上海某屋頂鋼塔大修前結構安全性檢測與鑒定

瞿華

上海市房屋建筑設計院有限公司 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（鋼筋混凝土結構展覽館）和屋頂鋼塔組成。該工程于1955年建成竣工，為20世紀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）、吉斯洛娃（蘇聯）和陳植合作設計，屬俄羅斯古典主義建筑風格[1]。建筑雄偉典雅、裝飾華麗，在上海建筑群中獨具一格，1989年被評為“1949～1989上海十佳建筑”，2005年入選上海市第四批優秀歷史建筑。

圖1 房屋外立面現狀

該展館特別引人注目的是屋頂的鎦金鋼塔，鋼塔頂上紅色五角星，離地114m，這座鋼塔由華東建筑機具修造廠承制，全長51.8m（包括紅五角星及框架支座），分23節焊接，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行過局部修繕。經初步調查，鋼塔多處出現銹蝕現象，本次展館管理方擬對該鋼塔進行全面徹底修繕，特委托專業檢測單位對該塔進行安全性專項檢測，為修繕提供依據。

屋頂鋼塔總高53.475m，鋼塔底部標高54.600m，五角星頂部標高108.075m。底部嵌固于展覽館鋼筋混凝土結構第十三至十四層樓面之間，鐵塔底座固定于十三層樓面，底部設有三根鋼梁，與房屋主體結構形成三點支撐，鋼梁平面布置呈“丫”字形，分別位于三點鐘方向，六點鐘方向和十點三刻方向。鋼梁總高800mm，寬200mm。每根鋼梁均通過直徑50mm的承插鋼螺栓與預埋在鋼筋混凝土主體結構上的鋼支撐固定。鋼塔平面形式主要為正八邊形，共23節（不含五角星），其中底部6節截面尺寸沒有變化，八邊形邊長1035mm。

底部第7節至第21節截面尺寸呈線性縮小。其中第21節截面八邊形邊長為235mm，變形的斜率約為2.5%。第22節與第23節截面均為圓形。另外，第22節為上人鋼平臺，截面先變大，再變小，最大處截面圓半徑為450mm。第23節截面圓半徑由432mm漸變至160mm。各節鋼塔高度不等，最小為底部第1節，高僅0.8m，最長為頂部第23節，高4.3m，其余各節鋼塔高度有1.55m、1.75m、2.67m、1.90m、2.00m、2.40m、2.50m。鋼塔內部設有鋼爬梯，從鋼塔底部可爬至第22節鋼平臺，其中在第10節設有鋼平臺。鋼塔結構外側貼有一層鍍金銅皮，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

塔身結構概況：鋼塔平面形式主要為正八邊形，第22和第23節截面為圓形，圓形壁厚10mm。第1節至第20節，八邊形頂點處設有雙拼等肢角鋼。角鋼規格分兩種，第1節至第16節為L90×10；第17節至第20節為L65×6。第21節八邊形頂點處設直徑40mm圓鋼。整個鋼塔外包鋼板，鋼板厚度6mm。每節鋼塔上下兩端設有水平環形鋼板，厚度主要為10mm，底部個別鋼板厚15mm。各節鋼塔之間通過外側6mm厚鋼板焊接連接，各節鋼塔水平環形隔板之間通過4個安裝螺栓上下固定，螺栓直徑20mm。

2 現場檢測

2.1 建筑結構復核

采用鋼卷材、激光測距儀、游標卡尺現場對鋼塔各節平面形狀、尺寸、高度進行抽樣復核，鋼塔各節平面形狀、尺寸和高度與設計圖紙基本相符。采用鋼卷尺、游標卡尺、測厚儀等儀器及工具對結構構件尺寸進行復核，復核結果顯示，除第2節至第10節八邊形每條邊中部增設有一根L90×10角鋼外，其余結構構件平面布置及節目尺寸與原設計圖紙基本相符。現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設，但未能查詢到相關信息資料。

圖5 鋼塔增設角鋼平面圖

2.2 材料強度檢測

現場采用里氏硬度計抽樣檢測鋼板及角鋼構件的里氏硬度，對其抗拉強度進行推定[2]。檢測結果表明，鋼板抗拉強度特征值在350～502MPa范圍內，角鋼鋼構件抗拉強度特征值在381～531MPa范圍內，基本達到設計強度等級Q235的強度要求。

2.3 鋼構件焊縫質量檢測

現場對鋼塔內部角鋼、鋼板連接焊縫外觀質量進行抽樣調查，焊縫表面未見明顯氣孔、夾渣、裂紋、焊瘤等外觀質量缺陷。現場采用超聲波探傷儀對典型焊縫進行檢測，檢測結果表明，抽檢區域鋼塔內部角焊縫及外部對接焊縫質量滿足二級焊縫質量等級的要求。

2.4 鋼結構涂裝質量檢測

根據鋼塔修繕資料，鋼塔內部在2009年前后曾涂刷過涂料，現場采用涂層厚度儀抽樣檢測鋼塔內部區域構件的漆膜厚度。檢測結果表明，鋼塔外壁內側涂層厚度在（57.5～189.5）μm間，其厚度離散性較大，部分測點漆膜厚度不能滿足規范要求（室外150μm）。另外在鋼塔外側拆開紫銅蒙皮，鋼塔外壁涂層普遍出現起鼓脫落現象，且外壁銹蝕嚴重，未對其涂層厚度進行測量。

2.5 房屋損傷狀況調查

采用無人機、長焦相機、內窺鏡等設備對鋼塔的損傷情況進行調查。

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

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，鋼板銹蝕嚴重，除銹打磨后形成銹蝕凹坑；鋼塔內部第2節、10節平臺板及支撐普遍銹蝕，局部穿透，17節以上水平撐桿、加勁肋板及塔身鋼板銹蝕相對嚴重。從鋼塔內側進行抽樣檢測，鋼塔第8節～第11節銹蝕率在6.7%～21.6%之間，平均銹蝕率為12%。

圖6 鋼塔內部現狀

圖7 外圍鋼板銹蝕

2.6 房屋變形測量

根據國家行業標準《建筑變形測量規范》（JGJ8-2016）[3]采用全站儀對鋼塔傾斜進行測量。

因鋼塔自下而上截面不斷內縮，其中從第7節至第21節呈線性變化，本次采用坐標測量法對這個區段的傾斜率進行測量。測東西向傾斜時，選取鋼塔的東面和西面兩個面進行垂直度測量，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準》（GB50292-2015）[4]的相關要求。

3 結構驗算

3.1 計算參數

受檢鋼塔承載力驗算依據國家標準《高聳結構設計標準》（GB50135-2019）[5]、《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）[6]、《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）[7]等，結合實際檢測結果及鋼塔目前使用狀況，驗算采用SAP2000結構計算軟件，對鋼塔承載力及變形進行驗算。

驗算條件如下：①該鋼塔為重要的高聳構筑物，結構重要性系數γ取1.1；②鋼塔底部第1節底為固結端，第4節X、Y兩個方向設有側向支撐；③考慮風荷載作用：基本風壓取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度取Q235，外圍鋼板銹蝕明顯，原厚度為6mm，現按5mm取值；⑥本次修繕搭設的鋼腳手架應確保自身的剛度和穩定性，本次驗算僅考慮鋼塔自重、風荷載、活荷載、水平地震作用、檢修荷載等正常使用環境下的荷載，不考慮修繕時腳手架對鋼塔的水平及豎向荷載。

3.2 驗算結果

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

圖8 模態圖第一模態（左）第九模態（右）

圖9 鋼塔框架應力云圖（MPa）

圖10 外圍鋼板應力云圖（MPa）

圖11 鋼塔變形情況（mm）

3.2.2 根據《高聳結構設計標準》（GB50135-2019），鋼塔應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工況下的驗算結果。該工況下鋼塔位移最大為441mm，主框架雙拼角鋼的截面應力值最大為174MPa，外圍鋼板截面應力值最大為133MPa，應力最大部位在鋼塔第五節。

該工況下，鋼構件最大應力均小于推定值215MPa，鋼構件承載力符合要求。鋼塔頂部最大位移為441mm，最大位移比為1/122，在《高聳結構設計標準》（GB50135-2019）最大位移比限值內（1/75）。

4 安全性分析

4.1 結構受力體系評估

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形加勁板構成，底部第2至第16節每邊中部增設一根角鋼補強。外圍的圍護鋼板對其結構的承載力和穩定性起加強作用。底部鋼筋混凝土結構作為鋼塔的嵌固端，鋼塔傳力路徑清晰明確。

4.2 損傷評估

鋼塔內部雙拼角鋼和水平的環形加勁板局部輕微銹蝕，其余基本完好，未見明顯變形、歪扭、裂縫現象。鋼塔底部固結端主要受力鋼構件除局部輕微銹蝕外，未見明顯變形、開裂現象。現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 結構承載能力評估

根據《高聳結構設計標準》（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。驗算結果表明：在最不利工況下，鋼構件承載力符合要求，鋼塔頂部最大位移比在規范允許限值內。

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

5 結束語

為對某屋頂鋼塔安全性能做出全面準確的評估，結合現場檢測結果和原設計圖紙，采用計算軟件對鋼塔主體結構進行驗算，并對其結構性能、損壞原因、變形情況等進行分析，綜合評估鋼塔主體結構的安全性能，為后續大修及改造提供技術依據，并可為其他高聳類結構的安全性評估提供參考。