上海某屋顶钢塔大修前结构安全性检测与鉴定

瞿华

上海市房屋建筑设计院有限公司 上海 200062

1 工程概况

整幢建筑主要功能为展览馆，由塔基建筑（钢筋混凝土结构展览馆）和屋顶钢塔组成。该工程于1955年建成竣工，为20世纪50年代上海市建造的首座大型建筑，由B.C安德烈耶夫（苏联）、吉斯洛娃（苏联）和陈植合作设计，属俄罗斯古典主义建筑风格[1]。建筑雄伟典雅、装饰华丽，在上海建筑群中独具一格，1989年被评为“1949～1989上海十佳建筑”，2005年入选上海市第四批优秀历史建筑。

图1 房屋外立面现状

该展馆特别引人注目的是屋顶的镏金钢塔，钢塔顶上红色五角星，离地114m，这座钢塔由华东建筑机具修造厂承制，全长51.8m（包括红五角星及框架支座），分23节焊接，五角星用钢框架制成，镶嵌10mm厚红色耐热玻璃。为了使钢塔和五角星的钢框架支座外形美观、金碧辉煌，在塔身包紫铜皮，表面镏金。整个塔身用约2000张0.7mm厚的紫铜皮，压上花纹，包住塔身。

受检钢塔建成至今已近70年，2001年和2009年展馆管理方曾对钢塔进行过局部修缮。经初步调查，钢塔多处出现锈蚀现象，本次展馆管理方拟对该钢塔进行全面彻底修缮，特委托专业检测单位对该塔进行安全性专项检测，为修缮提供依据。

屋顶钢塔总高53.475m，钢塔底部标高54.600m，五角星顶部标高108.075m。底部嵌固于展览馆钢筋混凝土结构第十三至十四层楼面之间，铁塔底座固定于十三层楼面，底部设有三根钢梁，与房屋主体结构形成三点支撑，钢梁平面布置呈“丫”字形，分别位于三点钟方向，六点钟方向和十点三刻方向。钢梁总高800mm，宽200mm。每根钢梁均通过直径50mm的承插钢螺栓与预埋在钢筋混凝土主体结构上的钢支撑固定。钢塔平面形式主要为正八边形，共23节（不含五角星），其中底部6节截面尺寸没有变化，八边形边长1035mm。

底部第7节至第21节截面尺寸呈线性缩小。其中第21节截面八边形边长为235mm，变形的斜率约为2.5%。第22节与第23节截面均为圆形。另外，第22节为上人钢平台，截面先变大，再变小，最大处截面圆半径为450mm。第23节截面圆半径由432mm渐变至160mm。各节钢塔高度不等，最小为底部第1节，高仅0.8m，最长为顶部第23节，高4.3m，其余各节钢塔高度有1.55m、1.75m、2.67m、1.90m、2.00m、2.40m、2.50m。钢塔内部设有钢爬梯，从钢塔底部可爬至第22节钢平台，其中在第10节设有钢平台。钢塔结构外侧贴有一层镀金铜皮，铜皮厚0.7mm，采用铆钉固定于钢塔四周塔身上。

图3 1-1剖面

图4 3-3剖面

塔身结构概况：钢塔平面形式主要为正八边形，第22和第23节截面为圆形，圆形壁厚10mm。第1节至第20节，八边形顶点处设有双拼等肢角钢。角钢规格分两种，第1节至第16节为L90×10；第17节至第20节为L65×6。第21节八边形顶点处设直径40mm圆钢。整个钢塔外包钢板，钢板厚度6mm。每节钢塔上下两端设有水平环形钢板，厚度主要为10mm，底部个别钢板厚15mm。各节钢塔之间通过外侧6mm厚钢板焊接连接，各节钢塔水平环形隔板之间通过4个安装螺栓上下固定，螺栓直径20mm。

2 现场检测

2.1 建筑结构复核

采用钢卷材、激光测距仪、游标卡尺现场对钢塔各节平面形状、尺寸、高度进行抽样复核，钢塔各节平面形状、尺寸和高度与设计图纸基本相符。采用钢卷尺、游标卡尺、测厚仪等仪器及工具对结构构件尺寸进行复核，复核结果显示，除第2节至第10节八边形每条边中部增设有一根L90×10角钢外，其余结构构件平面布置及节目尺寸与原设计图纸基本相符。现场检测新增角钢的连接及焊缝情况，初步分析该角钢为后期补设，但未能查询到相关信息资料。

图5 钢塔增设角钢平面图

2.2 材料强度检测

现场采用里氏硬度计抽样检测钢板及角钢构件的里氏硬度，对其抗拉强度进行推定[2]。检测结果表明，钢板抗拉强度特征值在350～502MPa范围内，角钢钢构件抗拉强度特征值在381～531MPa范围内，基本达到设计强度等级Q235的强度要求。

2.3 钢构件焊缝质量检测

现场对钢塔内部角钢、钢板连接焊缝外观质量进行抽样调查，焊缝表面未见明显气孔、夹渣、裂纹、焊瘤等外观质量缺陷。现场采用超声波探伤仪对典型焊缝进行检测，检测结果表明，抽检区域钢塔内部角焊缝及外部对接焊缝质量满足二级焊缝质量等级的要求。

2.4 钢结构涂装质量检测

根据钢塔修缮资料，钢塔内部在2009年前后曾涂刷过涂料，现场采用涂层厚度仪抽样检测钢塔内部区域构件的漆膜厚度。检测结果表明，钢塔外壁内侧涂层厚度在（57.5～189.5）µm间，其厚度离散性较大，部分测点漆膜厚度不能满足规范要求（室外150µm）。另外在钢塔外侧拆开紫铜蒙皮，钢塔外壁涂层普遍出现起鼓脱落现象，且外壁锈蚀严重，未对其涂层厚度进行测量。

2.5 房屋损伤状况调查

采用无人机、长焦相机、内窥镜等设备对钢塔的损伤情况进行调查。

调查结果表明，钢塔外部装饰馏金铜皮外表面存在轻微腐蚀、表面污渍发黑现象；铆钉四周因内部钢板锈蚀铁胀，铜皮出现明显起鼓、开裂、破损；拆除铆钉，打开铜皮，铜皮内表面有明显铜绿，但整块铜皮除铆钉处局部破损外，其余部位基本完好。塔顶五角星外观现状尚可，未见后部芒刺和琉璃缺损现象。

打开铜皮装饰层，塔身钢板外表面普遍锈蚀，防锈漆大面积开裂、脱落，尤其在铆钉四周，钢板锈蚀严重，除锈打磨后形成锈蚀凹坑；钢塔内部第2节、10节平台板及支撑普遍锈蚀，局部穿透，17节以上水平撑杆、加劲肋板及塔身钢板锈蚀相对严重。从钢塔内侧进行抽样检测，钢塔第8节～第11节锈蚀率在6.7%～21.6%之间，平均锈蚀率为12%。

图6 钢塔内部现状

图7 外围钢板锈蚀

2.6 房屋变形测量

根据国家行业标准《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）[3]采用全站仪对钢塔倾斜进行测量。

因钢塔自下而上截面不断内缩，其中从第7节至第21节呈线性变化，本次采用坐标测量法对这个区段的倾斜率进行测量。测东西向倾斜时，选取钢塔的东面和西面两个面进行垂直度测量，并换算成东西向中垂线的倾斜率。同理，测南北向倾斜时，选取钢塔的南面和北面两个面进行垂直度测量，并换算成南北向中垂线的倾斜率。

倾斜检测结果表明：钢塔南北向均向南倾斜，平均向南倾斜率为0.5‰；东西向均向东倾斜，倾斜率均为1.0‰。钢塔倾斜变形满足《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB50292-2015）[4]的相关要求。

3 结构验算

3.1 计算参数

受检钢塔承载力验算依据国家标准《高耸结构设计标准》（GB50135-2019）[5]、《钢结构设计标准》（GB50017-2017）[6]、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[7]等，结合实际检测结果及钢塔目前使用状况，验算采用SAP2000结构计算软件，对钢塔承载力及变形进行验算。

验算条件如下：①该钢塔为重要的高耸构筑物，结构重要性系数γ取1.1；②钢塔底部第1节底为固结端，第4节X、Y两个方向设有侧向支撑；③考虑风荷载作用：基本风压取0.60kN/m2，地面粗糙度取B类；④考虑地震作用：按上海市地震设防烈度7度考虑（0.10g），场地类别为IV类；⑤角钢及钢板的材料强度取Q235，外围钢板锈蚀明显，原厚度为6mm，现按5mm取值；⑥本次修缮搭设的钢脚手架应确保自身的刚度和稳定性，本次验算仅考虑钢塔自重、风荷载、活荷载、水平地震作用、检修荷载等正常使用环境下的荷载，不考虑修缮时脚手架对钢塔的水平及竖向荷载。

3.2 验算结果

3.2.1 建筑结构动力特征是反映结构本身固有的动力性能，了解结构自振特性有利于了解建筑结构的抗震、抗风或抵御其他动荷载的性能和能力。本模型共计算了钢塔结构12个自振周期（典型自振模态见图8），对应的周期范围为0.03～0.54s，其中第一阶模态为平动为主，第九模态为扭转为主。

图8 模态图第一模态（左）第九模态（右）

图9 钢塔框架应力云图（MPa）

图10 外围钢板应力云图（MPa）

图11 钢塔变形情况（mm）

3.2.2 根据《高耸结构设计标准》（GB50135-2019），钢塔应按无地震和有地震作用两种情况计算。按照基本组合和偶然组合作用，共有7种情况，其中第7种为最不利工况，具体组合为：1.2×重力荷载代表值+0.28×风荷载+1.3×水平地震力。

受篇幅所限，本文仅列举了第7工况下的验算结果。该工况下钢塔位移最大为441mm，主框架双拼角钢的截面应力值最大为174MPa，外围钢板截面应力值最大为133MPa，应力最大部位在钢塔第五节。

该工况下，钢构件最大应力均小于推定值215MPa，钢构件承载力符合要求。钢塔顶部最大位移为441mm，最大位移比为1/122，在《高耸结构设计标准》（GB50135-2019）最大位移比限值内（1/75）。

4 安全性分析

4.1 结构受力体系评估

屋顶钢塔主要受力框架由竖向的八根双拼角钢和水平的环形加劲板构成，底部第2至第16节每边中部增设一根角钢补强。外围的围护钢板对其结构的承载力和稳定性起加强作用。底部钢筋混凝土结构作为钢塔的嵌固端，钢塔传力路径清晰明确。

4.2 损伤评估

钢塔内部双拼角钢和水平的环形加劲板局部轻微锈蚀，其余基本完好，未见明显变形、歪扭、裂缝现象。钢塔底部固结端主要受力钢构件除局部轻微锈蚀外，未见明显变形、开裂现象。现有损坏主要为钢塔外包钢板外表面锈蚀普遍，防水失效，影响整个钢塔的耐久性和外围装饰层的连接固定。

4.3 结构承载能力评估

根据《高耸结构设计标准》（GB50135-2019），钢塔按无地震和有地震作用两种情况计算。按照基本组合和偶然组合作用，共有7种情况，其中第七种工况为最不利工况。验算结果表明：在最不利工况下，钢构件承载力符合要求，钢塔顶部最大位移比在规范允许限值内。

综上所述，在最不利工况下，钢构件承载力及钢塔变形均能满足验算要求，但安全储备较小。考虑到钢塔实际情况，本次修缮应拆卸铜皮饰面后，对钢塔外围钢板进行全面除锈修缮，防止损坏加剧，确保钢塔安全性和耐久性要求。

5 结束语

为对某屋顶钢塔安全性能做出全面准确的评估，结合现场检测结果和原设计图纸，采用计算软件对钢塔主体结构进行验算，并对其结构性能、损坏原因、变形情况等进行分析，综合评估钢塔主体结构的安全性能，为后续大修及改造提供技术依据，并可为其他高耸类结构的安全性评估提供参考。