外滩信号塔安全鉴定与加固修缮

0 引言

外滩信号塔建于1907年（图1），始建之初用于为黄浦江过往船只提供气象预报，该塔气象预报功能于1966年左右停用，为上海市第二批优秀历史建筑。如今，上海市气象局拟恢复外滩信号塔部分功能。但是信号塔建造至今已逾百年，且在1993年10月的外滩综合改造过程中，为保存这座曾为上海的发展做出重要贡献的建筑，施工单位曾采用整体移位方法将其平移约20m；之后在2008年，上海外滩地区地下通道工程基坑开挖的过程中，也曾对其造成不同程度的影响，信号塔的安全状况不容乐观。为了解信号塔安全现状，为后续使用提供依据，需对信号塔进行安全鉴定并提出加固建议。

1 检测及鉴定

1.1 建筑风格特色

外滩信号塔由西班牙建筑师马第（Marti）设计，建筑风格属于阿托奴博式（ATONOBO）风格，信号塔原裙房建于1927年（图2），现裙房为1993年移位时按原裙房仿建而成（图3）。

塔楼为筒状高耸建筑，整幢建筑雄伟挺拔，线条简洁。塔体底部8根立柱对称布置，并通过楼板连成整体，塔体2层内部均匀分布8根肋梁，与立柱一一对应，肋梁与塔身底部连成一体，起着连接立柱与塔身的作用。塔体四周均布4扇细长大门，底部两层外立面粉刷红灰相间，2层平台板外挑，四面有铁栏，平台处塔身部位底座造型独特，富有鲜明的厚实感，平台以上塔身外粉刷由红色条带涂料并分割成3段，每段塔身东西向均设有小窗。塔内的铸铁旋转楼梯通过内芯管及筒外壁贯穿整个塔体，顺楼梯而上，可通过上人孔登上平台板，此处桅杆柱脚插入平台板，桅杆截面中心与内芯管中心对应，内芯管及铸铁楼梯也止于该板。塔体顶部设有上人平台，平台周围布有铁质栏杆，桅杆端部有拉锁拉结于平台板上，桅杆顶部安置有风向仪。

图1 信号塔（1907年）

图2 信号塔（1927年）

图3 信号塔（2017年）

1.2 结构概况

信号塔主要由基础、上部塔体（塔座和塔身）和悬挂信号的桅杆三部分组成。

信号塔移位前有地下室。1993年塔体整体移位时，原地下室被整体切割，移位后的塔体连同混凝土托盘一起搁放在钢筋混凝土板短锚固桩基础承台上，托盘四周浇筑钢筋混凝土托梁将托盘与下承台连成整体。

上部塔体由塔座、塔身及芯管组成。整个芯管贯穿塔座及塔身，并支撑于基础上。芯管上端与桅杆连接，底部与基础连接，其塔身段通过钢筋与塔身连接，钢筋上放置铸铁旋转楼梯，至上而下依附于芯管。塔身顶部设有钢筋混凝土平台板，塔座下部主要由8根混凝土柱组成，上部塔身则由混凝土块体砌筑在环形梁上。

塔身筒体砌于塔座环形梁上，砌筑块体间布置竖向构造钢筋。塔身砌体及内芯管自下而上砌筑，塔身与芯管之间通过钢筋连接（该处钢筋用于支撑旋转楼梯），钢筋两端锚固于芯管和塔身；内芯管为钢筋混凝土预制构件，预制芯管通过钢筋“插销”逐个连成节状整体。

塔体顶部桅杆总高17.5m，十字杆东西向长约3.8m，南北向长约8.0m，十字杆截面、桅杆柱由工字型型钢构成。

1.3 现场检测

1.3.1 损坏情况

近塔顶处塔身局部砌块竖向开裂，平台板（标高32.5m）因钢筋锈胀而损坏较为严重。内芯管箍筋锈胀致芯管外壁局部开裂，塔座及塔身下部无明显损坏。桅杆整体锈蚀率在6%～20%之间，部分螺栓已松动、脱落。近塔顶简易搭建平台腐朽严重，局部节点有松动现象，存在安全隐患。雨篷、空调支架、女儿墙等非结构构件无明显损坏。

根据现场基础局部开挖检测情况，信号塔基础托盘厚600mm，塔座与托盘之间浇筑为整体一同移位，移动就位后基础底板上翻托梁将托盘四周围固，信号塔与托盘交界部位、托盘与基础交界部位未发现损坏。

1.3.2 构件抗压强度

塔身块体、内芯管抗压强度20.0MPa，砌筑砂浆抗压强度7.8MPa；立柱和环形梁混凝土抗压强度为13.0MPa，平台板圈梁混凝土抗压强度为10.0～15.0MPa；信号塔铁质构件及钢筋强度均达到HPB235的要求。

1.3.3 变形测量

塔身整体向东南方向倾斜，顶部最大偏移值为10cm，最大倾斜率为4.8‰，小于高耸结构倾斜率6‰限值的要求（图4）。

1.4 承载力验算及抗震措施分析

经鉴定，塔身、塔座交界处为薄弱部位，重点验算该处承载能力。地震设防烈度为7度，Ⅳ类场地，考虑风荷载的顺风向风振，不考虑横风向风振效益，计算模型见图5。

1.4.1 风荷载下抗倾覆

M2＞M1，则交界部位抗倾覆满足要求。

1.4.2 多遇地震作用

图4 信号塔倾斜测量图

图5 计算模型图

剪应力：τ=82.2×2÷2.1=78kN/m2=0.078MPa＜0.08MPa，满足要求。

1.4.3 罕遇地震作用不满足要求。

1.5 检测小结

根据表1验算结果，信号塔塔体能满足目前使用状态要求；桅杆柱在风荷载作用下（悬挂相应风球）、罕遇地震作用下截面承载力不满足要求。考虑到信号塔后续使用年限、设防类别（乙类），且塔身顶部及桅杆等钢构件存在不同程度的耐久性问题，如内芯管箍筋锈胀致芯管外壁局部开裂、近塔顶处局部砌块竖向开裂、近塔顶平台板因钢筋锈胀损坏、桅杆整体锈蚀率较为严重（在6%～20%之间），以及部分桅杆螺栓松动、脱落等，综合判定塔身（近塔顶）、芯管及桅杆等构件耐久性不能满足后续的正常使用要求，应采取必要的修缮、加固措施。

表1 验算结果

2 加固与修缮

2.1 修缮原则

外滩信号塔在使用过程中历经时代变迁，其建筑、结构及设备情况均存在不同程度的损坏，给信号塔的重新启用带来安全隐患。通过本次修缮加固，达到建筑保护和使用安全、恢复建筑的历史风貌、改善使用功能、提高抗震性能的目的。根据建筑保护的重要性及结构破坏可能产生的后果，房屋修缮的安全等级为二级。

2.2 加固方案

为提高塔身抗震能力，在不破坏塔身本体及保护要求的情况下，采取外包钢环箍结构的抗震构造措施，具体做法如下（图6）。

（1）在塔身外侧后加粉刷层内加做环向箍板及竖向钢板，环向箍筋采用60mm×6mm不锈钢板，间距1 500～2 000mm，嵌入粉刷层环形槽内。

图6 塔身、塔座连接处内侧不锈钢环形箍板做法详图

（2）在塔身外侧竖向均匀布置4根60mm×6mm不锈钢板，嵌入粉刷层槽内，环向箍板及竖向钢板交接处焊牢。

（3）在塔身塔座连接处内侧设置连接箍板，加强塔身与塔座的连接可靠性。

钢结构加固完成后，对粉刷层进行修补，粘贴玻纤网布，并待3mm厚防裂砂浆批平后，刷一底二度外墙防水涂料，色泽保持原样。

2.3 修缮方案

信号塔塔身顶部、芯管及桅杆等构件耐久性不能满足后续的正常使用要求，应采取必要的修缮、加固措施。

（1）塔身塔顶处局部砌块竖向开裂，可在塔顶外墙处采取外包钢环箍法加固，并对裂缝进行压力灌浆处理。

（2）芯管采取外包碳纤维布法进行加固（图7、8）。

（3）钢桅杆主要采取修缮加固，保留主要钢构件，少量锈蚀严重的拆除更换。①塔内桅杆柱拆除工字钢两侧锈蚀钢板及紧固螺栓，工字钢除锈后，在两侧新加10mm厚钢板，并用同制式新螺栓固定（图9、10）；②塔外桅杆除锈后，在槽钢一侧新加12mm厚钢板，并伸入塔内与塔内桅杆连接，旧螺栓拆除后用同制式新螺栓固定；③钢桅杆除锈后，刷黑色防腐氟碳漆二度；④钢桅杆修缮加固时，应分段修缮加固，并应采取有效支撑保护措施。

图7 芯管现状

图8 芯管修缮详图

图9 钢桅杆柱

图10 钢桅杆修缮加固详图

3 结语

外滩信号塔建造至今已有110年，作为仅存的两座阿托奴博式风格建筑之一，无论从历史价值还是人文价值方面，都值得作为标志性建筑保留下去。本文通过现场检测、鉴定采集重要数据，分析信号塔内部结构构造，并提出适当加固修缮方案，适当加强其抗震整体性能，以满足后续安全使用。作为一幢“年迈”的高耸保护建筑，今后如何在不破坏原貌的情况下，保证其安全性能，需要我们更深入地研究。