大型鐵路站房結構健康監測研究現狀評述

潘毅，劉揚良，黃晨，郭瑞，鮑華，沈磊

(1. 西南交通大學 a.土木工程學院；b.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

根據2017 年國務院印發的《“十三五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》，到2020 年，鐵路營運里程要達到15 萬km，其中，高速鐵路營運里程要達到3 萬km[1]。大型鐵路站房作為鐵路交通網絡的關鍵節點，具有結構體系復雜、空間跨度大、使用年限長、服役環境復雜、人群高度密集和社會影響大等特點[2]。在長期服役中，由于環境荷載作用、疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等因素的影響，鐵路站房會產生損傷，使得結構的抗力衰減，在極端情況下(如地震、臺風、暴雪等)甚至會導致結構失效，造成嚴重的社會影響[3-4]。健康監測技術是保證結構安全的有效手段[5]，將健康監測技術應用于站房結構，能了解結構的健康狀況，及時發現結構損傷，以便對結構進行維修和加固，避免結構突然失效，從而保障站房的結構安全。

健康監測是一門綜合性的技術，涉及到多個學科[6]，最早開始應用于航空、航天、精密機床等領域[7]，隨著科技的發展，20 世紀80 年代，健康監測技術開始應用于土木工程領域[8]。健康監測最早應用于橋梁結構，如英國Flintshire大橋[9]、美國Michigan Street 大橋[10]、日本Akashi-Kaikyo 大橋[11]、韓國Youngjong 大橋[12]等，中國也在汲水門大橋[13]、汀九大橋[14]和潤揚長江大橋[15]等安裝了健康監測系統，以監測橋梁結構的健康狀況。20 世紀90 年代，健康監測開始應用于大型公共建筑，如意大利米亞查體育館[16]，日本某12 層鋼結構建筑等[17]，中國也對國家體育場[18]、國家游泳中心[19]和濟南奧體中心[20]等結構進行了健康監測。21 世紀初，健康監測開始應用于鐵路站房，如德國的Lehrter火車站[21]，中國的杭州東站[22]、濱海站[23]、北京西站[24]、昆明南站等。

與橋梁、大型公共建筑等結構的健康監測相比，鐵路站房結構的健康監測還處于探索階段。站房的健康監測具有監測項目多、監測測點分布廣、監測數據量大等特點。結合大型鐵路站房的工程案例，首先，總結大型鐵路站房的組成和結構特點，然后，介紹站房健康監測的系統組成，最后，對大型鐵路站房的監測對象和監測內容進行分析，針對鐵路站房結構健康監測技術發展中存在的問題，提出相關的建議。

1 站房的結構特點

1.1 站房結構組成

根據建筑功能的需要，大型站房結構由主體結構和無柱雨棚組成，如圖1(a)所示。主體結構按標高從下往上依次是地鐵層、出站層、承軌層、高架層(含夾層)、屋面層，如圖1(b)所示。其中，承軌層、屋面層和無柱雨棚是站房結構健康監測的主要部分。為適應承軌層跨越出站層和地鐵層，同時又能支撐高架層和屋面層，大型鐵路站房多采用“橋建合一”結構體系，橋梁結構和建筑結構的結合，是一種“列車-橋梁-站房”一體化站房結構形式，可以縮短進出站流線、節約建筑用地，具有柱網布置靈活、結構整體性較好等特點[25-26]。

圖1 站房結構示意

按兩種結構主次類型不同，“橋建合一”結構體系可分為兩類。第一類結構形式以橋梁結構為主，先形成橋梁結構，再在橋梁結構上布置站廳、站臺、雨棚等建筑結構，如圖2(a)所示。第二類結構形式是以建筑結構為主，以建筑構件取代橋梁構件，直接承受上部結構的荷載，將承軌層的承軌梁作為建筑的一部分，支撐于建筑結構上，以承受列車荷載[27-28]，如圖2(b)所示。

圖2 “橋建合一”類別

1.2 承軌層

承軌層也稱站臺層，為列車軌道層，是旅客們乘車的一個平臺。承軌層是整個站房結構中受力最為復雜的部分，除了自重荷載之外，還有人群荷載和列車荷載的耦合作用。根據結構形式和荷載傳遞路徑不同，承軌層可以分為梁橋式和框架式，其中，梁橋式是先形成橋梁結構(梁、墩柱、基礎)作為支撐點，上部建筑結構直接落于橋墩或者軌道梁上，如圖3(a)所示；框架式是通過現澆混凝土形成框架結構，用框架柱和框架梁來承受列車的動荷載作用，承軌層為框架結構的一部分[29-30]，如圖3(b)所示。

梁橋式在順軌方向的每一列橋墩為獨立的橋梁體系，橫軌方向通過橫梁將多條橋梁連成縱橫梁體系。因此，梁橋式承軌層能夠實現更大的跨度，降低列車荷載對結構振動的影響，但橋梁尺寸大，橫軌向和順軌向剛度相差大。框架式承軌層由于采用整體現澆混凝土結構，避免了雙向剛度相差懸殊的問題，橋梁構件的尺寸明顯較少，能更好的滿足建筑空間效果和視覺效果，但跨度較小，造價略高于梁橋式承軌層[31-32]。框架柱多采用鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱或型鋼混凝土柱等，框架梁多采用鋼骨混凝土梁、預應力鋼筋混凝土梁或型鋼混凝土梁等。典型鐵路站房的承軌層結構形式，見表1。

圖3 承軌層類別

表1 典型站房的承軌層結構形式Table 1 Structural form rail bearing layer of typical station buildings

1.3 屋面層

屋面層是站房結構的主要部分，為了便于采光、通風，滿足建筑外觀，獲得較大的空間和視覺通透性，通常采用大柱網、大跨度空間結構，例如，桁架結構(圖4(a))、網殼結構(圖4(b))、網架結構、索殼和索拱結構等[33]。這些結構形式的構件受力以軸力為主，材料利用率高，邊緣構件與支撐構件的適應性較強，同時具有施工速度快等特點。屋面層支撐構件的布置受到鐵路路線的限制，其在順軌方向的跨度一般比橫軌方向大。大跨度空間結構通過空間結構與建筑造型的完美結合，塑造出具有當地文化特色的鐵路站房。

圖4 屋面層類別

1.4 無柱雨棚

無柱雨棚的全稱為站臺無立柱雨棚，是中國大型鐵路站房的標志之一。站臺雨棚與站臺位置相對應，是為進出站的旅客提供遮風避雨的地方[34]。傳統鐵路站房的雨棚柱子直接立在站臺上，形式單一，以單枝Y 型、雙枝Π型、現澆混凝土梁板和彩色壓型鋼板為主[35]。而現代大型鐵路站房則采用整體式的無站臺柱雨棚，通過將柱子直接設置在線路中間，不僅將雨棚和站房連接成了一個整體，還可以給站臺留出更多空間，減少站臺上影響旅客行進和觀察視線的障礙物，創造更舒適的乘車環境[36]。無柱雨棚多采用大跨網殼結構(如圖5(a)所示)、索拱結構(如圖5(b)所示)等結構形式，實現了輕巧、通透的建筑效果。

圖5 無柱雨棚的類別

2 站房的健康監測

2.1 系統組成

站房結構的健康監測是指在工程結構施工或運營階段，利用現場無損的檢測技術，測定結構關鍵性能指標，獲取結構內部信息并處理數據，通過分析結構系統特性，評估結構因損傷或退化而導致的主要性能指標的改變，以監測結構健康狀態的變化，判斷結構是否安全[37-38]。站房健康監測系統包括傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據管理與控制子系統和數據分析與安全預警子系統[39-40]，如圖6 所示。

圖6 站房結構的健康監測系統

其中，傳感器子系統為系統硬件部分，是健康監測系統中最基礎的子系統[41]。它通過埋入結構內部或者粘貼在結構表面的多種傳感器，以實時監測站房結構的作用、效應及損傷信息，并將待測的物理量以電信號形式輸出[42]。數據采集與傳輸子系統應對接口的匹配性和軟件的功能性進行設計，明確合理的監測數據傳輸方案，軟件能實現自動采集與傳輸數據，并可進行人工干預采集與采集參數調整[43-44]。數據管理與控制子系統應具有統一的數據標準格式和接口，可對海量監測數據進行儲存和預處理，自動生成報表和報告，并可通過操作系統中心數據庫，對任意時段的數據進行查詢和管理[45-46]。數據分析與安全預警子系統通過對監測數據進行全面統計分析和特殊分析，可為站房結構的安全預警和評估提供基礎數據，以對結構進行實時預警，保證結構的安全[47-48]。該子系統是整個健康監測系統的核心部分，目前,數據分析已經形成了較為系統的方法，如靜力參數法、動力參數法、模型修正法、神經網絡法、遺傳算法和小波分析方法等，但這些方法只能實現簡單框架結構的損傷定位和損傷定量，而對大型鐵路站房復雜結構的損傷識別還有一定困難。大型鐵路站房健康監測系統總體設計，應堅持長遠規劃的原則，盡量實現施工監測和運營監測一體化設計，使得監測工作具有連續性和長期性，其建設宜與站房施工同步進行。從時間順序而言，站房健康監測分為施工階段和運營階段；從空間關系來看，站房健康監測的重點在承軌層、屋面層和無柱雨棚；從監測內容來看，站房結構需要監測其在施工和長期運營中，所受到各種作用的不確定性及其效應和積累損傷[49]，如圖7所示。其中，效應部分的內力和變形是站房結構的監測重點，加速度和頻率的監測主要集中在承軌層和屋面層。損傷部分的裂縫監測主要集中在承軌層，疲勞監測主要集中在屋面層，銹蝕監測主要集中在無柱雨棚。

圖7 站房結構的健康監測內容

2.2 施工階段

在大型鐵路站房的施工過程中，其荷載大小、約束條件和力學模型可能與設計有一定差別。同時，由于外界環境等不確定因素的影響，導致施工階段存在一定的安全風險[50-51]。因此，為了反映站房結構在施工階段的實際受力狀態，需要對車站進行健康監測，以掌握關鍵部位的受力指標的變化規律，準確評價結構的受力狀態，控制施工可能帶來的風險，以保證施工過程中結構的安全。

屋面層作為大跨度空間結構，其施工是一個動態的過程，涉及到結構的吊裝、滑移、提升、拆除臨時支撐和卸載等關鍵工序，是站房結構在施工階段的監測重點[52]。應變是結構安全狀態最直接的變量[19]，判斷結構受力是否處于安全范圍之內是施工監測的核心內容。通過在屋面層結構關鍵構件和部位設置應變傳感器，及時掌握結構的實際受力狀態。比如，主桁架是屋面層分塊整體提升的著力點，會承受提升過程中的動力荷載，故應對主要受力桿件進行應變監測；鋼柱是屋面的關鍵支撐構件，在吊裝或提升的過程中會使得鋼柱的荷載加大，而部分鋼柱從屋面層貫通下部分結構，故應對柱腳進行應變監測[22]。

同時，為了防止施工過程中結構出現過大變形，需要對結構薄弱部位的變形量進行監測，如桁架跨中和臨時支撐等。此外，屋蓋結構在施工過程中會受到施工機械振動、屋蓋提升等動荷載作用，結構的振動響應往往要大于正常使用的情況[53]，故應對結構在施工階段的加速度進行監測。因此，屋面層在施工階段的監測內容一般有應變、變形和振動等，監測對象為桿件、鋼柱和節點等。例如，濱海站在屋面層的主體結構設置了兩種不同類型的傳感器，總計68個。其中，光纖光柵應變傳感器12個，用以監測主體結構關鍵桿件的應力；加速度傳感器56個，用以監測桿件的振動狀態[54]，如圖8所示。監測結果表明，濱海站在施工過程中屋蓋整體的動力性能穩定，但存在部分桿件應力較大，應加強監測，以確保結構安全。

圖8 施工階段濱海站屋面層的測點

無柱雨棚也是大跨空間結構，但它的下部結構只有支撐柱，施工階段監測主要關注無柱雨棚的變形。例如，沈陽北站在施工過程對無柱雨棚鋼桁架的變形進行了監測，監測結果表明桁架變形值均在理論計算范圍內[55]。而承軌層結構在施工過程中多為現澆混凝土結構，在施工過程中結構相對較為安全。因此，現有關于承軌層在施工階段的健康監測研究少，而主要集中在后期運營階段。

表2列出了施工階段鐵路站房的健康監測工程應用的統計情況。由表2 可知，目前,施工階段站房結構健康監測對象主要是屋面層，其次是無柱雨棚，主要監測參數是結構的應力和加速度。

表2 施工階段鐵路客站的健康監測Table 2 Health monitoring of railway passenger station during construction stage

2.3 運營階段

根據《建筑結構可靠度設計統一標準》(GB 50068—2018)[56]，大型鐵路站房的設計使用年限為100 a，其在長期運營過程中，由于受到人群荷載、列車荷載和風荷載等多種荷載長期作用，以及環境侵蝕、材料老化和疲勞效應等不利因素的影響，會導致結構產生損傷，可能使得站房結構存在安全隱患。因此，為了及時發現結構損傷，需要對站房結構進行健康監測，以保證鐵路客站的運營安全。

為掌握運營期間的屋面層受力狀況，對結構安全狀態進行評定，宜在受力關鍵部位設置應變傳感器，如支座、跨中截面以及結構分析的易損部位和受力較大部位。同時，屋面層因受不確定性環境作用的影響，存在較多偶然振動，為了掌握結構的動力響應，應采用加速度傳感器進行監測，并分析其振型、頻率等結果。另外，在大跨空間結構中，桁架跨中易產生變形，累積變形過大也會成為安全隱患，需監測桁架的豎向變形。此外，屋面層由于跨度大、且長期直接與外部環境接觸，受溫度應力、內外溫差及施工因素的影響，通常會設置變形縫。為了掌握溫度對結構受力及整體變形的影響，需對屋面層進行溫度監測和變形縫的寬度監測。因此，屋面層在運營階段監測的內容一般有變形，內力，振動和溫度，監測對象多為桿件。例如，昆明南站在屋面層設置了3 種不同類型的傳感器，共94個。其中，表面振弦式應變計63個，用以監測桿件應力及鋼柱內力；靜力水準儀13個，用以監測屋蓋撓度；加速度拾振器18個，用以監測桁架振動，如圖9所示。

圖9 運營階段昆明南站屋面層的測點

無柱雨棚在運營期間中，由于受列車運行振動、強氣流以及室外風雨雪等自然環境的影響，其結構的支撐柱、梁等容易出現變形或下沉等問題[57]，所以需要對支撐柱和支撐梁的受力和工作狀態進行監測，了解其安全儲備的大小。因此，無柱雨棚在運營階段的監測內容一般有應變和變形，監測對象一般為支撐柱和梁。例如，昆明南站在無柱雨棚設置了12個表面振弦式應變計。其中，8個用以監測支撐柱應力，4個用以監測支撐梁應力，如圖10所示。

圖10 運營階段昆明南站無柱雨棚的測點

承軌層在運營期間，除了考慮結構自重荷載之外，還要考慮人群荷載和列車荷載的耦合作用，是整個站房結構中受力最為復雜的部分[58]。由于軌道梁截面和跨度較大，為了解軌道梁的內力及工作狀態，需監測其應力狀況和裂縫開展情況。其中，鋼筋應力計需在混凝土澆筑前安裝好，裂縫計需在拆模后安裝。同時，人群荷載和列車荷載會導致結構振動，加速度過大會直接影響到結構舒適度，為掌握結構的振級是否處于允許范圍，需對結構的加速度進行監測。此外，變形縫兩側柱豎向變形不能過大，否則會影響列車的正常運行，所以，需要監測變形縫兩側柱的豎向位移。因此，承軌層在運營階段的監測內容一般有應力應變、裂縫、變形和振動等，監測對象為承軌梁、柱等。例如，昆明南站在承軌層設置了4種不同類型的傳感器，總計105個。其中，表面振弦式應變計30個，用以監測梁鋼筋應力；振弦式裂縫計30個，用以監測梁裂縫，應變計與裂縫計布置位置相近，如圖11所示。靜力水準儀24個，用以監測變形縫兩側柱變形；加速度拾振器21個，用以監測軌道梁振動狀況。監測結果表明，昆明南站尚處于運營初期，屋面層、無柱雨棚和無柱雨棚的各項指標趨于向平穩，都處于安全的范圍內，結構整體安全。

圖11 運營階段昆明南站軌道梁的測點

表3列出了運營階段鐵路站房健康監測應用的統計情況。由表3 可知，目前,運營階段站房結構健康監測的對象主要是屋面層和無柱雨棚，其次是承軌層，主要監測參數是結構的應變、變形和加速度。

表3 運營階段鐵路客站的健康監測Table 3 Health monitoring of railway passenger station during operation stage

3 有待解決的問題及建議

目前，健康監測在鐵路站房結構上的應用還不夠成熟，針對鐵路站房的結構特點，結合鐵路站房結構健康監測已有應用情況，提出有待解決和研究的問題及相關建議。

1)如何利用盡可能少的傳感器獲得盡可能多的結構健康信息，是鐵路站房結構健康監測應用中的關鍵問題。鐵路站房的結構體系龐大，需要在屋面層、承軌層和無柱雨棚的關鍵部分布置傳感器。傳感器數量過多，不僅會提高系統的成本，也會導致數據量激增，而過少或布置不合理將會導致數據不全或關鍵數據缺失。建議可參考航空、航天等領域成熟的傳感器優化布置研究成果[59]，結合站房結構的特點，開發出適用于站房結構的傳感器優化布置技術。

2)大型鐵路站房結構屬于復雜的非線性系統，如何對結構進行準確地非線性損傷識別還待解決。現有損傷識別方法多基于結構為線性系統的假設，而有關非線性系統的損傷識別方法，還存在許多問題沒有解決[60]。在對站房結構進行損傷識別的過程中，由于受非線性因素的影響，損傷識別的準確度會降低。其中，遺傳算法和神經網絡對模型的精度要求不高，而小波分析則在細節刻畫方面更好。因此，建議綜合這幾種方法加強對非線性損傷識別方法的研究，以提高鐵路站房結構損傷識別的準確度。

3)鐵路站房結構的健康監測在數據處理研究還存在不足。數據處理是監測工作的基礎，現階段站房健康監測關注硬件系統的建設，而對后期數據的重視程度不夠。健康監測系統在運行的過程中，會積累海量的監測數據，而在實際中采集到的初始數據可能存在缺陷，不能準確反映出真實的結構狀態。因此，建議對原始的數據進行剔除、消冗及清洗等處理工作，得到有效的監測數據，并進一步利用這些海量數據，發展數據的分析與挖掘技術，以揭示在站房結構在列車荷載、人群荷載和環境因素等耦合作用下的力學行為和演化規律。

4)鐵路站房結構的健康監測工作缺乏長期有效的管理機制。結構健康監測是一項需要長期堅持的工作。而在實際應用中，健康監測系統存在重建設、輕管理的情況，在監測信息共享和運營維護上往往存在困難。因此，建議加強建設單位、設計單位、施工單位和管理使用單位的長期聯系，實現技術資料和監測信息的共享，制定完善的管理使用手冊，使得對站房結構健康監測系統的管理定期化和制度化。

5)鐵路站房結構健康監測還處于探索階段，缺乏統一的標準。為有效地推進鐵路站房結構的健康監測工作，明確鐵路站房健康監測的實施主體、具體內容、技術細則和評估標準等，避免監測的盲目性，建議在相關標準的基礎上，吸納已有大型鐵路站房結構健康監測系統的設計、施工及運營經驗，編制統一的技術標準。目前，《鐵路客站結構健康監測技術標準》正在編制中。

4 結 語

闡述了大型鐵路站房的組成和結構特點，介紹了站房健康監測系統的組成，分施工和運營2個階段，從屋面層、無柱雨棚和承軌層等3個結構層次，結合具體工程案例，總結了各結構層次的監測內容和監測對象，并針對鐵路站房健康監測應用中存在的問題，給出了相應的建議。