徐州東站健康監測系統建立及應用研究

范 偉

(中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024)

1 引言

徐州東站位于江蘇省徐州市鼓樓區鯤鵬路中段，是徐蘭高速鐵路、徐連高速鐵路、徐鹽高速鐵路的始發站，京滬高鐵七大中心高鐵樞紐站之一，又是國家鐵路網中重要的綜合性樞紐站。

健康監測作為建筑結構健康建造及安全運行的前提[1]，不僅可以實現對建筑結構的實時監測，及時識別結構的損傷并評估其使用性能和壽命，同時也可以在對結構無損傷的條件下迅速判斷建筑結構易發生破壞區域，進而針對薄弱部位的加固提供專業技術方案，采取相應維修措施[2-3]。這不僅對于提高結構的耐久性和可靠性具有重大科學意義，而且可以降低結構運行和維護管理費用，此外對于保障人民群眾的生命財產安全、加快維修效率也有重大意義[4-7]。

當前，結構健康監測技術研究逐漸受到越來越多的重視，已成為國內外專家學者研究的重點課題[8-10]。張方[11]基于混凝土結構無損檢測技術，并結合隧道本身特點，提出在隧道結構中運用健康監測系統的方法。魏奇峰[12]基于模態分析提出了建筑結構健康監測方法，并通過試驗進行了可行性驗證。陳虹宇[13]等研發了運營地鐵隧道結構健康監測系統軟件，為地鐵結構健康監測系統運行智能分析和決策提供了理論支持。盡管當前我國對結構健康監測技術的研究已取得一定進展，但尚未形成一套完整的健康監測技術理論，且較少與工程實際結合。為了充分發揮其對建筑結構的健康監測作用，需對健康監測技術在實際工程中的應用進行深入研究。

基于此，建立了一套集三維可視化動態監測與預警服務軟件系統為一體的健康監測軟件系統，同時基于監測數據對徐州東站建筑結構安全性進行分析，結合實際工程探究健康監測系統的應用性與有效性，為大型結構健康監測技術提供理論基礎，使其能夠更加廣泛應用于實際工程中。

2 工程概況

徐州東站主要包括高架站房鋼結構、側式站房鋼結構和站前雨棚鋼結構。其中高架站房平面尺寸為(131.3×116.5)m，結構最高標高為＋30.819 m；側式站房平面尺寸為(192.4×104.9)m，結構最高標高為＋30.819 m；2個雨棚位于站房兩側，單個雨棚平面尺寸為(168.0×133.1)m，結構最高標高為＋20.000 m。

3 健康監測系統的建立

3.1 監測系統

針對徐州東站結構特點，以站房屋蓋結構監測為主，同時考慮外部環境作用可能對結構的影響，從外部作用和結構響應兩方面進行監測。結構響應監測包括結構整體響應監測和易發生損傷的局部監測。整體監測包括結構變形、加速度等；局部監測包括應變、溫度等。

3.2 健康監測軟件系統

為徐州東站結構健康監測項目提供一套基于BIM技術和云平臺的三維可視化動態監測與預警服務軟件，該軟件采用模塊化設計，每個系統模塊完成一個特定的子功能，可完成對建筑結構的結構信息資料查詢、監測設備管理、監測數據顯示及管理、安全預警及安全評估、模型三維動態顯示。

3.2.1 數據采集系統

數據采集系統采用客戶端訪問的結構設計，數據庫配置于采集服務器中，應用程序通過網絡方式與測量單元進行通訊，將測得數據發送至數據庫中。

3.2.2 數據存儲與管理系統

監測客戶端主機收到采集系統傳來的監測數據后，經遠程數據傳遞進一步將數據發送至監測中心服務端主機，通過監測軟件進行監測數據管理、安全預警、安全評估等。

3.2.3 安全預警系統

監控系統功能包括:(1)圖表顯示；(2)三維動態顯示；(3)報警功能；(4)監控系統健康監控；(5)日志系統；(6)用戶權限管理；(7)配置管理；(8)數據云服務。按照網絡拓撲關系劃分，結構健康監測系統“云”計算如圖1所示。

3.2.4 安全評估系統

徐州東站站房結構安全評定內容根據其結構特點確定，結構當前所處的安全等級應根據安全系數大小確定，具體有三個安全級別:安全、比較安全、不安全。針對本工程實際情況，提出可行結構健康狀況評價策略。結構健康狀況評估由四個模塊組成，分別為:評級系統、適用性評估、耐久性評估和安全性評估，四個模塊之間需要相輔相成。

(1)構件需進行重要性、危險性和易損性分級，其目的是為結構構件檢查維護提供指導。

(2)采用可靠度分析方法進行安全性評估(包括構件安全性評估、整體安全性評估)，極限荷載和臨界強度通過極限狀態確定，最終得到失效概率、可靠度及可靠度指標。

(3)適用性評估主要目的是為了確定本工程在施工和使用壽命內其位移、撓度等的改變是否滿足結構設計要求。

(4)耐久性評估主要包括結構中鋼構件和混凝土構件等的狀態(如腐蝕率等)，評估結果用于構件日常管理維護和提供構件耐久性資料。

3.2.5 云平臺可視化動態顯示系統

基于現有監測理論和軟件技術，針對徐州東站屋蓋結構長期健康監測要求，研究團隊研發了基于BIM技術和云平臺的鋼結構施工與運營期間的三維可視化動態顯示系統，該技術能直觀動態顯示結構的運行狀態，實時進行結構安全與健康監測，可為結構施工和運營提供技術保障。系統具體實施方式如下:

(1)創建結構三維模型。

(2)安裝監測數據庫并調試客戶端與服務器端主機連接與通信。

(3)對接預警模塊、安全評估模塊。

(4)結構三維動態顯示。

(5)可視化動態顯示系統研發。

3.2.6 軟件集成與整體框架

徐州東站站房結構健康監測系統將分為高架候車廳監測系統與站臺監測系統，考慮健康監測系統涵蓋服役期間，因此，系統采用云平臺在線監測。

軟件系統的核心部分為數據庫管理系統，數據庫管理系統從數據采集系統獲得各項數據，并與安全預警系統、安全評估系統和三維可視化動態顯示系統三大模塊進行數據交換，提供給用戶所需的各類信息。

4 監測系統數據分析

4.1 結構易損性分析

在靜力和動力荷載作用下對徐州東站站房工程屋蓋結構進行受力分析，為傳感器優化布置提供理論依據。根據圖紙建立模型并計算分析，模型結構如圖2所示，荷載作用下建筑結構計算結果如圖3所示。

由圖3可知，結構易損點即結構健康監測系統需重點關注位置如下:

(1)結構最大豎向變形位置；高架候車廳出現在跨中，站臺區出現在圓孔附近及邊緣區。

(2)最大水平變形位置:高架候車廳出現在邊緣跨中，站臺區出現在懸挑部分。

(3)桿件應力:站臺區及高架候車廳發生在屋面以及桁架梁下弦桿上。

4.2 傳感器位置確定

4.2.1 結構變形監測

根據結構易損性分析計算結果，采用靜力水準儀對結構Z向位形服役階段數據進行采集，具體位置如圖4所示。

服役階段位形測試需事先全自動實時數據采集，通過結構易損性分析可知，高架候車廳的跨中及站臺區圓孔附近及邊緣區對于X、Y、Z三個方向的位形變化均比較敏感，因此，采用GPS對這8個位置測點位移進行測試，加上1個控制點，共計9個，具體位置如圖5所示。

4.2.2 結構應力及溫度監測

結構應力和溫度監測的目的是獲取網架主要桿件應力和溫度狀況，從而了解整個高架候車廳及站臺結構在服役環境下結構是否處于安全狀態。以上弦桿、腹桿和下弦桿為本次桿件測試位置。

根據結構易損性分析計算結果可知，屋蓋結構最大拉應力均發生在跨中下弦桿和屋面右側上弦桿處。圖6為上弦桿應力傳感器布設位置。

4.3 結構變形監測傳感器數據及分析

4.3.1 GPS系統監控

徐州東站站房結構健康監測系統采用GPS系統監控結構的懸挑端X、Y、Z三個方向的位形變化，采集頻次為10 s/次，2020年7月1日至10月14日期間的結構變形監測數據分析如圖7所示。

由圖7可知:

(1)徐州東站站房結構健康監測系統運行平穩，沒有出現明顯的超大波動與異常，說明GPS監測數據正?？尚?。

(2)站房水平方向位形變化很小，x向最大位形約0.031 6 m，y向最大位形約0.010 5 m；z向所測數據代表站房豎直方向的位形變化數據，其位形變化相對水平方向較大。

(3)GPS系統所有監測數據真實有效，數據均已存儲于云平臺內，隨時可以查詢和導出，用于結構安全分析。

4.3.2 靜力水準儀監測數據及分析

根據結構易損性分析計算結果，采用靜力水準儀補充結構Z向位形服役階段的數據采集。本文選取2020年7月1日至9月29日靜力水準儀采集的數據進行分析，如圖8所示。

由圖8可知:

(1)采用靜力水準儀監控系統可實現結構Z向的位形變化數據全自動實時采集，且徐州東站站房結構健康監測系統運行平穩，未出現明顯的超大波動與異常，從而說明靜力水準儀監控系統監測數據可信度較高。

(2)5個靜力水準儀所測數據代表站房豎直方向的位形變化數據，站房豎直方向位形變化很小，最大位形約0.05 m。

(3)所有監測數據真實有效，數據均已存儲于云平臺內，隨時可以查詢和導出，用于結構安全分析。

綜上可知:結構位形保持穩定，沒有出現明顯的超大波動與異常，說明結構穩定。

5 結論

(1)健康監測系統監測內容緊密圍繞徐州東站站房的結構特性進行規劃，主要包括:服役階段關鍵點位形監測、服役階段關鍵桿件應力監測、服役階段風環境監測以及服役階段結構整體模態分析。以有線監測為主、無線監測為輔建立結構健康監測系統，得到各時間維度下的結構實時數據，可以用于保障施工有序進行和結構安全性能。

(2)徐州東站站房結構健康監測系統采用自動化數據采集系統和人工斷點采集系統相結合的方式，服役階段采用BIM技術和云平臺技術相結合的全自動監測系統，通過與數值模擬結果對比分析獲取結構運營全過程安全狀況，為結構相應處置方法提供意見與建議。