大型铁路站房结构健康监测研究现状与建议

刘倩 王喆 夏梦颖

摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，铁路工程建设越来越多。铁路站房作为大型公共建筑，具有结构体系复杂、人流高度密集、使用年限长等特点，一旦结构失效，将会造成严重的社会影响。为了有效监测站房结构的健康状况，及时发现站房结构的损伤，最大程度地保障铁路站房的结构安全，有必要对铁路站房结构进行健康监测。结合大型铁路站房的工程案例，总结大型铁路站房的组成和结构特点，介绍站房健康监测系统的组成，考虑施工和运营两个阶段，从屋面层、无柱雨棚和承轨层3个部分，分析大型铁路站房主要的监测对象和监测内容，并指出健康监测在铁路站房结构的应用中有待解决的问题，以期促进健康监测在大型铁路站房结构上的发展。

关键词：铁路站房;健康监测;结构安全;施工阶段;运营阶段

最近几年，我国在铁路方面的发展极快，对于铁路站场的建设有了进一步的要求，与传统的技术对比，BIM于铁路站场的建设当中存在显著优势，能针对铁路站场的建设达到全周期的管理要求。现阶段，BIM已于欧美和日本等部分国家的工程当中获得了显著的效果，在我国铁路的建设当中，也逐渐开始在站场的建设当中应用BIM的技术来提高整体建造的水准。

1站房结构的组成

由于建筑功能的需要，大型站房结构由主体结构和无柱雨棚组成。主体结构按标高从下往上依次是地铁层、出站层、承轨层、高架层（含夹层）、屋面层。其中，承轨层、屋面层和无柱雨棚是站房结构健康监测的主要部分。为了适应承轨层跨越出站层和地铁层，同时又能支撑高架层和屋面层，大型铁路站房多采用“桥建合一”结构体系，桥梁结构和建筑结构的结合，是一种“列车-桥梁-站房”一体化站房结构形式，可以缩短进出站流线、节约建筑用地，具有柱网布置灵活、结构整体性较好等特点。按两种结构主次类型不同，“桥建合一”结构体系可分为两类。第1类结构形式是以桥梁结构为主，先形成桥梁结构，再在桥梁结构上布置站厅、站台、雨棚等建筑结构。第2类结构形式是以建筑结构为主，以建筑构件取代桥梁构件来直接承受上部结构的荷载，将承轨层的承轨梁作为建筑的一部分，支撑于建筑结构上，以承受列车荷载。

2站房运营过程存在的问题

（1）“桥建合一”的铁路站房，虽然在国内已经有了一些实践，但仍然是新的形式，其不是单一地把桥梁与框架结构进行叠加。要在研究桥梁与大跨结构特征的基础上，借助于对不同结构措施的分析，选择符合具体工程要求的形式。（2）“桥建合一”的铁路站房结构，是跨学科的形式。由于荷载与结构形式的差异，桥梁的结构标准、站房结构规范与其不是完美结合的。此外，从现阶段的设计方案来说，针对“梁桥式”乘轨层的铁路站房，要由不同专业的工程师去完成。（3）高铁的运行，为“桥建合一”的铁路站房结构带来了相应的振动，而振动带来的影响不容忽视，关系到列车运行速度、车辆的总体重量、轨道的特点、桥梁的支座形式、铁路站房的类型等方面。（4）“桥建合一”的铁路站房，既不是单一的桥梁结构，也不是单一的建筑结构，它的设计中，要结合列车运行和建筑这两个不同角色的一些特性。

3站房的健康监测

3.1系统组成

站房结构的健康监测是指在工程结构施工或运营阶段，利用现场无损的检测技术，测定结构关键性能指标，获取结构内部信息并处理数据，通过分析结构系统特性，评估结构因损伤或退化而导致的主要性能指标的改变，以监测结构健康状态的变化，判断结构是否安全。站房健康监测系统包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理与控制子系统和数据分析与安全预警子系统，其中，传感器子系统为系统硬件部分，是健康监测系统中最基础的子系统。它通过埋入在结构内部或者粘贴在结构表面的多种传感器，以实时监测站房结构的作用、效应及损伤信息，并将待测的物理量以数字信号形式输出。数据采集与传输子系统应对接口的匹配性和软件的功能性进行设计，明确合理的监测数据传输方案，软件能实现自动采集与传输数据，并可进行人工干预采集与采集参数调整。

3.2钢拱薄弱立柱应力监测

由于立柱属于受压杆件，且内力较大，在极端荷载条件下容易发生失稳。立柱失稳可能导致结构的局部破坏甚至整体结构坍塌，应对关键部位的立柱的进行应力实时监测，以保证运营安全。钢拱墙边缘处的立柱长细比较大，在极端荷载条件下更容易发生失稳破坏，因此应对此类杆件的应力进行实时监测。

3.3施工放样和精确的计算出工程量

在施工以前，相关的技术工作者可应用BIM的模型精确开展模拟放样的作业，如此便能提前对各类设施等摆放位置加以规划。能在一定的程度上提升工作的效率，提前发现施工中存在的问题且对施工的工艺加以优化。应用BIM的模型能自动的项目工程的量计算出来。经BIM能计算出工程量与提取出工程的清单，如此便能使相关的技术工作者快速了解工程实际的数量，与此同时还能对生产的成本加以精准管控。

3.4运营阶段

根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068—2018）[56]，大型铁路站房的设计使用年限为100年，其在长期运营过程中，由于受到人群荷载、列车荷载和风荷载等多种荷载长期作用，以及环境侵蚀、材料老化和疲劳效应等不利因素的影响，会导致结构产生损伤，可能使得站房结构存在安全隐患。因此，为了及时发现结构损伤，需要对站房结构进行健康监测，以保证铁路客站的运营安全。为掌握运营期间的屋面层受力状况，对结构进行安全状态进行评定，宜在受力关键部位设置应变传感器，如支座、跨中截面以及结构分析的易損部位和受力较大部位。同时，屋面层因受不确定性环境作用的影响，存在较多偶然振动，为了掌握结构的动力响应，应采用加速度传感器进行监测，并分析其振型、频率等结果。另外，在大跨空间结构中，桁架跨中易产生变形，累积变形过大也会成为安全隐患，需监测桁架的竖向变形。此外，屋面层由于跨度大、且长期直接与外部环境接触，受温度应力、内外温差及施工因素的影响，通常会设置变形缝。为了掌握温度对结构受力及整体变形的影响，需对屋面层进行温度监测和变形缝的宽度监测。

4结束语

综上所述，阐述了大型铁路站房的组成和结构特点，介绍了站房健康监测系统的组成，分总结了各结构层次的监测内容和监测对象，并针对铁路站房健康监测应用中存在的问题，给出了相应的建议。

参考文献：

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[2]宋佳刚.桥建合一与桥建分离高架站房的对比分析[J].铁道勘测与设计，2015，59（3）：40-44.

[3]赵鹏飞，钱基宏.我国新时期大型铁路站房结构的特点与展望[J].建筑结构，2011，41（11）：64-68.

（作者单位：深圳市简测智能技术有限公司大连分公司1

都市发展设计有限公司2）