宮　濤（北京鐵路局土地房產(chǎn)管理處,北京　100086）

淺談網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)的安全防護

宮濤
（北京鐵路局土地房產(chǎn)管理處,北京100086）

摘要：隨著我國高速鐵路建設(shè)的突飛猛進，北京鐵路局管內(nèi)大跨度鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)站房在預(yù)期年限內(nèi)的安全服役，成為了多方關(guān)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(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全防護措施。

關(guān)鍵詞：淺談;網(wǎng)殼式;鋼結(jié)構(gòu);安全;防護

隨著我國高速鐵路建設(shè)的突飛猛進，截止2014年12月，北京鐵路局管內(nèi)大跨度鋼結(jié)構(gòu)車站22座，站房建筑面積達到55.06萬平方米，高鐵鋼結(jié)構(gòu)車站寬敞明亮的造型，深受候車旅客的關(guān)注和喜愛。鑒于近幾年國內(nèi)外大型鋼結(jié)構(gòu)建筑事故頻發(fā)，如何保證高鐵鋼結(jié)構(gòu)站房在預(yù)期年限內(nèi)的安全服役，成為了多方關(guān)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(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全防護措施。

1　于家堡站建筑結(jié)構(gòu)特點

于家堡站地處濱海新區(qū)，站房整體結(jié)構(gòu)形式為大跨度網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)(跨度143米)，結(jié)構(gòu)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(jié)點，并與底部鋼環(huán)梁牢牢相連，網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)是通過雙向鉸支座與地下結(jié)構(gòu)和牛腿相連。遠望站房屋蓋，整體呈現(xiàn)螺旋線形。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)每個節(jié)點間其單元方向均是不同，每個節(jié)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(jié)點，其加工、制作難度在國內(nèi)高鐵建設(shè)中是非常大的，無論是現(xiàn)場安裝、后期維修、安全防護，都是對高鐵建設(shè)和管理的一項前所未有的挑戰(zhàn)。

2　網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)安全防護的必要性

2.1不規(guī)則網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)

于家堡站房屋頂網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)，是中國高鐵站房建設(shè)中的一個創(chuàng)新，143m的超大跨度、單層正反螺旋形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其造型新穎時尚，其結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)復(fù)雜。雖然受多種偏差（如溫度、節(jié)點剛性、異型網(wǎng)殼形式等）因素影響，網(wǎng)殼實際的內(nèi)力和變形與設(shè)計數(shù)據(jù)會產(chǎn)生很大不同，但是通過監(jiān)測系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)安全可靠度。

2.2施工工藝采用大量焊接

于家堡站的網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)共有節(jié)點1134個，桿件2178個，大批量的散拼桿件是在現(xiàn)場高空焊接，施工難度增大的同時可能會加大出現(xiàn)質(zhì)量瑕疵的概率，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的初始缺陷，危及結(jié)構(gòu)的安全。通過監(jiān)測在初始缺陷下結(jié)構(gòu)的受力情況，使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)來判斷缺陷的影響程度，從而實時不間斷的診斷結(jié)構(gòu)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(huán)境、溫度、地下結(jié)構(gòu)的上浮等不確定的荷載因素變化，可能會產(chǎn)生設(shè)計中未能預(yù)見的荷載作用，結(jié)構(gòu)的受力情況會產(chǎn)生變化，健康監(jiān)測系統(tǒng)可以防患于未然，確保結(jié)構(gòu)的使用安全。

2.4鋼材壽命影響

于家堡站房網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的生命周期為100年，考慮到結(jié)構(gòu)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(chǎn)生腐蝕、破壞等損害整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的事情，因此在車站運營期間需要對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進行長期監(jiān)測，實時掌握控制性桿件的受力狀態(tài)，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(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)處在健康范圍，有序可控。

3　高鐵網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)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(wù)的特殊性、建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成為了網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)的安全防護措施的最佳選擇。于家堡網(wǎng)殼式鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的項目主要包括環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)整體和局部響應(yīng)特征，具體如下：

（1）風(fēng)速監(jiān)測：穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)天窗中部布置三維超聲風(fēng)速儀，通過風(fēng)和環(huán)境溫度進行監(jiān)測，了解作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載和溫度荷載。風(fēng)荷載是控制大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要側(cè)向荷載，正確了解風(fēng)荷載的作用，關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和經(jīng)濟型，其監(jiān)測值可作為結(jié)構(gòu)安全和舒適度評定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）溫度監(jiān)測：由于溫度場的變化，使結(jié)構(gòu)變形伸縮，車站網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布在外界溫度影響的情況下會產(chǎn)生重大的變化。當(dāng)主要構(gòu)件受到約束時，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，對鋼結(jié)構(gòu)的強度、剛度產(chǎn)生不利影響，有時甚至裂縫，降低結(jié)構(gòu)壽命。在網(wǎng)殼部分桿件上安裝溫度傳感器，利用測量溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合插值算法，獲得作用在整個網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上的完整溫度場數(shù)據(jù)，從而對結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)變測量結(jié)果進行修正；結(jié)構(gòu)溫度場也是結(jié)構(gòu)模型修正和安全評定的重要內(nèi)容。

（3）結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支座位移變化，將直接影響到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，監(jiān)測支座位移狀態(tài)與結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)合，可以更準確獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)。同時，當(dāng)結(jié)構(gòu)支座位移超過給定的限值時，監(jiān)測系統(tǒng)還可以給出及時的預(yù)警。于家堡站網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)滑動支座共有36個，根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(jiān)測。

（4）結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測：結(jié)構(gòu)振動的信息主要為加速度信號，利用加速度傳感器，監(jiān)測網(wǎng)殼節(jié)點加速度響應(yīng)，監(jiān)測網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)頻率和模態(tài)等振動特征的變化。引起振動的有風(fēng)和地震，通過振動監(jiān)測將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實測的結(jié)構(gòu)模態(tài)特性與健康結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性進行比較，判斷結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)是否發(fā)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(jié)構(gòu)做深入分析，并做出安全評定和預(yù)警。通過對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模態(tài)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(yīng)力與節(jié)點焊縫狀態(tài)監(jiān)測。于家堡站的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)頂部和底部環(huán)梁之間由36道順時針和36道逆時針鋼箱梁相互編織構(gòu)成的網(wǎng)殼組成。由于獨特的結(jié)構(gòu)形式，各部分構(gòu)件受力狀態(tài)差異很大且十分復(fù)雜。因此，監(jiān)測網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件以及內(nèi)力和應(yīng)力水平較高的易損桿件是監(jiān)測系統(tǒng)的最重要部分。根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件和受力特點的分析，確定網(wǎng)殼各部分監(jiān)測桿件的位置，以及所需監(jiān)測的內(nèi)容。

4　結(jié)語

總而言之，鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測作為一種新的結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)，其實時監(jiān)測的項目比較全面，能體現(xiàn)出整體結(jié)構(gòu)受外部和內(nèi)部多種因素的影響狀態(tài)，并可以結(jié)合監(jiān)測獲得的實時數(shù)據(jù)進行分析，從而了解結(jié)構(gòu)局部和整體的健康情況。高鐵車站應(yīng)用這項技術(shù)代替人工定期檢測工作，節(jié)約了大量人力、物力，降低了職工登高作業(yè)的安全風(fēng)險，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、客觀性，確保了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有序可控，結(jié)構(gòu)始終處于健康狀態(tài)，為候車旅客提供一個安全舒適的候車環(huán)境。

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