济南西站大跨度钢结构风雨棚监测技术探讨

张兆岭

【摘 要】本文就如何充分把握大跨度钢结构风雨棚空间结构的受荷与受力特点，实时把握大跨度空间结构的安全性，对其关键部位的温度、应力、位移、振动等参数进行实时监测进行了探讨。通过实施监测技术，可大幅提高工程结构在列车运营期间的安全可靠性，当出现危险时能及时发出警告，避免灾难发生，为类似工程的结构维护提供借鉴。

【关键词】跨度钢结构；风雨棚；结构健康；监测

1 工程概况

济南西站，京沪高速铁路济南局管辖范围内站点之一。人性化的设计是济南西站一大特色，设计日发送旅客10万人次，2030年日均达到30万人次。2011年7月1日正式投入使用。主要建筑包括主站房、高架候车厅、地下通廊及无站台柱雨棚等。其中，无柱风雨棚面积6.5万平方米。

济南西站风雨棚为无站台柱大跨度钢结构，工程分南北两部分（Ⅱ—1至Ⅱ—8轴和Ⅱ—15至Ⅱ—22轴）。雨棚主体结构由两跨钢架组成，共32榀。钢架柱为钢管混凝土柱，钢架梁为张弦梁结构，两端铰接在柱顶。风雨棚大跨张弦梁，跨度有46.5米、43.0米、42.85米等几种，上弦为拱形H型钢焊接的平放桁架结构。46.5米跨的两根上弦杆为900×360×14×25的焊接H型钢，拉索为φ5×283钢丝束；43.0米和42.85米跨的两根上弦杆为900×360×14×26的焊接H型钢，拉索为φ5×253钢丝束。上弦两根弦杆之间有焊接H型钢水平系杆连接，与两根上弦杆共同组成弧形平面桁架。立柱为φ700×30和φ700×24的钢管混凝土柱，柱高14.02—18.12米（有14.02、14.52、15.12、15.94、16.54、17.52、18.12米七种柱高）。屋盖檩条沿纵向雨棚在Ⅱ—5轴南侧和Ⅱ—8轴北侧各设一条变形缝。

雨棚基础主要采用钢筋混凝土柱下独立基础。在Ⅱ—A轴南北两端各两个柱基础采用钻孔灌注桩基础。

本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，建筑物抗震设防分类为丙类建筑，地基基础的设计等级为乙级。抗震设防烈度为6度（第二组），设计基本地震加速度值为0.0757g；场地类别为Ⅲ类。设计基本风压值为0.45kN/m2，地面粗糙度B类；基本雪压为0.30kN/m2；土壤冻结深度为0.50m。

1.1 大跨度空间结构健康安全监测现状

进入21 世纪后，随着社会发展的需要，人们对体育馆、展览馆、航空港、机库等大跨度空间结构的需求不断增长，推动了空间结构的迅猛发展，空间结构体系的类型也在逐渐趋向多样化，相应的设计理论及施工技术均有了不同程度的提高。但由于空间结构的复杂性，其安全问题仍尤为重要。

大跨度空间结构健康监测根据监测的阶段不同，可分为施工阶段监测和运营阶段监测，施工阶段主要监测环境温度、重要构件的应变、脚手架或承重构件的应变、构件变形、基础沉降、焊缝、混凝土强度等等；运营期间主要监测环境温度和湿度、重要构件的应力及变形、结构局部或整体振动、风速等。

深圳市市民中心是迄今为止我国国内最大的空间网架结构，同时也是较早应用健康安全监测系统的大跨度空间结构，用以监测结构在长期温度荷载、风荷载等荷载作用下的工作状态并对其进行损伤评估；近年来，国家体育场（鸟巢）、国家游泳中心（水立方）、国家体育馆、北京2008 奥运篮球馆、北京2008 奥运羽毛球馆等建筑也相继建立了离线或在线的结构健康监测系统。

由此可以看出，虽然目前国内外对结构健康监测展开了广泛深入的研究，但针对大跨度空间结构健康监测的研究还相对较少。

1.2 大跨度风雨棚监测内容

基于济南西站大跨无站台柱张弦梁钢架结构已投入使用，且施工时未设置内力、张弦梁竖向变形、钢管混凝土柱横向变形及地基不均匀沉降等结构监测内容，本项目主要研究开敞式大跨度钢结构风雨棚在正常使用过程中与风荷载、动车通行气流、积雪荷载、及风振影响下的杆件内力变化、结构的变形（张弦梁竖向变形、钢管混凝土柱横向变形）及结构的振动情况，以准确、及时掌握风雨棚结构主体的工作状态，并根据计算分析确定各项监测项目的报警值，一旦上述监测项目的变化量超过预设报警值，监测系统能够及时发出报警信息。具体研究内容如下：

1）利用数字式应变计监测张弦梁两个竖向撑杆的内力变化，利用竖向撑杆的内力变化可以推算出下弦预应力拉索的内力变化情况及规律，掌握其工作状态；

2）利用数字式激光位移传感器监测张弦梁结构支座处、下弦撑杆处、两个上弦H型钢跨中的竖向位移变化，取得整垮张弦梁结构的竖向变化情况及规律，以了解整垮张弦梁结构的总体工作性能；

3）利用数字式双轴倾角仪监测钢管混凝土柱的整体倾斜，取得柱子的倾斜方向、倾斜角度等有关数据，掌握钢管混凝土柱的总体工作性能；

4）利用拾振器监测张弦梁结构的整体振動周期、最大振幅、振动加速度等参数，了解风雨棚结构在各种动荷载影响下的振动规律；

5）利用数字式风速仪，观测并同步记录不同时刻的最大风速及风向，结合应力监测、位移监测、倾角监测、振动监测数据，以明确风速、风向对风雨棚结构的各种影响程度及影响规律；同时也可以为该类结构的抗风设计与分析提供借鉴。

2 监测技术的实施

在济南西站风雨棚II-18轴上II-K～II-M跨张弦梁上安装监测设备、布设线路构建张弦梁健康监测系统，实时采集数据。安装的设备包括用于应变监测的数字式应变计20个，用于位移（挠度）监测的数字式激光位移传感器6个，用于温度监测的温度传感器5个，用于震动监测的拾振器3个，用于立柱倾角监测的数字式双轴倾角仪2个，用于风速风向监测的数字式风速风向仪1个以及视频监控设备1套。

根据安装位置不同共分为雨棚内部及跨中监测设备安装；雨棚立柱、底部等雨棚外围监测设备安装；相关线路的布设等三部分。

2.1 布设线路构建监测系统

2.1.1 雨棚内部健康监测设备线路布设

监测所需设备均采用屏蔽线进行电源及信号的传输，不再另行布设电源线。雨棚内各检测设备基本可分为支座2处、撑杆2处、跨中1处五个位置，分别在五个位置安装数据采集传输截面端。五处采集传输截面端汇总于17站台柱顶，再从柱顶同其他设备的数据线沿柱引下。

2.1.2 雨棚视频监控设备线路布设

监控设备分别在16到17站台、14到15站台之间18轴吊顶下方标示牌立杆上，它们的电源线和数据光纤套pvc管沿着立杆进入顶棚，沿结构钢梁到17站台柱顶，再从柱顶同其他设备的数据线沿柱引下。

2.1.3 雨棚柱顶至系统主机间线路的布设

雨棚内钢结构健康监测设备屏蔽线、视频监控设备电源线和数据光纤汇总后，沿17道外侧立柱穿镀锌钢管引下，采用扁钢抱箍固定于立柱，再沿出租车通道顶棚布设至西出站口外墙进入吊顶板，沿吊顶板内部进入检修工区办公室，连接于系统主机上。

3 结束语

通过对大跨度钢结构风雨棚安装健康监测系统的研究，对风雨棚结构在各种情况下的内力进行有限元分析，结合实测结果判定风雨棚结构的工作状态，确定合理的报警参数，避免事故或灾难的发生，为高速铁路的正常运营保驾护航，并为同类结构的健康监测提供参考。

【参考文献】

[1]蓝天.中国空间结构六十年[J].建筑结构，2009，39（9）：1-4.

[2]李娜.空间结构几何形态研究与实现[J].浙江大学，2009：1-13.

[3]董石麟.空间结构的发展历史、创新、形式分类与实践应用[J].空间结构，2009， 15（3）：1-22.

[责任编辑：田吉捷]