杭州西站屋蓋、云谷拱結構健康監測系統設計研究

胡健

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司)

1.工程概況

新建杭州西站是特大型鐵路客站，站場總規模11 臺20線。其中，杭臨績場規模5 臺9 線，湖杭場規模6 臺11 線。站房采用線正上式候車模式，主體南北長約302m，東西方向長約230m，站房主體地面6 層（局部8 層），地下2 層，雨棚上蓋開發主體4 層。杭州西站坐北朝南，高架候車室位于站場正上方，東西兩側布置了雨棚上蓋綜合開發，“云谷”東西向貫穿站房，南側布置“云門”。客站鋼屋蓋采用桁網結合的結構體系。屋蓋順軌方向總長約245m，中間最大跨度78m，典型跨度38m、19m；垂軌方向總長約325m，中間最大跨度72m，典型跨度22m、23.5m。屋蓋主體結構采光頂區域采用正交雙向平面桁架，有吊頂區域采用斜放四角錐網架，采光頂桁架延伸至支承柱頭，形成網架內“暗桁架”連接。站房屋蓋結構體系如圖1 所示。

圖1 杭州西站鋼屋蓋結構布置圖及云谷拱結構傳力路徑

站房云谷為拱支吊掛結構，其中站房部分拱腳與主體連接采用銷軸連接。站臺雨棚區區域一部分拱腳落在鋼梁上，鋼梁與下部混凝土結構一端采用不動鉸支座，一端采用滑動支座，一部分拱腳采用銷軸與主體連接。云谷類似門式剛架結構，在合適位置加系桿及支撐。云谷內設置人行天橋，采用鋼拉桿吊掛結構形式，拉桿與云谷采用鉸接連接。站房云谷傳力路徑如圖1 所示。

2.客站建筑特點和結構安全風險

客站建筑，特別是“橋-建”合一的客站建筑在功能布局上有諸多相似之處。鐵路客站主要由主體建筑、雨棚、跨線天橋組成。其中主體建筑自下而上主要由地鐵站臺層與站廳層、出站層、承軌層、高架層（含夾層）、屋面層組成。如圖2 所示。為縮短進出站流線、節約建筑用地，大型鐵路客站多采用“橋-建”合一的結構體系，將橋梁結構與建筑結構相結合，該結構體系具有柱網布置靈活、結構整體性較好等特點。

圖2 典型高速鐵路客站的建筑功能布局

客站特殊的建筑功能布局也給結構健康帶來諸多安全風險。其主要體現以下幾個方面：（1）客站結構常與地下工程、軌道工程、橋梁工程結構集合一體，具有跨結構領域的結構工程特點。然而，不同工程采取的設計標準體系不同，設計中常無法兼顧多領域的限制與要求，導致了在關鍵構件可能存在冗余度不足導致的安全風險。（2）“橋-建”合一客站軌道層結構本身是一個新生事物，列車高速運行時制動、啟動、列車風對結構產生的動力作用尚無法準確分析計算，多元性的動力激勵導致結構產生損傷累積和抗力衰減，導致了結構安全風險。（3）客站屋蓋結構的幾何形態往往具有鮮明的城市特點和地域文化屬性，導致屋蓋結構造型復雜多樣。同時，結構支承位置受制于鐵路站場布置和空港式的建筑效果，導致屋蓋結構一般不設縫，在順軌向跨度較之垂軌向更大，其結構本身存在超長超限的特點。在溫度、風、地震作用下，結構本身存在著一定安全風險。（4）站臺雨棚、跨線天橋結構常位于正線附近，列車通過常導致結構發生較強的振動響應，對結構安全和行人舒適度產生明顯影響。同時，現代鐵路客站已不僅是人群旅行的集散地，隨著“站城融合”設計理念不斷深入，以杭州西站、白云站為代表的第四代鐵路客站已成為城市交通樞紐和商業服務中心，是城市的生命線工程，結構的損壞是重大的社會災難，將帶來巨大的經濟損失和政治負面影響。

杭州西站站房鋼屋蓋跨度大，形勢復雜。南北結構單元長度達到325m，屬于超限大跨屋蓋建筑；云谷南北向跨度為28m，最大高度達到44m，結構高度大、橫斷面相對較小；云谷中間設置鋼結構人行吊橋，結構受力較為復雜。同時，在鋼結構施工時，將綜合采用分塊和整體提升等多種施工方案，整個施工過程包括旋轉提升、嵌補桿件、整體提升、卸載等多個過程，施工階段結構安全狀態較難把握。

為了保證鐵路客站結構的安全，需要了解結構是否存在損傷、損傷位置、損傷程度以及結構的剩余強度和剩余壽命。因此，監測鐵路客站結構的健康狀況，及時發現結構損傷，對可能出現的安全事故進行預測，評估服役結構的安全性、適用性、耐久性已得到國內外研究人員的高度重視。目前，我國已有二十余座高鐵車站[1][2][3]建立了自動化結構健康監測系統，為降低鐵路客站結構安全風險，保障鐵路全線的運營安全發揮了一定作用。本工程對站房鋼屋蓋、云谷拱結構進行施工期和運營期的結構健康監測，有利于實時掌握結構受力狀態，保證結構安全。

3.監測對象和指標

根據結構的受力特性，站房屋蓋結構整體監測項目包括：豎向變形、水平變形、支座反力和頻率[4][5]。對于空間網格結構的大跨跨中、支座及懸臂根部構件，支座、多桿相交、構造復雜的節點，復雜的豎向支承構件及索結構中的承重索等部位應補充構件及節點的內力和變形監測。對于一些特殊服役環境的屋蓋結構還應補充對應的荷載與環境監測[6][7][8][9]。杭州西站結構健康監測對象包括：結構整體、構件、荷載和環境三類，本項目監測對象和指標對應表如表1 所示。

表1 監測對象和指標對應關系

3.1 結構整體監測對象和指標

結構整體監測對象包括站房屋蓋和云谷拱兩部分。結構整體監測指標包括屋蓋撓度、屋蓋支座不均勻沉降、屋面振動加速度、云谷拱振動加速度、云谷拱側向傾斜。

屋面結構整體監測對象和測點如圖3 所示，云谷整體監測對象和測點布置如圖4 和圖5 所示，東、西側云谷結構整體監測對象對稱布置。

圖3 屋蓋結構整體監測對象和測點

圖4 云谷拱側向位移和加速度監測對象

圖5 云谷吊橋整體監測對象

（1）屋蓋撓度：屋蓋撓度采用傾角計監測。本項目選取屋蓋上的10 處結構組件，監測各組件處的撓度。

（2）屋蓋支座不均勻沉降：屋蓋不均勻沉降采用靜力水準儀監測。本項目在屋蓋A、B 區域上分別布置1 個靜力水準系統，每個靜力水準系統布置6 個靜力水準儀。

（3）屋面和云谷拱的振動加速度：采用加速度傳感器監測屋蓋和云谷拱的振動加速度。其中，屋蓋布置5 處加速度測點，各測點處布置豎向加速度傳感器；云谷拱在YG001和YG005 頂部各布置1 支加速度傳感器。

（4）云谷拱側向傾斜：采用傾角計監測云谷拱側向傾斜，在YG001～YG005 頂部各布置1 支傾角計。

（5）云谷吊橋撓度：采用傾角計監測云谷吊橋撓度，在主跨布置4 支傾角計。

（6）云谷吊橋振動加速度：采用加速度傳感器監測云谷吊橋舒適度，在主跨各布置1 個豎向角速度傳感器。

3.2 結構構件監測對象及指標

（1）構件內力和應力：選取屋蓋、云谷拱和云谷吊橋的關鍵構件。屋蓋圓管構件，每根構件選取1 個截面，布置2 支應變計；屋蓋矩形管構件，每根構件選取1 個截面，布置4 支應變計；云拱谷和吊橋，每根構件選取1 個截面，布置2 支應變計，東、西云谷應力監測對象和測點對稱布置。

（2）柱頂水平位移：采用傾角計監測屋蓋支撐柱和云谷吊橋柱的柱頂水平位移，每根鋼柱布置2 支雙向傾角計。

3.3 荷載與環境監測對象及指標

本項目荷載和環境監測對象包括：溫度和風荷載。溫度指標包括：施工階段合攏位置的合攏溫度、運營階段屋蓋內外溫差；風荷載指標包括風速和風向、屋蓋表面風壓。荷載和環境測點分布如圖6 所示。

圖6 環境測點分布

4.監測系統設計

杭州西站健康監測幾乎包含了站房結構大部分常用的監測指標，需要使用多種監測傳感器。此外，監測系統需實現施工和運維階段監測指標的實時預警，并實現施工階段和運營階段監測指標的統籌和監測數據的延續。對于監測系統的性能要求，系統需具備在線信息傳輸和指標在線實時計算的功能。因此，在傳統的結構監測技術的基礎上，需要針對杭州西站站房結構特點和監測需求，在監測系統設計和實施上進行研究，實現站房結構監測和預警的既定目標。

4.1 系統功能

本項目監測系統實現的功能包括：（1）數據采集，采樣頻次不低于1Hz；（2）信息傳輸；（3）結構指標在線評估；（4）評估和預警延時不超過20s；（5）施工階段提供智慧工地平臺接口，運營階段提供管控平臺接口。

4.2 系統框架設計

在進行監測系統設計時，杭州西站站房結構監測系統采用了軟、硬件分離的模式，即采用一個監測軟件平臺，在平臺上預留硬件結構。在監測設備選型時，選取性能好的傳感器和數據采集設備，并要求設備廠商提供通信協議，接入監測軟件，如圖7 所示。其中，系統軟件主要實現監測指標在線計算、在線評估、同步預警、實時查看性能指標、實時掌握結構狀態、自動觸發預警信息等功能。

圖7 監測系統框架圖

在軟件的數據采集模塊中，除了實現數據篩查、異常數據處理、數據緩存、指令調度等功能外，最主要的設計，是提供了與數據采集硬件通信的外部通用數據接口，支持不同種類的數據采集設備的接入。以此來實現多種監測傳感器接入同一監測系統。

4.3 系統硬件

系統硬件包括傳感器、采集單元、傳輸單元、服務器和客戶端。系統硬件框架圖8 所示。

圖8 系統硬件框架圖

5.結構狀態評估及預警

5.1 監測初值

結構監測需采用結構實際狀態下指標的絕對值對結構進行評估和預警。結構指標的絕對值為監測初值和監測增量的和。傳感器直接測得的物理量為傳感器開始工作至讀數時的監測指標增量。為保證監測指標初值的準確性，首先確定所有監測傳感器的安裝階段，即傳感器開始工作的階段，再根據現場實際的邊界條件和荷載，對各階段進行施工過程模擬計算，得出各傳感器或指標的初值。具體地：

（1）撓度初值：傾角計安裝前，采用全站儀測量監測對象各監測點的撓度值即為撓度初值。傾角計在監測開始前清零。

（2）相對沉降初值：在靜力水準儀安裝前，采用水準儀或全站儀測量各沉降監測點的相對高差作為相對沉降初值。

（2）應力初值：應變計安裝時，當前施工階段，傳感器所在位置施工過程模擬計算值作為應力監測初值。

（3）溫度、風速、風向初值：這些傳感器輸出絕對物理量，初值均為零。

（4）風壓初值：風壓計在清零前先使用保護罩遮蔽使其不受風荷載，清零后撤去保護罩。

（5）加速度初值：屋面在自然激勵下清零。

5.2 監測頻次

本項目所有監測指標的監測頻次均不低于1Hz。

5.3 評估等級和響應

評估等級對應的結構施工過程和運營階段行為響應如表2 所示。當發生各級預警時，觸發對應的行為響應。

表2 評估等級和響應

5.4 評估閾值

本項目根據現行行業標準《建筑工程施工過程結構分析與監測技術規范》（JGJ/T 302-2013）第4.5.9 條規定，設定評估閾值。本項目各類監測指標評估閾值如表3 所示。

表3 評估閾值

6.實踐效果

杭州西站結構健康監測系統圓滿完成了施工階段的監測和預警任務，為確保施工階段順利進行和安全提供了技術支持。在站房竣工時，監測系統實現了本地化轉換，且并入了車站管控平臺。在本地化過程中，監測數據保持連續，成功實現了監測系統從施工到運營階段的轉換。本地化后的監測系統控制臺界面如圖9 所示。

圖9 監測系統控制臺界面

7.結語

為了實時掌握杭州西站屋蓋、云谷拱施工期間的結構狀態，針對屋蓋和云谷拱結構特點，研究并設計了一套基于監測數據的杭州西站屋蓋、云谷拱的健康監測評價系統，形成主要結論如下：

（1）在屋蓋和云谷拱鋼結構施工和運營過程，需監測結構的關鍵指標，才能有效對結構受力狀態進行評估，對危險狀態進行預警并提供行為響應建議。其中，結構整體監測指標包括：屋蓋撓度、振動加速度、支座不均勻沉降，云谷拱結構監測指標包括平面外傾斜、振動加速度，云谷拱吊橋包括撓度和振動加速度。在構件層面上主要監測關鍵構件的應力和內力，柱的傾斜等。同時考慮溫度、風的環境監測。

（2）提出了一種施工期與運營期相結合的結構健康監測系統設計方案，包括系統硬件、軟件。同時，在施工期間架設云服務器節點，采集箱與云服務器系統通信并入智慧工地平臺，在運營階段，將采集箱通信改造，數據庫移植，并入內網管控平臺。

（3）本系統采用結構實際狀態下的指標絕對值對結構進行安全評估和預警。結構指標的絕對值為監測初值和監測增量的和。結合本項目特點，提出撓度、相對沉降、應力、溫度、風速、風向、風壓等監測初值的確定方法，借鑒類似規范標準，提出結構預警閾值和安全評估等級及響應，保障結構運營安全。