高速铁路站房结构健康自动化监测

刘满意， 卢嘉鑫

(辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000 )

1 高铁站房结构健康监测

随着社会的发展，高速铁路工程不断兴建，铁路站房的建设是铁路建设工程中的重中之重，目前，许多铁路站房均设置了自动化健康监测系统，如杭州南站、石家庄站、雄安站、丰台站等。针对杭州东站研制的适用于钢结构的健康监测系统，采用应力传感器、加速度传感器、风荷载传感器和温度传感器等作为结构特征、施工程序和现场环境的测量组件，对整个生命周期的数据进行了采集[1]。上海虹桥站设置的结构健康监测，在钢骨混凝土梁内预先埋设了传感器，长期不间断监测轨道层超长梁结构中钢骨、钢筋、混凝土部分的应力情况，实时掌握结构的状态。

结构健康监测工作是通过监测建筑物各结构状态，获取相关监测数据，完成有效数据的原始积累。然后通过监测数据的大数据分析，判别结构的状态，为后续项目设计及建设提供辅助决策依据，为站房投入运营阶段提供必要的安全运维保障。刘辉[2]以柳州站为研究对象，采用有限元模拟等方法构建了站房结构健康系统并验证了该系统先进性和高效性；张涛、潘毅等[3-4]结合站房监测成功案例，从主要监测对象和内容等方面总结了站房监测中亟需解决的实际问题；沈磊、伊顺林、滕军等[5-7]分别从传感器布设和监测方案等角度分析总结了监测实施方案的优化；姜锐、Dong Liang等[8-9]从结构损伤判识、监测点优化、运维管理等方面提出站房监测的相关建议；Kim, Robin E.等[10]提出了一种利用低成本GPS接收机的脉冲信号实现多网络同步感知的新方法，具有很高的可扩展性，实现了有效的结构健康监测所需的精确同步传感。

本文通过分析国内外学者对高铁站房结构健康监测的研究成果，结合现有高铁站房结构健康监测成功的案例，从高铁站房监测区域、监测内容、监测传感器、数据采集仪及健康监测系统等方面进行总结，为高速铁路站房结构健康自动化监测方案编制、监测点布设优化、监测系统运营维护等方面提供借鉴；同时，自主研发了一款多功能数据采集仪，对其数据采集精度进行了对比分析，满足站房监测项目生产实际需求。

2 监测区域及监测内容

我国的铁路事业经过多年的发展，已经进入一个新的时期，在目前阶段推行铁路站房复杂大型结构健康监测工作有着重要的意义。一般来说，在高铁站房初步规划并施工建设之前，建设单位会依据相关标准出具站房健康监测的初步批复文件，高铁站房施工到一定阶段后，由设计单位依据初步设计批复的要求，给出详细的站房监测区域、监测内容及监测点布置图，监测实施单位按照初步设计批复的要求及监测点布置图，进行详细监测方案的编制并逐步开展监测工作。

不同高铁站房在建设规模、结构特点等方面存在着差异，本节在总结国内外学者的研究成果并借鉴站房监测成功的工程案例基础上，对高铁站房需监测的区域及监测内容进行了总结，主要包括荷载(作用)与环境监测、站房结构的静、动力反应及几何监测，下文详细监测内容。

2.1 荷载(作用)与环境监测

(1)温度监测：钢屋盖、雨棚温度场。

(2)风速风向监测：钢屋盖、雨棚风速风向。

2.2 结构的静、动力反应

(1)应力应变监测：钢屋盖桁架应力；钢筋混凝土柱应力；雨棚柱、梁应力；承轨层柱、梁应变；高架层梁应变；玻璃幕墙钢骨应变等。

(2)振动监测：钢屋盖、雨棚、玻璃幕墙振动；承轨层、高架层加速度等。

2.3 几何监测

(1)位移监测：站房屋盖支撑的位移；雨棚柱和支撑在站房立柱处雨棚梁端部的水平位移；高架层位移；玻璃幕墙位移等。

(2)变形监测：钢屋盖悬挑位置及跨中挠度；雨棚的跨中挠度；承轨层轨道梁挠度等。

详细的监测区域及监测内容如表1所示。

表1 高铁站房结构健康监测区域及监测内容

3 监测传感器

根据高铁站房结构监测区域及监测内容的不同，所用的自动化传感器主要包括风速风向仪、温度传感器、位移传感器、加速度计、振弦类应变(力)计等。国家铁路局最新颁布的TB/T 10184-2021《铁路客站结构健康监测技术标准》中，对传感器的精度、量程、分辨率、灵敏度等作出了明确要求[11]。

3.1 风速风向仪

风速风向仪是专门用于监测大型设施、设备的仪器，如图1所示，在高铁站房结构健康监测中，其量程应大于当地百年一遇风速值，并能够满足监测8个方向风速的要求，风速启动动力应不大于0.6 m/s，监测精度应不大于0.1 m/s，风向监测精度应为3°。

图1 风速风向仪

3.2 温度传感器

当高铁站房结构(如桁架)的受力发生变化时，其表面温度会随之产生变化，布设在结构表面或内部的温度传感器由于监测精度、分辨率较高，能够从侧面及时反映站房结构的受力情况，相关规范中对温度传感器的量程、精度及分辨率等作出明确要求，经市场调研，大部分监测传感器(如振弦类应变计)中均集成温度传感器，其量程、精度及分辨率能够满足结构健康监测的要求，在布设其他类型传感器时，可同时获取其温度监测信息。

3.3 位移传感器

位移监测应根据不同的测量对象选择位移传感器的具体型号，主要包括静力水准仪(竖向位移)和测斜仪(水平位移)等。

静力水准仪分为压差式、电感式、超声波式等几种类型，虽然不同类型的静力水准仪在测量原理上有所差别，但绝大多数都是通过获取各个传感器之间的相对位移关系，经相对稳定的基准点换算得出各个监测点的绝对高程信息，压差式静力水准仪如图2所示。

图2 压差式静力水准仪

3.4 加速度计

加速度计是为监测结构物振动变化情况的自动化监测传感器，如图3所示。高铁站房结构健康监测中宜选用低频、性能优良的振动传感器，量程不小于±2g，横向灵敏度一般为轴向灵敏度的1%～5%，频率响应在0.2 ～1 500 Hz(±10%)，使用温度范围在-50～+70 ℃。

图3 压电式加速度计

3.5 振弦类应变(力)计

由于振弦类应变(力)计输出的是自振频率信号，其具有抗干扰能力强、稳定性高、使用寿命长、分辨率高等优点，被广泛应用于土木工程监测行业中，如图4所示。

图4 振弦类应变(力)计

用于高铁站房结构健康监测的振弦类应变(力)计的量程一般控制在±1 500 με，精度±0.1%F.S.，非线性度0.5%F.S.，灵敏度1.0 με，使用温度范围在-50～+70 ℃。

振弦类应变(力)计能直接反映高铁站房的受力变化情况，一般来说，振弦类应变(力)计在高铁站房结构健康监测中占传感器总量的70%以上。

振弦类应变(力)中的钢弦具有一定的固有频率，当被测结构受力发生变形时，钢弦的长度会产生变形，其固有频率随之产生变化，这时，钢弦会在磁感线圈磁力作用下产生振动，通过获取钢弦此时的振动频率，即可确定结构物的应力变化情况[12-14]。

钢弦振动频率与其受应力的关系如式(1)所示[14]。

(1)

式中:f为钢弦振动频率，Lx为钢弦的长度，σ为钢弦的应力值，ρx为钢弦的线密度。

将式(1)进行公式变换后，如式(2)所示[14]。

(2)

即钢弦受到的应力变化如式(3)所示。

(3)

式中：f0为钢弦无受力状态下的初始频率，σ0为钢弦无受力状态下的初始应力，Δσ为钢弦受力的应力变化。

众所众知，应力及应变的转换关系如式(4)所示。

(4)

式中:ε为钢弦的应变值，Ex为钢弦的弹性模量。

将式(3)代入式(4)可得：

(5)

由于振弦类应变(力)计安装在被测结构表面或内部，钢弦受力产生的应变变化即为被测结构受力产生的应变变化，所以，通过式(5)即可确定被测结构受力后频率变化和应变变化的关系曲线。

4 数据采集仪

目前市面上的数据采集仪可分为模拟量类、RS485类及振弦类传感器采集模块，可分别获取不同类型的传感器数据。由于各个厂家的传感器与采集仪之间可自定义数据传输协议，一般来说，各个厂家的数据传输协议会略有差别，在使用自动化监测传感器时需配套该厂家专用的数据采集仪。

为了满足高速铁路站房结构健康自动化监测的需求，本文设计一款多功能专用云端采集仪，主要由8路振弦传感器处理终端、4路模拟量类传感器处理终端和8路云端采集单元组成，可分别实现振弦类传感器、模拟量类传感器及RS485类传感器的数据采集，完成数据采集后通过集成的4G模块同步将当前采样的传感器数据传输到云端服务器，设计原理如图5所示，自研数据采集仪如图6所示。

图5 数据采集仪设计原理

将本文研制的振弦类传感器处理终端获取的多个振弦类应变(力)计数据，与市面上高精度的手持读数仪获取的传感器数据进行对比，统计结果如表2和图7所示。

图6 自研数据采集仪

图7 数据采集仪误差统计

从图7和表2的统计结果来看，本文研制的振弦类传感器数据采集仪获取的数据与手持数据采集仪获取的数据误差

表2 数据采集仪测量误差统计 单位：Hz

均在1Hz之内，说明本文研制的数据采集仪测量精度完全能够满足实际监测的需求。

5 健康监测系统

健康监测系统是站房健康监测项目的最终表现形式，代表了工程的实用性与成熟度，是项目建设的关键环节。

施工现场的设备是否先进，数据是否能够得到完整的体现，项目建成后是否能得到充分的运用，则完全由该系统呈现给最终用户，因此该部分的架构设计，决定了该项目的科学性、实用性、稳定性及易操作性(图8)。

图8 监测系统平台架构

随着自动化监测传感器的发展，监测系统平台也出现多元化的发展趋势，近年来，基于BIM或其他三维建筑模型的系统开发及应用是市场上各个科技公司研究的热门，通过将传感器模型布设于三维建筑模型上，能够更加直观的在系统前端页面对传感器的位置、状态进行实时查看，增强了系统使用的既视感，更加符合现阶段大数据、真三维、云计算等科技发展理念。

6 结论

(1)通过研究国内外学者对高铁站房结构健康监测的成果，分别从高铁站房结构健康监测的监测区域、监测内容、监测传感器、数据采集仪、健康监测系统等方面进行总结，得出振弦类应变(力)计是高铁站房结构健康监测中的主要传感器，详细介绍了振弦类应变(力)计的监测原理，得出结构物应变变化与应变(力)计频率的关系曲线。

(2)通过自研各种类型传感器的数据采集模块，并将自研模块获取的应变(力)计的数据与手持读数仪测量结果进行精度对比。结果表明，自研模块获取的各个应变(力)计的数据误差均在1 Hz以内，与手持读数仪测量结果相当，完全能够满足实际生产项目对于数据采集模块的精度要求，并且自研的数据采集模块综合多个厂家的数据传输协议，能够方便获取不同厂家传感器的监测数据结果，为实际生产提供较大便利。

(3)利用自动化监测传感器能够实时观测被测结构物的受力、变形、振动等状态，能够为高铁站房结构运营维护提供指导，是未来高铁站房运维的主要手段之一。