徐州东站健康监测系统建立及应用研究

范 伟

(中铁十二局集团有限公司 山西太原 030024)

1 引言

徐州东站位于江苏省徐州市鼓楼区鲲鹏路中段，是徐兰高速铁路、徐连高速铁路、徐盐高速铁路的始发站，京沪高铁七大中心高铁枢纽站之一，又是国家铁路网中重要的综合性枢纽站。

健康监测作为建筑结构健康建造及安全运行的前提[1]，不仅可以实现对建筑结构的实时监测，及时识别结构的损伤并评估其使用性能和寿命，同时也可以在对结构无损伤的条件下迅速判断建筑结构易发生破坏区域，进而针对薄弱部位的加固提供专业技术方案，采取相应维修措施[2-3]。这不仅对于提高结构的耐久性和可靠性具有重大科学意义，而且可以降低结构运行和维护管理费用，此外对于保障人民群众的生命财产安全、加快维修效率也有重大意义[4-7]。

当前，结构健康监测技术研究逐渐受到越来越多的重视，已成为国内外专家学者研究的重点课题[8-10]。张方[11]基于混凝土结构无损检测技术，并结合隧道本身特点，提出在隧道结构中运用健康监测系统的方法。魏奇峰[12]基于模态分析提出了建筑结构健康监测方法，并通过试验进行了可行性验证。陈虹宇[13]等研发了运营地铁隧道结构健康监测系统软件，为地铁结构健康监测系统运行智能分析和决策提供了理论支持。尽管当前我国对结构健康监测技术的研究已取得一定进展，但尚未形成一套完整的健康监测技术理论，且较少与工程实际结合。为了充分发挥其对建筑结构的健康监测作用，需对健康监测技术在实际工程中的应用进行深入研究。

基于此，建立了一套集三维可视化动态监测与预警服务软件系统为一体的健康监测软件系统，同时基于监测数据对徐州东站建筑结构安全性进行分析，结合实际工程探究健康监测系统的应用性与有效性，为大型结构健康监测技术提供理论基础，使其能够更加广泛应用于实际工程中。

2 工程概况

徐州东站主要包括高架站房钢结构、侧式站房钢结构和站前雨棚钢结构。其中高架站房平面尺寸为(131.3×116.5)m，结构最高标高为＋30.819 m；侧式站房平面尺寸为(192.4×104.9)m，结构最高标高为＋30.819 m；2个雨棚位于站房两侧，单个雨棚平面尺寸为(168.0×133.1)m，结构最高标高为＋20.000 m。

3 健康监测系统的建立

3.1 监测系统

针对徐州东站结构特点，以站房屋盖结构监测为主，同时考虑外部环境作用可能对结构的影响，从外部作用和结构响应两方面进行监测。结构响应监测包括结构整体响应监测和易发生损伤的局部监测。整体监测包括结构变形、加速度等；局部监测包括应变、温度等。

3.2 健康监测软件系统

为徐州东站结构健康监测项目提供一套基于BIM技术和云平台的三维可视化动态监测与预警服务软件，该软件采用模块化设计，每个系统模块完成一个特定的子功能，可完成对建筑结构的结构信息资料查询、监测设备管理、监测数据显示及管理、安全预警及安全评估、模型三维动态显示。

3.2.1 数据采集系统

数据采集系统采用客户端访问的结构设计，数据库配置于采集服务器中，应用程序通过网络方式与测量单元进行通讯，将测得数据发送至数据库中。

3.2.2 数据存储与管理系统

监测客户端主机收到采集系统传来的监测数据后，经远程数据传递进一步将数据发送至监测中心服务端主机，通过监测软件进行监测数据管理、安全预警、安全评估等。

3.2.3 安全预警系统

监控系统功能包括:(1)图表显示；(2)三维动态显示；(3)报警功能；(4)监控系统健康监控；(5)日志系统；(6)用户权限管理；(7)配置管理；(8)数据云服务。按照网络拓扑关系划分，结构健康监测系统“云”计算如图1所示。

3.2.4 安全评估系统

徐州东站站房结构安全评定内容根据其结构特点确定，结构当前所处的安全等级应根据安全系数大小确定，具体有三个安全级别:安全、比较安全、不安全。针对本工程实际情况，提出可行结构健康状况评价策略。结构健康状况评估由四个模块组成，分别为:评级系统、适用性评估、耐久性评估和安全性评估，四个模块之间需要相辅相成。

(1)构件需进行重要性、危险性和易损性分级，其目的是为结构构件检查维护提供指导。

(2)采用可靠度分析方法进行安全性评估(包括构件安全性评估、整体安全性评估)，极限荷载和临界强度通过极限状态确定，最终得到失效概率、可靠度及可靠度指标。

(3)适用性评估主要目的是为了确定本工程在施工和使用寿命内其位移、挠度等的改变是否满足结构设计要求。

(4)耐久性评估主要包括结构中钢构件和混凝土构件等的状态(如腐蚀率等)，评估结果用于构件日常管理维护和提供构件耐久性资料。

3.2.5 云平台可视化动态显示系统

基于现有监测理论和软件技术，针对徐州东站屋盖结构长期健康监测要求，研究团队研发了基于BIM技术和云平台的钢结构施工与运营期间的三维可视化动态显示系统，该技术能直观动态显示结构的运行状态，实时进行结构安全与健康监测，可为结构施工和运营提供技术保障。系统具体实施方式如下:

(1)创建结构三维模型。

(2)安装监测数据库并调试客户端与服务器端主机连接与通信。

(3)对接预警模块、安全评估模块。

(4)结构三维动态显示。

(5)可视化动态显示系统研发。

3.2.6 软件集成与整体框架

徐州东站站房结构健康监测系统将分为高架候车厅监测系统与站台监测系统，考虑健康监测系统涵盖服役期间，因此，系统采用云平台在线监测。

软件系统的核心部分为数据库管理系统，数据库管理系统从数据采集系统获得各项数据，并与安全预警系统、安全评估系统和三维可视化动态显示系统三大模块进行数据交换，提供给用户所需的各类信息。

4 监测系统数据分析

4.1 结构易损性分析

在静力和动力荷载作用下对徐州东站站房工程屋盖结构进行受力分析，为传感器优化布置提供理论依据。根据图纸建立模型并计算分析，模型结构如图2所示，荷载作用下建筑结构计算结果如图3所示。

由图3可知，结构易损点即结构健康监测系统需重点关注位置如下:

(1)结构最大竖向变形位置；高架候车厅出现在跨中，站台区出现在圆孔附近及边缘区。

(2)最大水平变形位置:高架候车厅出现在边缘跨中，站台区出现在悬挑部分。

(3)杆件应力:站台区及高架候车厅发生在屋面以及桁架梁下弦杆上。

4.2 传感器位置确定

4.2.1 结构变形监测

根据结构易损性分析计算结果，采用静力水准仪对结构Z向位形服役阶段数据进行采集，具体位置如图4所示。

服役阶段位形测试需事先全自动实时数据采集，通过结构易损性分析可知，高架候车厅的跨中及站台区圆孔附近及边缘区对于X、Y、Z三个方向的位形变化均比较敏感，因此，采用GPS对这8个位置测点位移进行测试，加上1个控制点，共计9个，具体位置如图5所示。

4.2.2 结构应力及温度监测

结构应力和温度监测的目的是获取网架主要杆件应力和温度状况，从而了解整个高架候车厅及站台结构在服役环境下结构是否处于安全状态。以上弦杆、腹杆和下弦杆为本次杆件测试位置。

根据结构易损性分析计算结果可知，屋盖结构最大拉应力均发生在跨中下弦杆和屋面右侧上弦杆处。图6为上弦杆应力传感器布设位置。

4.3 结构变形监测传感器数据及分析

4.3.1 GPS系统监控

徐州东站站房结构健康监测系统采用GPS系统监控结构的悬挑端X、Y、Z三个方向的位形变化，采集频次为10 s/次，2020年7月1日至10月14日期间的结构变形监测数据分析如图7所示。

由图7可知:

(1)徐州东站站房结构健康监测系统运行平稳，没有出现明显的超大波动与异常，说明GPS监测数据正常可信。

(2)站房水平方向位形变化很小，x向最大位形约0.031 6 m，y向最大位形约0.010 5 m；z向所测数据代表站房竖直方向的位形变化数据，其位形变化相对水平方向较大。

(3)GPS系统所有监测数据真实有效，数据均已存储于云平台内，随时可以查询和导出，用于结构安全分析。

4.3.2 静力水准仪监测数据及分析

根据结构易损性分析计算结果，采用静力水准仪补充结构Z向位形服役阶段的数据采集。本文选取2020年7月1日至9月29日静力水准仪采集的数据进行分析，如图8所示。

由图8可知:

(1)采用静力水准仪监控系统可实现结构Z向的位形变化数据全自动实时采集，且徐州东站站房结构健康监测系统运行平稳，未出现明显的超大波动与异常，从而说明静力水准仪监控系统监测数据可信度较高。

(2)5个静力水准仪所测数据代表站房竖直方向的位形变化数据，站房竖直方向位形变化很小，最大位形约0.05 m。

(3)所有监测数据真实有效，数据均已存储于云平台内，随时可以查询和导出，用于结构安全分析。

综上可知:结构位形保持稳定，没有出现明显的超大波动与异常，说明结构稳定。

5 结论

(1)健康监测系统监测内容紧密围绕徐州东站站房的结构特性进行规划，主要包括:服役阶段关键点位形监测、服役阶段关键杆件应力监测、服役阶段风环境监测以及服役阶段结构整体模态分析。以有线监测为主、无线监测为辅建立结构健康监测系统，得到各时间维度下的结构实时数据，可以用于保障施工有序进行和结构安全性能。

(2)徐州东站站房结构健康监测系统采用自动化数据采集系统和人工断点采集系统相结合的方式，服役阶段采用BIM技术和云平台技术相结合的全自动监测系统，通过与数值模拟结果对比分析获取结构运营全过程安全状况，为结构相应处置方法提供意见与建议。