大型铁路客站结构健康监测现状与发展思考

杜彦良,张 浩,刘伯奇

(1.石家庄铁道大学安全工程与应急管理学院,石家庄 050043；2.深圳大学土木与交通工程学院,深圳 518061；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所,北京 100081)

1 概述

铁路客站是铁路系统服务旅客和社会的重要场所，是展示铁路系统形象的窗口，是城市的名片，是一个时期铁路建设、城市经济、社会发展、文化传播的集中体现。近年来，我国铁路事业进入高速发展期，大型铁路站房以及铁路站房为主体的大型综合交通枢纽开始出现并迅速增加，截至 2021年底，已新建高铁客站1 000余座，其中中型及以上铁路客站300余座。目前，我国铁路客运客站逐渐向空间形态多样化、结构立体化、层次化和多功能性方向发展，其中大跨度、大柱网空间结构体系在站房及无站台柱雨棚开始广泛应用[1]。大型铁路站房结构人流密集，属于整个交通系统网络的关键节点，受社会关注度高，一旦结构发生破坏将会引起极其严重的后果，造成严重损失的同时，还可能引发严重的社会舆论影响。因此，铁路客站作为铁路运输的重要组成部分和城市综合交通枢纽，其建设质量和运营安全备受关注。有必要对大体量和结构复杂的铁路客站前期施工和后期运营过程进行深入研究，运用现代传感技术、振动测试理论、数据传输技术、计算机软硬件技术、信号分析与处理技术等专门学科建立结构健康监测系统[2-6]，在长期运营过程中实时监测客站的工作运行情况，在结构出现异常受力状态或处于危险时及时发出报警，以便采取相应的应急措施降低人员和财产损失。

2 铁路客站结构形式与空间布局

我国铁路客站的发展经历了从城市大门(1代)—交通枢纽(2代)—综合枢纽(3代)—交通综合体(4代)的历程[7-8]，其中千禧年之初修建的大批高铁车站属于我国第三代火车站，如北京南站、武汉站、广州南站、上海虹桥站等。其重要特征是以火车站为交通枢纽，将铁路干线与各类对外交通方式紧密衔接，形成完整的交通体系。根据建筑功能划分，大型站房结构由主体结构和无柱雨棚两部分组成，主体结构按标高从上往下依次是屋面层、高架层(含夹层)、承轨层、出站层、地铁层，如图1所示。

图1 北京南站总体布局

近年来，国家接续推进站城融合发展配套政策的逐步完善，使TOD(Transit-Oriented Development)可持续发展理念得到社会大众广泛认可，众多铁路客站结合所在城市发展规划在工程前期就进行了严谨论证，工程各方都为城市的更好发展而共同努力[7]。随着北京市副中心通州站、杭州西站、广州白云站等一批创新性客站方案的制定和付诸实施，中国的铁路客站建设终于进入了第四代发展时期。这一代铁路客站的最主要特征是“交通综合、站城融合、质效结合、人网结合”[7]，如图2、图3所示。铁路客站的功能不再局限于转运乘客、运输货物，而是能够带动周边经济并形成“一站助多产”的综合发展模式载体，助力城市生机盎然、经济蓬勃发展。

图2 广州白云站总体布局[7]

图3 杭州西站城市客厅“云门”效果图[7]

采用“桥建合一”结构形式的铁路站房作为第四代站房形式是“功能性、系统性、文明性、经济性、先进性”的集中体现，其结构体系主要包括如下形式。

2.1 承轨层结构形式

承轨层位于整个车站结构的中间部位，既承受上部结构传导下来的各种作用，也直接承受列车荷载，因此其荷载形式也是整个站房结构最为复杂的。其结构体系按照形式区分有“梁桥式”和“框架式”两种[9]。

2.2 高架层结构形式[9]

高架层结构位于站台层之上，由于铁路站房结构形式的特殊性，框剪、框架-中心支撑等结构形式对高架层均不合适，对于高架层结构而言，框架结构体系是最为合适的形式。对于这种大跨框架结构，主要构件的形式按照构件种类可以分为竖向构件和水平构件。

竖向构件：常采用钢管、型钢、钢管混凝土(圆形、矩形)、钢骨混凝土构件等。

水平构件：常采用 H 形钢梁、箱形钢梁或桁架；在某些情况下，采用钢-混凝土组合梁也能取得良好效果。

2.3 屋面层结构形式[9]

屋面层结构形式是典型的大跨结构。目前，大跨屋盖结构常用形式为实腹梁(含桁架、拱等)、网格结构、索膜结构、杂交结构4种。

2.4 站台雨棚结构形式

无站台柱雨棚(无柱雨棚)是高铁客站雨棚的常见结构形式。无站台柱雨棚跨越整个站台和线路，长度覆盖站台全长，柱子立设于轨道间。在雨棚设计中需要综合考虑客站特殊建筑与结构形式、使用性能与安全性能，以及较好的视觉效果与较快的施工速度。如果无柱雨棚与站台形成相对封闭空间，过路列车可引发复杂风场，无柱雨棚存在振动过大的风险。因此各高速铁路客站无柱雨棚的设计基本采用平面钢结构体系。

2.5 “桥建合一”结构形式

“桥建合一”是新时期铁路站房普遍采用的结构形式，所谓“桥建合一”是指在站房中间层架设铁路桥梁，支撑于埋入地面的桥墩上，上层结构(包括候车大厅、大跨度屋盖等)支撑于铁路桥梁上的竖向结构构件(钢筋混凝土柱、屋盖斜撑等)，下层(高架桥以下)设置出站口、换乘大厅和地铁等。

3 客站运营风险与典型病害

通过对在役高速铁路客站运营现状普查发现，当前铁路客站主要运营风险源为客站附属构件，存在病害类型多、分布广、检测不充分、维修困难等问题，主要病害有：屋盖和雨棚的金属屋面板涂装层脱落、锈蚀；压型钢板和檩条弯折变形严重、咬口松脱，压型钢板固定不到位或固定点撕裂、漏雨；非结构构件与结构构件螺栓连接预紧力降低、松动，焊缝连接处裂纹扩展，钢结构构件存在腐蚀、锈蚀等病害，钢架防腐涂层破损、脱落，檩条连接节点做法与设计不符，采光板边框四周密封胶开裂、老化，屋面部分挡雪板板件变形、板件缺失，钢柱表面锈蚀，焊缝未焊满、漏焊、焊脚尺寸不足，焊缝处有钢筋填充现象，个别杆件存在安装初始变形，部分檩托处螺栓缺损病害严重，天沟防尘罩脱落，檐口板密封胶开裂，螺栓错位等安全隐患。同时，高速铁路旅客车站围护结构，如玻璃幕墙、外挂石材、保温饰面层，由于横向风载大、结构胶老化、锚固件失效等原因，存在高空坠落的风险，严重时可能影响客站的正常运行。客站典型病害图集见图4。

图4 客站典型病害图集

4 监测对象与监测指标

铁路客站在服役环境与荷载条件、结构体系等方面与其他工程结构之间存在较大不同，其运行服役环境条件恶劣，四季温差及雨雪使结构受温度应力影响较大，结构易腐蚀，材料易老化；大跨度站房屋盖结构复杂，大部分悬挑较大，造型轻巧，结构的基本频率较低、阻尼较小，是典型的风敏感结构类型，在强风作用下必将产生较大的表面风压和静态、动态响应；铁路客站无站台柱钢结构雨棚、站台和轨道层等长期受交变荷载影响，结构对于振动十分敏感，高速列车行车、风振及空调机房等引起的振动对结构都会有一定影响。因此，目前的大型铁路客站主要监测对象均重点关注大跨钢结构屋盖、无站台柱雨棚及承轨层结构，经过《铁路客站结构健康监测技术标准》编写组系统论证，确定了各监测对象的监测指标[10]。

4.1 钢结构屋盖

钢结构屋盖包括桁架、刚架或拱等平面结构，以及网架结构、壳体结构、折板结构、悬索结构等。随着科技的进步，钢结构屋盖逐渐由空间的网架、网壳等结构体系向新型组合结构体系发展，结构形式越来越新颖和复杂。大跨度钢结构屋盖在复杂环境及复杂荷载作用下，典型的薄弱部位主要有：屋盖结构最高点(风荷载最大)、悬挑部分、支座节点与跨中节点、跨中边节点、变形缝区域的支座及跨中节点、吊点节点等变形控制点、应力集中的位置、动力响应敏感点。使用期间监测项目可包括变形与裂缝、应变、索力、环境及效应；变形监测包括结构竖向变形与水平变形，环境及效应监测包括风及风致响应、温湿度、地震动及地震响应、腐蚀等。对于监测点位置和数量，根据结构危险性分析结果确定结构构件易损部位、结构控制部位和损伤敏感部位，如变形控制点、应力集中的位置、动力响应敏感点等；根据监测的目的和功能要求，如监测的信息类型，预计的结构性能与行为，所要记录的响应数量等；充分利用结构对称性原则，并考虑一定的冗余度；应用有关优化理论进行测点优化等，对于大体量钢结构屋盖，监测点布置简洁，数量不宜太庞大。铁路客站钢结构屋盖健康监测项目见表1。

表1 铁路客站钢结构屋盖健康监测项目

4.2 钢结构雨棚

钢结构雨棚的监测内容一般包括应力应变、振动、变形、温度、湿度、风荷载、雪荷载和锈蚀状态等。钢结构雨棚监测内容及测点选取原则如下。

(1)整体响应监测。对无站台柱雨棚水平构件的振动、位移进行监测，具体部位为悬臂构件端部，简支构件跨中、连续构件跨中等部位，水平构件的监测重点应为竖向参数；对无站台柱雨棚竖向构件进行振动、位移监测，竖向构件的监测重点应为水平参数，必要时对易损构件，如屋面板、封檐板进行变形监测。

(2)结构局部响应监测。对关键结构构件的关键部位进行应变监测，具体部位为悬臂构件根部，简支构件跨中和支座、连续构件跨中和支座等部位；具有张力构件(索、吊杆、拉杆)的索力监测；腐蚀监测以及约束体系中关键受力支座的反力监测。

(3)监测点选择。对于荷载与环境监测，环境风荷载和列车气动力监测风速和风向，环境风荷载测点选择在雨棚屋面结构的顶部和底部以及雨棚四周，其安装位置能测出风荷载的直接作用；列车气动力监测点选择在雨棚屋面结构的底面、横梁和立柱处，测点位置能测量出列车气动力的风场分布；对无站台柱雨棚的四边，屋面顶面和底面进行温度监测，湿度较大地区的无站台柱雨棚外部和内部进行湿度监测；对雪荷载较大地区的无站台柱雨棚顶部依据体型特征进行积雪深度监测。

4.3 承轨层

承轨层一般为混凝土梁、板组成的肋梁楼盖结构形式，是水平承重体系，属于受弯构件。依据结构计算分析结果，承轨梁、框架梁和板的应变测点选内力较大及受力复杂的区域进行布置，如跨中、支座等位置，在高速铁路列车进站期间，结构受车辆动荷载作用产生变形，应选择测量结果相对稳定、不需要(或者少需要)后期维护的构件进行挠度量测。承轨层健康监测项目见表2。

表2 承轨层健康监测项目

4.4 非结构件

非结构构件或附属结构是指建筑中结构部分以外的所有构件，非结构构件是建筑达到其预期功能必不可少的部分。高速铁路客站非结构构件一般包括钢结构檩条、玻璃幕墙、装饰板、外墙饰面层等。考虑非结构构件病害多、分布广，非结构构件的检测和监测主要内容为：各类构件的质量控制及缺陷检测，包括各类构件的组装、粘结等安装环节的质量监测；对构件表观状态和受损情况进行监测；通过相应的传感器对非结构构件的强度、变形、振动、温度及风压等项目进行监测。

5 关键技术研发

5.1 基于有限元分析软件的铁路站房施工过程监测

赵中伟[11]使用 ANSYS 对于家堡交通枢纽站房“贝壳”形空间网壳结构的施工过程进行仿真分析，对实际施工步骤中的结构关键杆件利用单元生死技术分析其应力变化过程。此外，在对提升工序进行详细分析时发现提升吊点分布满足结构强度的要求，在保证同步提升的前提下，主体结构及胎架不会发生强度破坏。针对该结构中同时受到较大轴力、剪力、弯矩及扭矩作用的箱形截面构件，制定了专门的监测方案，将数值模拟位移结果与实际监测数据进行对比，发现有限元分析结果与实际监测结果吻合较好。利用非线性弹簧单元模拟了该工程支座的受力特性，基于该工程双支座的受力特征，重点研究了施工过程中支座位移的变化趋势。发现由于施工顺序及温度的影响，各支座产生不同程度的位移，应采取措施加以固定；提升施工中提升点附近应力较大，卸载后残余应力较小。

李凌峰[12]通过分析得到了最适合太原南站的分段分块吊装施工方法。在MIDAS软件中，用生死单元法模拟了施工过程中结构荷载和变形累加的整个吊装过程，用等效杆端位移法模拟了伞形屋盖的落架过程，通过模拟结果对施工方案进行了安全性评估。利用ANSYS对太原南站的临时支撑进行了非线性屈曲分析，对临时支撑的选择进行了评估，同时在施工过程中，对应力和位移情况进行了监测，通过数据分析证明了施工过程的安全性。

刘钝[13]分析“生死单元法”和施工多阶段分析理论在研究整体提升施工中的应用发现：二者受限于各自的原理，拥有各自优点的同时存在一定的局限性，并最终比选出了一种更为实用的分析方法；根据施工方案建立了提升过程的力学模型，经过直接静力分析总结了一种判断提升点不利组合的方法和根据提升力反算高差的方法，能够实现提升点高差对结构影响的定量描述。使用无线传感技术的健康监测系统对杭州东站钢结构工程进行了全生命周期监测，发现日照造成结构温度应力分布复杂，均匀温度场作用下温度应力有一定规律，与计算值相符，得出非均匀温度场是大跨空间结构仿真计算时研究的重难点。

汪永平[14]利用有限元分析软件ANSYS对芜湖市高铁站房屋盖的半结构进行了施工过程模拟，得到了钢桁架屋盖系统在6种工况下的位移和应力情况，得出在施工过程中，屋盖系统在卸载工况下出现最大压应力和最大竖向变形。同时施工过程的监测也验证了有限元模拟的结果，证明了大跨度空间钢结构的施工全过程是可以进行仿真分析并拥有相当准确性的。

罗尧治[15]以杭州铁路东站为工程背景，基于自主研发的无线应力传感监测技术，对施工阶段结构应力进行实时监测。全面详尽介绍了健康监测系统的组成，测点布设位置及监测结果。通过对屋盖桁架提升和整体屋盖结构形成过程中应力的监测，总结出屋盖结构关键构件的应力变化规律。将健康监测系统实地监测数据与数值模拟结果共同分析发现，二者吻合情况良好。但整体形成过程中实测与理论计算存在一定差距。

5.2 铁路站房损伤识别

赵海涛[16]针对襄阳东津站进行了疲劳累积损伤评估与寿命预测研究，首先利用两种随机子空间法对结构进行模态参数识别以得到结构的真实频率，发现这两种方法都能很好地识别出结构的频率，且识别误差较小，基于数据驱动的子空间法较基于协方差的子空间法计算误差要小一些，但这两种方法对于结构的阻尼比识别效果都不太好。再结合识别得到的结构频率信息对模型进一步完善，发现ANSYS的一阶优化方法能够很好地对东津站有限元模型进行模型修正，且修正后的有限元模型频率与真实结构频率误差大大降低[17]，从而使得修正后的有限元模型能够更加真实、全面地反映结构的静动态响应。分别对站房结构在多种荷载作用下进行瞬态分析，在提取出热点单元的应力时程数据后采用雨流计数法进行计数统计，利Goodman曲线法和Gerber曲线法进行应力修正，最后采用Miner理论与修正的Miner理论对结构热点单元进行疲劳寿命计算。发现Miner理论与修正的Miner理论的损伤度计算结果相差不大。

黄祖光[18]提出了一种能够有效减少外界环境和荷载等效应对传感器信号影响的识别、铁路客站健康监测系统的传感器故障与结构损伤的方法，对模型方法和非模型方法的各自优点兼而有之。具体做法是：先将邻近传感器的分组编号；同时，邻近传感器对于同一反应输出的信号数值大小应接近；此外，考虑传感器均在同一工况下工作，对于工况改变所作出的反应有相同变化趋势的特征，进而给出传感器所输出信号的正常输出范围。测试发现，这一方法在有效减少环境对传感器影响的同时，还能够正确区分当环境发生变化时监测数据的变化究竟是环境导致还是结构出现了损伤。在研究传感器故障和机构损伤时发现：依据移动主成分分析和多元控制图法的原理，可以通过适当调整窗口大小解决样本数量影响控制线的问题并且使计算效率得到了提升。此外，适当移动窗口策略的优点能够更方便、有效地识别结构损伤和传感器故障所导致的异常数据。

5.3 基于有效独立法及蒙特卡洛法高铁站房传感器优化布置

张高明等[19]指出，传感器优化配置基本思路是在保证得到研究所需的线性无关模态数据的同时，减少传感器数量。常见的模态动能法、有效独立法、随机类法、模型缩聚法以及奇异值分解法均符合这一原则。而对于“桥建合一”式的大型铁路客站站房，可以根据框架式承轨层结构跨度的5种不同工况，动力传感器优化使用了有效独立法，如图5、图6所示。为分析模态阶数对传感器布设的影响，在传感器数量一定的前提下，分别对前5阶以及前25阶模态使用有效独立法进行计算，并分析5种工况对计算结果的影响，得出结论：不建议在传感器数量一定的前提下盲目扩大目标阶数。监测系统中静力传感器的布设结合蒙特卡洛法通过仿真分析进行优化。在5种工况下，在构件自身敏感度的基础上，分别以多点竖向位移、第一阶频率、以前十阶频率之和为目标函数进行分析。3种目标函数各有特点，但结合设计时所关注的重点，以挠度控制点的竖向位移之和作为目标函数更为适合。类似地，对于识别承轨层的损伤，分别采取单频率法、单位移法、频率位移法进行模型修正法的损伤识别。识别效果表明，3种方法均可应用于工程中进行有效的损伤识别。

图5 济南东站整体模型传感器布置结果[20]

图6 徐州东站整体模型传感器布置结果[20]

鲍华[20]根据高铁站房的结构特点，将结构健康监测重点放到了屋盖层。针对屋盖层常见的两种结构形式—拱形屋架和桁架型屋盖，采用有效独立法和蒙特卡洛法进行传感器优化布置。将济南东站作为拱形屋盖的分析对象，桁架型屋盖则以徐州东站为例。结论发现：拱形屋盖的动力传感器在沿拱跨方向应均匀分布，与垂直拱跨方向分布规律相同；静力传感器的布设重点则在顺拱跨方向的拱脚处于拱跨中位置，垂直拱跨方向基本保证均匀布设即可。对于桁架型屋盖站房的动力传感器布置，与桁架形式无关，在垂直跨度方向均应均匀布设即可。桁架跨度方向，大跨桁架的跨中、连续桁架的负弯矩点则是连续型桁架结构的重点关注位置；单跨桁架结构站房大跨桁架上均匀布设便能满足需要。桁架跨中对于连续型和单跨桁架结构站房的静力传感器布置同样重要。此外，连续型还应重视负弯矩位置，单跨则应关注柱根处。

此外，还根据优化结果布置传感器，以结构的自振频率为主要参数，利用随机子空间法进行参数识别进而检验优化效果。研究发现：单榀结构和整体屋盖结构的自振频率识别效果均较好。

沈磊等[21]在对铁路站房传感器优化布置进行相关研究时，通过蒙特卡洛法找出结构众多杆件中更为敏感的杆件并确定为应变传感器的布设位置，加速度传感器的布置则为获取尽可能多线性无关的加速度数据使用了有效独立法。研究结果表明：将恰当的位移目标函数和站房结构特点综合考虑能够快速识别出哪些杆件对结构整体变形更为敏感；同时发现，结构的模态振型影响加速度传感器的布设位置，大跨度区域与悬挑区域起支撑作用的杆件对应变更为敏感，这部分关键杆件作为应变传感器的主要布设位置。布设在承轨层传感器分布在大跨柱、中跨柱、顺轨向主梁根部及大跨垂轨向主梁根部。传感器布置见图7～图11。

图7 屋盖层加速度传感器布置[21]

图8 承轨层加速度传感器布置[21]

图9 屋盖层应变传感器布置[21]

图10 承轨层柱应变传感器布置[21]

图11 承轨层梁应变传感器布置[21]

吴少伟[22]从空间钢结构的特点出发，结合太原南站MIDAS软件仿真分析结果，总结单一工况改变下，杆件应力变化规律，将应力变化显著的杆件定义为敏感杆件，提出了杆件荷载敏感系数的计算方法，在后期运维中对敏感性杆件进行重点监测，并对传感器布置方案进行优化，同时提出荷载敏感性系数公式。

SZi=|γ风Si风+γ雪Si雪+γ温度Si温度|

(1)

式中，Si风、Si雪、Si温度分别为第i号杆件对风荷载、雪荷载、温度荷载的敏感度；γ风、γ雪、γ温度分别为荷载影响权重系数(0<γ<1)。

此外，对于结构所受风荷载(雪荷载、温度荷载)由 50 年一遇的设计值变为 100 年一遇的设计值时，结构杆件的应力改变量Δσ即为杆件对该荷载的敏感度，计算公式如下

Si=Δσi=σi100+σi50

(2)

式中，σi100为第i号杆件在某类荷载100年一遇的设计值下的应力；σi50为第i号杆件在某类荷载50年一遇的设计值下的应力。

实际中，将杆件敏感度大小进行排序从而合理布置传感器。

5.4 基于健康监测系统不同工况下整体站房车致动力响应

郭晖等[23]通过对太原南站健康监测系统采集的3种工况实测加速度响应数据进行全面分析，研究表明：列车、人群、施工3种工况下，站房的加速度响应极值及ESPA值均小于美国规范值，满足舒适度要求。

陈勤[24]基于杭州火车站东站实际工程背景，利用SAP2000建立杭州火车东站有限元模型，针对不同工况下列车通过车站进行动力时程分析，对列车振动荷载作用下候车大厅楼板的加速度、位移大小及其分布规律进行分析总结，结果表明：候车厅楼板满足舒适性和安全性的规范性要求。

何思思[25]以天津西站为工程背景，采用现场实测和数值模拟的方法，依据天津西站施工及运营阶段实测加速度数据，对“房桥合一”型铁路客站中车致振动的响应特性和振动传播规律进行全面，研究分析，通过将高速列车荷载简化模拟为移动质量荷载列对“房桥合一”铁路客站车致振动的站房加速度响应进行计算，将数值模拟结果实测数据的峰值加速度进行对比，验证了数值分析结果的可靠性。

6 工程应用情况

相比于桥梁结构，铁路客站结构健康监测开展较晚，首个完整的大型铁路客站健康监测系统开始于2009年，但近年来工程应用发展迅速，目前已有约40座高铁车站陆续建立完整的自动化结构健康监测系统，部分高铁站房结构健康监测情况如表3所示。

表3 部分高铁客站站房健康监测工程应用

7 总结及展望

从我国近十年铁路客站结构健康监测研发应用情况看，虽然技术研发取得了长足的进步，但仍然存在技术研发不全面、实际工程应用效果不明显等问题，根据铁路客站运营状况，当前急待解决问题及研发建议如下。

(1)目前铁路客站监测重点主要针对主体结构，然而运营风险主要源于附属构件病害，站房结构形式多样、附属构件病害存在形式(类型、尺度、位置)复杂等因素导致病害情况感知存在严重困难，急需大力研发非接触式、快速机动铁路客站病害信息精准获取技术，构建站房信息检测、监测一体化立体感知体系。

(2)针对客站荷载和环境荷载时空作用特征及其对站房结构力学特性的影响机理认识不清的难题，急需明确荷载时空作用模型，研究客站结构关键材料的动态力学性能及其劣化行为，构建关键材料性能劣化和病害导致的客站结构服役性能动态演变分析模型，揭示复杂环境和荷载循环耦合作用下铁路站房性能演化规律，实现铁路客站运行态势智能分析与预测。

(3)铁路客站数字化建模中虚拟仿真模型与物理实体之间缺乏有效的信息交互，导致铁路客站运行态势分析与表示困难，急需从结构-病害-行为参数编码构建、数字化基础模型生成、感知数据与模型关联映射等3个环节来建立站房结构数字孪生模型。

(4)铁路站房结构的健康监测工作缺乏长期有效的管理机制，在实际应用中，健康监测系统存在重建设、轻管理的情况，应及时出台相关规定，对大型复杂铁路客站结构健康监测系统的经费来源、建设及维护归口管理，建设、管理程序以及系统设计，实施单位资格和技术水平提出明确要求。