高速鐵路站房結構健康自動化監測

劉滿意， 盧嘉鑫

(遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧阜新 123000 )

1 高鐵站房結構健康監測

隨著社會的發展，高速鐵路工程不斷興建，鐵路站房的建設是鐵路建設工程中的重中之重，目前，許多鐵路站房均設置了自動化健康監測系統，如杭州南站、石家莊站、雄安站、豐臺站等。針對杭州東站研制的適用于鋼結構的健康監測系統，采用應力傳感器、加速度傳感器、風荷載傳感器和溫度傳感器等作為結構特征、施工程序和現場環境的測量組件，對整個生命周期的數據進行了采集[1]。上海虹橋站設置的結構健康監測，在鋼骨混凝土梁內預先埋設了傳感器，長期不間斷監測軌道層超長梁結構中鋼骨、鋼筋、混凝土部分的應力情況，實時掌握結構的狀態。

結構健康監測工作是通過監測建筑物各結構狀態，獲取相關監測數據，完成有效數據的原始積累。然后通過監測數據的大數據分析，判別結構的狀態，為后續項目設計及建設提供輔助決策依據，為站房投入運營階段提供必要的安全運維保障。劉輝[2]以柳州站為研究對象，采用有限元模擬等方法構建了站房結構健康系統并驗證了該系統先進性和高效性；張濤、潘毅等[3-4]結合站房監測成功案例，從主要監測對象和內容等方面總結了站房監測中亟需解決的實際問題；沈磊、伊順林、滕軍等[5-7]分別從傳感器布設和監測方案等角度分析總結了監測實施方案的優化；姜銳、Dong Liang等[8-9]從結構損傷判識、監測點優化、運維管理等方面提出站房監測的相關建議；Kim, Robin E.等[10]提出了一種利用低成本GPS接收機的脈沖信號實現多網絡同步感知的新方法，具有很高的可擴展性，實現了有效的結構健康監測所需的精確同步傳感。

本文通過分析國內外學者對高鐵站房結構健康監測的研究成果，結合現有高鐵站房結構健康監測成功的案例，從高鐵站房監測區域、監測內容、監測傳感器、數據采集儀及健康監測系統等方面進行總結，為高速鐵路站房結構健康自動化監測方案編制、監測點布設優化、監測系統運營維護等方面提供借鑒；同時，自主研發了一款多功能數據采集儀，對其數據采集精度進行了對比分析，滿足站房監測項目生產實際需求。

2 監測區域及監測內容

我國的鐵路事業經過多年的發展，已經進入一個新的時期，在目前階段推行鐵路站房復雜大型結構健康監測工作有著重要的意義。一般來說，在高鐵站房初步規劃并施工建設之前，建設單位會依據相關標準出具站房健康監測的初步批復文件，高鐵站房施工到一定階段后，由設計單位依據初步設計批復的要求，給出詳細的站房監測區域、監測內容及監測點布置圖，監測實施單位按照初步設計批復的要求及監測點布置圖，進行詳細監測方案的編制并逐步開展監測工作。

不同高鐵站房在建設規模、結構特點等方面存在著差異，本節在總結國內外學者的研究成果并借鑒站房監測成功的工程案例基礎上，對高鐵站房需監測的區域及監測內容進行了總結，主要包括荷載(作用)與環境監測、站房結構的靜、動力反應及幾何監測，下文詳細監測內容。

2.1 荷載(作用)與環境監測

(1)溫度監測：鋼屋蓋、雨棚溫度場。

(2)風速風向監測：鋼屋蓋、雨棚風速風向。

2.2 結構的靜、動力反應

(1)應力應變監測：鋼屋蓋桁架應力；鋼筋混凝土柱應力；雨棚柱、梁應力；承軌層柱、梁應變；高架層梁應變；玻璃幕墻鋼骨應變等。

(2)振動監測：鋼屋蓋、雨棚、玻璃幕墻振動；承軌層、高架層加速度等。

2.3 幾何監測

(1)位移監測：站房屋蓋支撐的位移；雨棚柱和支撐在站房立柱處雨棚梁端部的水平位移；高架層位移；玻璃幕墻位移等。

(2)變形監測：鋼屋蓋懸挑位置及跨中撓度；雨棚的跨中撓度；承軌層軌道梁撓度等。

詳細的監測區域及監測內容如表1所示。

表1 高鐵站房結構健康監測區域及監測內容

3 監測傳感器

根據高鐵站房結構監測區域及監測內容的不同，所用的自動化傳感器主要包括風速風向儀、溫度傳感器、位移傳感器、加速度計、振弦類應變(力)計等。國家鐵路局最新頒布的TB/T 10184-2021《鐵路客站結構健康監測技術標準》中，對傳感器的精度、量程、分辨率、靈敏度等作出了明確要求[11]。

3.1 風速風向儀

風速風向儀是專門用于監測大型設施、設備的儀器，如圖1所示，在高鐵站房結構健康監測中，其量程應大于當地百年一遇風速值，并能夠滿足監測8個方向風速的要求，風速啟動動力應不大于0.6 m/s，監測精度應不大于0.1 m/s，風向監測精度應為3°。

圖1 風速風向儀

3.2 溫度傳感器

當高鐵站房結構(如桁架)的受力發生變化時，其表面溫度會隨之產生變化，布設在結構表面或內部的溫度傳感器由于監測精度、分辨率較高，能夠從側面及時反映站房結構的受力情況，相關規范中對溫度傳感器的量程、精度及分辨率等作出明確要求，經市場調研，大部分監測傳感器(如振弦類應變計)中均集成溫度傳感器，其量程、精度及分辨率能夠滿足結構健康監測的要求，在布設其他類型傳感器時，可同時獲取其溫度監測信息。

3.3 位移傳感器

位移監測應根據不同的測量對象選擇位移傳感器的具體型號，主要包括靜力水準儀(豎向位移)和測斜儀(水平位移)等。

靜力水準儀分為壓差式、電感式、超聲波式等幾種類型，雖然不同類型的靜力水準儀在測量原理上有所差別，但絕大多數都是通過獲取各個傳感器之間的相對位移關系，經相對穩定的基準點換算得出各個監測點的絕對高程信息，壓差式靜力水準儀如圖2所示。

圖2 壓差式靜力水準儀

3.4 加速度計

加速度計是為監測結構物振動變化情況的自動化監測傳感器，如圖3所示。高鐵站房結構健康監測中宜選用低頻、性能優良的振動傳感器，量程不小于±2g，橫向靈敏度一般為軸向靈敏度的1%～5%，頻率響應在0.2 ～1 500 Hz(±10%)，使用溫度范圍在-50～+70 ℃。

圖3 壓電式加速度計

3.5 振弦類應變(力)計

由于振弦類應變(力)計輸出的是自振頻率信號，其具有抗干擾能力強、穩定性高、使用壽命長、分辨率高等優點，被廣泛應用于土木工程監測行業中，如圖4所示。

圖4 振弦類應變(力)計

用于高鐵站房結構健康監測的振弦類應變(力)計的量程一般控制在±1 500 με，精度±0.1%F.S.，非線性度0.5%F.S.，靈敏度1.0 με，使用溫度范圍在-50～+70 ℃。

振弦類應變(力)計能直接反映高鐵站房的受力變化情況，一般來說，振弦類應變(力)計在高鐵站房結構健康監測中占傳感器總量的70%以上。

振弦類應變(力)中的鋼弦具有一定的固有頻率，當被測結構受力發生變形時，鋼弦的長度會產生變形，其固有頻率隨之產生變化，這時，鋼弦會在磁感線圈磁力作用下產生振動，通過獲取鋼弦此時的振動頻率，即可確定結構物的應力變化情況[12-14]。

鋼弦振動頻率與其受應力的關系如式(1)所示[14]。

(1)

式中:f為鋼弦振動頻率，Lx為鋼弦的長度，σ為鋼弦的應力值，ρx為鋼弦的線密度。

將式(1)進行公式變換后，如式(2)所示[14]。

(2)

即鋼弦受到的應力變化如式(3)所示。

(3)

式中：f0為鋼弦無受力狀態下的初始頻率，σ0為鋼弦無受力狀態下的初始應力，Δσ為鋼弦受力的應力變化。

眾所眾知，應力及應變的轉換關系如式(4)所示。

(4)

式中:ε為鋼弦的應變值，Ex為鋼弦的彈性模量。

將式(3)代入式(4)可得：

(5)

由于振弦類應變(力)計安裝在被測結構表面或內部，鋼弦受力產生的應變變化即為被測結構受力產生的應變變化，所以，通過式(5)即可確定被測結構受力后頻率變化和應變變化的關系曲線。

4 數據采集儀

目前市面上的數據采集儀可分為模擬量類、RS485類及振弦類傳感器采集模塊，可分別獲取不同類型的傳感器數據。由于各個廠家的傳感器與采集儀之間可自定義數據傳輸協議，一般來說，各個廠家的數據傳輸協議會略有差別，在使用自動化監測傳感器時需配套該廠家專用的數據采集儀。

為了滿足高速鐵路站房結構健康自動化監測的需求，本文設計一款多功能專用云端采集儀，主要由8路振弦傳感器處理終端、4路模擬量類傳感器處理終端和8路云端采集單元組成，可分別實現振弦類傳感器、模擬量類傳感器及RS485類傳感器的數據采集，完成數據采集后通過集成的4G模塊同步將當前采樣的傳感器數據傳輸到云端服務器，設計原理如圖5所示，自研數據采集儀如圖6所示。

圖5 數據采集儀設計原理

將本文研制的振弦類傳感器處理終端獲取的多個振弦類應變(力)計數據，與市面上高精度的手持讀數儀獲取的傳感器數據進行對比，統計結果如表2和圖7所示。

圖6 自研數據采集儀

圖7 數據采集儀誤差統計

從圖7和表2的統計結果來看，本文研制的振弦類傳感器數據采集儀獲取的數據與手持數據采集儀獲取的數據誤差

表2 數據采集儀測量誤差統計 單位：Hz

均在1Hz之內，說明本文研制的數據采集儀測量精度完全能夠滿足實際監測的需求。

5 健康監測系統

健康監測系統是站房健康監測項目的最終表現形式，代表了工程的實用性與成熟度，是項目建設的關鍵環節。

施工現場的設備是否先進，數據是否能夠得到完整的體現，項目建成后是否能得到充分的運用，則完全由該系統呈現給最終用戶，因此該部分的架構設計，決定了該項目的科學性、實用性、穩定性及易操作性(圖8)。

圖8 監測系統平臺架構

隨著自動化監測傳感器的發展，監測系統平臺也出現多元化的發展趨勢，近年來，基于BIM或其他三維建筑模型的系統開發及應用是市場上各個科技公司研究的熱門，通過將傳感器模型布設于三維建筑模型上，能夠更加直觀的在系統前端頁面對傳感器的位置、狀態進行實時查看，增強了系統使用的既視感，更加符合現階段大數據、真三維、云計算等科技發展理念。

6 結論

(1)通過研究國內外學者對高鐵站房結構健康監測的成果，分別從高鐵站房結構健康監測的監測區域、監測內容、監測傳感器、數據采集儀、健康監測系統等方面進行總結，得出振弦類應變(力)計是高鐵站房結構健康監測中的主要傳感器，詳細介紹了振弦類應變(力)計的監測原理，得出結構物應變變化與應變(力)計頻率的關系曲線。

(2)通過自研各種類型傳感器的數據采集模塊，并將自研模塊獲取的應變(力)計的數據與手持讀數儀測量結果進行精度對比。結果表明，自研模塊獲取的各個應變(力)計的數據誤差均在1 Hz以內，與手持讀數儀測量結果相當，完全能夠滿足實際生產項目對于數據采集模塊的精度要求，并且自研的數據采集模塊綜合多個廠家的數據傳輸協議，能夠方便獲取不同廠家傳感器的監測數據結果，為實際生產提供較大便利。

(3)利用自動化監測傳感器能夠實時觀測被測結構物的受力、變形、振動等狀態，能夠為高鐵站房結構運營維護提供指導，是未來高鐵站房運維的主要手段之一。