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摘 要：随着我国高速铁路建设的突飞猛进,北京铁路局管内大跨度钢结构车站22座,站房建筑面积达到55.06万平方米,如何保证高铁钢结构站房在预期年限内的安全服役,成为了多方关注的一个课题.以京津城际延伸线于家堡站为例,浅谈一下网壳式钢结构建筑的安全防护措施.
关 键 词：浅谈；网壳式；钢结构；安全；防护
随着我国高速铁路建设的突飞猛进,截止2014年12月,北京铁路局管内大跨度钢结构车站22座,站房建筑面积达到55.06万平方米,高铁钢结构车站宽敞明亮的造型,深受候车旅客的关注和喜爱.鉴于近几年国内外大型钢结构建筑事故频发,如何保证高铁钢结构站房在预期年限内的安全服役,成为了多方关注的一个课题.本文以京津城际延伸线于家堡站为例,浅谈一下网壳式钢结构建筑的安全防护措施.
1于家堡站建筑结构特点
于家堡站地处滨海新区,站房整体结构形式为大跨度网壳钢结构（跨度143米）,结构由72根钢箱梁采取顺、逆时针来编织组成,其顶部和底部各交织出36个钢节点,并与底部钢环梁牢牢相连,网壳钢结构是通过双向铰支座与地下结构和牛腿相连.远望站房屋盖,整体呈现螺旋线形.网壳结构每个节点间其单元方向均是不同,每个节点处连接的杆件方向都是不断改变的,995个不同的杆件加上500个不同的节点,其加工、制作难度在国内高铁建设中是非常大的,无论是现场安装、后期维修、安全防护,都是对高铁建设和管理的一项前所未有的挑战.
2网壳式钢结构安全防护的必要性
2.1不规则网壳式钢结构
于家堡站房屋顶网壳钢结构,是中国高铁站房建设中的一个创新,143m的超大跨度、单层正反螺旋形网壳结构,其造型新颖时尚,其结构受力状态复杂.虽然受多种偏差（如温度、节点刚性、异型网壳形式等）因素影响,网壳实际的内力和变形与设计数据会产生很大不同,但是通过监测系统,可以取得真实信息从而对实际工程进行修正,确定偏差的影响程度,验证结构安全可靠度.
2.2施工工艺采用大量焊接
于家堡站的网壳钢结构共有节点1134个,杆件2178个,大批量的散拼杆件是在现场高空焊接,施工难度增大的同时可能会加大出现质量瑕疵的概率,产生结构的初始缺陷,危及结构的安全.通过监测在初始缺陷下结构的受力情况,使用结构健康监测系统来判断缺陷的影响程度,从而实时不间断的诊断结构安全与否,确保旅客候车安全.
2.3不确定的外部载荷影响
由于存在地震、环境、温度、地下结构的上浮等不确定的荷载因素变化,可能会产生设计中未能预见的荷载作用,结构的受力情况会产生变化,健康监测系统可以防患于未然,确保结构的使用安全.
2.4钢材寿命影响
于家堡站房网壳钢结构设计的生命周期为100年,考虑到结构和防护使用的各种材料自身寿命有限,车站在长期开通运营过程中,对钢材和涂料可能会产生腐蚀、破坏等损害整体结构稳定的事情,因此在车站运营期间需要对网壳结构健康状态进行长期监测,实时掌握控制性杆件的受力状态,对控制性杆件的实际情况进行实时的定性、定位和定量分析,确保结构的受力状态处在健康范围,有序可控.
3高铁网壳式钢结构的安全防护措施
考虑高铁站房旅客流量的密集性、铁路专运任务的特殊性、建筑结构的特殊性,钢结构健康监测成为了网壳式钢结构的安全防护措施的最佳选择.于家堡网壳式钢结构健康监测的项目主要包括环境荷载、结构整体和局部响应特征,具体如下：
（1）风速监测：穹顶网壳结构天窗中部布置三维超声风速仪,通过风和环境温度进行监测,了解作用在结构上的风荷载和温度荷载.风荷载是控制大跨度空间结构设计的重要侧向荷载,正确了解风荷载的作用,关系到结构设计的合理性和经济型,其监测值可作为结构安全和舒适度评定的基础数据.
（2）温度监测：由于温度场的变化,使结构变形伸缩,车站网壳结构内力的分布在外界温度影响的情况下会产生重大的变化.当主要构件受到约束时,产生温度应力,对钢结构的强度、刚度产生不利影响,有时甚至裂缝,降低结构寿命.在网壳部分杆件上安装温度传感器,利用测量温度数据,结合插值算法,获得作用在整个网壳结构上的完整温度场数据,从而对结构杆件应变测量结果进行修正；结构温度场也是结构模型修正和安全评定的重要内容.
（3）结构位移监测：网壳结构的支座位移变化,将直接影响到结构的内力分布,监测支座位移状态与结构变形监测结合,可以更准确获得结构内力状态.同时,当结构支座位移超过给定的限值时,监测系统还可以给出及时的预警.于家堡站网壳结构滑动支座共有36个,根据网壳结构支座位移的情况,选取了12个单向滑动支座,用来作为支座位移监测.
（4）结构振动监测：结构振动的信息主要为加速度信号,利用加速度传感器,监测网壳节点加速度响应,监测网壳结构频率和模态等振动特征的变化.引起振动的有风和地震,通过振动监测将结构系统实测的结构模态特性与健康结构的模态特性进行比较,判断结构的振动模态是否发生变化以及变化的幅度.进一步对有限元模型进行修正,从而进一步对结构做深入分析,并做出安全评定和预警.通过对网壳结构模态特性的分析,安装完成5个单项和5个双向加速度传感器.
（5）应力与节点焊缝状态监测.于家堡站的网壳结构顶部和底部环梁之间由36道顺时针和36道逆时针钢箱梁相互编织构成的网壳组成.由于独特的结构形式,各部分构件受力状态差异很大且十分复杂.因此,监测网壳结构关键杆件以及内力和应力水平较高的易损杆件是监测系统的最重要部分.根据网壳结构关键杆件和受力特点的分析,确定网壳各部分监测杆件的位置,以及所需监测的内容.
4结语
总而言之,钢结构健康监测作为一种新的结构无损检测技术,其实时监测的项目比较全面,能体现出整体结构受外部和内部多种因素的影响状态,并可以结合监测获得的实时数据进行分析,从而了解结构局部和整体的健康情况.高铁车站应用这项技术代替人工定期检测工作,节约了大量人力、物力,降低了职工登高作业的安全风险,实现了监测数据的连续性、客观性,确保了结构受力状态有序可控,结构始终处于健康状态,为候车旅客提供一个安全舒适的候车环境.