韓志偉

（鐵道部工程設(shè)計鑒定中心 副總工程師，北京 100844）

0 引言

現(xiàn)代公共建筑伴隨著材料技術(shù)的發(fā)展、設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)新、建造技術(shù)的進步，正在不斷地向高度、跨度極限發(fā)起一個又一個的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代大型工程坍塌事故時有發(fā)生，如法國巴黎戴高樂機場候機樓坍塌事故，如圖1；美國明尼阿波利斯，明尼蘇達維京人隊體育場的圓型屋頂被積雪壓塌，如圖2。保證“大型結(jié)構(gòu)”的使用安全，已日漸成為工程界關(guān)注和研究的課題。鐵路綜合交通樞紐客站人流密集，公眾關(guān)注度高，一旦發(fā)生重大結(jié)構(gòu)安全事故，會造成嚴重的社會影響。因而，加強對鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)使用期間結(jié)構(gòu)狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測，確保其能夠“健康服役”，是鐵路客站設(shè)計、建設(shè)、運營需要深入研究的課題。

圖1 巴黎戴高樂機場登機樓結(jié)構(gòu)垮塌

圖2 美國明尼阿波利斯體育場屋頂垮塌

1 鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測意義

我國鐵路客站建設(shè)、運營已經(jīng)進入一個新的時期。目前，已建成綜合樞紐客站19座，在建20余座，未來還要規(guī)劃建設(shè)十幾座，有必要在鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中開展健康監(jiān)測工作。

1.1 鐵路客站結(jié)構(gòu)安全面臨新挑戰(zhàn)

新建的交通樞紐客站，如北京南站（圖3），武漢站（圖4），廣州南站（圖5），虹橋站（圖6）等客站體量大，結(jié)構(gòu)方面有許多創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、結(jié)構(gòu)跨度都超過了以往的鐵路客站。

這類客站地上、地下分為多層，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜。在設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)選型經(jīng)過了精心推敲、嚴格計算，其結(jié)構(gòu)安全理論上都是有保證的。但是，隨著柱網(wǎng)的增大，空間的增高以及體系的多樣化，結(jié)構(gòu)的“抗連續(xù)倒塌能力”也會有所降低。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計時，計算假定邊界條件與實際邊界條件難免存在差異，以及材料力學(xué)性質(zhì)的不確定性等因素，都會或多或少地影響到結(jié)構(gòu)的安全冗余度。其次，結(jié)構(gòu)在使用過程中的材料老化，預(yù)應(yīng)力松弛以及風(fēng)荷載的反復(fù)作用都有可能造成材料損傷，這些都會隨著使用時間的推移，對結(jié)構(gòu)安全帶來影響，甚至降低結(jié)構(gòu)自身的安全度。因此，通過監(jiān)測手段，及時了解掌握鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)非常必要。

1．2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用廣泛

1.2.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概念

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指對工程結(jié)構(gòu)實施損傷檢測和識別。是通過對結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能進行無損監(jiān)測，實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進行診斷，對結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行智能評估，為結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件下或結(jié)構(gòu)使用狀況嚴重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護、異常情況下的搶險與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)[1-3]。

1.2.2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)最先應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，并已在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu)、超高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨空間鋼結(jié)構(gòu)、深基坑支護工程中得到廣泛應(yīng)用[4-5]。

橋梁結(jié)構(gòu)。從上世紀80年代開始，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)就得到應(yīng)用，發(fā)展到今天，許多超大跨度橋梁都設(shè)有健康監(jiān)測系統(tǒng)。英國Foyle大橋[6]，美國的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋，丹麥的Great Belt East懸索橋[7]，加拿大的 Confederation Bridge 橋[8]，以及國內(nèi)的香港青馬大橋、汲水門大橋、汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋、江陰長江大橋、蘇通大橋、濱州黃河大橋等，都建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)。

特種結(jié)構(gòu)。上世紀80年代中國石油總公司在海上鉆井平臺結(jié)構(gòu)上安裝監(jiān)測設(shè)備，以監(jiān)測冰荷載、冰壓力和海洋平臺結(jié)構(gòu)的冰激振動響應(yīng)情況[9]。

超高層結(jié)構(gòu)。如對廣州新電視塔、廣州西塔、深圳京基金融中心、深圳證券大廈、上海金茂大廈等結(jié)構(gòu)都進行了必要的監(jiān)測。

大跨度結(jié)構(gòu)。2002年，深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中搭建了國內(nèi)較早的大跨度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[10]。2006年，國家游泳中心鋼膜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)開始施工安裝[11]。另外，實施了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)還有國家體育館屋蓋、深圳大學(xué)城體育場結(jié)構(gòu)等建筑。

深基坑工程。近年來，深基坑的施工廣泛采用了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過對基坑支護、支撐的變形、應(yīng)力進行監(jiān)測，為預(yù)防基坑事故、搶險、準備應(yīng)急預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)信息化施工。監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，既可提高基坑工程的施工安全性，又可適當降低基坑的支護費用。

近年來，從奧運會體育場館的建設(shè)開始，大跨度建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)逐漸在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用起來。新建的大跨度體育場館及其他公共建筑普遍采用了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)[10，12-13]，如圖7所示。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)進入實際應(yīng)用階段，并且成為預(yù)防重要結(jié)構(gòu)安全事故的常見手段。

圖7 濟南全運會體育館

1.3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)日漸成熟

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測從開始應(yīng)用到現(xiàn)在已有30多年的時間。在這期間，無論是監(jiān)測的硬件設(shè)備，還是監(jiān)測的理論儲備和工程經(jīng)驗，各方面都有了長足的發(fā)展。監(jiān)測設(shè)備從早期簡單的電阻式應(yīng)變測量裝置，發(fā)展到目前可以對環(huán)境作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等眾多參數(shù)進行全面監(jiān)測的光纖、壓電式傳感器，以及配套的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。理論儲備方面，早期的研究較少，現(xiàn)在對于監(jiān)測系統(tǒng)、測點布置、模型修正、損傷識別、數(shù)據(jù)分析等方面已有了較為全面的研究。盡管目前還存在著類似監(jiān)測設(shè)備壽命與監(jiān)測周期不匹配的問題，但這些問題可以通過采取具體措施，提高管理水平予以解決。推進復(fù)雜大跨度鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作的技術(shù)條件已日益成熟。

1.4 健康監(jiān)測是預(yù)防結(jié)構(gòu)安全事故的有效手段

隨著社會的發(fā)展，大跨度、超高層建筑結(jié)構(gòu)不斷興建。這些重要建筑一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)安全事故，將造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失，并造成嚴重社會影響。建立重大土木工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以對結(jié)構(gòu)在施工與服役階段的安全性、耐久性有實時的把握，有效預(yù)防結(jié)構(gòu)安全事故，同時也可對同類新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念完善提供依據(jù)[14]。

鐵路客站建設(shè)要想實現(xiàn)科學(xué)發(fā)展、健康持續(xù)發(fā)展，在積極推進鐵路客站安全硬件建設(shè)的同時還必須不斷加強軟件建設(shè)，建立健全各種能夠?qū)Π踩L(fēng)險預(yù)警的信息化管理系統(tǒng)，提高管理水平，實現(xiàn)鐵路客站安全動態(tài)管理。

2 鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一門多領(lǐng)域跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，包括土木工程、動力學(xué)、材料學(xué)、傳感技術(shù)、測試技術(shù)、信號處理、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機技術(shù)、模式識別等多個方面。

2.1 客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)路線圖

圖8為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究范疇和流程[15]。

圖8 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究范疇和流程

2.2 鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的范圍和布置

客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測過程中，想獲得比較完備的數(shù)據(jù)，就需要足夠多的傳感器，然而，傳感器多，成本就會增大，在結(jié)構(gòu)大部分自由度上安置傳感器是不可能也是不現(xiàn)實的，這就需要確定最優(yōu)的傳感器數(shù)量。同時，即使使用相同數(shù)量的傳感器，如果采用不同的布置方式將會采集到不同的信號和數(shù)據(jù)，這些信息將直接影響模態(tài)分析和損傷識別的精度和可靠性，因此傳感器位置的優(yōu)化布置十分重要。

良好的傳感器布置方案應(yīng)做到：1）在含噪聲的環(huán)境中，能夠利用盡可能少的傳感器獲取全面、精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息；2）實測分析得出的模態(tài)能夠與有限元模型分析的結(jié)果建立起對應(yīng)關(guān)系；3）能夠通過合理添加傳感器對感興趣的部分模態(tài)進行數(shù)據(jù)重點采集，針對鐵路客站結(jié)構(gòu)可以重點監(jiān)測大跨度屋蓋、軌道層、雨棚等具體部位；4）測得的時程記錄將對模態(tài)參數(shù)的變化最為敏感；5）使模態(tài)試驗結(jié)果具有良好的可視性和穩(wěn)定性。目前，工程界已發(fā)展出多種方法來決定測點傳感器的最佳布置位置。

2.3 客站健康監(jiān)測的結(jié)構(gòu)參數(shù)

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，已經(jīng)允許對結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)進行監(jiān)測，包括：結(jié)構(gòu)位移，如靜位移和動位移；結(jié)構(gòu)變形，如靜動撓度、靜動應(yīng)變等；內(nèi)力，如桿件和索的拉力；動力參數(shù)，如速度、加速度等；外觀和完整性，如氣蝕、磨損、裂縫、剝落；環(huán)境作用，如風(fēng)速、溫度、地震、外部荷載等。

客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)針對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)開展，健康監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)主要包含外部荷載作用和結(jié)構(gòu)反應(yīng)兩大部分。外部荷載作用主要為地面運動加速度和風(fēng)環(huán)境及結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓等，結(jié)構(gòu)反應(yīng)主要為結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、振動加速度、表面溫度、表面裂縫開展等。鑒于大跨度結(jié)構(gòu)的特點，風(fēng)環(huán)境及結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓是大跨度結(jié)構(gòu)外部荷載作用監(jiān)測的重點，而結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測包含主要結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力、拉索力等[16]，結(jié)構(gòu)變形包含主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移、撓度及關(guān)鍵部位的應(yīng)變。

2.4 客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集傳遞與分析

客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器所獲取的數(shù)據(jù)需要及時傳遞并進行信息分析處理，數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生后以信號的方式存在，既有的信號傳遞方式都可以用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳遞?？梢詰?yīng)用有線系統(tǒng)傳遞，也可以通過無線系統(tǒng)進行傳遞，由于通常結(jié)構(gòu)距離數(shù)據(jù)分析中心距離較遠，目前應(yīng)用比較多的是無線數(shù)據(jù)傳遞方式。獲取結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)后可以對其進行分析，其目的是為了判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷及判斷損傷的程度。其原理是通過對結(jié)構(gòu)靜、動力參數(shù)變化的分析來判定結(jié)構(gòu)的損傷情況。結(jié)構(gòu)整體的損傷可以通過整體靜、動力參數(shù)反映，局部損傷可以通過具體測點的信息來反映。

2.5 客站結(jié)構(gòu)安全評價與預(yù)警

客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作的最終目的，是通過所監(jiān)測的各結(jié)構(gòu)參數(shù)判別其安全狀態(tài)，以便采取相應(yīng)措施，避免結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生。目前結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評價標準是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域研究的熱點之一，已有許多成果。客站健康監(jiān)測可通過將結(jié)構(gòu)劃分為不同的安全等級，并采取適宜的措施。這樣既可以避免不必要的浪費，又可以保證結(jié)構(gòu)的安全。

3 推進鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的建議

目前，在鐵路客站工程建設(shè)中也開展了一些結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工作，如，北京站無站臺柱雨棚安全監(jiān)測工作，上海虹橋站超長梁監(jiān)測工作，南京南站結(jié)構(gòu)應(yīng)力、動力響應(yīng)和變形測試三部分監(jiān)測工作，深圳福田站地下結(jié)構(gòu)施工的變形監(jiān)測工作，取得了一定的成果。但總體上講，鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作還處于起步階段，缺乏統(tǒng)一的規(guī)范指導(dǎo)，沒有形成完整的鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測標準和體系。另外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測需要相應(yīng)的成本投入。對客站實施健康監(jiān)測，也要避免盲目性：一是要避免隨意擴大監(jiān)測項目范圍，對一些結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的項目盲目實施監(jiān)測。二是要避免隨意增加監(jiān)測內(nèi)容，對非關(guān)鍵部位也開展監(jiān)測。過分擴大監(jiān)測范圍，過多設(shè)定監(jiān)測內(nèi)容，都是不科學(xué)、不合理、不必要的，都會增加不必要的建設(shè)成本，實施中要嚴格加以甄別。因此，為了有效地在鐵路系統(tǒng)內(nèi)推進復(fù)雜大跨度客站結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測工作，需要研究建立規(guī)范和技術(shù)標準，以便指導(dǎo)后續(xù)工作的開展。

3.1 制定適宜的客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及健康狀態(tài)評價標準

制定相應(yīng)的實施細則，明確客站健康監(jiān)測的范圍、內(nèi)容、標準，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中就制定結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案，并納入客站設(shè)計說明書及維護手冊中。

3.2 明確客站健康監(jiān)測實施主體

大型鐵路客站的建設(shè)方和運營方通常都是同一鐵路局，通過立法，明確由路局統(tǒng)一實施該項工作，可以使得結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作連續(xù)不斷地進行。同時，鐵路系統(tǒng)中既有的防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)以及便捷的路內(nèi)通信系統(tǒng)，也可以使客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一化、專業(yè)化、系統(tǒng)化管理成為可能。

3.3 建立客站健康監(jiān)測長效管理機制

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作是一項需要長期堅持的工作。通常結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50年，有的重要結(jié)構(gòu)更是達到100年，這就注定了結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測工作是一項長期的工作，沒有制度化的管理，就不能保證工作的持續(xù)性。絕大部分結(jié)構(gòu)在其使用周期內(nèi)是安全的，不會發(fā)生破壞，但這并不能說明結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作不重要。正常人需要定期體檢，客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作也需要逐步建立長效管理機制，使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測定期化、制度化、規(guī)范化。

3.4 有序推進已建成客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作

既有客站系統(tǒng)的安全監(jiān)測是一項較為復(fù)雜的工作。筆者認為，可通過對使用超過一定年限的大跨復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行安全檢查，對其結(jié)構(gòu)健康狀況進行評價，根據(jù)結(jié)構(gòu)安全性高低對結(jié)構(gòu)風(fēng)險進行評估，將安全度評價低的結(jié)構(gòu)確定為重點結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險源。對于不同級別的風(fēng)險源分別采取實時監(jiān)測、定期檢測等不同級別的安全策略，以保證結(jié)構(gòu)安全。

3.5 嚴格設(shè)定客站健康監(jiān)測范圍

筆者認為，目前，鐵路客站健康監(jiān)測對象應(yīng)僅限于“大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)”。對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)可針對不同的監(jiān)測對象，研究確定相應(yīng)的監(jiān)測內(nèi)容。一般只需要對損傷敏感部位的應(yīng)力應(yīng)變、位移和加速度等監(jiān)測。某個項目是否需要監(jiān)測，監(jiān)測哪些內(nèi)容要具體研究論證后確定。

4 結(jié)語

綜合交通樞紐客站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其使用期間的結(jié)構(gòu)安全應(yīng)特別予以重視。將日益成熟的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)鐵路客站，可及時掌握復(fù)雜結(jié)構(gòu)的“健康”狀況、對客站在使用階段的維護保養(yǎng)和運營策略制定都有著十分重要的意義。在鐵路客站工程建設(shè)中科學(xué)有序地開展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作，有利于促進鐵路客站結(jié)構(gòu)技術(shù)的進步，有利于實現(xiàn)對客站安全的動態(tài)管理，有利于推動鐵路事業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

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