1金磊 2李金杰 3王旭
1中国铁路沈阳局集团有限公司吉林房产段，吉林省吉林市，132001 2中国铁路沈阳局集团有限公司沈阳铁道工程建设集团有限公司，吉林省吉林市，132001 3中国铁路沈阳局集团有限公司长春工电段，吉林省长春市，130000
摘要 随着我国国民经济的快速发展，高速铁路得到了前所未有的飞跃。为顺应我国在2020年全面建设小康社会的目标，经国务院批准于2016年7月印发了《中长期铁路网规划》，简称《规划》，进一步使得我们国家的高速铁路网的建设进程脚步加快，以“四纵四横”高速铁路发展为总体的布局，一个又一个高速铁路客站的建设完成并投入使用，而在高速铁路客站站房内外的建设中钢结构是被广泛使用的，因为其具有自重轻、优异的工程承载力等优点，但是由于存在自然天气和时间等外在因素以及人为管理不佳、维护不当等内在因素，高速铁路客站的钢结构经过长时间的使用后不可避免地会变形和损坏，存在危及乘客和铁路运营安全的隐患。本文从健康监测技术出发，研究高速铁路客站钢结构现状，为刚结构安全评估和正常使用提供一些建议，为高速铁路建筑钢结构的发展提供力所能及的帮助。
关键词：国民经济 高速铁路 高速铁路客站 钢结构 健康监测技术
近年来，伴随着我国社会与经济的快速发展，人们的生活水平和质量的不断改善，我国为了实现国家整体综合实力的提升，进一步改善民生，第一条高速铁路京津城际于2008年开通运营，标志着我们国家大规模的、效率高、质量高的高速铁路及高速铁路客站的建设开始了。在高速铁路客站的建设过程中，钢结构由于其具有材质均匀、制造简便、自重轻、强度高、整体刚度好、能耗低、抵抗变形能力强等优点被广泛应用于客站的方方面面。然而，因为钢结构在使用过程中容易受到自然天气、时间等一些外在条件的影响以及人为管理不佳、维护不当等内在条件的作用，高速铁路客站的钢结构经过长时间的使用后不可避免地发生一些磨损、变形、缺陷等问题，其结构的受力状态和载荷能力就会发生明显的改变，那么刚结构的安全性能就会大幅度的降低从而难以被继续使用。钢结构在长时间的使用过程中出现问题，在国内外都有造成一些事故而且存在很多事件，具体原因很多，比如说人为因素的话其中之一就是钢结构的设计不合理、考虑不周全，钢结构的结构发生改变，在使用后就会导致载荷发生明显的改变。还有的原因就是维修维护的不当，外在原因中有受到酸雨的腐蚀等等，因此这些钢结构的事故种类和程度也不尽相同，有的事故程度甚至严重到发生了钢结构的倒塌和破坏，造成严重的人员伤亡和经济损失。如果在刚结构的检查检测过程中能够及时发现这些问题，并迅速做到正确的解决，那么后续因为问题而造成的人员伤亡就不会发生。因此，为了降低钢结构事故发生的概率，尽可能地降低事故导致的人们生命受到的损失、财产的损失以及在社会上引起的舆论和影响，钢结构的使用部门需要在钢结构当初设计的使用周期内进行按期、定期的维护、检查，并做到有效的安全性能的评估，及时做到发现问题、解决问题。同样，这些问题也广泛存在于高速铁路客站的钢结构中，钢结构如果不定期检测监测或者说是发生腐蚀、维护不当、人为管理不当等等问题，那么就会存在危害到客站内外的旅客和铁路运营安全的隐患，从而可能会造成不必要的损失，这是每个人不希望发生的。所以，对于高速铁路钢结构需要保持长期、定期的检测监测，钢结构安全质量、能否正常使用的评估需要有效的检测监测技术。因此，本文从健康监测技术出发，研究高速铁路客站钢结构现状，为刚结构安全评估和正常使用提供一些建议，为高速铁路建筑钢结构的发展提供力所能及的帮助。
1、 高速铁路客站钢结构现状
2008年以来，国家一直在开展高速铁路的建设，期间有京津城际铁路、武广高铁、郑西高速铁路、哈大高速铁路、京沪高铁、宁杭、杭甬、盘营高铁以及向莆铁路，郑徐高铁等等，直到2018年底中国高铁运营里程超过2.9万公里，占全球高铁运营里程的三分之二以上，超过其他国家总和，大量的新型高速铁路客站正式进入人民大众的视野。这些新型的高速铁路客站大多数是新建或者把原先的火车站改建之后而成，从而彻底改变了大部分火车站建筑的老、旧、丑的形象面貌，许多地方都采用了安全美观的钢结构，其中最具代表性的就是高速铁路客站的无柱雨棚，其是高速铁路客站主要的结构设施。这些钢结构体系呈现出体量大、跨度大、结构形式新颖的特点，然而，随着无柱雨棚建设规模和使用年限的不断增加，由于前期设计、施工、运营期间维护管理不到位等造成的安全隐患日益凸显，一旦外界影响达到一定程度，极易引发雨棚脱落（包含屋面板、吊顶板、沿口等）事故，直接影响旅客人身及高铁行车安全。目前，高速铁路客站的钢结构无柱雨棚发生事故已经多次，例如在2011年7月25日，京沪高速铁路属上海铁路局管辖的安徽定远站附近的接触网上方的雨棚的一块钢板被大风刮落，砸断接触网，导致二十多辆列车晚点，直至晚上二十时三十五分，线路故障才被排除，延误的多辆列车普遍晚点三个小时以上才恢复了运行。该事故无独有偶，在2011年8月18日，沿海客专乐清站，钢结构雨棚封檐板脱落，触碰到下方的接触网，导致接触网承力索被烧毁，使得多辆列车延误。后来在2012年3月23日又发生了一起被大风刮落的事故，就是在京沪高速铁路天津南站附近六百米处的无柱雨棚屋面彩钢板被大风吹落，大部分悬挂在接触网上，致使接触网下行跳闸，烧坏该站正线接触网承力索，中断高铁上线行车3小时16分。这些事故都暴露出高速铁路客站的大跨度的钢结构雨棚存在屋面板固定不牢，檐口、包边、吊顶板三者之间很容易脱开，这说明高速铁路客站在施工前后无柱雨棚的钢结构不合理，施工过程中质量达不到标准的问题。事实上，除此之外，钢结构无柱雨棚仍然存在油漆脱落的质量问题，因为经过长时间的风吹和阳光照射后，无柱雨棚的外层在大面积上剥落，而钢钢结构的表面和焊缝长时间暴露在外。在室外环境当遇到酸雨时很容易发生腐蚀。从长远来看，无柱雨棚钢结构的整体应力状态无法控制。其次，钢结构存在很多焊接危险。由于钢结构顶棚加工复杂，大量零散零件的高空焊接提高了出现质量问题的可能，从而导致一些高速铁路客站钢结构的初始缺陷。此外，由于地震、台风、龙卷风、周围的自然环境的变化等造成的不确定的载荷也会严重影响到无柱雨棚钢结构的应力，这会引起各个无柱雨棚的钢结构的接头变形，从而发生脱落。
例如在2012年八月份，第十一号台风“海葵”从浙江的沿海登陆，从而对江苏上海浙江等区域内的沿海、沪杭、京沪高、沪宁城际等铁路上的高速铁路客站的相关设备发起了挑战，不幸的是，京沪高速铁路上的无锡东站的钢结构无柱雨棚的吊顶被台风吹落，北广场落客平台处屋面板被台风吹起约两百平方米。所以应当避免此类事件的发生，但是这类事件又很难避免，因为高速铁路客运站的钢结构顶棚结构的检测和监测很困难，当然，各大高速铁路客站并没有设置专门高速铁路钢结构雨棚的检查通道，检查人员在监测过程主要基于目视检查，并且手动测量检查数据，检查数据的真实性和客观性比较差。
2、 钢结构健康监测技术的内涵
基于以上对于高速铁路客站钢结构现状的分析，需要对钢结构进行有效的检测监测。而钢结构健康监测技术，顾名思义，其是利用集成在结构中的先进传感元件，在线获取结构健康信息（包括应力，应变，温度，振动状态等），结合先进的信号处理方法和结构建模方法，对结构的损伤特征参数，结合系统的特性分析，用于评估结构损伤的严重程度和定位损伤。健康监测技术作为一种新的钢结构无损检测技术，最早用于大坝桥梁等土木工程基础设施，近10 年来已逐渐应用于大型复杂建筑，其实很早就被应用于一些大型体育场馆钢结构的检测监测，国外部分超高层建筑、国内广州新塔和上海中心两座超高层建筑均设置了较完备的健康监测系统，国内其他超高层建筑、很多奥运场馆和世博场馆等大跨度结构均进行了部分或专项的结构性态监测。其基本方法是利用到了传感器技术、信号处理技术等技术手段从实际测得的结构动力响应信号中提取结构的参数或与结构参数有关的具体的指标，并由此推断结构的损伤，判定钢结构是否可以再继续正常使用。钢结构健康监测技术包含以下几个过程，首先是传感器，包括传感器组件的选择和传感器网络在结构中的最佳布局，早期，传感器技术发展水平较低，只能依靠结构的加速度时程等识别结构的模态等宏观参数，借以定性判断结构是否存在局部损伤或缺陷，随着传感器技术的迅猛发展，可以进行结构应变、 应力等局部参数的直接监测；其次就是数据采集和分析，一般采取功能比较齐全的采集仪器和计算机来进行采集分析数据；然后采用实现判定功能的各种软件和硬件，包括结构损坏位置，度数类型识别和判断来进行数据处理，而传感器监测的实时信号通过信号采集装置发送到监控中心加以控制；通过数据处理控制后，根据总体数据进行处理和判断来评估结构的健康状况。如果发生异常，监控中心发出预警信号，故障诊断模块分析并查找异常原因，使系统安全可靠地运行。最后，需要定期检查和维护健康监测系统，以确保系统稳定运行。
3、 基于健康监测技术对高铁客站钢结构的监测
虽然高速铁路客站的钢结构具有一定的安全性能，同时严格控制施工阶段的防腐防火工作，但在长期使用过程中，由于自然天气和时间等外部因素，以及不良的管理和维护不适当的内部因素，导致许多难以使用的安全问题。通过钢结构健康监测技术，采用多种自动监测方法监测结构敏感部位的应力检测和结构的整体变形，并监测结构的主要节点的应力和工作状态。结构随时通过安装在钢材表面的无线网络传感器，并将局部区域关键监测的自动变形监测与周期性参考网络和变形监测相结合，自动分析结构应力的结构安全性能，例如拱应力、拱形变形、金属疲劳强度、焊缝裂纹等，并实时向维护管理人员传递信息，这可以保证钢结构整体安全。
4、 结束语
随着人们生活水平的不断提高，国家对高速铁路的日益重视，高速铁路的建设也在如火如荼的展开，以钢结构为主要建设结构的高速铁路客站的数量也在逐年快速增长，由于施工前后以及天气环境的影响，钢结构很容易出现问题引发事故。同时，这些高速铁路客站的背后有着我们国家大量资金的投入，设计、建设前后的每一个过程出现的差错都有可能会造成很大的损失，所以长期有效的维护的检查显得尤为重要。因此，为了避免钢结构出现问题而引发安全事故，需要对高速铁路客站的钢结构进行实时、在线、长期监测，这才能够有效地保证钢结构在使用的过程中不出现安全隐患，即使出现安全问题也能及时处理，而钢结构健康监测技术的优势就在于能够准确地在钢结构安全隐患发生的之前，将其发现并能够定位及确定隐患的程度，进而提供结构的安全性评价，预测损伤结构的剩余寿命，从而避免造成不必要的损失。结构健康监测的应用历史虽然较短，但相关硬 件产品和技术发展迅速。所以，可以在各大高速铁路客站推广使用钢结构健康监测技术，对本车站的钢结构进行实时监测、定期维护，做到及时发现问题、解决问题，为刚结构安全评估和正常使用提供保证，从而避免造成财产损失和人身安全，为我国高速铁路客站钢结构的发展提供力所能及的帮助。但是对于高速铁路客站的钢结构的一些缺陷，除去健康监测技术这一手段外，还缺乏一些有效的措施，这还需要进一步的研究。
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作者简介
金磊，1980年4月，中国铁路沈阳局集团有限公司吉林房产段工程师，
李金杰，1986年5月，中国铁路沈阳局集团有限公司沈阳铁道工程建设集团有限公司工程师，
王旭，1985年5月，中国铁路沈阳局集团有限公司长春工电段工程师，