上海某屋頂鋼塔大修前結(jié)構(gòu)安全性檢測與鑒定

瞿華

上海市房屋建筑設(shè)計院有限公司 上海 200062

1 工程概況

整幢建筑主要功能為展覽館，由塔基建筑（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)展覽館）和屋頂鋼塔組成。該工程于1955年建成竣工，為20世紀(jì)50年代上海市建造的首座大型建筑，由B.C安德烈耶夫（蘇聯(lián)）、吉斯洛娃（蘇聯(lián)）和陳植合作設(shè)計，屬俄羅斯古典主義建筑風(fēng)格[1]。建筑雄偉典雅、裝飾華麗，在上海建筑群中獨(dú)具一格，1989年被評為“1949～1989上海十佳建筑”，2005年入選上海市第四批優(yōu)秀歷史建筑。

圖1 房屋外立面現(xiàn)狀

該展館特別引人注目的是屋頂?shù)逆y金鋼塔，鋼塔頂上紅色五角星，離地114m，這座鋼塔由華東建筑機(jī)具修造廠承制，全長51.8m（包括紅五角星及框架支座），分23節(jié)焊接，五角星用鋼框架制成，鑲嵌10mm厚紅色耐熱玻璃。為了使鋼塔和五角星的鋼框架支座外形美觀、金碧輝煌，在塔身包紫銅皮，表面鎦金。整個塔身用約2000張0.7mm厚的紫銅皮，壓上花紋，包住塔身。

受檢鋼塔建成至今已近70年，2001年和2009年展館管理方曾對鋼塔進(jìn)行過局部修繕。經(jīng)初步調(diào)查，鋼塔多處出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，本次展館管理方擬對該鋼塔進(jìn)行全面徹底修繕，特委托專業(yè)檢測單位對該塔進(jìn)行安全性專項檢測，為修繕提供依據(jù)。

屋頂鋼塔總高53.475m，鋼塔底部標(biāo)高54.600m，五角星頂部標(biāo)高108.075m。底部嵌固于展覽館鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)第十三至十四層樓面之間，鐵塔底座固定于十三層樓面，底部設(shè)有三根鋼梁，與房屋主體結(jié)構(gòu)形成三點(diǎn)支撐，鋼梁平面布置呈“丫”字形，分別位于三點(diǎn)鐘方向，六點(diǎn)鐘方向和十點(diǎn)三刻方向。鋼梁總高800mm，寬200mm。每根鋼梁均通過直徑50mm的承插鋼螺栓與預(yù)埋在鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)上的鋼支撐固定。鋼塔平面形式主要為正八邊形，共23節(jié)（不含五角星），其中底部6節(jié)截面尺寸沒有變化，八邊形邊長1035mm。

底部第7節(jié)至第21節(jié)截面尺寸呈線性縮小。其中第21節(jié)截面八邊形邊長為235mm，變形的斜率約為2.5%。第22節(jié)與第23節(jié)截面均為圓形。另外，第22節(jié)為上人鋼平臺，截面先變大，再變小，最大處截面圓半徑為450mm。第23節(jié)截面圓半徑由432mm漸變至160mm。各節(jié)鋼塔高度不等，最小為底部第1節(jié)，高僅0.8m，最長為頂部第23節(jié)，高4.3m，其余各節(jié)鋼塔高度有1.55m、1.75m、2.67m、1.90m、2.00m、2.40m、2.50m。鋼塔內(nèi)部設(shè)有鋼爬梯，從鋼塔底部可爬至第22節(jié)鋼平臺，其中在第10節(jié)設(shè)有鋼平臺。鋼塔結(jié)構(gòu)外側(cè)貼有一層鍍金銅皮，銅皮厚0.7mm，采用鉚釘固定于鋼塔四周塔身上。

圖3 1-1剖面

圖4 3-3剖面

塔身結(jié)構(gòu)概況：鋼塔平面形式主要為正八邊形，第22和第23節(jié)截面為圓形，圓形壁厚10mm。第1節(jié)至第20節(jié)，八邊形頂點(diǎn)處設(shè)有雙拼等肢角鋼。角鋼規(guī)格分兩種，第1節(jié)至第16節(jié)為L90×10；第17節(jié)至第20節(jié)為L65×6。第21節(jié)八邊形頂點(diǎn)處設(shè)直徑40mm圓鋼。整個鋼塔外包鋼板，鋼板厚度6mm。每節(jié)鋼塔上下兩端設(shè)有水平環(huán)形鋼板，厚度主要為10mm，底部個別鋼板厚15mm。各節(jié)鋼塔之間通過外側(cè)6mm厚鋼板焊接連接，各節(jié)鋼塔水平環(huán)形隔板之間通過4個安裝螺栓上下固定，螺栓直徑20mm。

2 現(xiàn)場檢測

2.1 建筑結(jié)構(gòu)復(fù)核

采用鋼卷材、激光測距儀、游標(biāo)卡尺現(xiàn)場對鋼塔各節(jié)平面形狀、尺寸、高度進(jìn)行抽樣復(fù)核，鋼塔各節(jié)平面形狀、尺寸和高度與設(shè)計圖紙基本相符。采用鋼卷尺、游標(biāo)卡尺、測厚儀等儀器及工具對結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果顯示，除第2節(jié)至第10節(jié)八邊形每條邊中部增設(shè)有一根L90×10角鋼外，其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件平面布置及節(jié)目尺寸與原設(shè)計圖紙基本相符。現(xiàn)場檢測新增角鋼的連接及焊縫情況，初步分析該角鋼為后期補(bǔ)設(shè)，但未能查詢到相關(guān)信息資料。

圖5 鋼塔增設(shè)角鋼平面圖

2.2 材料強(qiáng)度檢測

現(xiàn)場采用里氏硬度計抽樣檢測鋼板及角鋼構(gòu)件的里氏硬度，對其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行推定[2]。檢測結(jié)果表明，鋼板抗拉強(qiáng)度特征值在350～502MPa范圍內(nèi)，角鋼鋼構(gòu)件抗拉強(qiáng)度特征值在381～531MPa范圍內(nèi)，基本達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度等級Q235的強(qiáng)度要求。

2.3 鋼構(gòu)件焊縫質(zhì)量檢測

現(xiàn)場對鋼塔內(nèi)部角鋼、鋼板連接焊縫外觀質(zhì)量進(jìn)行抽樣調(diào)查，焊縫表面未見明顯氣孔、夾渣、裂紋、焊瘤等外觀質(zhì)量缺陷?，F(xiàn)場采用超聲波探傷儀對典型焊縫進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果表明，抽檢區(qū)域鋼塔內(nèi)部角焊縫及外部對接焊縫質(zhì)量滿足二級焊縫質(zhì)量等級的要求。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)涂裝質(zhì)量檢測

根據(jù)鋼塔修繕資料，鋼塔內(nèi)部在2009年前后曾涂刷過涂料，現(xiàn)場采用涂層厚度儀抽樣檢測鋼塔內(nèi)部區(qū)域構(gòu)件的漆膜厚度。檢測結(jié)果表明，鋼塔外壁內(nèi)側(cè)涂層厚度在（57.5～189.5）μm間，其厚度離散性較大，部分測點(diǎn)漆膜厚度不能滿足規(guī)范要求（室外150μm）。另外在鋼塔外側(cè)拆開紫銅蒙皮，鋼塔外壁涂層普遍出現(xiàn)起鼓脫落現(xiàn)象，且外壁銹蝕嚴(yán)重，未對其涂層厚度進(jìn)行測量。

2.5 房屋損傷狀況調(diào)查

采用無人機(jī)、長焦相機(jī)、內(nèi)窺鏡等設(shè)備對鋼塔的損傷情況進(jìn)行調(diào)查。

調(diào)查結(jié)果表明，鋼塔外部裝飾餾金銅皮外表面存在輕微腐蝕、表面污漬發(fā)黑現(xiàn)象；鉚釘四周因內(nèi)部鋼板銹蝕鐵脹，銅皮出現(xiàn)明顯起鼓、開裂、破損；拆除鉚釘，打開銅皮，銅皮內(nèi)表面有明顯銅綠，但整塊銅皮除鉚釘處局部破損外，其余部位基本完好。塔頂五角星外觀現(xiàn)狀尚可，未見后部芒刺和琉璃缺損現(xiàn)象。

打開銅皮裝飾層，塔身鋼板外表面普遍銹蝕，防銹漆大面積開裂、脫落，尤其在鉚釘四周，鋼板銹蝕嚴(yán)重，除銹打磨后形成銹蝕凹坑；鋼塔內(nèi)部第2節(jié)、10節(jié)平臺板及支撐普遍銹蝕，局部穿透，17節(jié)以上水平撐桿、加勁肋板及塔身鋼板銹蝕相對嚴(yán)重。從鋼塔內(nèi)側(cè)進(jìn)行抽樣檢測，鋼塔第8節(jié)～第11節(jié)銹蝕率在6.7%～21.6%之間，平均銹蝕率為12%。

圖6 鋼塔內(nèi)部現(xiàn)狀

圖7 外圍鋼板銹蝕

2.6 房屋變形測量

根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ8-2016）[3]采用全站儀對鋼塔傾斜進(jìn)行測量。

因鋼塔自下而上截面不斷內(nèi)縮，其中從第7節(jié)至第21節(jié)呈線性變化，本次采用坐標(biāo)測量法對這個區(qū)段的傾斜率進(jìn)行測量。測東西向傾斜時，選取鋼塔的東面和西面兩個面進(jìn)行垂直度測量，并換算成東西向中垂線的傾斜率。同理，測南北向傾斜時，選取鋼塔的南面和北面兩個面進(jìn)行垂直度測量，并換算成南北向中垂線的傾斜率。

傾斜檢測結(jié)果表明：鋼塔南北向均向南傾斜，平均向南傾斜率為0.5‰；東西向均向東傾斜，傾斜率均為1.0‰。鋼塔傾斜變形滿足《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50292-2015）[4]的相關(guān)要求。

3 結(jié)構(gòu)驗算

3.1 計算參數(shù)

受檢鋼塔承載力驗算依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50135-2019）[5]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）[6]、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）[7]等，結(jié)合實(shí)際檢測結(jié)果及鋼塔目前使用狀況，驗算采用SAP2000結(jié)構(gòu)計算軟件，對鋼塔承載力及變形進(jìn)行驗算。

驗算條件如下：①該鋼塔為重要的高聳構(gòu)筑物，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ取1.1；②鋼塔底部第1節(jié)底為固結(jié)端，第4節(jié)X、Y兩個方向設(shè)有側(cè)向支撐；③考慮風(fēng)荷載作用：基本風(fēng)壓取0.60kN/m2，地面粗糙度取B類；④考慮地震作用：按上海市地震設(shè)防烈度7度考慮（0.10g），場地類別為IV類；⑤角鋼及鋼板的材料強(qiáng)度取Q235，外圍鋼板銹蝕明顯，原厚度為6mm，現(xiàn)按5mm取值；⑥本次修繕搭設(shè)的鋼腳手架應(yīng)確保自身的剛度和穩(wěn)定性，本次驗算僅考慮鋼塔自重、風(fēng)荷載、活荷載、水平地震作用、檢修荷載等正常使用環(huán)境下的荷載，不考慮修繕時腳手架對鋼塔的水平及豎向荷載。

3.2 驗算結(jié)果

3.2.1 建筑結(jié)構(gòu)動力特征是反映結(jié)構(gòu)本身固有的動力性能，了解結(jié)構(gòu)自振特性有利于了解建筑結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)或抵御其他動荷載的性能和能力。本模型共計算了鋼塔結(jié)構(gòu)12個自振周期（典型自振模態(tài)見圖8），對應(yīng)的周期范圍為0.03～0.54s，其中第一階模態(tài)為平動為主，第九模態(tài)為扭轉(zhuǎn)為主。

圖8 模態(tài)圖第一模態(tài)（左）第九模態(tài)（右）

圖9 鋼塔框架應(yīng)力云圖（MPa）

圖10 外圍鋼板應(yīng)力云圖（MPa）

圖11 鋼塔變形情況（mm）

3.2.2 根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50135-2019），鋼塔應(yīng)按無地震和有地震作用兩種情況計算。按照基本組合和偶然組合作用，共有7種情況，其中第7種為最不利工況，具體組合為：1.2×重力荷載代表值+0.28×風(fēng)荷載+1.3×水平地震力。

受篇幅所限，本文僅列舉了第7工況下的驗算結(jié)果。該工況下鋼塔位移最大為441mm，主框架雙拼角鋼的截面應(yīng)力值最大為174MPa，外圍鋼板截面應(yīng)力值最大為133MPa，應(yīng)力最大部位在鋼塔第五節(jié)。

該工況下，鋼構(gòu)件最大應(yīng)力均小于推定值215MPa，鋼構(gòu)件承載力符合要求。鋼塔頂部最大位移為441mm，最大位移比為1/122，在《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50135-2019）最大位移比限值內(nèi)（1/75）。

4 安全性分析

4.1 結(jié)構(gòu)受力體系評估

屋頂鋼塔主要受力框架由豎向的八根雙拼角鋼和水平的環(huán)形加勁板構(gòu)成，底部第2至第16節(jié)每邊中部增設(shè)一根角鋼補(bǔ)強(qiáng)。外圍的圍護(hù)鋼板對其結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性起加強(qiáng)作用。底部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為鋼塔的嵌固端，鋼塔傳力路徑清晰明確。

4.2 損傷評估

鋼塔內(nèi)部雙拼角鋼和水平的環(huán)形加勁板局部輕微銹蝕，其余基本完好，未見明顯變形、歪扭、裂縫現(xiàn)象。鋼塔底部固結(jié)端主要受力鋼構(gòu)件除局部輕微銹蝕外，未見明顯變形、開裂現(xiàn)象?，F(xiàn)有損壞主要為鋼塔外包鋼板外表面銹蝕普遍，防水失效，影響整個鋼塔的耐久性和外圍裝飾層的連接固定。

4.3 結(jié)構(gòu)承載能力評估

根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50135-2019），鋼塔按無地震和有地震作用兩種情況計算。按照基本組合和偶然組合作用，共有7種情況，其中第七種工況為最不利工況。驗算結(jié)果表明：在最不利工況下，鋼構(gòu)件承載力符合要求，鋼塔頂部最大位移比在規(guī)范允許限值內(nèi)。

綜上所述，在最不利工況下，鋼構(gòu)件承載力及鋼塔變形均能滿足驗算要求，但安全儲備較小?？紤]到鋼塔實(shí)際情況，本次修繕應(yīng)拆卸銅皮飾面后，對鋼塔外圍鋼板進(jìn)行全面除銹修繕，防止損壞加劇，確保鋼塔安全性和耐久性要求。

5 結(jié)束語

為對某屋頂鋼塔安全性能做出全面準(zhǔn)確的評估，結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果和原設(shè)計圖紙，采用計算軟件對鋼塔主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算，并對其結(jié)構(gòu)性能、損壞原因、變形情況等進(jìn)行分析，綜合評估鋼塔主體結(jié)構(gòu)的安全性能，為后續(xù)大修及改造提供技術(shù)依據(jù)，并可為其他高聳類結(jié)構(gòu)的安全性評估提供參考。