潘毅　劉揚(yáng)良　黃晨　郭瑞　鮑華　沈磊

摘 要：鐵路站房作為大型公共建筑，具有結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、人流高度密集、使用年限長等特點(diǎn)，一旦結(jié)構(gòu)失效，將會造成嚴(yán)重的社會影響。為了有效監(jiān)測站房結(jié)構(gòu)的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)站房結(jié)構(gòu)的損傷，最大程度地保障鐵路站房的結(jié)構(gòu)安全，有必要對鐵路站房結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測。結(jié)合大型鐵路站房工程案例，總結(jié)大型鐵路站房的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹站房健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成，考慮施工和運(yùn)營2個階段，從屋面層、無柱雨棚和承軌層3個部分，分析大型鐵路站房主要監(jiān)測對象和監(jiān)測內(nèi)容，并指出健康監(jiān)測在鐵路站房結(jié)構(gòu)應(yīng)用中有待解決的問題，以期促進(jìn)健康監(jiān)測在大型鐵路站房結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鐵路站房;健康監(jiān)測;結(jié)構(gòu)安全;施工階段;運(yùn)營階段

中圖分類號：TU318.2;TU393.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：R 文章編號：2096-6717（2020）01-0070-11

Abstract：Railway stations are a type of large public facility， featured with a complex structural system， high people flow and long service life. Failure of the structural system will cause a serious social impact. In order to effectively monitor the health condition of the station structures， and find out damages of the station structures timely， so as to ensure structural safety of the railway stations to the greatest extent， it is essential to perform health monitoring on the railway station structures. In this study， a case study of a large railway stations is presented， with an overview of structural components and features of stations and an introduction of the health monitoring system used in stations. The main monitoring objects included three levels （roof layer， canopy without platform columns， and rail bearing layer） of the station during construction and operation stages. Problems remaining to be solved are discussed on the application of health monitoring on the railway stations structures， in order to promote the development of health monitoring in large railway station structures.

Keywords：railway stations; health monitoring; structural safety; construction stage; operation stage

根據(jù)2017 年國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，到2020 年，鐵路營運(yùn)里程要達(dá)到15 萬km，其中，高速鐵路營運(yùn)里程要達(dá)到3 萬km[1]。大型鐵路站房作為鐵路交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、空間跨度大、使用年限長、服役環(huán)境復(fù)雜、人群高度密集和社會影響大等特點(diǎn)[2]。在長期服役中，由于環(huán)境荷載作用、疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等因素的影響，鐵路站房會產(chǎn)生損傷，使得結(jié)構(gòu)的抗力衰減，在極端情況下（如地震、臺風(fēng)、暴雪等）甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，造成嚴(yán)重的社會影響[3-4]。健康監(jiān)測技術(shù)是保證結(jié)構(gòu)安全的有效手段[5]，將健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于站房結(jié)構(gòu)，能了解結(jié)構(gòu)的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，以便對結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修和加固，避免結(jié)構(gòu)突然失效，從而保障站房的結(jié)構(gòu)安全。

健康監(jiān)測是一門綜合性的技術(shù)，涉及到多個學(xué)科[6]，最早開始應(yīng)用于航空、航天、精密機(jī)床等領(lǐng)域[7]，隨著科技的發(fā)展，20 世紀(jì)80 年代，健康監(jiān)測技術(shù)開始應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[8]。健康監(jiān)測最早應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，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(yáng)長江大橋[15]等安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。20 世紀(jì)90 年代，健康監(jiān)測開始應(yīng)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(jié)構(gòu)建筑等[17]，中國也對國家體育場[18]、國家游泳中心[19]和濟(jì)南奧體中心[20]等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了健康監(jiān)測。21 世紀(jì)初，健康監(jiān)測開始應(yīng)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(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測相比，鐵路站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測還處于探索階段。站房的健康監(jiān)測具有監(jiān)測項(xiàng)目多、監(jiān)測測點(diǎn)分布廣、監(jiān)測數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。結(jié)合大型鐵路站房的工程案例，首先，總結(jié)大型鐵路站房的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后，介紹站房健康監(jiān)測的系統(tǒng)組成，最后，對大型鐵路站房的監(jiān)測對象和監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行分析，針對鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展中存在的問題，提出相關(guān)的建議。

1 站房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 站房結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)建筑功能的需要，大型站房結(jié)構(gòu)由主體結(jié)構(gòu)和無柱雨棚組成，如圖1（a）所示。主體結(jié)構(gòu)按標(biāo)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要部分。為適應(yīng)承軌層跨越出站層和地鐵層，同時(shí)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(jié)構(gòu)體系，橋梁結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)合，是一種“列車橋梁站房”一體化站房結(jié)構(gòu)形式，可以縮短進(jìn)出站流線、節(jié)約建筑用地，具有柱網(wǎng)布置靈活、結(jié)構(gòu)整體性較好等特點(diǎn)[25-26]。

按兩種結(jié)構(gòu)主次類型不同，“橋建合一”結(jié)構(gòu)體系可分為兩類。第一類結(jié)構(gòu)形式以橋梁結(jié)構(gòu)為主，先形成橋梁結(jié)構(gòu)，再在橋梁結(jié)構(gòu)上布置站廳、站臺、雨棚等建筑結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示。第二類結(jié)構(gòu)形式是以建筑結(jié)構(gòu)為主，以建筑構(gòu)件取代橋梁構(gòu)件，直接承受上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上，以承受列車荷載[27-28]，如圖2（b）所示。

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(jié)構(gòu)中受力最為復(fù)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(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（梁、墩柱、基礎(chǔ)）作為支撐點(diǎn)，上部建筑結(jié)構(gòu)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(xiàn)澆混凝土形成框架結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(dú)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?qū)崿F(xiàn)更大的跨度，降低列車荷載對結(jié)構(gòu)振動的影響，但橋梁尺寸大，橫軌向和順軌向剛度相差大?？蚣苁匠熊墝佑捎诓捎谜w現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，避免了雙向剛度相差懸殊的問題，橋梁構(gòu)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(jià)略高于梁橋式承軌層[31-32]?？蚣苤嗖捎娩摴腔炷林摴芑炷林蛐弯摶炷林?，框架梁多采用鋼骨混凝土梁、預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)形式，見表1。

1.3 屋面層

屋面層是站房結(jié)構(gòu)的主要部分，為了便于采光、通風(fēng)，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(wǎng)、大跨度空間結(jié)構(gòu)，例如，桁架結(jié)構(gòu)（圖4（a））、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（圖4（b））、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、索殼和索拱結(jié)構(gòu)等[33]。這些結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)件受力以軸力為主，材料利用率高，邊緣構(gòu)件與支撐構(gòu)件的適應(yīng)性較強(qiáng)，同時(shí)具有施工速度快等特點(diǎn)。屋面層支撐構(gòu)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(jié)構(gòu)通過空間結(jié)構(gòu)與建筑造型的完美結(jié)合，塑造出具有當(dāng)?shù)匚幕厣蔫F路站房。

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(biāo)志之一。站臺雨棚與站臺位置相對應(yīng)，是為進(jìn)出站的旅客提供遮風(fēng)避雨的地方[34]。傳統(tǒng)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(xiàn)澆混凝土梁板和彩色壓型鋼板為主[35]。而現(xiàn)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(shè)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(jìn)和觀察視線的障礙物，創(chuàng)造更舒適的乘車環(huán)境[36]。無柱雨棚多采用大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（如圖5（a）所示）、索拱結(jié)構(gòu)（如圖5（b）所示）等結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了輕巧、通透的建筑效果。

2 站房的健康監(jiān)測

2.1 系統(tǒng)組成

站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是指在工程結(jié)構(gòu)施工或運(yùn)營階段，利用現(xiàn)場無損的檢測技術(shù)，測定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性能指標(biāo)，獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息并處理數(shù)據(jù)，通過分析結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性，評估結(jié)構(gòu)因損傷或退化而導(dǎo)致的主要性能指標(biāo)的改變，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的變化，判斷結(jié)構(gòu)是否安全[37-38]。站房健康監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警子系統(tǒng)[39-40]，如圖6 所示。

其中，傳感器子系統(tǒng)為系統(tǒng)硬件部分，是健康監(jiān)測系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的子系統(tǒng)[41]。它通過埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者粘貼在結(jié)構(gòu)表面的多種傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測站房結(jié)構(gòu)的作用、效應(yīng)及損傷信息，并將待測的物理量以電信號形式輸出[42]。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)應(yīng)對接口的匹配性和軟件的功能性進(jìn)行設(shè)計(jì)，明確合理的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方案，軟件能實(shí)現(xiàn)自動采集與傳輸數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行人工干預(yù)采集與采集參數(shù)調(diào)整[43-44]。數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)應(yīng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式和接口，可對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和預(yù)處理，自動生成報(bào)表和報(bào)告，并可通過操作系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫，對任意時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和管理[45-46]。數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警子系統(tǒng)通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)分析和特殊分析，可為站房結(jié)構(gòu)的安全預(yù)警和評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，保證結(jié)構(gòu)的安全[47-48]。該子系統(tǒng)是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，目前，數(shù)據(jù)分析已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的方法，如靜力參數(shù)法、動力參數(shù)法、模型修正法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法和小波分析方法等，但這些方法只能實(shí)現(xiàn)簡單框架結(jié)構(gòu)的損傷定位和損傷定量，而對大型鐵路站房復(fù)雜結(jié)構(gòu)的損傷識別還有一定困難。大型鐵路站房健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，應(yīng)堅(jiān)持長遠(yuǎn)規(guī)劃的原則，盡量實(shí)現(xiàn)施工監(jiān)測和運(yùn)營監(jiān)測一體化設(shè)計(jì)，使得監(jiān)測工作具有連續(xù)性和長期性，其建設(shè)宜與站房施工同步進(jìn)行。從時(shí)間順序而言，站房健康監(jiān)測分為施工階段和運(yùn)營階段;從空間關(guān)系來看，站房健康監(jiān)測的重點(diǎn)在承軌層、屋面層和無柱雨棚;從監(jiān)測內(nèi)容來看，站房結(jié)構(gòu)需要監(jiān)測其在施工和長期運(yùn)營中，所受到各種作用的不確定性及其效應(yīng)和積累損傷[49]，如圖7所示。其中，效應(yīng)部分的內(nèi)力和變形是站房結(jié)構(gòu)的監(jiān)測重點(diǎn)，加速度和頻率的監(jiān)測主要集中在承軌層和屋面層。損傷部分的裂縫監(jiān)測主要集中在承軌層，疲勞監(jiān)測主要集中在屋面層，銹蝕監(jiān)測主要集中在無柱雨棚。

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(xué)模型可能與設(shè)計(jì)有一定差別。同時(shí)，由于外界環(huán)境等不確定因素的影響，導(dǎo)致施工階段存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[50-51]。因此，為了反映站房結(jié)構(gòu)在施工階段的實(shí)際受力狀態(tài)，需要對車站進(jìn)行健康監(jiān)測，以掌握關(guān)鍵部位的受力指標(biāo)的變化規(guī)律，準(zhǔn)確評價(jià)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，控制施工可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)，以保證施工過程中結(jié)構(gòu)的安全。

屋面層作為大跨度空間結(jié)構(gòu)，其施工是一個動態(tài)的過程，涉及到結(jié)構(gòu)的吊裝、滑移、提升、拆除臨時(shí)支撐和卸載等關(guān)鍵工序，是站房結(jié)構(gòu)在施工階段的監(jiān)測重點(diǎn)[52]。應(yīng)變是結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)最直接的變量[19]，判斷結(jié)構(gòu)受力是否處于安全范圍之內(nèi)是施工監(jiān)測的核心內(nèi)容。通過在屋面層結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件和部位設(shè)置應(yīng)變傳感器，及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。比如，主桁架是屋面層分塊整體提升的著力點(diǎn)，會承受提升過程中的動力荷載，故應(yīng)對主要受力桿件進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測;鋼柱是屋面的關(guān)鍵支撐構(gòu)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(jié)構(gòu)，故應(yīng)對柱腳進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測[22]。

同時(shí)，為了防止施工過程中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大變形，需要對結(jié)構(gòu)薄弱部位的變形量進(jìn)行監(jiān)測，如桁架跨中和臨時(shí)支撐等。此外，屋蓋結(jié)構(gòu)在施工過程中會受到施工機(jī)械振動、屋蓋提升等動荷載作用，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)往往要大于正常使用的情況[53]，故應(yīng)對結(jié)構(gòu)在施工階段的加速度進(jìn)行監(jiān)測。因此，屋面層在施工階段的監(jiān)測內(nèi)容一般有應(yīng)變、變形和振動等，監(jiān)測對象為桿件、鋼柱和節(jié)點(diǎn)等。例如，濱海站在屋面層的主體結(jié)構(gòu)設(shè)置了兩種不同類型的傳感器，總計(jì)68個。其中，光纖光柵應(yīng)變傳感器12個，用以監(jiān)測主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件的應(yīng)力;加速度傳感器56個，用以監(jiān)測桿件的振動狀態(tài)[54]，如圖8所示。監(jiān)測結(jié)果表明，濱海站在施工過程中屋蓋整體的動力性能穩(wěn)定，但存在部分桿件應(yīng)力較大，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，以確保結(jié)構(gòu)安全。

無柱雨棚也是大跨空間結(jié)構(gòu)，但它的下部結(jié)構(gòu)只有支撐柱，施工階段監(jiān)測主要關(guān)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(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明桁架變形值均在理論計(jì)算范圍內(nèi)[55]。而承軌層結(jié)構(gòu)在施工過程中多為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，在施工過程中結(jié)構(gòu)相對較為安全。因此，現(xiàn)有關(guān)于承軌層在施工階段的健康監(jiān)測研究少，而主要集中在后期運(yùn)營階段。

表2列出了施工階段鐵路站房的健康監(jiān)測工程應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)情況。由表2 可知，目前，施工階段站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對象主要是屋面層，其次是無柱雨棚，主要監(jiān)測參數(shù)是結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和加速度。

2.3 運(yùn)營階段

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068—2018）[56]，大型鐵路站房的設(shè)計(jì)使用年限為100 a，其在長期運(yùn)營過程中，由于受到人群荷載、列車荷載和風(fēng)荷載等多種荷載長期作用，以及環(huán)境侵蝕、材料老化和疲勞效應(yīng)等不利因素的影響，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，可能使得站房結(jié)構(gòu)存在安全隱患。因此，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，需要對站房結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測，以保證鐵路客站的運(yùn)營安全。

為掌握運(yùn)營期間的屋面層受力狀況，對結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行評定，宜在受力關(guān)鍵部位設(shè)置應(yīng)變傳感器，如支座、跨中截面以及結(jié)構(gòu)分析的易損部位和受力較大部位。同時(shí)，屋面層因受不確定性環(huán)境作用的影響，存在較多偶然振動，為了掌握結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，應(yīng)采用加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測，并分析其振型、頻率等結(jié)果。另外，在大跨空間結(jié)構(gòu)中，桁架跨中易產(chǎn)生變形，累積變形過大也會成為安全隱患，需監(jiān)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(huán)境接觸，受溫度應(yīng)力、內(nèi)外溫差及施工因素的影響，通常會設(shè)置變形縫。為了掌握溫度對結(jié)構(gòu)受力及整體變形的影響，需對屋面層進(jìn)行溫度

監(jiān)測和變形縫的寬度監(jiān)測。因此，屋面層在運(yùn)營階段監(jiān)測的內(nèi)容一般有變形，內(nèi)力，振動和溫度，監(jiān)測對象多為桿件。例如，昆明南站在屋面層設(shè)置了3 種不同類型的傳感器，共94個。其中，表面振弦式應(yīng)變計(jì)63個，用以監(jiān)測桿件應(yīng)力及鋼柱內(nèi)力;靜力水準(zhǔn)儀13個，用以監(jiān)測屋蓋撓度;加速度拾振器18個，用以監(jiān)測桁架振動，如圖9所示。

無柱雨棚在運(yùn)營期間中，由于受列車運(yùn)行振動、強(qiáng)氣流以及室外風(fēng)雨雪等自然環(huán)境的影響，其結(jié)構(gòu)的支撐柱、梁等容易出現(xiàn)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(tài)進(jìn)行監(jiān)測，了解其安全儲備的大小。因此，無柱雨棚在運(yùn)營階段的監(jiān)測內(nèi)容一般有應(yīng)變和變形，監(jiān)測對象一般為支撐柱和梁。例如，昆明南站在無柱雨棚設(shè)置了12個表面振弦式應(yīng)變計(jì)。其中，8個用以監(jiān)測支撐柱應(yīng)力，4個用以監(jiān)測支撐梁應(yīng)力，如圖10所示。

承軌層在運(yùn)營期間，除了考慮結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中受力最為復(fù)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(nèi)力及工作狀態(tài)，需監(jiān)測其應(yīng)力狀況和裂縫開展情況。其中，鋼筋應(yīng)力計(jì)需在混凝土澆筑前安裝好，裂縫計(jì)需在拆模后安裝。同時(shí)，人群荷載和列車荷載會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動，加速度過大會直接影響到結(jié)構(gòu)舒適度，為掌握結(jié)構(gòu)的振級是否處于允許范圍，需對結(jié)構(gòu)的加速度進(jìn)行監(jiān)測。此外，變形縫兩側(cè)柱豎向變形不能過大，否則會影響列車的正常運(yùn)行，所以，需要監(jiān)測變形縫兩側(cè)柱的豎向位移。因此，承軌層在運(yùn)營階段的監(jiān)測內(nèi)容一般有應(yīng)力應(yīng)變、裂縫、變形和振動等，監(jiān)測對象為承軌梁、柱等。例如，昆明南站在承軌層設(shè)置了4種不同類型的傳感器，總計(jì)105個。其中，表面振弦式應(yīng)變計(jì)30個，用以監(jiān)測梁鋼筋應(yīng)力;振弦式裂縫計(jì)30個，用以監(jiān)測梁裂縫，應(yīng)變計(jì)與裂縫計(jì)布置位置相近，如圖11所示。靜力水準(zhǔn)儀24個，用以監(jiān)測變形縫兩側(cè)柱變形;加速度拾振器21個，用以監(jiān)測軌道梁振動狀況。監(jiān)測結(jié)果表明，昆明南站尚處于運(yùn)營初期，屋面層、無柱雨棚和無柱雨棚的各項(xiàng)指標(biāo)趨于向平穩(wěn)，都處于安全的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體安全。

表3列出了運(yùn)營階段鐵路站房健康監(jiān)測應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)情況。由表3 可知，目前，運(yùn)營階段站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的對象主要是屋面層和無柱雨棚，其次是承軌層，主要監(jiān)測參數(shù)是結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、變形和加速度。

3 有待解決的問題及建議

目前，健康監(jiān)測在鐵路站房結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用還不夠成熟，針對鐵路站房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已有應(yīng)用情況，提出有待解決和研究的問題及相關(guān)建議。

1）如何利用盡可能少的傳感器獲得盡可能多的結(jié)構(gòu)健康信息，是鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。鐵路站房的結(jié)構(gòu)體系龐大，需要在屋面層、承軌層和無柱雨棚的關(guān)鍵部分布置傳感器。傳感器數(shù)量過多，不僅會提高系統(tǒng)的成本，也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量激增，而過少或布置不合理將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不全或關(guān)鍵數(shù)據(jù)缺失。建議可參考航空、航天等領(lǐng)域成熟的傳感器優(yōu)化布置研究成果[59]，結(jié)合站房結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，開發(fā)出適用于站房結(jié)構(gòu)的傳感器優(yōu)化布置技術(shù)。

2）大型鐵路站房結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，如何對結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確地非線性損傷識別還待解決。現(xiàn)有損傷識別方法多基于結(jié)構(gòu)為線性系統(tǒng)的假設(shè)，而有關(guān)非線性系統(tǒng)的損傷識別方法，還存在許多問題沒有解決[60]。在對站房結(jié)構(gòu)進(jìn)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(zhǔn)確度會降低。其中，遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對模型的精度要求不高，而小波分析則在細(xì)節(jié)刻畫方面更好。因此，建議綜合這幾種方法加強(qiáng)對非線性損傷識別方法的研究，以提高鐵路站房結(jié)構(gòu)損傷識別的準(zhǔn)確度。

3）鐵路站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測在數(shù)據(jù)處理研究還存在不足。數(shù)據(jù)處理是監(jiān)測工作的基礎(chǔ)，現(xiàn)階段站房健康監(jiān)測關(guān)注硬件系統(tǒng)的建設(shè)，而對后期數(shù)據(jù)的重視程度不夠。健康監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，會積累海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，而在實(shí)際中采集到的初始數(shù)據(jù)可能存在缺陷，不能準(zhǔn)確反映出真實(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。因此，建議對原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除、消冗及清洗等處理工作，得到有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步利用這些海量數(shù)據(jù)，發(fā)展數(shù)據(jù)的分析與挖掘技術(shù)，以揭示在站房結(jié)構(gòu)在列車荷載、人群荷載和環(huán)境因素等耦合作用下的力學(xué)行為和演化規(guī)律。

4）鐵路站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測工作缺乏長期有效的管理機(jī)制。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一項(xiàng)需要長期堅(jiān)持的工作。而在實(shí)際應(yīng)用中，健康監(jiān)測系統(tǒng)存在重建設(shè)、輕管理的情況，在監(jiān)測信息共享和運(yùn)營維護(hù)上往往存在困難。因此，建議加強(qiáng)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位和管理使用單位的長期聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)資料和監(jiān)測信息的共享，制定完善的管理使用手冊，使得對站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的管理定期化和制度化。

5）鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測還處于探索階段，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為有效地推進(jìn)鐵路站房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測工作，明確鐵路站房健康監(jiān)測的實(shí)施主體、具體內(nèi)容、技術(shù)細(xì)則和評估標(biāo)準(zhǔn)等，避免監(jiān)測的盲目性，建議在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，吸納已有大型鐵路站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，編制統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，《鐵路客站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》正在編制中。

4 結(jié) 語

闡述了大型鐵路站房的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了站房健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成，分施工和運(yùn)營2個階段，從屋面層、無柱雨棚和承軌層等3個結(jié)構(gòu)層次，結(jié)合具體工程案例，總結(jié)了各結(jié)構(gòu)層次的監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測對象，并針對鐵路站房健康監(jiān)測應(yīng)用中存在的問題，給出了相應(yīng)的建議。

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（編輯 鄧云）