台风多发地区大悬挑钢结构长期监测关键问题研究

孙大伟，程 利

（广东省铁路规划设计研究院有限公司 广州 510440）

0 前言

在铁路沿线工程中，存在众多类型的像车站广场雨棚、站台雨棚等大悬挑钢结构，这些结构除了需要满足遮风挡雨等功能性需求之外，也日益成为城市的地标性建筑物。国内深圳北站、长沙南站、广州南站等近百个高铁客站均采用该结构形式。目前，深圳北站站台雨棚是国内外最大的悬挑钢结构，最大悬挑为63 m［1］。由于高铁车站客流量大，使得高铁客站车站广场雨棚、站台雨棚等大悬挑钢结构在使用期间内尽量避免更换主体构件，通常按照100 年为设计年限。但广东沿海地区台风多发，同时还受到海水氯离子影响，使得这些大悬挑钢结构在使用过程中难免会存在损坏和病害。

这就需要对车站广场雨棚、站台雨棚等大悬挑钢结构进行长期监测，以保证雨棚结构、高铁乘客和车站运营的安全。面对如此复杂的大挑臂钢结构，结构杆件、节点连接数量巨大，需要监测的项目及内容繁多，如何更好地采集、传输、存储、处理和显示这些监测信息［2］，以保证结构在使用过程中安全，是工程师们面临的一个重大难题。

目前，长期监测已被广泛应用到国内、外的工程当中，其中主要为桥梁的长期健康监测应用，如广州的新光大桥在建设初期就安装了应力监测传感器和振动监测传感器［3］。但对复杂大挑臂空间钢结构的长期监测研究则起步较晚，由于大挑臂空间钢结构在材料、结构类型、杆件数量等方面都较桥梁结构复杂很多，因此大挑臂钢结构难以直接套用桥梁领域已有的较为成熟的健康监测系统［4］。近几年，少量学者开展了关于大挑臂钢结构相关的研究，如李宏男［5］在大连体育馆开展结构安全的长期监测；周峰等人［6］在国家游泳中心开展了从施工到运营阶段的全过程监测；罗尧治［7］对大挑臂空间钢结构安全的众多影响因素进行了指标量化，并建立了关于大挑臂空间钢结构的安全预警评估流程；丘增国［8］提出了针对大挑臂钢结构的损伤定位法。

虽然大多数台风地区的铁路沿线大悬挑钢结构都安装有长期监测系统，但系统中存在各种类型的监测传感器，监测的物理量也不尽相同［9］。监测系统的建设单位多为传感器生产厂商，对结构安全整体状态了解并不深入，监测系统的使用单位由于缺乏必要的土木工程专业知识，无法充分发挥系统的作用［10］。本文针对台风环境大悬挑钢结构长期监测关键问题研究进行详细分析，可给台风地区大悬挑钢结构的长期监测工程应用提供参考。

1 某火车站广场雨棚工程概况

揭阳市某火车站位是粤东旅客和货物的重要集散地之一，于2014年建成后投入使用。某车站为二台七线的线侧下式站房。车站总建筑面积5 999.77 m2，中心里程为DK257+740。站房主体一层，附属建筑二层；建筑最高点高度15.940 m；最高聚集人数800 人。站房轴线总尺寸为125.6 m×32.8 m；旅客活动平台广场方向宽11 m，左右两侧宽10 m。站场设站台两个，站台长450 m，其中基本站台宽9 m，二站台宽10.5 m，站台高度均为1.25 m。设12 m宽旅客进出站地道一座。

车站广场雨棚工程总建筑面积7 500 m2。位于既有站房正立面的旅客活动平台处，建筑高度28 m（室外地坪至檐口），建筑面积为7 500 m2。新建平台雨棚：在既有站房旅客活动平台处，增设雨棚。雨棚覆盖面宽196 m，进深48 m。雨棚为钢结构网架结构，外饰白色铝板。雨棚效果及平面如图1、图2所示。

图1 车站广场雨棚效果Fig.1 Renderings of Canopy in Station Square

图2 车站广场雨棚总平面Fig.2 General Plan of Canopy in Station Square

2 广场雨棚风洞试验

2.1 风洞设备

该广场雨棚改扩建工程建筑造型独特，此类结构的质量轻、阻尼小，很容易在风荷载作用下产生较大的风振响应，其抗风设计不容忽视。由于其设计风荷载无法通过规范方法计算得到，必须通过风洞试验获得其屋盖结构的设计风荷载以及强风下的结构动力响应，以便为结构设计提供科学数据和依据。为此，对该工程进行刚性模型测压风洞试验研究，测量了雨棚表面的平均风压和脉动风压，并对结构进行风致响应计算分析，试验与计算结果可用于整体结构设计和围护结构的设计。

本风洞为回流式并列双试验段的大型低速边界层风洞，第一试验段（高速试验段）宽3.0 m、高3.0 m、长15.0 m，试验风速在0～94 m/s 范围内连续可调（最高风速的民用风洞）；第二试验段（低速试验段）宽12.0 m、高3.5 m、长18.0 m，试验风速在0～20 m/s 范围内连续可调。风洞由6 台最大功率为335 kW 的直流电机驱动，风速的调节和控制采用计算机终端集中控制的可控硅直流无级调速系统。风洞配有自动调速、控制与数据采集系统以及建筑结构模型试验自动转盘系统，转盘直径为2.5 m。流场性能良好，试验区流场的速度不均匀性小于1%、湍流度小于0.2%、平均气流偏角小于0.5°。风洞试验模型及场地如图3所示。

图3 风洞试验模型Fig.3 Wind Tunnel Test Model

2.2 试验模型

本工程的风洞测压试验模型为一刚体模型，采用有机玻璃制作而成，并保证模型的几何相似要求。试验模型具有足够的强度和刚度，在试验风速下不发生变形，并且不出现明显的振动现象，以保证压力测量的精度。考虑到实际建筑物的尺寸以及风洞截面的实际情况，选择模型的几何缩尺比为1/150。模型与实物在外形上保持几何相似。试验时将工程模型放置在转盘中心，通过旋转转盘来模拟不同风向。根据本项目的实际情况，未考虑周边建筑对其风致干扰的影响。试验模型在风洞内的布置如图4所示。在雨棚试验模型上总共布置了184个测点，其中，雨棚悬挑部分需要双面布置测点，雨棚上（外）表面布置测点24个，编号分别为1～11、135～147号，下（内）表面布置测点24 个，编号分别为124～134、148～160 号。具体测点布置如图5 所示。需要特别说明的是，还专门给出了双面测点的净压力测点编号，净压力指上表面压力减去下表面压力。试验前经仔细检查，上述测压孔全部有效。

图4 车站广场雨棚改扩建工程风洞试验模型Fig.4 Wind Tunnel Test Model of the Canopy Reconstruction and Extension Project in the Station Square

图5 雨棚单面测点Fig.5 Survey Point of Canopy on One Side

2.3 风洞试验结果

根据试验，得到了各测点在各个风向角下的点体型系数。需要说明，体型系数对于内封闭结构部分已经按照规范规定考虑了内部压力系数±0.2，双面测点的净压力为上表面压力-下表面压力。

本车站广场雨棚改扩建工程10 个最不利正风压值，如表1所示，其中雨棚对应于50年和100年重现期的最大正压力分别为2.18 kPa 和2.59 kPa（位于模型上81 号测点），雨棚对应于50 年和100 年重现期的最大负压力分别为-7.69 kPa 和-9.13 kPa（位于模型上161号测点）。

表1 某车站广场雨棚改扩建工程10个最不利正、负压值Tab.1 The 10 Most Unfavorable Positive and Negative Pressure Values of the Canopy Reconstruction and Expansion Project in a Station Square （kPa）

3 基于风洞试验的大悬挑钢结构受力分析

计算采用大型通用有限元软件Midas 进行计算。

3.1 内力验算

按最不利荷载组合进行验算，得到结构轴力受力包络图（受拉为正），如图6、图7所示。可以看出结构所受最大轴力为4 140.1 kN，最小轴力为-6 539.31 kN。得到结构弯矩包络图（受拉为正），可以看出结构所受最大弯矩为6 077.6 kN，最小弯矩为-6 077.5 kN。

图6 结构最不利荷载组合最大、最小轴力Fig.6 Maximum and Minimum Axial of the Most Unfavorable Load Combination of the Structure（kN）

图7 结构最不利荷载组合最大、最小弯矩Fig.7 Maximum and Minimum Bending Moment of the Most Unfavorable Load Combination of the structure （kN·m）

3.2 应力验算

按最不利荷载组合进行验算，得到结构应力包络图（受拉为正），可看出结构所受最大拉应力为187.41 MPa，最大压应力为-200.48 MPa。结构的应力验算满足《钢结构设计标准GB 50017—2017》要求，如图8、图9所示。可以看出，按最不利荷载组合进行验算，结构连接节点所受最大Von Mises应力为104.6 MPa。结构连接节点的应力验算满足规范要求。

图8 节点构造模型Fig.8 Node Construction Model

图9 最不利荷载组合构件连接节点应力云图Fig.9 Stress Cloud Diagram of Connecting Nodes of Components under the Most Unfavorable Load Combination （MPa）

3.3 位移验算

按最不利荷载组合进行验算，得到结构位移图，如图10所示，可以看出结构所受最大变形为64.5 mm，结构的位移验算满足《钢结构设计标准GB 50017—2017》要求。

图10 最不利荷载组合结构位移Fig.10 Displacement of the Most Unfavorable Load Combination Structure （mm）

4 长期监测传感器类型选择及各类传感器优化布设研究

该高铁站雨蓬工程建成后随着运营时间的推移，结构各构件将面临受到各种损伤及内力状态的改变，相应结构的刚度和承载能力就会出现不同程度的衰减，这些损伤和内力状态的改变如果能够预先被警告获知，并且及时进行适当的调整、维护、维修就不会危及结构的运营安全，否则将可能导致灾难性事故。

为避免灾难性事故的发生，实时掌控结构的安全使用状态，辅助结构保养维护，构建一个技术先进、措施合理、实用经济、易于管理、开放兼容、符合该高铁站雨蓬项目需求的结构长期监测系统十分必要。

4.1 长期监测内容

⑴环境监测

该高铁站雨蓬项目是大跨度结构，在运营期间，风荷载将是其所承受的主要荷载之一。此外，某车站温度的变化对结构变形和内力也会产生一定的影响。因此，需要对结构所处环境进行监测，监测的内容主要有温度、风速等。

⑵雨蓬主体结构的变形监测

结构在长期运营期间的雨蓬结构挠度变形监测是一项非常重要的内容，通过对挠度的观测，可以直观地掌握结构的变形形态，及时消除安全隐患。

⑶雨蓬主体结构的应力监测

雨蓬主体结构的应力监测能反映结构在荷载作用下主要构件的受力状况，是评价结构安全性最重要的参数之一。

4.2 测点布置原则

根据前面的计算结果，结合结构特点、使用环境复杂性、施工可行性，制定应力应变、整体变形、环境监测点的布置原则：

⑴对于应力、应变监测，将应力应变测点布置于截面类型相同但应力较大的杆件，以及重要位置的构件，以保证有限的监测点数量，满足应力应变监测的需要。

对各波浪要素下的进入航道的沙量进行加权平均后得到两个方案沿航道年回淤厚度（图4）。绿线为方案1，紫线为方案2，最大淤积厚度均出现在防波堤前沿。从年均回淤厚度结果来看，方案1大于方案2，且最大淤厚位置靠近河口，最大淤厚为1.86m/yr。方案2与方案1相比，最大淤厚位置更靠近外海，最大淤厚为2.69m/yr。平均淤厚为0.46m/yr（方案1）和0.33m/yr（方案2）。全航道由于底沙推运造成的回淤量分别为248.53和172.25万立方米。

⑵对于结构变形监测，重点应监控结构的整体变形情况，监测结合应与结构的整体振动特性结合，反映结构的整体状态。

⑶对于环境监测，温度和风压等环境变量属于场量，环境监测测点应均匀的布置在结构场地内。同时，应结合应力应变传感器布设位置，以便测得附近温度、风压等环境情况，可以将环境数据用于修正监测结果，以便更准确地判断出结构杆件的工作状态。

⑷对重要构件，为保证监测数据的准确性和可信度，应适当增加测点数量，如适当增加钢柱、斜撑等测点的数量。

⑸为减少因数据传输出现的数据错误情况，应尽量减少连接节点，同时应采用具有相同测量原理和接口技术的测量仪器，如采用光纤光栅型传感器。

5 建立智能监测信息数据管理与可视化系统

由于车站广场雨棚钢结构的监测项目周期性长、数据采集量大的特点，相应的人工存储和监测数据分析也将产生巨大的工作量。因此，建立智能监测信息数据管理与可视化系统尤为重要，实现了信息数据集成和可视化管理。智能监测系统项目控制台如图11所示。智能监测系统具备如下功能：

图11 智能监测系统项目控制台Fig.11 Intelligent Monitoring System Project Console

⑴测点类型统计，可看到不同监测类型的占比。

⑵设备状态统计，可看到现阶段下监测设备的状态，有正常、设备欠压、数据丢失和数据重复四种状态。

⑶结构物状态统计，可看到现阶段下结构物在监控设备下的预警状态。

⑷测点状态统计，可看到现阶段下各测点的状态统计，有正常、蓝色报警、黄色报警、橙色报警和红色报警5种状态。

⑸报警测点，可看到现阶段下报警测点的监测项内容、何时监测出的问题、最大值、最新值与报警状态。

⑹报警处理统计，可看到现阶段下报警测点的待处理状态。

6 结语

本文依托某火车站广场雨棚钢结构改扩建项目，结合台风多发地区大挑臂空间钢结构自身特点，对台风多发地区大悬挑钢结构长期监测关键问题进行研究。

文章基于风洞试验结果进行受力分析，可更准确地分析结构实际受力情况，因此在设置结构长期监测中，可以更合理地进行传感器布设，并选择了更为合理的传感器类型。通过建立台风多发地区大挑臂钢结构智能监测信息数据管理与可视化系统，可以合理设置长期应力、倾斜、挠度、水平位移等监测项目的预警阈值，并对数据采集或传输过程中产生的错误（虚假）数据，进行剔除，同时构件各种监测数据均进行可视化显示，更好地为养护管理人员进行日常养护决策提供依据，实现了基于传感器和计算机、物联网的智能化建设管理。可为台风地区大悬挑钢结构的长期监测工程应用提供参考。