铁路客站钢结构维护现状及改进策略

引言近年来，随着国家战略的引导和铁路建设的快速发展，我国建成了一批具有时代特征的铁路客站。在客站建设中，钢结构广泛应用于大跨度屋面、站台雨棚、站房立柱、连廊、跨线天桥等多个部位，成不便于检查及维修，其耐久性问题日益突出，腐蚀和损伤不仅影响结构自身的安全，且由于临近铁路线路，会给铁路运营造成影响。铁路客站是铁路的窗口、城市的地标，社会关注度高，人群高度密集，安全问题导致的危害性更大，容易引发社会舆论危机。目前，我国铁路客站已达3000余座，其中高铁客站超过1400座。客站使用过程中环境腐蚀、风荷载或列车振动等带来的结构变化，都会对钢结构造成不同程度的损伤。这些腐蚀和损伤如不能及时检查发现，并进行必要合理的修复，将会对车站的使用功能造成影响，甚至影响行车安全和旅客人身安全。1客站钢结构的特殊性铁路客站钢结构不同于一般民用建筑中的钢结构，由于临近铁路线路，钢结构损伤极有可能影响行车安全，造成严重后果。客站钢结构的特殊性体现在以下几个方面：(1)主体多为大跨度结构。北京南站、上海虹桥站、天津西站、济南西站等站房的屋盖跨度为50~114m,站台雨棚跨度约为40m。近年来新建成的济南东站，其跨度已达到156m。这些钢结构体系呈现大体量、大跨度、结构形式新颖的特点，不仅在设计和施工方面存在较高的技术难度，竣工交付后如何进行有效的管理维护也是需考虑的(2)客站围护结构及其连接复杂。铁路客站因美观要求大量采且不宜被察觉，易造成雨棚屋面板掀起掉落至股道的行车事故。(3)雨棚、天桥等跨线钢结构检修维护困难。铁路客站大量采用无站台柱雨棚及跨线旅客天桥，其结构高度距离轨道顶面约10~15m,位于接触网上方，且接触网与雨棚柱合建情况较多。铁路系统为保障列车稳定运行，只能利用凌晨3~4h的“天窗点”时间，完成接触网断电、脚手架搭设、防护措施架立、高空检修维护、恢复现场后接触网供电等作业，时间短，高空作业难度大，给检修带来极大不便。(4)列车运行、风以及人群等作用对客站钢结构影响较大。列车行驶对客站钢结构的影响不容忽视，列车风和列车振动对跨线设施的主体结构及围护结构的作用机理和影响机制较为复杂，导致客站钢结构产生不利的变形和振动，严重时还会产生共振。我国幅员辽阔，台风频发，自然风对金属屋面板、檐口板、吊顶板等影响较为突出，易产生破坏并发生部件脱落。人群荷载也是影响天桥、连廊等结构安全的重要影响因素之一，人群荷载如引起共振，则会大大降低旅客候车的舒适度。2客站钢结构使用现状2.1现场调研根据我国现行国家标准GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》,将气候分区分为5类，分别为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷、夏热自北向南划分为寒温带、中温带、暖温带、亚热带、热带等温度带以及特殊的高原气候区。我国主要的干湿分区，根据气候和降水量按照干旱区、半干旱区、半湿润区、湿润区进行划分。华东、华中、华南及沿海地区属于湿润区；东北地区受季节降雪等因素影响，冬季湿度较夏季更高，属于半湿润区和湿润区；华北地区属于半湿润区；西部地区属于干旱区及半在中国国家铁路集团有限公司工电部的指导下，对12个铁路局集团公司进行了现场调研，调研范围包括华北地区的中国铁路北京局、太原局集团有限公司，东北地区的中国铁路哈尔滨局、沈阳局集团有限公司，西部地区的中国铁路乌鲁木齐局、兰州局、青藏集团有限公司，华东地区的中国铁路上海局、济南局集团有限公司，华中地区的中国铁路郑州局、武汉局集团有限公司以及华南地区中国铁路广州局集团有限公司，包含严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖等气候区，从北到南囊括中温带、暖温带、亚热带、热带等温度带，以及特殊的青藏高原气候区，涵盖所有的干湿地区。具体调研线路见表1。表1调研线路线路名称建成年份设计速度/(km·h⁻¹)运营年限/年自然条件中温带9中温带2.2使用现状围护结构。2.2.1屋盖钢结构况较少，调研发现屋盖钢结构整体使用情况久性主要受屋面渗漏水的影响，出现局部锈蚀的情况(见图1)。屋面渗漏水的原因有多种，其中屋面不同材料连接处(如屋面板与采光天窗)的密封胶或防水胶老化失效，以及因温度变化导致不同材料连部位往往隐藏在构造层中，不易被发现，且不便于维修更换，进而导致钢结构局部锈蚀扩大。图1屋盖钢结构的局部锈蚀损伤破坏主要表现为个别节点的螺栓松动或缺失(见图2),多数为施工遗留问题。图2部分螺栓球节点螺栓缺失2.2.2雨棚等跨线钢结构跨线设施钢结构受温度、湿度、风沙、气候、雨雪及列车风等影响较大，整体耐久性比屋盖钢结构差。雨棚钢结构比较突出的问题是钢柱、钢梁的涂层脱落(见图3),部分钢结构锈蚀严重。无站台柱雨棚的钢管立柱内部布设落水管，导致钢结构锈蚀从内部进行，外部装(见图4)。雨棚屋面板、吊顶板构成封闭体系，对内部钢结构形图5),对列车行进和候车旅客造成严重安全隐患。图3钢柱涂层整块脱落图4接触网与雨棚合建导致检修困难图5站台柱雨棚屋面漏水引起锈蚀沿海地区由于高温、高湿、高盐环境的影响，雨棚钢结构出现大面积锈蚀情况(见图6)。而寒冷地区气温交替出现冻融现象，造成涂层大块剥落(见图7),并且因雨雪的不断侵蚀导致雨棚柱脚涂层出现大面积斑驳及锈蚀(见图8)。严寒地区气温低，冻胀现象严重，钢柱顶部密封端板开裂渗水，在极端低温情况下冻胀导致构件及节点失效，从而引发钢结构整体安全问题。西北地区海拔高、气候干燥、紫外线强等情况使涂层及耐候胶更容易开裂老化，且风沙的不断冲刷也导致钢结构涂层的磨损及锈蚀(见图9),同时天沟堆积淤泥较多，清理不及时宜出现植物生长。图6跨线钢结构出现大面积锈蚀图7冻融导致涂层大块脱落图8雨棚柱脚涂层斑驳及锈蚀图9风沙冲刷引起涂层磨损锈蚀2.2.3金属屋面及吊顶等围护结构局部破损，龙骨锈蚀及连接松脱，板件变形等问题较为严重。易发现的病害是板件的局部破损以及因外力造成的局部变形(见图10),也存在檩条和龙骨锈蚀以及螺栓松动等问题。图10板件局部变形对于降雨量较大且温湿度较大的华中、华南及东部沿海地区，屋面板、吊顶板锈蚀问题也比较突出，尤其是因屋面板凹陷变形等原因此外，屋面漏水也是较为常见的问题(见图12),主要原因包括温图11吊顶板大面积锈蚀图12因漏水引起的锈蚀3改进策略结合全路不同气候区域的现场调研成果，基于客站钢结构运营风险提前预防及实施可控的目标，提出针对高温、高盐、大风、雨水、寒冷、风沙等多种环境下的设计与运营维护建议。针对钢结构腐蚀和损伤病害的特征及分布规律，健全客站钢结构的安全评估体系及处置建议，并对TG/GW105—2014《铁路运输房建设备大修维修规则(试行)》中钢结构养护维修条文提出修编建议。3.1优化不同环境下客站钢结构设计(1)在华东、华南及沿海地区等雨量充沛地区，天沟尺寸、落水管直径及数量应充分考虑瞬时大量降水的屋面排水问题；在寒冷地区，雨水管避免置于钢管柱内；严寒地区应充分考虑冻胀影响，钢构件及节点应做好密封处理，密封端板应满足强度和刚度要求，确保连接可靠。(2)在环境温差较大的地区，对屋面板热胀冷缩效应考虑充分，预留变形富裕量。(3)设计时应考虑预留后期维护设施条件，包括站房屋盖检修通道、雨棚结构检修通道、屋面板检修通道、天沟检修通道及防护栏杆、防坠落系统等，便于检修和涂层涂装。(4)设计中应尽量避免接触网与雨棚柱合建，便于运营阶段的维护。(5)建筑、结构等均应考虑高温、高湿、高盐、高紫外线、昼夜温差、风沙以及严寒等可能带来的不利影响；在沿海地区尽量避免使用钢结构，或采取更高效地涂装防护以及采用耐候钢、不锈钢等措施。3.2改进客站钢结构运营维护管理措施(1)加强房建段专业技术人员的维修养护专业知识培训，配备配套的新型检维修工具，如涂层测厚仪、直立锁边机等。(2)建议合维修周期。(3)可以利用天沟侧防坠落系统固定封檐板，防止封檐板被风吹落。(4)施工完成后的质量验收对使用阶段的日常维护最低。(5)对于封闭雨棚无检修操作空间、结构出现问题不易被发3.3健全客站钢结构安全评估体系(2)客站钢结构处于多种作用下的复杂受力环境，现场调研发现，铁路运营维护管理部门虽按照TG/GW105—2014《铁路运输房建设备大修维修规则(试行)》中日常巡检、定期巡检的周期要求进行制定常规检查与评估的检查项、检查内容、检查周期、评估依据等。方法及评估策略，构建结构系统及构件2个层级的状态评估标准，通运营风险。3.4修订客站钢结构维护管理制度10年，针对当前各种新情况，该技术规章具有一定大修维修规则(试行)》中钢结构养护维修条文(附录5、附录9、附录11、附录14)提出修编建议。3.4.1附录5修编建议附录5原和定期检查制定相应的检查周期，详见表2和表3。表2房屋、构筑物钢结构主体构件检查周期(室内)日常检查定期检查表3房屋、构筑物钢结构主体构件检查周期(室外)日常检查定期检查1年1年1年1年4.4.2附录9修编建议附录9原条文中对房建设备应急检查的灾害项目规定为“6级风及以上”,但调研过程中发现沿海地区台风频发，其他非沿海区域也存在极端天气偶发，规定6级风及以上并不能涵盖我国高本风压值”,从而可以根据气象部门的提前预报，决策是否启动应急检查。3.4.3附录11修编建议附录11原条文规定了钢结构的综合维腐蚀情况较为普遍，且腐蚀面积和深度较为严重。结合调研情况，基于可靠度理论，建立锈蚀作用下的时变可靠度计算模型，全面考察并量化腐蚀对构件和体系承载力的影响，发现原条文中综合维修年限对沿海地区钢结构偏于不安全。因此，建议适当缩减沿海地区钢结构承重构件、支座及涂装的维修周期，保障运营安全。3.4.4附录14修编建议附录14原条文规定了客货共线铁路、高速铁路维修主要工机具设备明细表，但调研发现，原条文中的维修工机具无法满足现阶段新技术、新工艺的应用，例如：原条文对钢结构涂装的检查规定了涂层测厚仪，但对涂层的附着力并没有规定相应的工机具；原条文对构件内部缺陷缺少检查方法，而声发射测试仪可通过声发射信号来获取构件及连接的内部构造缺陷或裂纹损伤的活性状态，有助于发现构件及连接内部的缺陷或损伤。因此，建议附录14的设备明细表增加“附着力测定仪”“声发射测试仪”“游标卡尺”等维修工机具，进一步提高日常检查及维修的效率和质量，提前发现病害，避免安全风险。4结束语目前铁路客站钢结构日常使用中存在的问题是设计、施工、运营使用、养护管理与环境作用因素共同作用的结果。设计导向运营安全，应从设计源头为运营使用单位创造良好的维护条件，而施工质量的好坏是直接影响结构安全的重要因素，应避免抢工、无序施工等问题。日常运营维护是保障客站钢