大型鐵路站房結構健康監測研究現狀與建議

劉倩 王喆 夏夢穎

摘要：近年來，我國的交通行業有了很大進展，鐵路工程建設越來越多。鐵路站房作為大型公共建筑，具有結構體系復雜、人流高度密集、使用年限長等特點，一旦結構失效，將會造成嚴重的社會影響。為了有效監測站房結構的健康狀況，及時發現站房結構的損傷，最大程度地保障鐵路站房的結構安全，有必要對鐵路站房結構進行健康監測。結合大型鐵路站房的工程案例，總結大型鐵路站房的組成和結構特點，介紹站房健康監測系統的組成，考慮施工和運營兩個階段，從屋面層、無柱雨棚和承軌層3個部分，分析大型鐵路站房主要的監測對象和監測內容，并指出健康監測在鐵路站房結構的應用中有待解決的問題，以期促進健康監測在大型鐵路站房結構上的發展。

關鍵詞：鐵路站房;健康監測;結構安全;施工階段;運營階段

最近幾年，我國在鐵路方面的發展極快，對于鐵路站場的建設有了進一步的要求，與傳統的技術對比，BIM于鐵路站場的建設當中存在顯著優勢，能針對鐵路站場的建設達到全周期的管理要求。現階段，BIM已于歐美和日本等部分國家的工程當中獲得了顯著的效果，在我國鐵路的建設當中，也逐漸開始在站場的建設當中應用BIM的技術來提高整體建造的水準。

1站房結構的組成

由于建筑功能的需要，大型站房結構由主體結構和無柱雨棚組成。主體結構按標高從下往上依次是地鐵層、出站層、承軌層、高架層（含夾層）、屋面層。其中，承軌層、屋面層和無柱雨棚是站房結構健康監測的主要部分。為了適應承軌層跨越出站層和地鐵層，同時又能支撐高架層和屋面層，大型鐵路站房多采用“橋建合一”結構體系，橋梁結構和建筑結構的結合，是一種“列車-橋梁-站房”一體化站房結構形式，可以縮短進出站流線、節約建筑用地，具有柱網布置靈活、結構整體性較好等特點。按兩種結構主次類型不同，“橋建合一”結構體系可分為兩類。第1類結構形式是以橋梁結構為主，先形成橋梁結構，再在橋梁結構上布置站廳、站臺、雨棚等建筑結構。第2類結構形式是以建筑結構為主，以建筑構件取代橋梁構件來直接承受上部結構的荷載，將承軌層的承軌梁作為建筑的一部分，支撐于建筑結構上，以承受列車荷載。

2站房運營過程存在的問題

（1）“橋建合一”的鐵路站房，雖然在國內已經有了一些實踐，但仍然是新的形式，其不是單一地把橋梁與框架結構進行疊加。要在研究橋梁與大跨結構特征的基礎上，借助于對不同結構措施的分析，選擇符合具體工程要求的形式。（2）“橋建合一”的鐵路站房結構，是跨學科的形式。由于荷載與結構形式的差異，橋梁的結構標準、站房結構規范與其不是完美結合的。此外，從現階段的設計方案來說，針對“梁橋式”乘軌層的鐵路站房，要由不同專業的工程師去完成。（3）高鐵的運行，為“橋建合一”的鐵路站房結構帶來了相應的振動，而振動帶來的影響不容忽視，關系到列車運行速度、車輛的總體重量、軌道的特點、橋梁的支座形式、鐵路站房的類型等方面。（4）“橋建合一”的鐵路站房，既不是單一的橋梁結構，也不是單一的建筑結構，它的設計中，要結合列車運行和建筑這兩個不同角色的一些特性。

3站房的健康監測

3.1系統組成

站房結構的健康監測是指在工程結構施工或運營階段，利用現場無損的檢測技術，測定結構關鍵性能指標，獲取結構內部信息并處理數據，通過分析結構系統特性，評估結構因損傷或退化而導致的主要性能指標的改變，以監測結構健康狀態的變化，判斷結構是否安全。站房健康監測系統包括傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據管理與控制子系統和數據分析與安全預警子系統，其中，傳感器子系統為系統硬件部分，是健康監測系統中最基礎的子系統。它通過埋入在結構內部或者粘貼在結構表面的多種傳感器，以實時監測站房結構的作用、效應及損傷信息，并將待測的物理量以數字信號形式輸出。數據采集與傳輸子系統應對接口的匹配性和軟件的功能性進行設計，明確合理的監測數據傳輸方案，軟件能實現自動采集與傳輸數據，并可進行人工干預采集與采集參數調整。

3.2鋼拱薄弱立柱應力監測

由于立柱屬于受壓桿件，且內力較大，在極端荷載條件下容易發生失穩。立柱失穩可能導致結構的局部破壞甚至整體結構坍塌，應對關鍵部位的立柱的進行應力實時監測，以保證運營安全。鋼拱墻邊緣處的立柱長細比較大，在極端荷載條件下更容易發生失穩破壞，因此應對此類桿件的應力進行實時監測。

3.3施工放樣和精確的計算出工程量

在施工以前，相關的技術工作者可應用BIM的模型精確開展模擬放樣的作業，如此便能提前對各類設施等擺放位置加以規劃。能在一定的程度上提升工作的效率，提前發現施工中存在的問題且對施工的工藝加以優化。應用BIM的模型能自動的項目工程的量計算出來。經BIM能計算出工程量與提取出工程的清單，如此便能使相關的技術工作者快速了解工程實際的數量，與此同時還能對生產的成本加以精準管控。

3.4運營階段

根據《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068—2018）[56]，大型鐵路站房的設計使用年限為100年，其在長期運營過程中，由于受到人群荷載、列車荷載和風荷載等多種荷載長期作用，以及環境侵蝕、材料老化和疲勞效應等不利因素的影響，會導致結構產生損傷，可能使得站房結構存在安全隱患。因此，為了及時發現結構損傷，需要對站房結構進行健康監測，以保證鐵路客站的運營安全。為掌握運營期間的屋面層受力狀況，對結構進行安全狀態進行評定，宜在受力關鍵部位設置應變傳感器，如支座、跨中截面以及結構分析的易損部位和受力較大部位。同時，屋面層因受不確定性環境作用的影響，存在較多偶然振動，為了掌握結構的動力響應，應采用加速度傳感器進行監測，并分析其振型、頻率等結果。另外，在大跨空間結構中，桁架跨中易產生變形，累積變形過大也會成為安全隱患，需監測桁架的豎向變形。此外，屋面層由于跨度大、且長期直接與外部環境接觸，受溫度應力、內外溫差及施工因素的影響，通常會設置變形縫。為了掌握溫度對結構受力及整體變形的影響，需對屋面層進行溫度監測和變形縫的寬度監測。

4結束語

綜上所述，闡述了大型鐵路站房的組成和結構特點，介紹了站房健康監測系統的組成，分總結了各結構層次的監測內容和監測對象，并針對鐵路站房健康監測應用中存在的問題，給出了相應的建議。

參考文獻：

[1]王偉佳.橋建合一框架結構站房概述及設計分析方法探討[J].鐵道勘測與設計，2011，55（5）：92-98.

[2]宋佳剛.橋建合一與橋建分離高架站房的對比分析[J].鐵道勘測與設計，2015，59（3）：40-44.

[3]趙鵬飛，錢基宏.我國新時期大型鐵路站房結構的特點與展望[J].建筑結構，2011，41（11）：64-68.

（作者單位：深圳市簡測智能技術有限公司大連分公司1

都市發展設計有限公司2）