北京环球影城异形钢结构地铁车站监测分析*

刘魁刚，叶新丰，朱 拓，龚洁英，吴丽丽

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068；3.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；4.城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室，北京 100101)

0 引言

随着城市的发展和人民文化生活水平的提高，大型游乐场开始进入城市周边，游乐场内设轨道交通可极大地方便人民出行。为匹配周边游乐场风格，地铁车站采用钢结构更利于车站外观多样性设计和景观设计。钢结构施工过程复杂、易变形、受力转换多，设计和施工不当会导致钢结构工程事故,造成重大经济损失。因此, 对于复杂的钢结构工程，有必要通过工程优化设计、信息化施工与现场监测分析等措施来解决工程中复杂的技术问题, 保障钢结构安全。本文结合北京首座钢结构地铁环球影城站工程, 介绍钢结构工程的设计、施工和监测，并对主要监测结果进行详细分析。

1 工程概况

北京地铁7号线环球影城站位于通州区梨园镇、张家湾镇、台湖镇三镇交汇处，是国内首座位于大型主题公园内部的地铁车站，同时也是国内首座地景式地铁车站、国内首座屋盖钢结构采用种植屋面的交通建筑。车站为双岛型站台，总长304m，标准段宽60.7m，双层高14.4m，单层段高8.15m，底板埋深15.344～15.877m。车站公共区采用四柱五跨结构形式，为匹配环球影城公园的景观效果，中间跨设钢结构屋盖，钢结构长200m、宽78.2m。

钢结构屋盖采用单层空间结构体系，主要水平受力构件为箱形截面及H型钢组成的空间曲面结构，水平抗侧力构件主要包括8根伞状柱、东西两侧各布置的3根摇摆柱、北侧的6根幕墙抗风柱，在伞状柱和摇摆柱间设置水平支撑，以增强结构的平面稳定性。中板标高处用水平撑杆将伞状柱与中板劲性侧接，以增强伞状柱的侧向稳定性。车站中部为站房，西侧起大拱，东侧起小拱。屋盖上依次设置混凝土板、绿植，钢结构屋盖整体如图1所示。

图1 钢结构屋盖整体示意

2 钢结构施工阶段模拟分析

2.1 有限元模型建立

考虑到钢结构与混凝土结构在站厅层通过水平支撑杆连接，采用有限元软件Midas Gen对屋盖整体进行建模与分析，有限元模型如图2所示。

图2 钢结构屋盖有限元空间模型

2.2 施工过程模拟

车站钢结构施工阶段主要包括安装伞状柱→安装桁架，设置临时支撑架→安装伞状柱间钢梁→安装外侧悬挑钢梁→安装混凝土板→种植植被。

根据本工程钢结构平面布置特点，现场施工总体拟划分为西部、东部、中部3大施工区域；根据结构受力特点、土建结构、平面布置特点及现场施工条件等因素，拟在结构分段位置设置临时支撑架，共105根；平面桁架采用散件原位安装。

具体屋盖施工主要阶段模拟如下。

1)屋面钢梁分段 安装西部区屋面钢梁→安装东部区屋面钢梁→安装中部区屋面钢梁(即合龙)→安装悬挑端钢结构。

2)临时支架拆除，即卸载。

3)屋面轻型混凝土施工。

4)屋面绿植种植。

2.3 模拟结果分析

主要施工过程各阶段模拟结果如表1所示。

由表1可知，屋盖钢结构在绿植加载完成后最大竖向位移为104.9mm，左、右两侧较平区域在恒荷载作用下最大竖向位移为59.9mm。

表1 屋盖在各施工阶段竖向变形模拟结果 mm

3 钢结构自动化监测系统

环球影城站单层高度大，监测范围广，测点布设作业难；测点布置工作需与施工作业同步进行，布设时逢严冬、大风、雾霾等恶劣极端天气，测点布置条件差，增加了监测工作难度。为此研究了一套集变形、应力于一体的无线传输自动化监测系统。

无线传输自动化监测系统由全站仪自动扫描、传感器、数据采集与无线传输、数据处理与分析4个子系统组成(见图3)，各子系统的功能如下。

图3 自动化监测系统架构

1)全站仪自动扫描子系统 根据监测内容，在位移监测部位设置小棱镜，通过全站仪自动扫描，获得目标点坐标，计算得到变形值。

2)传感器子系统 根据监测内容，在应力监测部位设置振弦式应变计，用于获取钢结构构件的应力信息。

3)数据采集与无线传输子系统 采集全站仪自动扫描和应力传感器传输的信息，通过局部有线传至各基站(见图4)，然后对模拟信号进行调整、处理，转换为数字信号，再通过GPRS/4G无线通信，将数据传输至数据处理与分析子系统。

图4 现场监测基站位置示意

4)数据处理与分析子系统 处理、分析传输来的数字信号，加工得到所需的图表，存入数据库，同时根据设计好的控制值及过程预警、报警值进行自动预警并报送。

4 监测项目及测点优化布置

为确保结构安全性，对钢结构施工过程中的屋盖箱形梁、伞状柱、水平杆等关键部位的变形和应力、应变进行实时监测，以便根据监测数据动态指导施工。

4.1 竖向位移监测

1)屋盖竖向位移 结合现场施工情况确定位移测点，选取站房中心、东侧小拱、东侧20m跨、东侧边缘、西侧大拱、西侧20m跨、西侧边缘7个主测断面，共布设25个测点，如图5所示。图中，应力、应变测点编号：A1-1表示测点A1在上表面布置测点，A1-2表示测点A1在下表面布置测点，A1-3和A1-4表示测点A1分别在左、右表面布置测点。

图5 屋盖监测点位置示意

2)伞状柱竖向变形 伞状柱为主要承重构件，每根伞状柱选取3根弧形箱形主杆，共布设24个监测点，如图6所示。图中，应力、应变测点编号：C1-1表示测点C1在上表面布置测点，C1-2表示测点C1在下表面布置测点，C1-3和C1-4表示测点C1分别在左、右表面布置测点。

图6 伞状柱监测点位置示意

4.2 应力监测

1)屋盖箱形梁应力监测 选取8根伞状柱、6根摇摆柱、与摇摆柱同轴的2根抗风柱及站房中心、西侧大拱中心、东侧小拱中心对应的屋盖主桁架进行分析。在典型桁架节点的上、下、侧表面分别布设应力测点，共计63个(见图5)。

2)伞状柱应力监测 选取各伞状柱不同位置共16个弧形箱形主杆进行分析。在其上、下、左、右表面布设应力监测点，共计64个(见图6)。

3)水平杆应力监测 在各伞状柱的1根水平杆布设1个水平杆应力监测点，共布设8个。

5 监测成果及分析

5.1 屋盖箱形梁竖向位移监测

监测成果显示，屋盖变形最大值位于站房中心位置B1-13测点，沉降量为103.2mm，模拟结果为最大变形位置与监测结果相同，沉降值为104.9mm，二者相符；变形最小值位于结构边缘B1-25，沉降量为7.2mm。

站房中心向两侧对称位置变形规律一致，站房中心以东屋盖在合龙阶段变形较小，卸载阶段产生一定量沉降，混凝土板浇筑施工和绿植种植施工发生较大变形。以B1-13测点为例，合龙阶段沉降6.1mm，卸载阶段沉降27.1mm，混凝土板浇筑施工沉降35.5mm，绿植种植施工沉降61.2mm。

对屋盖站房中心、东侧小拱、东侧20m跨、西侧大拱、西侧20m跨所处断面上的主要测点进行实测值与模拟值对比，如表2所示，可得到屋盖监测变形值与模拟变形值基本一致。

表2 屋盖在各施工阶段竖向变形实测与模拟值对比 mm

5.2 伞状柱变形监测

伞状柱竖向位移变形监测与分析和屋盖类似，结果表明，合龙阶段变形较小，卸载和混凝土板浇筑施工发生一定变形，屋面绿植种植施工竖向发生较大变形。以B1-8-3测点为例，合龙阶段沉降0.6mm，卸载阶段沉降3.7mm，混凝土板浇筑施工沉降3.4mm，绿植种植施工沉降13.8mm。

纵截面1～4号伞状柱最终竖向位移分别为-18.6，-21.8，-20.4，-17.5mm，5～8号伞状柱最终竖向位移分别为-21.0,-24.2，-23.7，-21.2mm。每个纵向断面中部伞状柱沉降较两侧伞状柱更明显，且位于屋面绿植种植区域下方的5～8号伞状柱较玻璃屋面下方的1～4号伞状柱变形大。

5.3 应力变形监测

选取同一构件不同表面的3个应力测点进行分析，如图7所示。

由图7可知，卸载完成后，应力逐渐增大，最大值出现在混凝土板浇筑期间，构件下表面受压较明显，安装完成后构件各表面应力变化幅度减小。

图7 应力监测时程曲线

6 结语

对环球影城屋盖结构施工过程的监测结果表明，集变形、应力于一体的无线传输自动化监测系统具有较强的可靠性，且抗干扰能力较强，灵敏度较高，获得的监测数据可较好地反映钢结构施工过程中的变形和应力、应变情况。

施工过程中模拟值与实测值变形较一致，伴随加载过程，各部位测点产生明显沉降，中部伞状柱沉降较两侧伞状柱更显著，且种植区域伞状柱沉降较玻璃屋面采光区域伞状柱变形更大。