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京津城际延伸线于家堡地面站房网壳钢结构


一   项目背景

      京津城际延伸线于家堡站站房工程地面城际站房为“贝壳”形的穹顶建筑,立面为双曲面的空间造型,穹顶各方向尺度比例经过充分的结构力学分析,并考虑外观美学效果。南端穹顶角度较陡,弧度较大,建筑最高点24m,北端呈平缓的曲面,顶部最高处设置有的椭圆形孔,丰富了穹顶的立面造型。穹顶的外表面材料主要为ETFE 膜、透明玻璃、铝合金构件组成,整体颜色呈现为柔和的半透明的白色。于家堡网壳为单层网壳结构,长跨143米,短跨80米,高度24 米。网壳由36根顺时针和36根逆时针的钢箱梁相互编织而成,在顶部交织成36个点与顶部钢环梁连接。在底部也交织成36个钢节点与底部钢环梁连接,这样顶环梁+72条杆件编织网+底环梁的单层网壳结构通过双向铰支座与地下结构及牛腿连接。


   

仰视图                                                         俯视图


二   系统运营风险及应对措施

      地面站房网壳运营期间主要的风险事件有网壳整体或局部倒塌、网壳挠度过大、火灾事件、地震或大风破坏事件。面对众多运营安全隐患,该系统可以实现重点监测,提出有针对性的解决方案。具体如下:


风险事件及健康监测应对措施


三  客户利益

      1.  为钢结构卸载提供参考
      钢结构经过几个月的分布施工,各种设计之外的特殊工况难以预料,再加上施工工艺难以百之百按照设计的意图执行,造成结构部分杆件的受力情况与设计发生偏差。系统在这样背景下起到了为钢结构卸载提供参考的作用。所有监测的70根杆件受力情况与设计提供的整体受力情况相对照,找出重点监测的区域及杆件,为卸载施工提供参考。


      2.  验证原始设计
      原始设计是在理想环境下模拟进行的,考虑了普遍情况下以及多种极限状况下结构的承载情况,但实际工况的复杂程度是设计难以覆盖的。监测系统采集的数据与原始设计相辅相成,相互参照验证,根据原始设计可以设定监测系统的相应参数,相应的,根据监测系统的数据可以修正原始设计的相应条件,完善设计方案,为以后类似的工程提供设计参考。


      3.  施工过程中及长期运营风险预警
      系统对数据管理系统提供的结构温度、变形,支座位移、杆件应力/应变和加速度等信息进行实时的监测和分析处理,当结构观测数据发生异常时(预示结构可能发生损伤)给出预警;综合结构温度、支座位移和杆件应力/应变等信息,对结构的有限元模型进行修正,利用修正后的模型进行整体结构损伤识别、安全评估及预警。主要包括三个方面,结构健康状态实时监测与预警;结构监测数据深度分析;结构损伤识别。在施工期卸载过程中,系统已经成功预警一次,指导施工卸载,对钢支撑的安全卸载起到至关重要的作用。


      4.  后续施工加载监测
      整体钢结构的荷载达到了80%,后期仍有20%的荷载会增加,持续增加的荷载对结构带来的影响通过监测系统可以得到持续的关注,仍然重点关注加载过程中受力发生突变或者异常的杆件,一旦发生预警情况,施工方可根据监测数据调整施工工序或采取有效措施。


      5.  结构长期运营状态安全评估
      实现定期对累积监测数据进行全面深度分析,为判断服役结构健康状态以及可能的结构损伤情况,提供重要的基础数据。


四  成功预警案例

      通过设置预警值,实时监测杆件受力状况。在卸载过程中,发现杆件SG-11达到三级预警值177Mpa,一级预警值290MPa,极限设计应力值350MPa。在卸载监测过程中,杆件及时预警,对比现场安装传感器及布点位置,此处为车站大门入口处,焊接时人为减少2根杆件,且为短板受力状态,与设计及实际情况吻合,在此情况下,系统及时告知业主及设计人员,通过调整施工工序,以减小受力较大杆件的持续受力增加,成功解决卸载过程中隐患。


软件预警图


杆件SG-11位置


杆件传感器第6个安装位置


 杆件第6个传感器实物


      通过分析,杆件SG-11之所以达到预警值,是因为这根杆件所有传感器在卸载之前自身的残余应力已处于一个较大水平,加之这个传感器位置为压应力集中的位置,卸载过程中产生的应力叠加造成了应力持续增加,达到了三级预警值,但仍远小于杆件的极限承载值,处于安全可控状态。


五  业主评价

      江西飞尚科技有限公司健康监测系统水平领先,数据稳定,提供的施工期在线监测数据对整个工程的成功卸载起到无可替代的作用,是后续施工指导及运营监测必不可少的参考依据。

                                                                   ---津滨城际铁路有限公司工程部部长刘金锁


      

      于家堡网壳结构健康监测系统采集数据所反映的结构实际状态与原始结构设计值相吻合,对原始设计做了充足的验证,系统在国内具有典型代表意义。

                                                                                   ---铁道第三勘察设计院


 

 

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