北京環球影城異形鋼結構地鐵車站監測分析*

劉魁剛，葉新豐，朱 拓，龔潔英，吳麗麗

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室，北京 100068；3.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101；4.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點實驗室，北京 100101)

0 引言

隨著城市的發展和人民文化生活水平的提高，大型游樂場開始進入城市周邊，游樂場內設軌道交通可極大地方便人民出行。為匹配周邊游樂場風格，地鐵車站采用鋼結構更利于車站外觀多樣性設計和景觀設計。鋼結構施工過程復雜、易變形、受力轉換多，設計和施工不當會導致鋼結構工程事故,造成重大經濟損失。因此, 對于復雜的鋼結構工程，有必要通過工程優化設計、信息化施工與現場監測分析等措施來解決工程中復雜的技術問題, 保障鋼結構安全。本文結合北京首座鋼結構地鐵環球影城站工程, 介紹鋼結構工程的設計、施工和監測，并對主要監測結果進行詳細分析。

1 工程概況

北京地鐵7號線環球影城站位于通州區梨園鎮、張家灣鎮、臺湖鎮三鎮交匯處，是國內首座位于大型主題公園內部的地鐵車站，同時也是國內首座地景式地鐵車站、國內首座屋蓋鋼結構采用種植屋面的交通建筑。車站為雙島型站臺，總長304m，標準段寬60.7m，雙層高14.4m，單層段高8.15m，底板埋深15.344～15.877m。車站公共區采用四柱五跨結構形式，為匹配環球影城公園的景觀效果，中間跨設鋼結構屋蓋，鋼結構長200m、寬78.2m。

鋼結構屋蓋采用單層空間結構體系，主要水平受力構件為箱形截面及H型鋼組成的空間曲面結構，水平抗側力構件主要包括8根傘狀柱、東西兩側各布置的3根搖擺柱、北側的6根幕墻抗風柱，在傘狀柱和搖擺柱間設置水平支撐，以增強結構的平面穩定性。中板標高處用水平撐桿將傘狀柱與中板勁性側接，以增強傘狀柱的側向穩定性。車站中部為站房，西側起大拱，東側起小拱。屋蓋上依次設置混凝土板、綠植，鋼結構屋蓋整體如圖1所示。

圖1 鋼結構屋蓋整體示意

2 鋼結構施工階段模擬分析

2.1 有限元模型建立

考慮到鋼結構與混凝土結構在站廳層通過水平支撐桿連接，采用有限元軟件Midas Gen對屋蓋整體進行建模與分析，有限元模型如圖2所示。

圖2 鋼結構屋蓋有限元空間模型

2.2 施工過程模擬

車站鋼結構施工階段主要包括安裝傘狀柱→安裝桁架，設置臨時支撐架→安裝傘狀柱間鋼梁→安裝外側懸挑鋼梁→安裝混凝土板→種植植被。

根據本工程鋼結構平面布置特點，現場施工總體擬劃分為西部、東部、中部3大施工區域；根據結構受力特點、土建結構、平面布置特點及現場施工條件等因素，擬在結構分段位置設置臨時支撐架，共105根；平面桁架采用散件原位安裝。

具體屋蓋施工主要階段模擬如下。

1)屋面鋼梁分段 安裝西部區屋面鋼梁→安裝東部區屋面鋼梁→安裝中部區屋面鋼梁(即合龍)→安裝懸挑端鋼結構。

2)臨時支架拆除，即卸載。

3)屋面輕型混凝土施工。

4)屋面綠植種植。

2.3 模擬結果分析

主要施工過程各階段模擬結果如表1所示。

由表1可知，屋蓋鋼結構在綠植加載完成后最大豎向位移為104.9mm，左、右兩側較平區域在恒荷載作用下最大豎向位移為59.9mm。

表1 屋蓋在各施工階段豎向變形模擬結果 mm

3 鋼結構自動化監測系統

環球影城站單層高度大，監測范圍廣，測點布設作業難；測點布置工作需與施工作業同步進行，布設時逢嚴冬、大風、霧霾等惡劣極端天氣，測點布置條件差，增加了監測工作難度。為此研究了一套集變形、應力于一體的無線傳輸自動化監測系統。

無線傳輸自動化監測系統由全站儀自動掃描、傳感器、數據采集與無線傳輸、數據處理與分析4個子系統組成(見圖3)，各子系統的功能如下。

圖3 自動化監測系統架構

1)全站儀自動掃描子系統 根據監測內容，在位移監測部位設置小棱鏡，通過全站儀自動掃描，獲得目標點坐標，計算得到變形值。

2)傳感器子系統 根據監測內容，在應力監測部位設置振弦式應變計，用于獲取鋼結構構件的應力信息。

3)數據采集與無線傳輸子系統 采集全站儀自動掃描和應力傳感器傳輸的信息，通過局部有線傳至各基站(見圖4)，然后對模擬信號進行調整、處理，轉換為數字信號，再通過GPRS/4G無線通信，將數據傳輸至數據處理與分析子系統。

圖4 現場監測基站位置示意

4)數據處理與分析子系統 處理、分析傳輸來的數字信號，加工得到所需的圖表，存入數據庫，同時根據設計好的控制值及過程預警、報警值進行自動預警并報送。

4 監測項目及測點優化布置

為確保結構安全性，對鋼結構施工過程中的屋蓋箱形梁、傘狀柱、水平桿等關鍵部位的變形和應力、應變進行實時監測，以便根據監測數據動態指導施工。

4.1 豎向位移監測

1)屋蓋豎向位移 結合現場施工情況確定位移測點，選取站房中心、東側小拱、東側20m跨、東側邊緣、西側大拱、西側20m跨、西側邊緣7個主測斷面，共布設25個測點，如圖5所示。圖中，應力、應變測點編號：A1-1表示測點A1在上表面布置測點，A1-2表示測點A1在下表面布置測點，A1-3和A1-4表示測點A1分別在左、右表面布置測點。

圖5 屋蓋監測點位置示意

2)傘狀柱豎向變形 傘狀柱為主要承重構件，每根傘狀柱選取3根弧形箱形主桿，共布設24個監測點，如圖6所示。圖中，應力、應變測點編號：C1-1表示測點C1在上表面布置測點，C1-2表示測點C1在下表面布置測點，C1-3和C1-4表示測點C1分別在左、右表面布置測點。

圖6 傘狀柱監測點位置示意

4.2 應力監測

1)屋蓋箱形梁應力監測 選取8根傘狀柱、6根搖擺柱、與搖擺柱同軸的2根抗風柱及站房中心、西側大拱中心、東側小拱中心對應的屋蓋主桁架進行分析。在典型桁架節點的上、下、側表面分別布設應力測點，共計63個(見圖5)。

2)傘狀柱應力監測 選取各傘狀柱不同位置共16個弧形箱形主桿進行分析。在其上、下、左、右表面布設應力監測點，共計64個(見圖6)。

3)水平桿應力監測 在各傘狀柱的1根水平桿布設1個水平桿應力監測點，共布設8個。

5 監測成果及分析

5.1 屋蓋箱形梁豎向位移監測

監測成果顯示，屋蓋變形最大值位于站房中心位置B1-13測點，沉降量為103.2mm，模擬結果為最大變形位置與監測結果相同，沉降值為104.9mm，二者相符；變形最小值位于結構邊緣B1-25，沉降量為7.2mm。

站房中心向兩側對稱位置變形規律一致，站房中心以東屋蓋在合龍階段變形較小，卸載階段產生一定量沉降，混凝土板澆筑施工和綠植種植施工發生較大變形。以B1-13測點為例，合龍階段沉降6.1mm，卸載階段沉降27.1mm，混凝土板澆筑施工沉降35.5mm，綠植種植施工沉降61.2mm。

對屋蓋站房中心、東側小拱、東側20m跨、西側大拱、西側20m跨所處斷面上的主要測點進行實測值與模擬值對比，如表2所示，可得到屋蓋監測變形值與模擬變形值基本一致。

表2 屋蓋在各施工階段豎向變形實測與模擬值對比 mm

5.2 傘狀柱變形監測

傘狀柱豎向位移變形監測與分析和屋蓋類似，結果表明，合龍階段變形較小，卸載和混凝土板澆筑施工發生一定變形，屋面綠植種植施工豎向發生較大變形。以B1-8-3測點為例，合龍階段沉降0.6mm，卸載階段沉降3.7mm，混凝土板澆筑施工沉降3.4mm，綠植種植施工沉降13.8mm。

縱截面1～4號傘狀柱最終豎向位移分別為-18.6，-21.8，-20.4，-17.5mm，5～8號傘狀柱最終豎向位移分別為-21.0,-24.2，-23.7，-21.2mm。每個縱向斷面中部傘狀柱沉降較兩側傘狀柱更明顯，且位于屋面綠植種植區域下方的5～8號傘狀柱較玻璃屋面下方的1～4號傘狀柱變形大。

5.3 應力變形監測

選取同一構件不同表面的3個應力測點進行分析，如圖7所示。

由圖7可知，卸載完成后，應力逐漸增大，最大值出現在混凝土板澆筑期間，構件下表面受壓較明顯，安裝完成后構件各表面應力變化幅度減小。

圖7 應力監測時程曲線

6 結語

對環球影城屋蓋結構施工過程的監測結果表明，集變形、應力于一體的無線傳輸自動化監測系統具有較強的可靠性，且抗干擾能力較強，靈敏度較高，獲得的監測數據可較好地反映鋼結構施工過程中的變形和應力、應變情況。

施工過程中模擬值與實測值變形較一致，伴隨加載過程，各部位測點產生明顯沉降，中部傘狀柱沉降較兩側傘狀柱更顯著，且種植區域傘狀柱沉降較玻璃屋面采光區域傘狀柱變形更大。