濟南西站大跨度鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)雨棚監(jiān)測技術(shù)探討

張兆嶺

【摘 要】本文就如何充分把握大跨度鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)雨棚空間結(jié)構(gòu)的受荷與受力特點，實時把握大跨度空間結(jié)構(gòu)的安全性，對其關(guān)鍵部位的溫度、應(yīng)力、位移、振動等參數(shù)進行實時監(jiān)測進行了探討。通過實施監(jiān)測技術(shù)，可大幅提高工程結(jié)構(gòu)在列車運營期間的安全可靠性，當(dāng)出現(xiàn)危險時能及時發(fā)出警告，避免災(zāi)難發(fā)生，為類似工程的結(jié)構(gòu)維護提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】跨度鋼結(jié)構(gòu)；風(fēng)雨棚；結(jié)構(gòu)健康；監(jiān)測

1 工程概況

濟南西站，京滬高速鐵路濟南局管轄范圍內(nèi)站點之一。人性化的設(shè)計是濟南西站一大特色，設(shè)計日發(fā)送旅客10萬人次，2030年日均達到30萬人次。2011年7月1日正式投入使用。主要建筑包括主站房、高架候車廳、地下通廊及無站臺柱雨棚等。其中，無柱風(fēng)雨棚面積6.5萬平方米。

濟南西站風(fēng)雨棚為無站臺柱大跨度鋼結(jié)構(gòu)，工程分南北兩部分（Ⅱ—1至Ⅱ—8軸和Ⅱ—15至Ⅱ—22軸）。雨棚主體結(jié)構(gòu)由兩跨鋼架組成，共32榀。鋼架柱為鋼管混凝土柱，鋼架梁為張弦梁結(jié)構(gòu)，兩端鉸接在柱頂。風(fēng)雨棚大跨張弦梁，跨度有46.5米、43.0米、42.85米等幾種，上弦為拱形H型鋼焊接的平放桁架結(jié)構(gòu)。46.5米跨的兩根上弦桿為900×360×14×25的焊接H型鋼，拉索為φ5×283鋼絲束；43.0米和42.85米跨的兩根上弦桿為900×360×14×26的焊接H型鋼，拉索為φ5×253鋼絲束。上弦兩根弦桿之間有焊接H型鋼水平系桿連接，與兩根上弦桿共同組成弧形平面桁架。立柱為φ700×30和φ700×24的鋼管混凝土柱，柱高14.02—18.12米（有14.02、14.52、15.12、15.94、16.54、17.52、18.12米七種柱高）。屋蓋檁條沿縱向雨棚在Ⅱ—5軸南側(cè)和Ⅱ—8軸北側(cè)各設(shè)一條變形縫。

雨棚基礎(chǔ)主要采用鋼筋混凝土柱下獨立基礎(chǔ)。在Ⅱ—A軸南北兩端各兩個柱基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑物抗震設(shè)防分類為丙類建筑，地基基礎(chǔ)的設(shè)計等級為乙級。抗震設(shè)防烈度為6度（第二組），設(shè)計基本地震加速度值為0.0757g；場地類別為Ⅲ類。設(shè)計基本風(fēng)壓值為0.45kN/m2，地面粗糙度B類；基本雪壓為0.30kN/m2；土壤凍結(jié)深度為0.50m。

1.1 大跨度空間結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測現(xiàn)狀

進入21 世紀(jì)后，隨著社會發(fā)展的需要，人們對體育館、展覽館、航空港、機庫等大跨度空間結(jié)構(gòu)的需求不斷增長，推動了空間結(jié)構(gòu)的迅猛發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)體系的類型也在逐漸趨向多樣化，相應(yīng)的設(shè)計理論及施工技術(shù)均有了不同程度的提高。但由于空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其安全問題仍尤為重要。

大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測根據(jù)監(jiān)測的階段不同，可分為施工階段監(jiān)測和運營階段監(jiān)測，施工階段主要監(jiān)測環(huán)境溫度、重要構(gòu)件的應(yīng)變、腳手架或承重構(gòu)件的應(yīng)變、構(gòu)件變形、基礎(chǔ)沉降、焊縫、混凝土強度等等；運營期間主要監(jiān)測環(huán)境溫度和濕度、重要構(gòu)件的應(yīng)力及變形、結(jié)構(gòu)局部或整體振動、風(fēng)速等。

深圳市市民中心是迄今為止我國國內(nèi)最大的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時也是較早應(yīng)用健康安全監(jiān)測系統(tǒng)的大跨度空間結(jié)構(gòu)，用以監(jiān)測結(jié)構(gòu)在長期溫度荷載、風(fēng)荷載等荷載作用下的工作狀態(tài)并對其進行損傷評估；近年來，國家體育場（鳥巢）、國家游泳中心（水立方）、國家體育館、北京2008 奧運籃球館、北京2008 奧運羽毛球館等建筑也相繼建立了離線或在線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

由此可以看出，雖然目前國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測展開了廣泛深入的研究，但針對大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究還相對較少。

1.2 大跨度風(fēng)雨棚監(jiān)測內(nèi)容

基于濟南西站大跨無站臺柱張弦梁鋼架結(jié)構(gòu)已投入使用，且施工時未設(shè)置內(nèi)力、張弦梁豎向變形、鋼管混凝土柱橫向變形及地基不均勻沉降等結(jié)構(gòu)監(jiān)測內(nèi)容，本項目主要研究開敞式大跨度鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)雨棚在正常使用過程中與風(fēng)荷載、動車通行氣流、積雪荷載、及風(fēng)振影響下的桿件內(nèi)力變化、結(jié)構(gòu)的變形（張弦梁豎向變形、鋼管混凝土柱橫向變形）及結(jié)構(gòu)的振動情況，以準(zhǔn)確、及時掌握風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)主體的工作狀態(tài)，并根據(jù)計算分析確定各項監(jiān)測項目的報警值，一旦上述監(jiān)測項目的變化量超過預(yù)設(shè)報警值，監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時發(fā)出報警信息。具體研究內(nèi)容如下：

1）利用數(shù)字式應(yīng)變計監(jiān)測張弦梁兩個豎向撐桿的內(nèi)力變化，利用豎向撐桿的內(nèi)力變化可以推算出下弦預(yù)應(yīng)力拉索的內(nèi)力變化情況及規(guī)律，掌握其工作狀態(tài)；

2）利用數(shù)字式激光位移傳感器監(jiān)測張弦梁結(jié)構(gòu)支座處、下弦撐桿處、兩個上弦H型鋼跨中的豎向位移變化，取得整垮張弦梁結(jié)構(gòu)的豎向變化情況及規(guī)律，以了解整垮張弦梁結(jié)構(gòu)的總體工作性能；

3）利用數(shù)字式雙軸傾角儀監(jiān)測鋼管混凝土柱的整體傾斜，取得柱子的傾斜方向、傾斜角度等有關(guān)數(shù)據(jù)，掌握鋼管混凝土柱的總體工作性能；

4）利用拾振器監(jiān)測張弦梁結(jié)構(gòu)的整體振動周期、最大振幅、振動加速度等參數(shù)，了解風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)在各種動荷載影響下的振動規(guī)律；

5）利用數(shù)字式風(fēng)速儀，觀測并同步記錄不同時刻的最大風(fēng)速及風(fēng)向，結(jié)合應(yīng)力監(jiān)測、位移監(jiān)測、傾角監(jiān)測、振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，以明確風(fēng)速、風(fēng)向?qū)︼L(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)的各種影響程度及影響規(guī)律；同時也可以為該類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計與分析提供借鑒。

2 監(jiān)測技術(shù)的實施

在濟南西站風(fēng)雨棚II-18軸上II-K～II-M跨張弦梁上安裝監(jiān)測設(shè)備、布設(shè)線路構(gòu)建張弦梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集數(shù)據(jù)。安裝的設(shè)備包括用于應(yīng)變監(jiān)測的數(shù)字式應(yīng)變計20個，用于位移（撓度）監(jiān)測的數(shù)字式激光位移傳感器6個，用于溫度監(jiān)測的溫度傳感器5個，用于震動監(jiān)測的拾振器3個，用于立柱傾角監(jiān)測的數(shù)字式雙軸傾角儀2個，用于風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測的數(shù)字式風(fēng)速風(fēng)向儀1個以及視頻監(jiān)控設(shè)備1套。

根據(jù)安裝位置不同共分為雨棚內(nèi)部及跨中監(jiān)測設(shè)備安裝；雨棚立柱、底部等雨棚外圍監(jiān)測設(shè)備安裝；相關(guān)線路的布設(shè)等三部分。

2.1 布設(shè)線路構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.1 雨棚內(nèi)部健康監(jiān)測設(shè)備線路布設(shè)

監(jiān)測所需設(shè)備均采用屏蔽線進行電源及信號的傳輸，不再另行布設(shè)電源線。雨棚內(nèi)各檢測設(shè)備基本可分為支座2處、撐桿2處、跨中1處五個位置，分別在五個位置安裝數(shù)據(jù)采集傳輸截面端。五處采集傳輸截面端匯總于17站臺柱頂，再從柱頂同其他設(shè)備的數(shù)據(jù)線沿柱引下。

2.1.2 雨棚視頻監(jiān)控設(shè)備線路布設(shè)

監(jiān)控設(shè)備分別在16到17站臺、14到15站臺之間18軸吊頂下方標(biāo)示牌立桿上，它們的電源線和數(shù)據(jù)光纖套pvc管沿著立桿進入頂棚，沿結(jié)構(gòu)鋼梁到17站臺柱頂，再從柱頂同其他設(shè)備的數(shù)據(jù)線沿柱引下。

2.1.3 雨棚柱頂至系統(tǒng)主機間線路的布設(shè)

雨棚內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)備屏蔽線、視頻監(jiān)控設(shè)備電源線和數(shù)據(jù)光纖匯總后，沿17道外側(cè)立柱穿鍍鋅鋼管引下，采用扁鋼抱箍固定于立柱，再沿出租車通道頂棚布設(shè)至西出站口外墻進入吊頂板，沿吊頂板內(nèi)部進入檢修工區(qū)辦公室，連接于系統(tǒng)主機上。

3 結(jié)束語

通過對大跨度鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)雨棚安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究，對風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)在各種情況下的內(nèi)力進行有限元分析，結(jié)合實測結(jié)果判定風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，確定合理的報警參數(shù)，避免事故或災(zāi)難的發(fā)生，為高速鐵路的正常運營保駕護航，并為同類結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測提供參考。

【參考文獻】

[1]藍(lán)天.中國空間結(jié)構(gòu)六十年[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（9）：1-4.

[2]李娜.空間結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)研究與實現(xiàn)[J].浙江大學(xué)，2009：1-13.

[3]董石麟.空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史、創(chuàng)新、形式分類與實踐應(yīng)用[J].空間結(jié)構(gòu)，2009， 15（3）：1-22.

[責(zé)任編輯：田吉捷]