输系统由传感器、信号处理单元和控制单元组成，直接在传感器之间、传感器与控制中心之间通信。其对现场无线发射设备和强电磁环境的屏蔽要求高，信号有一定的干扰和衰减。该工程拟采用有线传感系统，在站房内设1间监测数据机房。

4.2.3 结构的安全评价与预警系统

按照能够保证结构有足够的安全度，能够满足可能承受的外部荷载、作用，具有良好的工作性能与耐久性能，在偶然作用下能够保证结构必要的整体稳定性能等原则，该客站确定了网壳结构周围风速统计分析模块、温度场分析模块、结构振动分析模块、网壳位移和支座沉降分析模块、支座位移分析模块、关键结构构件应力/应变分析模块、节点焊缝工作状态监测模块和结构整体安全状态分析模块共8个子系统的安全评价与预警系统，对网壳结构温度、变形、支座位移和构件应力、应变、加速度等信息进行分析，并对结构的有限元模型进行修正和结构损伤判识、安全评估。

网壳结构在结构监测过程中，通过计算机分析模块对可能威胁到结构运营安全和正常使用状态的可变荷载及构件内力、变形、振动等监测数据进行预警，提醒管理人员关注结构的运营与安全状况。该客站支座位移预警值为90%容许位移，结构变形预警值为网壳结构短向跨度的1/400，杆件应力的预警值为90%材料容许应力，并设黄色、红色两级预警系统。其中当结构监测温度、位移支座侧向与沉降位移、网壳结构位移和构件应力、应变、加速度等数据发生异常波动，预示结构可能发生局部损伤时，给出黄色预警，提示客站管理与技术人员要组织专家深入现场，认真分析监测数据，查找安全隐患，并制定维修或更换方案；当结构监测温度、位移支座侧向与沉降位移、网壳结构位移和构件应力、应变、加速度等数据接近保证结构安全使用的极限值时，预示结构可能已发生严重损伤，给出红色预警，提示客站管理者立即进行人员疏散，通过相关人员进行结构安全检查和评估。

5 使用维护方案建议

一般铁路客站的使用单位为车站站段，维修归铁路局房建段下属车间或工区管理。由于该工程维修部门人员介入较晚，对客站健康监测体系了解程度不够，需要制定用户维修手册。其主要内容应包括工程概述、健康监测的技术理念、监测组织机构、人员和设备与零状态初检、日常监测与软件的操作指南、报警与特殊事件的管理与处置、数据的累积与深度分析等内容，并对结构可能出现风险点的防范，主要传感器及传输、分析设备的保护、维修、更换，以及特殊情况的应急处理程序与处置方案等方面，提出建议。

6 结论

1）对大型综合枢纽的铁路客站，应对其结构安全与正常使用状态进行健康监测。首先要进行结构风险点判识，据此制定相应的监测内容与监测方案。

2）客站的健康监测方案，要考虑结构的各种最不利荷载工况、结构的内力、变形特性，主要构件、关键节点的加工、运输、吊装与卸载方案及现场的施工条件，合理确定传感器与传输设备的设置数量、埋设方式与施工保护、维护保养、更换等监测方案。由于现场施工条件复杂，传感器成活率不高，并可能有初始误差，故传感器的设置要能够充分反映结构的实际受力与变形状态，重点布置在结构最不利位置，对传感器要进行初始校核，数量要有一定的储备；同时要充分利用结构的对称性，尽可能控制同类构件、节点传感器的数量。

3）铁路客站健康监测的安全评价与预警系统，要结合具体工程特点，能够保证结构的运营安全、正常使用与异常事故的应急处理。

4）铁路客站健康监测维护手册，要通俗易懂，有较强的可操作性。

[1]韩志伟.铁路客站大型复杂结构健康监测研究与思考[J].铁道经济研究,2011(6):28-32

[2]李京.关于建立铁路客站安全评价体系的研究与思考[J].铁道经济研究，2011(6):33-37,41

[3]姜绍飞，吴兆旗.结构健康监测与智能信息处理技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2011

[4]张涛，马谨.贝壳状骨架膜结构设计[J].建筑结构，2011（8）（第41卷增刊）：64-68

（责任编辑：魏艳红）

In recentyears,some new railway stations have novelshape,complicated structure,difficultconstruction and highstandard maintenance requirements.Based on an example ofa conchoidalskeleton membrane roofsteelreticulated shellstructure building project,this article points outthe necessity of roofsteelstructure health monitoring.Focus on the risk judgment, health monitoring contentand plan ofrailway station structure,the suggestionson maintenance scheme are proposed.To ensure the safety ofnormaluse,maintenance,managementand therisk judgment,repairunderabnormalsituations,some necessary basisand referenceareprovided.

railway;station;shell;steelstructure;health monitoring

A

1004-9746（2014）05-0026-06

0 引言

2014-09-20）

随着国民经济的发展和建筑材料、建造工艺与建筑技术的创新进步，近年来呈现出许多体型新颖、结构复杂及大跨、超高的工业与民用建筑、公共建筑、桥梁结构和特种结构。由于这类结构所承受的活荷载、风荷载、雪荷载、温度作用等可变荷载及地震、爆炸、撞击等偶然作用比较复杂，同时受工作环境、材料老化腐蚀、施工安装误差、维护措施不当等因素的影响，近年来发生了如1999年重庆綦江彩虹桥坍塌、2011年四川省宜宾市南门大桥的4对钢吊杆突然断裂[1]与巴黎戴高乐机场航站楼坍塌、美国明尼阿波利斯体育场屋顶垮塌等不少工程事故[2]。为了保证这类结构的安全，在总结过去经验的基础上，采用有效的检测手段，检测其服役期的安全状况，建立全寿命期的健康监测体系，已成为国内外建设者和工程界共同关注的课题。

结构健康监测系统是指通过对结构的物理力学性能进行无损检测，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、耐久性和承载力进行评估，为结构在突发事件和使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导[3]。结构健康监测体系涉及建筑、结构、计算机、通信、信息、传感器和材料等学科，在下述各方面具有重要的意义：对结构实现实时或准实时的损伤检测，对结构出现的损伤进行定性、定位和定量分析，防患于未然；对检测的损伤原因分析，提出维护建议；对新建工程结构使用前进行安全验证测试；对结构突发事件后进行寿命评估；提高建设、设计、施工人员对大型复杂结构的认识；为类似工程的建设、设计、施工提供经验等。