淺談網殼式鋼結構的安全防護

宮　濤（北京鐵路局土地房產管理處,北京　100086）

淺談網殼式鋼結構的安全防護

宮濤
（北京鐵路局土地房產管理處,北京100086）

摘要：隨著我國高速鐵路建設的突飛猛進，北京鐵路局管內大跨度鋼結構車站22座，站房建筑面積達到55.06萬平方米，如何保證高鐵鋼結構站房在預期年限內的安全服役，成為了多方關注的一個課題。以京津城際延伸線于家堡站為例，淺談一下網殼式鋼結構建筑的安全防護措施。

關鍵詞：淺談;網殼式;鋼結構;安全;防護

隨著我國高速鐵路建設的突飛猛進，截止2014年12月，北京鐵路局管內大跨度鋼結構車站22座，站房建筑面積達到55.06萬平方米，高鐵鋼結構車站寬敞明亮的造型，深受候車旅客的關注和喜愛。鑒于近幾年國內外大型鋼結構建筑事故頻發，如何保證高鐵鋼結構站房在預期年限內的安全服役，成為了多方關注的一個課題。本文以京津城際延伸線于家堡站為例，淺談一下網殼式鋼結構建筑的安全防護措施。

1　于家堡站建筑結構特點

于家堡站地處濱海新區，站房整體結構形式為大跨度網殼鋼結構(跨度143米)，結構由72根鋼箱梁采取順、逆時針來編織組成，其頂部和底部各交織出36個鋼節點，并與底部鋼環梁牢牢相連，網殼鋼結構是通過雙向鉸支座與地下結構和牛腿相連。遠望站房屋蓋，整體呈現螺旋線形。網殼結構每個節點間其單元方向均是不同，每個節點處連接的桿件方向都是不斷改變的，995個不同的桿件加上500個不同的節點，其加工、制作難度在國內高鐵建設中是非常大的，無論是現場安裝、后期維修、安全防護，都是對高鐵建設和管理的一項前所未有的挑戰。

2　網殼式鋼結構安全防護的必要性

2.1不規則網殼式鋼結構

于家堡站房屋頂網殼鋼結構，是中國高鐵站房建設中的一個創新，143m的超大跨度、單層正反螺旋形網殼結構，其造型新穎時尚，其結構受力狀態復雜。雖然受多種偏差（如溫度、節點剛性、異型網殼形式等）因素影響，網殼實際的內力和變形與設計數據會產生很大不同，但是通過監測系統，可以取得真實信息從而對實際工程進行修正，確定偏差的影響程度，驗證結構安全可靠度。

2.2施工工藝采用大量焊接

于家堡站的網殼鋼結構共有節點1134個，桿件2178個，大批量的散拼桿件是在現場高空焊接，施工難度增大的同時可能會加大出現質量瑕疵的概率，產生結構的初始缺陷，危及結構的安全。通過監測在初始缺陷下結構的受力情況，使用結構健康監測系統來判斷缺陷的影響程度，從而實時不間斷的診斷結構安全與否，確保旅客候車安全。

2.3不確定的外部載荷影響

由于存在地震、環境、溫度、地下結構的上浮等不確定的荷載因素變化，可能會產生設計中未能預見的荷載作用，結構的受力情況會產生變化，健康監測系統可以防患于未然，確保結構的使用安全。

2.4鋼材壽命影響

于家堡站房網殼鋼結構設計的生命周期為100年，考慮到結構和防護使用的各種材料自身壽命有限，車站在長期開通運營過程中，對鋼材和涂料可能會產生腐蝕、破壞等損害整體結構穩定的事情，因此在車站運營期間需要對網殼結構健康狀態進行長期監測，實時掌握控制性桿件的受力狀態，對控制性桿件的實際情況進行實時的定性、定位和定量分析，確保結構的受力狀態處在健康范圍，有序可控。

3　高鐵網殼式鋼結構的安全防護措施

考慮高鐵站房旅客流量的密集性、鐵路專運任務的特殊性、建筑結構的特殊性，鋼結構健康監測成為了網殼式鋼結構的安全防護措施的最佳選擇。于家堡網殼式鋼結構健康監測的項目主要包括環境荷載、結構整體和局部響應特征，具體如下：

（1）風速監測：穹頂網殼結構天窗中部布置三維超聲風速儀，通過風和環境溫度進行監測，了解作用在結構上的風荷載和溫度荷載。風荷載是控制大跨度空間結構設計的重要側向荷載，正確了解風荷載的作用，關系到結構設計的合理性和經濟型，其監測值可作為結構安全和舒適度評定的基礎數據。

（2）溫度監測：由于溫度場的變化，使結構變形伸縮，車站網殼結構內力的分布在外界溫度影響的情況下會產生重大的變化。當主要構件受到約束時，產生溫度應力，對鋼結構的強度、剛度產生不利影響，有時甚至裂縫，降低結構壽命。在網殼部分桿件上安裝溫度傳感器，利用測量溫度數據，結合插值算法，獲得作用在整個網殼結構上的完整溫度場數據，從而對結構桿件應變測量結果進行修正；結構溫度場也是結構模型修正和安全評定的重要內容。

（3）結構位移監測：網殼結構的支座位移變化，將直接影響到結構的內力分布，監測支座位移狀態與結構變形監測結合，可以更準確獲得結構內力狀態。同時，當結構支座位移超過給定的限值時，監測系統還可以給出及時的預警。于家堡站網殼結構滑動支座共有36個，根據網殼結構支座位移的情況，選取了12個單向滑動支座，用來作為支座位移監測。

（4）結構振動監測：結構振動的信息主要為加速度信號，利用加速度傳感器，監測網殼節點加速度響應，監測網殼結構頻率和模態等振動特征的變化。引起振動的有風和地震，通過振動監測將結構系統實測的結構模態特性與健康結構的模態特性進行比較，判斷結構的振動模態是否發生變化以及變化的幅度。進一步對有限元模型進行修正，從而進一步對結構做深入分析，并做出安全評定和預警。通過對網殼結構模態特性的分析，安裝完成5個單項和5個雙向加速度傳感器。

（5）應力與節點焊縫狀態監測。于家堡站的網殼結構頂部和底部環梁之間由36道順時針和36道逆時針鋼箱梁相互編織構成的網殼組成。由于獨特的結構形式，各部分構件受力狀態差異很大且十分復雜。因此，監測網殼結構關鍵桿件以及內力和應力水平較高的易損桿件是監測系統的最重要部分。根據網殼結構關鍵桿件和受力特點的分析，確定網殼各部分監測桿件的位置，以及所需監測的內容。

4　結語

總而言之，鋼結構健康監測作為一種新的結構無損檢測技術，其實時監測的項目比較全面，能體現出整體結構受外部和內部多種因素的影響狀態，并可以結合監測獲得的實時數據進行分析，從而了解結構局部和整體的健康情況。高鐵車站應用這項技術代替人工定期檢測工作，節約了大量人力、物力，降低了職工登高作業的安全風險，實現了監測數據的連續性、客觀性，確保了結構受力狀態有序可控，結構始終處于健康狀態，為候車旅客提供一個安全舒適的候車環境。

參考文獻：

[1]陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].科學出版社,2001.

[2]李愛群,丁幼亮.工程結構損傷預警理論及其應用[M].科學出版社,2007.

[3]董聰,范立礎,陳肇元.結構智能健康診斷的理論與方法[J].中國鐵道科學,2002,23(01):11-24.

[4]袁慎芳.結構健康監控[M].國防工業出版社,2007.

[5]李宏男,李東升.土木工程結構安全性評估、健康監測及診斷述評[Z].2002,22(03):82-90.

作者簡介：宮濤(1977-),男,北京人,工程師,高鐵車站房屋建筑及設備設施管理。