雄安站屋盖钢结构无线健康监测系统设计与开发*

罗尧治， 赵靖宇， 范 重， 宋志文， 沈雁彬， 蔡朋程， 张 宇， 朱 丹

(1 浙江大学空间结构研究中心，杭州 310058；2 中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044；3 中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

0 引言

大跨空间钢结构是一种在外部荷载作用下，具有三维多向受力特性的结构[1]。由于其空间传力路径比较复杂，施工建造难度相对较大，并且该类结构通常是人员聚集、大型活动的场所，其安全性至关重要。因此，建立针对大跨空间钢结构的运营阶段长期实时健康监测系统，实现结构健康状态的预警评估，其重要性不言而喻[2]。结构健康监测的概念自20世纪八九十年代提出以来，随着数据传输技术、传感硬件设备和系统采集软件的进步，结构健康监测技术的研究发展迅速，并已经逐步在工程结构的施工及运营得到广泛应用[3]。结构健康监测根据数据传输方式，主要分为有线监测和无线监测。由于大跨空间钢结构监测具有覆盖面积大和测点数量多的特点，导致有线监测设备存在安装难度高和安装成本大等局限性。浙江大学罗尧治等自主研发了全套基于无线监测技术的温度、应变、位移、加速度、风速以及风压多物理量实时监测系统，解决了传统有线监测系统的弊端，并实现了在大跨空间钢结构领域的应用，如国家体育场“鸟巢”[4]、上海世博会英国馆[5]、杭州东站[6]、亚运会杭州奥体网球中心[7-8]、国家速滑馆[9]、北京大兴机场。

本文设计并开发了针对雄安站屋盖钢结构的无线监测系统。针对该结构的建筑特点提出了相应的测点布置方案，结合监测方案设计了多物理量实时采集的无线采集网络以及多功能数据分析的智慧平台。分析了运营阶段的屋盖钢结构环境在荷载作用下的监测数据，验证了无线监测系统的有效性。随着该无线监测系统的持续运行，有效的监测数据量大幅增加，结构实际受力与变形状态更加明确。

1 工程概况

雄安站综合交通枢纽作为目前亚洲已建成建筑规模最大车站，总建筑面积为47.52万m2，建筑总高度为47.20m。屋盖平面呈椭圆形，长轴长度为450m，短轴长度为355.5m，为复杂超长结构[10]。钢结构部分基于屋盖建筑效果以及防水功能的需要，沿轨道和垂直轨道方向分别设1,2道变形缝，划分为6个结构单元，跨越下部2个或以上混凝土分区结构单元，由于上、下结构分缝位置不一致，形成了多塔连体结构，屋盖分区如图1所示。结构分区三维模型如图2所示，其中Ⅰ2与Ⅱ2分区为候车厅；Ⅰ 1，Ⅰ 3与Ⅱ 1，Ⅱ 3分区为雨棚，其中Ⅰ 1与Ⅰ 3，Ⅱ 1与Ⅱ3均是镜面对称。

图1 雄安站屋盖分区

图2 结构分区三维模型

候车厅采用钢框架结构体系，其跨度为78m，结构如图3(a)所示。候车厅框架柱为矩形钢管混凝土柱，框架梁为变截面箱形钢梁，梁端支承在V形支撑顶部；次梁截面采用箱形钢梁，同时屋面也设置平面支撑以保证屋盖的整体性。雨棚跨度为15～24m，其结构如图3(b)所示。雨棚框架梁采用箱形钢梁，主梁贯通连接后与柱铰接；次梁为H型钢梁；屋面局部区域设置平面支撑，保证雨棚屋盖整体性。

图3 站房屋盖结构体系

2 监测系统

2.1 测点布置方案

雄安站屋盖钢结构分区单元跨越多个混凝土结构单元，受力复杂。钢结构体量巨大，温度改变引起结构的内力和变形相对明显，可能对结构的安全性产生显著的影响。基于结构的复杂性，结合环境荷载的多源性，将针对以下内容进行重点监测：1)结构温度场；2)大跨度变截面框架箱形曲梁应变；3)钢混框架柱应变；4)柱顶V形支撑应变；5)斜撑应变；6)滑动支座位移；7)框架梁竖向位移。

应变是反映结构构件工作状态最直接的指标，通过对结构的应变进行监测，掌握结构的构件状态。本工程采用无线振弦式应变传感器，用于测量结构构件表面应变，此传感器具有抗干扰能力强、零点飘移小、性能稳定可靠等优点。该仪器内置温度传感器，在监测温度的同时，可自动修正测量温度影响。在结构受力较大的构件布置测点，监测敏感性构件的工作性能，应变(温度)监测区域覆盖所有屋盖层，安装区域如图4所示，无线振弦式应变传感器的信息与监测项目汇总见表1。雨棚梁、现场框架柱及V形支撑无线应变(温度)传感器实际安装的效果如图5所示。

图4 传感器测点布置图

图5 无线应变(温度)传感器现场安装照片

位移是大跨结构整体工作状态最直接的体现，通过跟踪位移变化，可知结构在外部荷载作用下的空间位置变化，掌握结构的整体状态。本工程采用无线激光位移传感器，此传感器能以极低的噪声实现无接触式的距离测量，具有对自然光抗干扰能力强、测量稳定性高等优点。在结构变形较大处布置测点，特别是雄安站Ⅰ2，Ⅱ2分区屋盖采用双向滑动支座，以实现大跨度结构温度应力的释放，因此支座位移是结构温度效应最直接的体现，对掌握结构的整体状态具有非常重要的意义。根据监测位置的不同，分别选用水平无线激光位移传感器对支座位移进行监测，竖向无线激光位移传感器对框架梁跨中竖向位移进行监测。位移监测区域覆盖所有屋盖层，安装区域如图4所示，无线激光位移传感器的数量汇总见表1。滑动支座位移传感器实际安装的效果如图6所示。

图6 无线激光位移传感器现场安装照片

监测项目与传感器信息统计汇总 表1

2.2 无线网络拓扑

基于2.1节应变(温度)、位移传感子系统的布置情况，设计适用于雄安站屋盖结构健康监测系统的无线网络拓扑。无线网络拓扑一般由起始节点、中继节点以及终端节点组成，包括星形网络、链形网络、树形网络3种基本形式，如图7所示。其中星形网络只包含起始节点与终端节点，由于局域网通信距离的限制，起始节点与终端节点的空间布置具有一定限制。而链形网络通过添加中继节点，相应增加了其通信距离，一定程度上突破了距离的限制，但考虑到网络整体的鲁棒性，中继节点多重串联增加了网络整体的故障概率，且前端中继节点的损坏对网络整体的影响是非常巨大的，因此中继节点的串联数量具有一定限制。树形网络则继承了链形网络通信距离的优势，通过减少中继节点串联和增加中继节点并联，使得网络整体的鲁棒性大大提升。结合雄安站传感子系统的布置情况，确定了以基站作为起始节点、路由接力作为中继节点以及传感器作为终端节点的树形网络拓扑[11]，如图8所示。路由接力节点可以灵活地穿插在整个网络的中间层，增加了树形网络的可拓展性与灵活性。无线树形网络初始化完成之后，网络中的每个设备仅通过路由接力节点的响应，即可实现将命令发送到指定节点，或者将监测的数据逐步发送回基站，实现监测命令和数据在传感子系统的流动。

图7 无线网络拓扑形式

图8 本工程传感子系统无线树形网络拓扑

2.3 智慧平台设计

为了实现运营期间雄安站屋盖钢结构的全面监控，基于模块化设计理念，监测系统设计包含传感系统、数据采集、数据管理、结构健康评估4个子系统模块。传感子系统由3种不同类型的258个无线传感器组成，通过树形网络将多种监测数据传输到基站。通过现场基站向传感子系统发送采集指令，实现多种监测数据采集。经内部局域网，基站将原始数据自动上传到本地数据库实现数据存储管理。监控中心则以智慧平台等形式实现本地数据库的可视化展示以及系统与用户的交互。图9为整个监测系统数据传输框架，显示了监测系统的数据传输过程。图10为雄安站智慧平台，此平台实现了实测数据查询、监测设备管理、报警信息管理、报告和维护日志管理等功能。

图9 监测系统数据传输框架

图10 雄安站智慧平台

3 监测结果

雄安站结构无线健康监测系统于2020年底搭建完成并正式投入运行。通过对2021年第一季度结构在环境因素作用下构件应变、支座位移时程监测数据的分析，获得了结构状态的信息，验证了此监测系统的有效性。由于测点数目较多，下文仅列举测点布置典型区域的部分测点的结果进行讨论。

3.1 主要典型构件应变

结构运营期间，引起结构构件应变变化最主要的因素是环境温度，通过跟踪大跨度变截面框架箱形曲梁、钢管混凝土框架柱、柱顶V形支撑等主要构件的应变变化，分析其应变与环境温度的关系。图11为箱形曲梁测点S14、框架柱测点S04、V形支撑测点S05应变与温度关系。由图11可以看出，结构构件应变与环境温度呈现一定的负相关关系；采用最小二乘线性回归拟合结果显示，构件应变与环境温度的相关系数R2均在0.9左右，这表明构件应变与环境温度线性相关程度很高。雄安站结构无线健康监测系统成功捕捉了环境温度对结构应力状态的影响，验证了应变监测的有效性。并且根据线性拟合的回归系数可以看出，箱形曲梁以及V形支撑相较于框架柱，对环境温度的变化更加敏感。

图11 典型结构构件应变与温度关系

3.2 支座位移与框架梁跨中竖向位移

结构运营期间，环境温度不仅会引起结构构件应变变化，同样对结构变形的影响也不能忽略，通过跟踪结构变形缝处滑动支座水平、纵向位移以及框架梁跨中竖向位移的变化，分析其与环境温度的关系。图12为滑动支座测点D02、测点D04水平位移与温度关系。由图12可以看出，滑动支座水平位移与环境温度呈现一定的负相关关系；最小二乘线性回归拟合结果显示，水平位移与环境温度的相关系数R2均在0.7左右，这表明水平位移与环境温度线性相关程度较高。此外，由于结构以及测点布置存在对称性，因此测点D02的滑动支座与测点D04的滑动支座的水平位移实测数据基本一致。图13为Ⅱ1分区框架梁测点D05竖向位移与环境温度关系。由图13可以看出，竖向位移与环境温度呈现一定的正相关关系；最小二乘线性回归拟合结果显示，竖向位移与环境温度的相关系数R2在0.5以上，表明梁跨中竖向位移与环境温度具有一定程度的线性相关。雄安站结构无线健康监测系统成功捕捉了环境温度对结构支座位移以及框架梁跨中竖向位移的影响，验证了位移监测的有效性。

图12 滑动支座水平位移与温度关系

图13 框架梁跨中D05测点竖向位移与温度关系

4 结语

为了实时掌握雄安站运营期间的结构状态，针对其屋盖钢结构特点，设计开发了一套完整的无线健康监测系统，具体如下：

(1)提出了测点布设方案，建立了一个以应变、位移和温度3类共258个传感器的全方位结构健康监测感知层。

(2)对比了星形网络、链形网络及树形网络特征，确立了无线树形网络拓扑形式，构建了以传感器节点、通信路由节点与基站进行信息交互的数据传输层。

(3)基于模块化设计理念，开发了集成数据查询、设备管理、报警维护等多种功能的结构监测智慧平台分析层。

(4)分析了2021年第一季度在环境温度作用下的典型结构构件应变和位移及支座位移，得到其与环境温度的关系，验证了雄安站屋盖结构无线健康监测系统的有效性。