濟南西站大跨度鋼結構風雨棚監測技術探討

張兆嶺

【摘 要】本文就如何充分把握大跨度鋼結構風雨棚空間結構的受荷與受力特點，實時把握大跨度空間結構的安全性，對其關鍵部位的溫度、應力、位移、振動等參數進行實時監測進行了探討。通過實施監測技術，可大幅提高工程結構在列車運營期間的安全可靠性，當出現危險時能及時發出警告，避免災難發生，為類似工程的結構維護提供借鑒。

【關鍵詞】跨度鋼結構；風雨棚；結構健康；監測

1 工程概況

濟南西站，京滬高速鐵路濟南局管轄范圍內站點之一。人性化的設計是濟南西站一大特色，設計日發送旅客10萬人次，2030年日均達到30萬人次。2011年7月1日正式投入使用。主要建筑包括主站房、高架候車廳、地下通廊及無站臺柱雨棚等。其中，無柱風雨棚面積6.5萬平方米。

濟南西站風雨棚為無站臺柱大跨度鋼結構，工程分南北兩部分（Ⅱ—1至Ⅱ—8軸和Ⅱ—15至Ⅱ—22軸）。雨棚主體結構由兩跨鋼架組成，共32榀。鋼架柱為鋼管混凝土柱，鋼架梁為張弦梁結構，兩端鉸接在柱頂。風雨棚大跨張弦梁，跨度有46.5米、43.0米、42.85米等幾種，上弦為拱形H型鋼焊接的平放桁架結構。46.5米跨的兩根上弦桿為900×360×14×25的焊接H型鋼，拉索為φ5×283鋼絲束；43.0米和42.85米跨的兩根上弦桿為900×360×14×26的焊接H型鋼，拉索為φ5×253鋼絲束。上弦兩根弦桿之間有焊接H型鋼水平系桿連接，與兩根上弦桿共同組成弧形平面桁架。立柱為φ700×30和φ700×24的鋼管混凝土柱，柱高14.02—18.12米（有14.02、14.52、15.12、15.94、16.54、17.52、18.12米七種柱高）。屋蓋檁條沿縱向雨棚在Ⅱ—5軸南側和Ⅱ—8軸北側各設一條變形縫。

雨棚基礎主要采用鋼筋混凝土柱下獨立基礎。在Ⅱ—A軸南北兩端各兩個柱基礎采用鉆孔灌注樁基礎。

本工程結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，建筑物抗震設防分類為丙類建筑，地基基礎的設計等級為乙級。抗震設防烈度為6度（第二組），設計基本地震加速度值為0.0757g；場地類別為Ⅲ類。設計基本風壓值為0.45kN/m2，地面粗糙度B類；基本雪壓為0.30kN/m2；土壤凍結深度為0.50m。

1.1 大跨度空間結構健康安全監測現狀

進入21 世紀后，隨著社會發展的需要，人們對體育館、展覽館、航空港、機庫等大跨度空間結構的需求不斷增長，推動了空間結構的迅猛發展，空間結構體系的類型也在逐漸趨向多樣化，相應的設計理論及施工技術均有了不同程度的提高。但由于空間結構的復雜性，其安全問題仍尤為重要。

大跨度空間結構健康監測根據監測的階段不同，可分為施工階段監測和運營階段監測，施工階段主要監測環境溫度、重要構件的應變、腳手架或承重構件的應變、構件變形、基礎沉降、焊縫、混凝土強度等等；運營期間主要監測環境溫度和濕度、重要構件的應力及變形、結構局部或整體振動、風速等。

深圳市市民中心是迄今為止我國國內最大的空間網架結構，同時也是較早應用健康安全監測系統的大跨度空間結構，用以監測結構在長期溫度荷載、風荷載等荷載作用下的工作狀態并對其進行損傷評估；近年來，國家體育場（鳥巢）、國家游泳中心（水立方）、國家體育館、北京2008 奧運籃球館、北京2008 奧運羽毛球館等建筑也相繼建立了離線或在線的結構健康監測系統。

由此可以看出，雖然目前國內外對結構健康監測展開了廣泛深入的研究，但針對大跨度空間結構健康監測的研究還相對較少。

1.2 大跨度風雨棚監測內容

基于濟南西站大跨無站臺柱張弦梁鋼架結構已投入使用，且施工時未設置內力、張弦梁豎向變形、鋼管混凝土柱橫向變形及地基不均勻沉降等結構監測內容，本項目主要研究開敞式大跨度鋼結構風雨棚在正常使用過程中與風荷載、動車通行氣流、積雪荷載、及風振影響下的桿件內力變化、結構的變形（張弦梁豎向變形、鋼管混凝土柱橫向變形）及結構的振動情況，以準確、及時掌握風雨棚結構主體的工作狀態，并根據計算分析確定各項監測項目的報警值，一旦上述監測項目的變化量超過預設報警值，監測系統能夠及時發出報警信息。具體研究內容如下：

1）利用數字式應變計監測張弦梁兩個豎向撐桿的內力變化，利用豎向撐桿的內力變化可以推算出下弦預應力拉索的內力變化情況及規律，掌握其工作狀態；

2）利用數字式激光位移傳感器監測張弦梁結構支座處、下弦撐桿處、兩個上弦H型鋼跨中的豎向位移變化，取得整垮張弦梁結構的豎向變化情況及規律，以了解整垮張弦梁結構的總體工作性能；

3）利用數字式雙軸傾角儀監測鋼管混凝土柱的整體傾斜，取得柱子的傾斜方向、傾斜角度等有關數據，掌握鋼管混凝土柱的總體工作性能；

4）利用拾振器監測張弦梁結構的整體振動周期、最大振幅、振動加速度等參數，了解風雨棚結構在各種動荷載影響下的振動規律；

5）利用數字式風速儀，觀測并同步記錄不同時刻的最大風速及風向，結合應力監測、位移監測、傾角監測、振動監測數據，以明確風速、風向對風雨棚結構的各種影響程度及影響規律；同時也可以為該類結構的抗風設計與分析提供借鑒。

2 監測技術的實施

在濟南西站風雨棚II-18軸上II-K～II-M跨張弦梁上安裝監測設備、布設線路構建張弦梁健康監測系統，實時采集數據。安裝的設備包括用于應變監測的數字式應變計20個，用于位移（撓度）監測的數字式激光位移傳感器6個，用于溫度監測的溫度傳感器5個，用于震動監測的拾振器3個，用于立柱傾角監測的數字式雙軸傾角儀2個，用于風速風向監測的數字式風速風向儀1個以及視頻監控設備1套。

根據安裝位置不同共分為雨棚內部及跨中監測設備安裝；雨棚立柱、底部等雨棚外圍監測設備安裝；相關線路的布設等三部分。

2.1 布設線路構建監測系統

2.1.1 雨棚內部健康監測設備線路布設

監測所需設備均采用屏蔽線進行電源及信號的傳輸，不再另行布設電源線。雨棚內各檢測設備基本可分為支座2處、撐桿2處、跨中1處五個位置，分別在五個位置安裝數據采集傳輸截面端。五處采集傳輸截面端匯總于17站臺柱頂，再從柱頂同其他設備的數據線沿柱引下。

2.1.2 雨棚視頻監控設備線路布設

監控設備分別在16到17站臺、14到15站臺之間18軸吊頂下方標示牌立桿上，它們的電源線和數據光纖套pvc管沿著立桿進入頂棚，沿結構鋼梁到17站臺柱頂，再從柱頂同其他設備的數據線沿柱引下。

2.1.3 雨棚柱頂至系統主機間線路的布設

雨棚內鋼結構健康監測設備屏蔽線、視頻監控設備電源線和數據光纖匯總后，沿17道外側立柱穿鍍鋅鋼管引下，采用扁鋼抱箍固定于立柱，再沿出租車通道頂棚布設至西出站口外墻進入吊頂板，沿吊頂板內部進入檢修工區辦公室，連接于系統主機上。

3 結束語

通過對大跨度鋼結構風雨棚安裝健康監測系統的研究，對風雨棚結構在各種情況下的內力進行有限元分析，結合實測結果判定風雨棚結構的工作狀態，確定合理的報警參數，避免事故或災難的發生，為高速鐵路的正常運營保駕護航，并為同類結構的健康監測提供參考。

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[責任編輯：田吉捷]