潘毅，劉揚(yáng)良，黃晨，郭瑞，鮑華，沈磊

(1. 西南交通大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

根據(jù)2017 年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，到2020 年，鐵路營(yíng)運(yùn)里程要達(dá)到15 萬km，其中，高速鐵路營(yíng)運(yùn)里程要達(dá)到3 萬km[1]。大型鐵路站房作為鐵路交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、空間跨度大、使用年限長(zhǎng)、服役環(huán)境復(fù)雜、人群高度密集和社會(huì)影響大等特點(diǎn)[2]。在長(zhǎng)期服役中，由于環(huán)境荷載作用、疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等因素的影響，鐵路站房會(huì)產(chǎn)生損傷，使得結(jié)構(gòu)的抗力衰減，在極端情況下(如地震、臺(tái)風(fēng)、暴雪等)甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，造成嚴(yán)重的社會(huì)影響[3-4]。健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是保證結(jié)構(gòu)安全的有效手段[5]，將健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于站房結(jié)構(gòu)，能了解結(jié)構(gòu)的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，以便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修和加固，避免結(jié)構(gòu)突然失效，從而保障站房的結(jié)構(gòu)安全。

健康監(jiān)測(cè)是一門綜合性的技術(shù)，涉及到多個(gè)學(xué)科[6]，最早開始應(yīng)用于航空、航天、精密機(jī)床等領(lǐng)域[7]，隨著科技的發(fā)展，20 世紀(jì)80 年代，健康監(jiān)測(cè)技術(shù)開始應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[8]。健康監(jiān)測(cè)最早應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，如英國(guó)Flintshire大橋[9]、美國(guó)Michigan Street 大橋[10]、日本Akashi-Kaikyo 大橋[11]、韓國(guó)Youngjong 大橋[12]等，中國(guó)也在汲水門大橋[13]、汀九大橋[14]和潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋[15]等安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。20 世紀(jì)90 年代，健康監(jiān)測(cè)開始應(yīng)用于大型公共建筑，如意大利米亞查體育館[16]，日本某12 層鋼結(jié)構(gòu)建筑等[17]，中國(guó)也對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)[18]、國(guó)家游泳中心[19]和濟(jì)南奧體中心[20]等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了健康監(jiān)測(cè)。21 世紀(jì)初，健康監(jiān)測(cè)開始應(yīng)用于鐵路站房，如德國(guó)的Lehrter火車站[21]，中國(guó)的杭州東站[22]、濱海站[23]、北京西站[24]、昆明南站等。

與橋梁、大型公共建筑等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)相比，鐵路站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)還處于探索階段。站房的健康監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多、監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)分布廣、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。結(jié)合大型鐵路站房的工程案例，首先，總結(jié)大型鐵路站房的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后，介紹站房健康監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)組成，最后，對(duì)大型鐵路站房的監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行分析，針對(duì)鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展中存在的問題，提出相關(guān)的建議。

1 站房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 站房結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)建筑功能的需要，大型站房結(jié)構(gòu)由主體結(jié)構(gòu)和無柱雨棚組成，如圖1(a)所示。主體結(jié)構(gòu)按標(biāo)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，如圖1(b)所示。其中，承軌層、屋面層和無柱雨棚是站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要部分。為適應(yīng)承軌層跨越出站層和地鐵層，同時(shí)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(jié)構(gòu)體系，橋梁結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)合，是一種“列車-橋梁-站房”一體化站房結(jié)構(gòu)形式，可以縮短進(jìn)出站流線、節(jié)約建筑用地，具有柱網(wǎng)布置靈活、結(jié)構(gòu)整體性較好等特點(diǎn)[25-26]。

圖1 站房結(jié)構(gòu)示意

按兩種結(jié)構(gòu)主次類型不同，“橋建合一”結(jié)構(gòu)體系可分為兩類。第一類結(jié)構(gòu)形式以橋梁結(jié)構(gòu)為主，先形成橋梁結(jié)構(gòu)，再在橋梁結(jié)構(gòu)上布置站廳、站臺(tái)、雨棚等建筑結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。第二類結(jié)構(gòu)形式是以建筑結(jié)構(gòu)為主，以建筑構(gòu)件取代橋梁構(gòu)件，直接承受上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上，以承受列車荷載[27-28]，如圖2(b)所示。

圖2 “橋建合一”類別

1.2 承軌層

承軌層也稱站臺(tái)層，為列車軌道層，是旅客們乘車的一個(gè)平臺(tái)。承軌層是整個(gè)站房結(jié)構(gòu)中受力最為復(fù)雜的部分，除了自重荷載之外，還有人群荷載和列車荷載的耦合作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和荷載傳遞路徑不同，承軌層可以分為梁橋式和框架式，其中，梁橋式是先形成橋梁結(jié)構(gòu)(梁、墩柱、基礎(chǔ))作為支撐點(diǎn)，上部建筑結(jié)構(gòu)直接落于橋墩或者軌道梁上，如圖3(a)所示；框架式是通過現(xiàn)澆混凝土形成框架結(jié)構(gòu)，用框架柱和框架梁來承受列車的動(dòng)荷載作用，承軌層為框架結(jié)構(gòu)的一部分[29-30]，如圖3(b)所示。

梁橋式在順軌方向的每一列橋墩為獨(dú)立的橋梁體系，橫軌方向通過橫梁將多條橋梁連成縱橫梁體系。因此，梁橋式承軌層能夠?qū)崿F(xiàn)更大的跨度，降低列車荷載對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響，但橋梁尺寸大，橫軌向和順軌向剛度相差大?？蚣苁匠熊墝佑捎诓捎谜w現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，避免了雙向剛度相差懸殊的問題，橋梁構(gòu)件的尺寸明顯較少，能更好的滿足建筑空間效果和視覺效果，但跨度較小，造價(jià)略高于梁橋式承軌層[31-32]?？蚣苤嗖捎娩摴腔炷林摴芑炷林蛐弯摶炷林?，框架梁多采用鋼骨混凝土梁、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁或型鋼混凝土梁等。典型鐵路站房的承軌層結(jié)構(gòu)形式，見表1。

圖3 承軌層類別

表1 典型站房的承軌層結(jié)構(gòu)形式Table 1 Structural form rail bearing layer of typical station buildings

1.3 屋面層

屋面層是站房結(jié)構(gòu)的主要部分，為了便于采光、通風(fēng)，滿足建筑外觀，獲得較大的空間和視覺通透性，通常采用大柱網(wǎng)、大跨度空間結(jié)構(gòu)，例如，桁架結(jié)構(gòu)(圖4(a))、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(圖4(b))、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、索殼和索拱結(jié)構(gòu)等[33]。這些結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)件受力以軸力為主，材料利用率高，邊緣構(gòu)件與支撐構(gòu)件的適應(yīng)性較強(qiáng)，同時(shí)具有施工速度快等特點(diǎn)。屋面層支撐構(gòu)件的布置受到鐵路路線的限制，其在順軌方向的跨度一般比橫軌方向大。大跨度空間結(jié)構(gòu)通過空間結(jié)構(gòu)與建筑造型的完美結(jié)合，塑造出具有當(dāng)?shù)匚幕厣蔫F路站房。

圖4 屋面層類別

1.4 無柱雨棚

無柱雨棚的全稱為站臺(tái)無立柱雨棚，是中國(guó)大型鐵路站房的標(biāo)志之一。站臺(tái)雨棚與站臺(tái)位置相對(duì)應(yīng)，是為進(jìn)出站的旅客提供遮風(fēng)避雨的地方[34]。傳統(tǒng)鐵路站房的雨棚柱子直接立在站臺(tái)上，形式單一，以單枝Y 型、雙枝Π型、現(xiàn)澆混凝土梁板和彩色壓型鋼板為主[35]。而現(xiàn)代大型鐵路站房則采用整體式的無站臺(tái)柱雨棚，通過將柱子直接設(shè)置在線路中間，不僅將雨棚和站房連接成了一個(gè)整體，還可以給站臺(tái)留出更多空間，減少站臺(tái)上影響旅客行進(jìn)和觀察視線的障礙物，創(chuàng)造更舒適的乘車環(huán)境[36]。無柱雨棚多采用大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(如圖5(a)所示)、索拱結(jié)構(gòu)(如圖5(b)所示)等結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了輕巧、通透的建筑效果。

圖5 無柱雨棚的類別

2 站房的健康監(jiān)測(cè)

2.1 系統(tǒng)組成

站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是指在工程結(jié)構(gòu)施工或運(yùn)營(yíng)階段，利用現(xiàn)場(chǎng)無損的檢測(cè)技術(shù)，測(cè)定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性能指標(biāo)，獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息并處理數(shù)據(jù)，通過分析結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性，評(píng)估結(jié)構(gòu)因損傷或退化而導(dǎo)致的主要性能指標(biāo)的改變，以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的變化，判斷結(jié)構(gòu)是否安全[37-38]。站房健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警子系統(tǒng)[39-40]，如圖6 所示。

圖6 站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

其中，傳感器子系統(tǒng)為系統(tǒng)硬件部分，是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的子系統(tǒng)[41]。它通過埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者粘貼在結(jié)構(gòu)表面的多種傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站房結(jié)構(gòu)的作用、效應(yīng)及損傷信息，并將待測(cè)的物理量以電信號(hào)形式輸出[42]。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)應(yīng)對(duì)接口的匹配性和軟件的功能性進(jìn)行設(shè)計(jì)，明確合理的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方案，軟件能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集與傳輸數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行人工干預(yù)采集與采集參數(shù)調(diào)整[43-44]。數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)應(yīng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式和接口，可對(duì)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和預(yù)處理，自動(dòng)生成報(bào)表和報(bào)告，并可通過操作系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)任意時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和管理[45-46]。數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警子系統(tǒng)通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)分析和特殊分析，可為站房結(jié)構(gòu)的安全預(yù)警和評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，保證結(jié)構(gòu)的安全[47-48]。該子系統(tǒng)是整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，目前,數(shù)據(jù)分析已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的方法，如靜力參數(shù)法、動(dòng)力參數(shù)法、模型修正法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法和小波分析方法等，但這些方法只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單框架結(jié)構(gòu)的損傷定位和損傷定量，而對(duì)大型鐵路站房復(fù)雜結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別還有一定困難。大型鐵路站房健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，應(yīng)堅(jiān)持長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的原則，盡量實(shí)現(xiàn)施工監(jiān)測(cè)和運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)一體化設(shè)計(jì)，使得監(jiān)測(cè)工作具有連續(xù)性和長(zhǎng)期性，其建設(shè)宜與站房施工同步進(jìn)行。從時(shí)間順序而言，站房健康監(jiān)測(cè)分為施工階段和運(yùn)營(yíng)階段；從空間關(guān)系來看，站房健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)在承軌層、屋面層和無柱雨棚；從監(jiān)測(cè)內(nèi)容來看，站房結(jié)構(gòu)需要監(jiān)測(cè)其在施工和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中，所受到各種作用的不確定性及其效應(yīng)和積累損傷[49]，如圖7所示。其中，效應(yīng)部分的內(nèi)力和變形是站房結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，加速度和頻率的監(jiān)測(cè)主要集中在承軌層和屋面層。損傷部分的裂縫監(jiān)測(cè)主要集中在承軌層，疲勞監(jiān)測(cè)主要集中在屋面層，銹蝕監(jiān)測(cè)主要集中在無柱雨棚。

圖7 站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.2 施工階段

在大型鐵路站房的施工過程中，其荷載大小、約束條件和力學(xué)模型可能與設(shè)計(jì)有一定差別。同時(shí)，由于外界環(huán)境等不確定因素的影響，導(dǎo)致施工階段存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[50-51]。因此，為了反映站房結(jié)構(gòu)在施工階段的實(shí)際受力狀態(tài)，需要對(duì)車站進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，以掌握關(guān)鍵部位的受力指標(biāo)的變化規(guī)律，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，控制施工可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)，以保證施工過程中結(jié)構(gòu)的安全。

屋面層作為大跨度空間結(jié)構(gòu)，其施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，涉及到結(jié)構(gòu)的吊裝、滑移、提升、拆除臨時(shí)支撐和卸載等關(guān)鍵工序，是站房結(jié)構(gòu)在施工階段的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)[52]。應(yīng)變是結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)最直接的變量[19]，判斷結(jié)構(gòu)受力是否處于安全范圍之內(nèi)是施工監(jiān)測(cè)的核心內(nèi)容。通過在屋面層結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件和部位設(shè)置應(yīng)變傳感器，及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。比如，主桁架是屋面層分塊整體提升的著力點(diǎn)，會(huì)承受提升過程中的動(dòng)力荷載，故應(yīng)對(duì)主要受力桿件進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)；鋼柱是屋面的關(guān)鍵支撐構(gòu)件，在吊裝或提升的過程中會(huì)使得鋼柱的荷載加大，而部分鋼柱從屋面層貫通下部分結(jié)構(gòu)，故應(yīng)對(duì)柱腳進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)[22]。

同時(shí)，為了防止施工過程中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大變形，需要對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位的變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如桁架跨中和臨時(shí)支撐等。此外，屋蓋結(jié)構(gòu)在施工過程中會(huì)受到施工機(jī)械振動(dòng)、屋蓋提升等動(dòng)荷載作用，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)往往要大于正常使用的情況[53]，故應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)在施工階段的加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，屋面層在施工階段的監(jiān)測(cè)內(nèi)容一般有應(yīng)變、變形和振動(dòng)等，監(jiān)測(cè)對(duì)象為桿件、鋼柱和節(jié)點(diǎn)等。例如，濱海站在屋面層的主體結(jié)構(gòu)設(shè)置了兩種不同類型的傳感器，總計(jì)68個(gè)。其中，光纖光柵應(yīng)變傳感器12個(gè)，用以監(jiān)測(cè)主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件的應(yīng)力；加速度傳感器56個(gè)，用以監(jiān)測(cè)桿件的振動(dòng)狀態(tài)[54]，如圖8所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，濱海站在施工過程中屋蓋整體的動(dòng)力性能穩(wěn)定，但存在部分桿件應(yīng)力較大，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以確保結(jié)構(gòu)安全。

圖8 施工階段濱海站屋面層的測(cè)點(diǎn)

無柱雨棚也是大跨空間結(jié)構(gòu)，但它的下部結(jié)構(gòu)只有支撐柱，施工階段監(jiān)測(cè)主要關(guān)注無柱雨棚的變形。例如，沈陽(yáng)北站在施工過程對(duì)無柱雨棚鋼桁架的變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明桁架變形值均在理論計(jì)算范圍內(nèi)[55]。而承軌層結(jié)構(gòu)在施工過程中多為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，在施工過程中結(jié)構(gòu)相對(duì)較為安全。因此，現(xiàn)有關(guān)于承軌層在施工階段的健康監(jiān)測(cè)研究少，而主要集中在后期運(yùn)營(yíng)階段。

表2列出了施工階段鐵路站房的健康監(jiān)測(cè)工程應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)情況。由表2 可知，目前,施工階段站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)象主要是屋面層，其次是無柱雨棚，主要監(jiān)測(cè)參數(shù)是結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和加速度。

表2 施工階段鐵路客站的健康監(jiān)測(cè)Table 2 Health monitoring of railway passenger station during construction stage

2.3 運(yùn)營(yíng)階段

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2018)[56]，大型鐵路站房的設(shè)計(jì)使用年限為100 a，其在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過程中，由于受到人群荷載、列車荷載和風(fēng)荷載等多種荷載長(zhǎng)期作用，以及環(huán)境侵蝕、材料老化和疲勞效應(yīng)等不利因素的影響，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，可能使得站房結(jié)構(gòu)存在安全隱患。因此，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，需要對(duì)站房結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，以保證鐵路客站的運(yùn)營(yíng)安全。

為掌握運(yùn)營(yíng)期間的屋面層受力狀況，對(duì)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定，宜在受力關(guān)鍵部位設(shè)置應(yīng)變傳感器，如支座、跨中截面以及結(jié)構(gòu)分析的易損部位和受力較大部位。同時(shí)，屋面層因受不確定性環(huán)境作用的影響，存在較多偶然振動(dòng)，為了掌握結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，應(yīng)采用加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并分析其振型、頻率等結(jié)果。另外，在大跨空間結(jié)構(gòu)中，桁架跨中易產(chǎn)生變形，累積變形過大也會(huì)成為安全隱患，需監(jiān)測(cè)桁架的豎向變形。此外，屋面層由于跨度大、且長(zhǎng)期直接與外部環(huán)境接觸，受溫度應(yīng)力、內(nèi)外溫差及施工因素的影響，通常會(huì)設(shè)置變形縫。為了掌握溫度對(duì)結(jié)構(gòu)受力及整體變形的影響，需對(duì)屋面層進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和變形縫的寬度監(jiān)測(cè)。因此，屋面層在運(yùn)營(yíng)階段監(jiān)測(cè)的內(nèi)容一般有變形，內(nèi)力，振動(dòng)和溫度，監(jiān)測(cè)對(duì)象多為桿件。例如，昆明南站在屋面層設(shè)置了3 種不同類型的傳感器，共94個(gè)。其中，表面振弦式應(yīng)變計(jì)63個(gè)，用以監(jiān)測(cè)桿件應(yīng)力及鋼柱內(nèi)力；靜力水準(zhǔn)儀13個(gè)，用以監(jiān)測(cè)屋蓋撓度；加速度拾振器18個(gè)，用以監(jiān)測(cè)桁架振動(dòng)，如圖9所示。

圖9 運(yùn)營(yíng)階段昆明南站屋面層的測(cè)點(diǎn)

無柱雨棚在運(yùn)營(yíng)期間中，由于受列車運(yùn)行振動(dòng)、強(qiáng)氣流以及室外風(fēng)雨雪等自然環(huán)境的影響，其結(jié)構(gòu)的支撐柱、梁等容易出現(xiàn)變形或下沉等問題[57]，所以需要對(duì)支撐柱和支撐梁的受力和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，了解其安全儲(chǔ)備的大小。因此，無柱雨棚在運(yùn)營(yíng)階段的監(jiān)測(cè)內(nèi)容一般有應(yīng)變和變形，監(jiān)測(cè)對(duì)象一般為支撐柱和梁。例如，昆明南站在無柱雨棚設(shè)置了12個(gè)表面振弦式應(yīng)變計(jì)。其中，8個(gè)用以監(jiān)測(cè)支撐柱應(yīng)力，4個(gè)用以監(jiān)測(cè)支撐梁應(yīng)力，如圖10所示。

圖10 運(yùn)營(yíng)階段昆明南站無柱雨棚的測(cè)點(diǎn)

承軌層在運(yùn)營(yíng)期間，除了考慮結(jié)構(gòu)自重荷載之外，還要考慮人群荷載和列車荷載的耦合作用，是整個(gè)站房結(jié)構(gòu)中受力最為復(fù)雜的部分[58]。由于軌道梁截面和跨度較大，為了解軌道梁的內(nèi)力及工作狀態(tài)，需監(jiān)測(cè)其應(yīng)力狀況和裂縫開展情況。其中，鋼筋應(yīng)力計(jì)需在混凝土澆筑前安裝好，裂縫計(jì)需在拆模后安裝。同時(shí)，人群荷載和列車荷載會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)，加速度過大會(huì)直接影響到結(jié)構(gòu)舒適度，為掌握結(jié)構(gòu)的振級(jí)是否處于允許范圍，需對(duì)結(jié)構(gòu)的加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，變形縫兩側(cè)柱豎向變形不能過大，否則會(huì)影響列車的正常運(yùn)行，所以，需要監(jiān)測(cè)變形縫兩側(cè)柱的豎向位移。因此，承軌層在運(yùn)營(yíng)階段的監(jiān)測(cè)內(nèi)容一般有應(yīng)力應(yīng)變、裂縫、變形和振動(dòng)等，監(jiān)測(cè)對(duì)象為承軌梁、柱等。例如，昆明南站在承軌層設(shè)置了4種不同類型的傳感器，總計(jì)105個(gè)。其中，表面振弦式應(yīng)變計(jì)30個(gè)，用以監(jiān)測(cè)梁鋼筋應(yīng)力；振弦式裂縫計(jì)30個(gè)，用以監(jiān)測(cè)梁裂縫，應(yīng)變計(jì)與裂縫計(jì)布置位置相近，如圖11所示。靜力水準(zhǔn)儀24個(gè)，用以監(jiān)測(cè)變形縫兩側(cè)柱變形；加速度拾振器21個(gè)，用以監(jiān)測(cè)軌道梁振動(dòng)狀況。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，昆明南站尚處于運(yùn)營(yíng)初期，屋面層、無柱雨棚和無柱雨棚的各項(xiàng)指標(biāo)趨于向平穩(wěn)，都處于安全的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體安全。

圖11 運(yùn)營(yíng)階段昆明南站軌道梁的測(cè)點(diǎn)

表3列出了運(yùn)營(yíng)階段鐵路站房健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)情況。由表3 可知，目前,運(yùn)營(yíng)階段站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要是屋面層和無柱雨棚，其次是承軌層，主要監(jiān)測(cè)參數(shù)是結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、變形和加速度。

表3 運(yùn)營(yíng)階段鐵路客站的健康監(jiān)測(cè)Table 3 Health monitoring of railway passenger station during operation stage

3 有待解決的問題及建議

目前，健康監(jiān)測(cè)在鐵路站房結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用還不夠成熟，針對(duì)鐵路站房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)已有應(yīng)用情況，提出有待解決和研究的問題及相關(guān)建議。

1)如何利用盡可能少的傳感器獲得盡可能多的結(jié)構(gòu)健康信息，是鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。鐵路站房的結(jié)構(gòu)體系龐大，需要在屋面層、承軌層和無柱雨棚的關(guān)鍵部分布置傳感器。傳感器數(shù)量過多，不僅會(huì)提高系統(tǒng)的成本，也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量激增，而過少或布置不合理將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不全或關(guān)鍵數(shù)據(jù)缺失。建議可參考航空、航天等領(lǐng)域成熟的傳感器優(yōu)化布置研究成果[59]，結(jié)合站房結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，開發(fā)出適用于站房結(jié)構(gòu)的傳感器優(yōu)化布置技術(shù)。

2)大型鐵路站房結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，如何對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確地非線性損傷識(shí)別還待解決?，F(xiàn)有損傷識(shí)別方法多基于結(jié)構(gòu)為線性系統(tǒng)的假設(shè)，而有關(guān)非線性系統(tǒng)的損傷識(shí)別方法，還存在許多問題沒有解決[60]。在對(duì)站房結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別的過程中，由于受非線性因素的影響，損傷識(shí)別的準(zhǔn)確度會(huì)降低。其中，遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模型的精度要求不高，而小波分析則在細(xì)節(jié)刻畫方面更好。因此，建議綜合這幾種方法加強(qiáng)對(duì)非線性損傷識(shí)別方法的研究，以提高鐵路站房結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的準(zhǔn)確度。

3)鐵路站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)在數(shù)據(jù)處理研究還存在不足。數(shù)據(jù)處理是監(jiān)測(cè)工作的基礎(chǔ)，現(xiàn)階段站房健康監(jiān)測(cè)關(guān)注硬件系統(tǒng)的建設(shè)，而對(duì)后期數(shù)據(jù)的重視程度不夠。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，會(huì)積累海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而在實(shí)際中采集到的初始數(shù)據(jù)可能存在缺陷，不能準(zhǔn)確反映出真實(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。因此，建議對(duì)原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除、消冗及清洗等處理工作，得到有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步利用這些海量數(shù)據(jù)，發(fā)展數(shù)據(jù)的分析與挖掘技術(shù)，以揭示在站房結(jié)構(gòu)在列車荷載、人群荷載和環(huán)境因素等耦合作用下的力學(xué)行為和演化規(guī)律。

4)鐵路站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)工作缺乏長(zhǎng)期有效的管理機(jī)制。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期堅(jiān)持的工作。而在實(shí)際應(yīng)用中，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在重建設(shè)、輕管理的情況，在監(jiān)測(cè)信息共享和運(yùn)營(yíng)維護(hù)上往往存在困難。因此，建議加強(qiáng)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位和管理使用單位的長(zhǎng)期聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)資料和監(jiān)測(cè)信息的共享，制定完善的管理使用手冊(cè)，使得對(duì)站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理定期化和制度化。

5)鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)還處于探索階段，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為有效地推進(jìn)鐵路站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)工作，明確鐵路站房健康監(jiān)測(cè)的實(shí)施主體、具體內(nèi)容、技術(shù)細(xì)則和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等，避免監(jiān)測(cè)的盲目性，建議在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，吸納已有大型鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，編制統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，《鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》正在編制中。

4 結(jié) 語

闡述了大型鐵路站房的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了站房健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，分施工和運(yùn)營(yíng)2個(gè)階段，從屋面層、無柱雨棚和承軌層等3個(gè)結(jié)構(gòu)層次，結(jié)合具體工程案例，總結(jié)了各結(jié)構(gòu)層次的監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)對(duì)象，并針對(duì)鐵路站房健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中存在的問題，給出了相應(yīng)的建議。