外灘信號塔安全鑒定與加固修繕

0 引言

外灘信號塔建于1907年（圖1），始建之初用于為黃浦江過往船只提供氣象預報，該塔氣象預報功能于1966年左右停用，為上海市第二批優秀歷史建筑。如今，上海市氣象局擬恢復外灘信號塔部分功能。但是信號塔建造至今已逾百年，且在1993年10月的外灘綜合改造過程中，為保存這座曾為上海的發展做出重要貢獻的建筑，施工單位曾采用整體移位方法將其平移約20m；之后在2008年，上海外灘地區地下通道工程基坑開挖的過程中，也曾對其造成不同程度的影響，信號塔的安全狀況不容樂觀。為了解信號塔安全現狀，為后續使用提供依據，需對信號塔進行安全鑒定并提出加固建議。

1 檢測及鑒定

1.1 建筑風格特色

外灘信號塔由西班牙建筑師馬第（Marti）設計，建筑風格屬于阿托奴博式（ATONOBO）風格，信號塔原裙房建于1927年（圖2），現裙房為1993年移位時按原裙房仿建而成（圖3）。

塔樓為筒狀高聳建筑，整幢建筑雄偉挺拔，線條簡潔。塔體底部8根立柱對稱布置，并通過樓板連成整體，塔體2層內部均勻分布8根肋梁，與立柱一一對應，肋梁與塔身底部連成一體，起著連接立柱與塔身的作用。塔體四周均布4扇細長大門，底部兩層外立面粉刷紅灰相間，2層平臺板外挑，四面有鐵欄，平臺處塔身部位底座造型獨特，富有鮮明的厚實感，平臺以上塔身外粉刷由紅色條帶涂料并分割成3段，每段塔身東西向均設有小窗。塔內的鑄鐵旋轉樓梯通過內芯管及筒外壁貫穿整個塔體，順樓梯而上，可通過上人孔登上平臺板，此處桅桿柱腳插入平臺板，桅桿截面中心與內芯管中心對應，內芯管及鑄鐵樓梯也止于該板。塔體頂部設有上人平臺，平臺周圍布有鐵質欄桿，桅桿端部有拉鎖拉結于平臺板上，桅桿頂部安置有風向儀。

圖1 信號塔（1907年）

圖2 信號塔（1927年）

圖3 信號塔（2017年）

1.2 結構概況

信號塔主要由基礎、上部塔體（塔座和塔身）和懸掛信號的桅桿三部分組成。

信號塔移位前有地下室。1993年塔體整體移位時，原地下室被整體切割，移位后的塔體連同混凝土托盤一起擱放在鋼筋混凝土板短錨固樁基礎承臺上，托盤四周澆筑鋼筋混凝土托梁將托盤與下承臺連成整體。

上部塔體由塔座、塔身及芯管組成。整個芯管貫穿塔座及塔身，并支撐于基礎上。芯管上端與桅桿連接，底部與基礎連接，其塔身段通過鋼筋與塔身連接，鋼筋上放置鑄鐵旋轉樓梯，至上而下依附于芯管。塔身頂部設有鋼筋混凝土平臺板，塔座下部主要由8根混凝土柱組成，上部塔身則由混凝土塊體砌筑在環形梁上。

塔身筒體砌于塔座環形梁上，砌筑塊體間布置豎向構造鋼筋。塔身砌體及內芯管自下而上砌筑，塔身與芯管之間通過鋼筋連接（該處鋼筋用于支撐旋轉樓梯），鋼筋兩端錨固于芯管和塔身；內芯管為鋼筋混凝土預制構件，預制芯管通過鋼筋“插銷”逐個連成節狀整體。

塔體頂部桅桿總高17.5m，十字桿東西向長約3.8m，南北向長約8.0m，十字桿截面、桅桿柱由工字型型鋼構成。

1.3 現場檢測

1.3.1 損壞情況

近塔頂處塔身局部砌塊豎向開裂，平臺板（標高32.5m）因鋼筋銹脹而損壞較為嚴重。內芯管箍筋銹脹致芯管外壁局部開裂，塔座及塔身下部無明顯損壞。桅桿整體銹蝕率在6%～20%之間，部分螺栓已松動、脫落。近塔頂簡易搭建平臺腐朽嚴重，局部節點有松動現象，存在安全隱患。雨篷、空調支架、女兒墻等非結構構件無明顯損壞。

根據現場基礎局部開挖檢測情況，信號塔基礎托盤厚600mm，塔座與托盤之間澆筑為整體一同移位，移動就位后基礎底板上翻托梁將托盤四周圍固，信號塔與托盤交界部位、托盤與基礎交界部位未發現損壞。

1.3.2 構件抗壓強度

塔身塊體、內芯管抗壓強度20.0MPa，砌筑砂漿抗壓強度7.8MPa；立柱和環形梁混凝土抗壓強度為13.0MPa，平臺板圈梁混凝土抗壓強度為10.0～15.0MPa；信號塔鐵質構件及鋼筋強度均達到HPB235的要求。

1.3.3 變形測量

塔身整體向東南方向傾斜，頂部最大偏移值為10cm，最大傾斜率為4.8‰，小于高聳結構傾斜率6‰限值的要求（圖4）。

1.4 承載力驗算及抗震措施分析

經鑒定，塔身、塔座交界處為薄弱部位，重點驗算該處承載能力。地震設防烈度為7度，Ⅳ類場地，考慮風荷載的順風向風振，不考慮橫風向風振效益，計算模型見圖5。

1.4.1 風荷載下抗傾覆

M2＞M1，則交界部位抗傾覆滿足要求。

1.4.2 多遇地震作用

圖4 信號塔傾斜測量圖

圖5 計算模型圖

剪應力：τ=82.2×2÷2.1=78kN/m2=0.078MPa＜0.08MPa，滿足要求。

1.4.3 罕遇地震作用不滿足要求。

1.5 檢測小結

根據表1驗算結果，信號塔塔體能滿足目前使用狀態要求；桅桿柱在風荷載作用下（懸掛相應風球）、罕遇地震作用下截面承載力不滿足要求?？紤]到信號塔后續使用年限、設防類別（乙類），且塔身頂部及桅桿等鋼構件存在不同程度的耐久性問題，如內芯管箍筋銹脹致芯管外壁局部開裂、近塔頂處局部砌塊豎向開裂、近塔頂平臺板因鋼筋銹脹損壞、桅桿整體銹蝕率較為嚴重（在6%～20%之間），以及部分桅桿螺栓松動、脫落等，綜合判定塔身（近塔頂）、芯管及桅桿等構件耐久性不能滿足后續的正常使用要求，應采取必要的修繕、加固措施。

表1 驗算結果

2 加固與修繕

2.1 修繕原則

外灘信號塔在使用過程中歷經時代變遷，其建筑、結構及設備情況均存在不同程度的損壞，給信號塔的重新啟用帶來安全隱患。通過本次修繕加固，達到建筑保護和使用安全、恢復建筑的歷史風貌、改善使用功能、提高抗震性能的目的。根據建筑保護的重要性及結構破壞可能產生的后果，房屋修繕的安全等級為二級。

2.2 加固方案

為提高塔身抗震能力，在不破壞塔身本體及保護要求的情況下，采取外包鋼環箍結構的抗震構造措施，具體做法如下（圖6）。

（1）在塔身外側后加粉刷層內加做環向箍板及豎向鋼板，環向箍筋采用60mm×6mm不銹鋼板，間距1 500～2 000mm，嵌入粉刷層環形槽內。

圖6 塔身、塔座連接處內側不銹鋼環形箍板做法詳圖

（2）在塔身外側豎向均勻布置4根60mm×6mm不銹鋼板，嵌入粉刷層槽內，環向箍板及豎向鋼板交接處焊牢。

（3）在塔身塔座連接處內側設置連接箍板，加強塔身與塔座的連接可靠性。

鋼結構加固完成后，對粉刷層進行修補，粘貼玻纖網布，并待3mm厚防裂砂漿批平后，刷一底二度外墻防水涂料，色澤保持原樣。

2.3 修繕方案

信號塔塔身頂部、芯管及桅桿等構件耐久性不能滿足后續的正常使用要求，應采取必要的修繕、加固措施。

（1）塔身塔頂處局部砌塊豎向開裂，可在塔頂外墻處采取外包鋼環箍法加固，并對裂縫進行壓力灌漿處理。

（2）芯管采取外包碳纖維布法進行加固（圖7、8）。

（3）鋼桅桿主要采取修繕加固，保留主要鋼構件，少量銹蝕嚴重的拆除更換。①塔內桅桿柱拆除工字鋼兩側銹蝕鋼板及緊固螺栓，工字鋼除銹后，在兩側新加10mm厚鋼板，并用同制式新螺栓固定（圖9、10）；②塔外桅桿除銹后，在槽鋼一側新加12mm厚鋼板，并伸入塔內與塔內桅桿連接，舊螺栓拆除后用同制式新螺栓固定；③鋼桅桿除銹后，刷黑色防腐氟碳漆二度；④鋼桅桿修繕加固時，應分段修繕加固，并應采取有效支撐保護措施。

圖7 芯管現狀

圖8 芯管修繕詳圖

圖9 鋼桅桿柱

圖10 鋼桅桿修繕加固詳圖

3 結語

外灘信號塔建造至今已有110年，作為僅存的兩座阿托奴博式風格建筑之一，無論從歷史價值還是人文價值方面，都值得作為標志性建筑保留下去。本文通過現場檢測、鑒定采集重要數據，分析信號塔內部結構構造，并提出適當加固修繕方案，適當加強其抗震整體性能，以滿足后續安全使用。作為一幢“年邁”的高聳保護建筑，今后如何在不破壞原貌的情況下，保證其安全性能，需要我們更深入地研究。