预应力混凝土电视塔结构检测及评定.pdf

年 月第 卷第 期?年 月第 卷第 期中 文 引 用 格 式：李 进，喻 洪，李 占 鸿，等预 应 力 混 凝 土 电 视 塔 结 构 检 测 及 评 定 特 种 结 构，（）：英 文 引 用 格 式：，（）：预 应 力 混 凝 土 电 视 塔 结 构 检 测 及 评 定李 进喻 洪李 占 鸿，白 雪，宋 攀 峰，南 京 市 房 屋 安 全 服 务 中 心 南 京 安 厦 房 屋 安 全 鉴 定 检 测 事 务 所 上 海 市 建 筑 科 学 研 究 院 有 限 公 司 上 海 市 工 程 结 构 安 全 重 点 实 验 室 摘 要：南 京 市 广 播 电 视 塔 高 度 为，采 用 钢 筋 混 凝 土 结 构 和 钢 结 构，电 视 塔 经 过 三 十 余 年 使 用，受到 自 然 灾 害 和 环 境 侵 蚀 等 各 种 不 利 因 素 的 影 响，多 处 存 在 露 筋、锈 蚀 及 混 凝 土 剥 落 现 象，局 部 存 在 水 渍、涂 料 局 部 起 皮 剥 落 等 情 况，部 分 钢 绞 线 表 面 浮 锈、锚 固 端 松 动。本 文 针 对 其 高 耸 异 形、全 面 采 用 高 效 预应 力 的 特 点，对 电 视 塔 的 检 测 及 评 定 技 术 进 行 研 究，对 今 后 预 应 力 混 凝 土 电 视 塔 检 测 具 有 指 导 意 义。关 键 词：预 应 力 混 凝 土 电 视 塔高 耸 异 形 结 构现 场 检 测振 型 分 解 反 应 谱 法安 全 性 评 估：牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牶 引 言广 播 电 视 塔 是 一 种 重 要 的 高 耸 结 构，钢 筋混 凝 土 结 构 电 视 塔 多 采 用 形 状 对 称 的 圆 筒 形 塔身，具 有 耐 久 性 强、造 型 美 观 等 优 点。世纪年 代 以 来，我 国 陆 续 建 设 了 一 批 混 凝 土 电视 塔，其 中 一 些 大 型 电 视 塔 代 表 了 世 界 先 进 水平，都 采 用 了 预 应 力 技 术。目 前 这 批 混 凝 土 电 视塔 已 使 用 三 四 十 年，由 于 建 造 时 期 设 计 和 施 工 的原 因，以 及 长 期 使 用 过 程 中 自 然 灾 害 和 环 境 侵 蚀等 各 种 不 利 因 素 的 影 响，既 有 高 耸 钢 筋 混 凝 土 结构 广 播 电 视 塔 普 遍 存 在 开 裂、钢 筋 锈 胀、预 应 力锚 固 端 锈 蚀 等 问 题，结 构 可 靠 性 和 安 全 性 有 所 下降。相 对 于 一 般 建 筑 而 言，这 类 电 视 塔 外 形 具 有回 转 曲 面 或 非 回 转 曲 面、内 凹 或 外 凹 面 等，不 利于 后 期 的 维 护 和 保 养，结 构 检 测 及 后 续 修 缮 维 护不 便，更 易 累 积 安 全 隐 患。预应力混凝土电视塔结构检测及评定李 进喻 洪李 占 鸿白 雪宋 攀 峰?辽 宁 塔 是 我 国 首 先 采 用 环 向 预 应 力 技 术 的 工程，预 应 力 钢 绞 线 用 量 为。其 后 中 央 塔、天津 塔 不 仅 采 用 了 环 向 预 应 力 技 术，还 采 用 了 竖 向预 应 力 技 术，每 座 塔 预 应 力 钢 绞 线 用 量 有，埋 管。南 京 市 广 播 电 视 塔 是 我 国 超 高预 应 力 混 凝 土 电 视 塔 之 一，基 础 承 台 板、塔 身、水 平 连 梁、大 塔 楼 倒 锥 壳 环 梁、混 凝 土 天 线 段 等部 位 采 用 预 应 力 技 术，预 应 力 工 程 量 大、技 术 要求 高，具 有 一 定 的 代 表 性。图 南京市广播电视塔立面图 汪 祖 培 等介 绍 了 几 座 混 凝 土 电 视 塔 中 环 向和 竖 向 预 应 力 技 术 的 应 用，以 及 预 应 力 设 计 中 需要 解 决 的 技 术 问 题。裘 建 东 等介 绍 了 预 应 力 技术 在 斯 里 兰 卡 科 伦 坡 电 视 塔 设 计 中 的 应 用。倪 冬燕 等介 绍 了 高 耸 异 形 构 筑 物 的 维 护 保 养 施 工 技术。上 述 学 者 主 要 介 绍 了 几 座 混 凝 土 电 视 塔 结 构 的预 应 力 布 置 形 式 及 其 作 用，以 及 混 凝 土 电 视 塔 维 护保 养 的 施 工 技 术，目 前 尚 无 学 者 对 预 应 力 混 凝 土 电视 塔 结 构 检 测 及 评 定 技 术 进 行 分 析 和 归 纳。本 文 针 对 预 应 力 混 凝 土 电 视 塔 结 构 这 一 类 高耸 异 形 建（构）筑 物，结 合 南 京 市 广 播 电 视 塔 检 测鉴 定 案 例，分 析 其 独 特 的 检 测 技 术 和 鉴 定 方 法。工 程 概 况南 京 市 广 播 电 视 塔 由 天 线 段、小 塔 楼、大 塔楼、塔 身、塔 座 组 成，构 筑 物 高 度 为（至 天线 段 顶 部），于年 建 造、年 竣 工，原 设 计 依 据 工业 与 民 用 建 筑 抗 震 设 计 规 范（）。年月 塔座 进 行 了 局 部 改 动，作 为 科 技馆 使 用。南 京 市 广 播 电 视 塔 采 用钢 筋 混 凝 土 结 构 和 钢 结 构，天 线 段 采 用 钢 结 构 及 钢 筋 混凝 土 结 构，大 塔 楼 和 小 塔 楼主 要 采 用 钢 结 构，塔 座 采 用钢 筋 混 凝 土 框 架 结 构，基 础承 台 板、塔 身、水 平 连 梁、大 塔 楼 倒 锥 壳 环 梁、混 凝 土天 线 段 等 部 位 采 用 预 应 力 技术，均 为 有 粘 结 预 应 力 筋，结 构 立 面 示 意 见 图。检 测 鉴 定 工 作 的 重 点 和 难 点 预 应 力 钢 绞 线 锚 固 端 检 测南 京 市 广 播 电 视 塔 塔 身 包 括 塔 肢、连 梁、塔 楼 支 承 环 及 钢 筋 混 凝 土 桅 杆，均 采 用 钢 筋 混凝 土 结 构。电 视 塔 设 计 时 风 荷 载 起 控 制 作 用，为 承 受 塔 肢 在 风 荷 载 作 用 下 的 拉 弯 应 力，在 塔肢 截 面 施 加 竖 向 预 应 力，在 连 梁 截 面 施 加 环 向预 应 力。塔 身 在个 塔 肢 的 外 沿，布 置 了组 不 同 高度 的 竖 向 预 应 力 筋，高 度 及 配 筋 分 别 为：（）第 一 组：从，每 肢孔。（）第 二 组：从，每 肢孔。（）第 三 组：从，每 肢孔。在 塔 身 的个 塔 肢 间，由道 连 梁（空 腹 箱形 梁）相 连。连 梁 中 配 了段 组 成 的 环 形 封 闭 的预 应 力 筋，位 于 箱 形 截 面 的 四 角。锚 具 是 预 应 力 混 凝 土 构 件 锚 固 预 应 力 筋 的 装饰，后 张 法 构 件 依 靠 锚 具 传 递 预 应 力，它 对 在 构件 中 建 立 有 效 预 应 力 起 着 至 关 重 要 的 作 用。因此，预 应 力 锚 固 端 是 否 松 动，是 预 应 力 混 凝 土 构件 检 测 的 关 键。清 水 混 凝 土 塔 身 检 测南 京 市 广 播 电 视 塔 在 建 造 时 使 用 了 清 水 混 凝土 作 为 塔 身 主 体 结 构 材 料，这 种 材 料 一 次 性 浇 筑成 型，极 具 装 饰 效 果。但 常 年 暴 露 于 大 自 然 环 境中，受 风、雨、雪、日 晒 等 自 然 因 素 的 影 响，混凝 土 表 面 不 可 避 免 地 会 出 现 露 筋、变 色、污 渍 等局 部 损 伤，不 仅 影 响 建 筑 物 美 观，也 存 在 安 全 隐患，因 此 使 用 一 段 年 限 后 需 进 行 检 测 及 维 护保 养。南 京 市 广 播 电 视 塔 检 测 作 业 面 覆 盖 广，作 业区 段 高 度 达 到，且 多 为 悬 空 状 态，塔 身外 立 面 检 测 人 员 可 到 达 的 部 位 十 分 有 限，因 此 本次 采 用 基 于 无 人 机 成 像 的 表 面 缺 陷 检 测 方 式。基 于 视 觉 外 观 信 息 的 无 人 机 检 测 在 小 区 域 和飞 行 困 难 地 区 可 以 快 速 获 取 高 分 辨 率 影 像，但 是对 于 小 目 标 无 人 机 的 检 测 能 力 不 足，如 测 量 钢 筋锈 蚀 率 等 仍 需 蜘 蛛 人、吊 篮、附 着 式 脚 手 架 作 业检 测。分 析 模 型 建 立南 京 市 广 播 电 视 塔 主 体 结 构 较 为 复 杂。塔 身 年 月第 卷第 期 由个 核 心 筒 塔 肢 互 成、沿 高 度 方 向道 连梁 拉 结 组 成，为 主 要 抗 侧 力 构 件；天 线 段 钢 筋 混凝 土 方 桅 杆 与 混 凝 土 塔 身 整 体 浇 筑，上 方 钢 桅 杆插 入 钢 筋 混 凝 土 方 桅 杆 内；两 个 钢 结 构 塔 楼 附 着在 塔 身 上；塔 座 与 塔 身 连 为 一 个 整 体，未 设 置 变形 缝。因 此 计 算 模 型 包 含 天 线 段、小 塔 楼、大 塔楼、塔 身、塔 座 各 部 分。南 京 市 广 播 电 视 塔 采 用 通 用 有 限 元 软 件建 模，模 型 中 梁、柱 采 用 梁 单 元，剪 力墙 和 楼 板 采 用 壳 单 元。软 件 计 算 时 将 连 续 体 离 散为 有 限 个 网 格 单 元，单 元 之 间 通 过 节 点 相 互 连 接形 成 组 合 体。当 模 型 较 为 复 杂 时，壳 单 元 和 梁 单元 之 间 出 现 彼 此 不 协 调 的 情 况，即 求 解 时 两 种 单元 之 间 传 递 不 适 当 的 荷 载 和 位 移。为 了 解 决 这 个问 题，电 视 塔 模 型 中 每 个 壳 单 元 四 周 设 置 截 面 尺寸 较 小 的 虚 梁，虚 梁 与 壳 单 元 之 间 网 格 节 点 合并，并 与 梁 单 元 相 连，可 以 实 现 各 部 分 形 成 整体，有 效 传 递 荷 载 和 位 移。南 京 市 广 播 电 视 塔 检 测 的 实 施 与 效 果 预 应 力 钢 绞 线 锚 固 端 检 测现 场 对 塔 身组 不 同 高 度 的 竖 向 预 应 力 筋 锚固 端 状 况 和 钢 绞 线 数 量 进 行 抽 样 检 测。检 测 结 果表 明，预 应 力 钢 绞 线 股 数 和 直 径 与 原 设 计 一 致。抽 查 标 高 处塔 肢 钢 绞 线 表 面 浮 锈、锚 固 端 未 松 动，标 高 处塔 肢 钢 绞 线未 锈 蚀、锚 固 端 松 动，如 图所 示。图 检测情况 基 于 无 人 机 成 像 的 表 面 缺 陷 检 测首 先 引 入 无 人 机 采 集 电 视 塔 的 图 像 信 息，无人 机 型 号 为 经 纬大 疆 无 人 机。其 次 对无 人 机 图 像 数 据 进 行 预 处 理，完 成 原 始 影 像 的 匀色 处 理、匀 光 处 理、影 像 畸 变 纠 正、解 析数据 等 工 作。之 后 将 无 人 机 获 取 的 原 始 影 像 数 据、解 析数 据 导 入 软 件 平 台，进行 参 数 设 置 与 空 三 处 理，由 对 图像 进 行 分 割、特 征 提 取 与 特 征 匹 配，获 得、方 向 上 的 位 置 匹 配 以 及 三 位 重 建 自 动 连 接 点，并 进 一 步 进 行 场 景 覆 盖。空 三 处 理 后 进 行 三 维 重建，输 出 具 有 真 实 纹 理 的 高 分 辨 率 实 景 三 维 模型。该 模 型 能 够 准 确、精 细 地 还 原 出 建 筑 主 体 的真 实 色 泽、几 何 形 态 及 细 节 构 成，三 维 模 型 成 果见 图。通 过 对 三 维 模 型 的 缺 陷 识 别，可 以 获 得缺 陷 的 位 置 信 息、几 何 信 息 和 结 构 损 伤，从 而 实现 精 准 检 测。图 电视塔数字化模型 检 测 结 果 表 明，塔 身 塔 肢 内 侧 及 连 梁 内 侧 普遍 存 在 露 筋、锈 蚀 及 混 凝 土 剥 落 现 象，塔 肢 和 连梁 侧 面 及 外 侧 损 伤 相 对 较 少，如 图所 示。图 检测情况 除 此 以 外，采 用 传 统 的 检 测 方 式，电 视 塔 还存 在 以 下 损 伤：（）塔 座 顶 板 多 处 开 裂、有 水 渍、钢 筋 锈 胀、混 凝 土 剥 落；柱 侧 面、墙 面 多 处 有 水 渍；预应力混凝土电视塔结构检测及评定李 进喻 洪李 占 鸿白 雪宋 攀 峰?（）小 塔 楼 顶 板 局 部 钢 筋 锈 胀、混 凝 土 剥 落，室 内 吊 顶 普 遍 存 在 霉 渍、涂 料 脱 落；（）大 塔 楼 室 内 墙 面 及 吊 顶 多 处 有 水 渍，涂料 局 部 起 皮 剥 落。常 规 检 测建 筑 结 构 平 面 布 置 复 核现 场 采 用 激 光 测 距 仪 和 钢 卷 尺 对 塔 座 轴 网 尺寸、层 高、主 要 承 重 构 件 尺 寸、塔 楼 层 高 进 行 了复 核，检 测 结 果 表 明，电 视 塔 结 构 平 面 布 置 与 原设 计 和年 塔 座 改 造 设 计 图 纸 基 本 一 致，除小 塔 楼 望 层 层 高 与 设 计 值 有 差 异 以 外，其 余 实测 轴 网 尺 寸、层 高、主 要 承 重 构 件 尺 寸 等 与 原 设计 和年 塔 座 改 造 设 计 图 纸 基 本 一 致。构 件 配 筋 检 测现 场 对 结 构 构 件 配 筋 情 况 进 行 抽 样 检 测，构件 配 筋 检 测 采 用 钢 筋 探 测 仪 探 测 钢 筋 数 量，用 钢卷 尺 测 量 钢 筋 间 距，并 凿 开 混 凝 土 保 护 层 用 游 标卡 尺 测 量 钢 筋 直 径 和 保 护 层 厚 度。现 场 抽 查 塔 身剪 力 墙、塔 座 梁 和 柱、大 塔 楼 剪 力 墙 和 梁、小 塔楼 梁 配 筋。检 测 结 果 表 明，抽 查 主 要 承 重 构 件 配筋 与 原 设 计 和年 塔 座 改 造 设 计 图 纸 基 本一 致。材 料 强 度 检 测现 场 采 用 混 凝 土 回 弹 仪 对 塔 楼、塔 身、塔 座等 构 件 混 凝 土 强 度 进 行 抽 样 测 试，同 时 采 用 钻 芯机 在 部 分 构 件 上 钻 取 芯 样，用 以 修 正 回 弹 法 测 试结 果。芯 样（芯 样 直 径 为）经 切 割、磨 平并 养 护 后 进 行 抗 压 试 验。检 测 结 果 表 明，塔 身 剪力 墙 构 件 检 验 批 混 凝 土 强 度 达 到 设 计 强 度 等 级的 要 求；塔 楼 梁 构 件 检 验 批 混 凝 土 强 度 达 到设 计 强 度 等 级的 要 求；塔 座 柱 梁 构 件 检 验 批混 凝 土 强 度 达 到 设 计 强 度 等 级的 要 求。采 用 表 面 硬 度 法 推 算 钢 材 强 度，表 面 硬 度 测试 采 用 里 氏 硬 度 计。检 测 结 果 表 明，塔 楼 钢 材 推算 抗 拉 强 度 达 到钢 的 相 关 要 求。南 京 市 广 播 电 视 塔 数 值 模 拟采 用 通 用 有 限 元 软 件分 析 南 京 市 广 播电 视 塔 在 各 工 况 荷 载 作 用 下 的 响 应，电 视 塔 整 体 模型 如 图所 示。考 虑 风 荷 载 作 用，地 面 粗 糙 度 为类，基 本 风 压。抗 震 设 防 烈 度度、重点 设 防 类，设 计 基 本 地 震 加 速 度，类 场 地 图 电视塔整体模型 土，阻 尼 比 取。竖 向预 应 力 钢 绞 线 对 塔 身 施 加的 反 力，按 照 集 中 力 施 加在 塔 身 上；环 向 预 应 力 钢绞 线 通 过 定 义 索 单 元 施 加预 应 力。采 用 振 型 分 解 反应 谱 法 进 行 地 震 作 用 计算。电 视 塔 均 采 用 有 粘 结预 应 力 筋，锚 固 端 松 动 的影 响 相 对 较 小；塔 身 虽 然钢 筋 局 部 锈 蚀，但 模 型 中主 要 考 虑 混 凝 土 的 作 用，未 考 虑 钢 筋 的 作 用。结 构 计 算 分 析 时 前阶 自 振 特 性 见 表、图所 示。从 表中 看 出，电 视 塔 自 振 特 性 基 本合 理。结 构 扭 转 为 主 的 第 一 自 振 周 期（）与 平 动 为 主 的 第 一 自 振 周 期（）之 比为。表自 振 特 性 计 算 结 果 阶 数周 期 方 向 东 西 向 一 阶 平 动 南 北 向 一 阶 平 动 东 西 向 二 阶 平 动 南 北 向 二 阶 平 动 扭 转图 电视塔前五阶振型 数 值 计 算 结 果 表 明，电 视 塔 结 构 抗 风 起 控 制作 用，塔 座 柱 梁、剪 力 墙、塔 楼 钢 柱 钢 梁、地 基基 础 承 载 力 基 本 满 足 要 求。年 月第 卷第 期 处 理 建 议根 据 现 场 检 测 情 况 和 计 算 分 析 结 果，对 电 视塔 提 出 如 下 处 理 建 议：（）对 塔 肢 钢 绞 线 锚 固 端 进 行 普 查，对 锈 蚀、锚 固 端 松 动 的 塔 肢 钢 绞 线 进 行 维 修 处 理。对 钢 筋锈 胀、混 凝 土 剥 落 的 混 凝 土 构 件 进 行 维 修 处 理。（）对 室 内 一 般 损 伤 采 取 适 当 措 施 进 行 维 修处 理。结 论本 次 南 京 市 广 播 电 视 塔 检 测 工 作，针 对 其 高耸 异 形、全 面 采 用 高 效 预 应 力 的 特 点，研 究 了 检测 及 评 定 技 术，对 电 视 塔 目 前 使 用 状 况 进 行 了 分析，评 估 了 结 构 安 全 性。得 到 如 下 结 论：检 测 预 应 力 锚 固 端、钢 绞 线 使 用 状 况 是 判断 预 应 力 混 凝 土 构 件 能 否 正 常 工 作 的 关 键 环 节；基 于 无 人 机 成 像 的 表 面 缺 陷 检 测 可 以 实 现 作 业 面的 全 覆 盖；复 杂 结 构 的 模 型 建 立，需 关 注 不 同 单元 之 间 连 接 是 否 有 效 且 协 调 一 致。检 测 结 果 表 明，南 京 市 广 播 电 视 塔 经 过 三十 余 年 使 用，受 到 自 然 灾 害 和 环 境 侵 蚀 等 各 种 不利 因 素 的 影 响，多 处 存 在 露 筋、锈 蚀 及 混 凝 土 剥落 现 象，局 部 存 在 水 渍、涂 料 局 部 起 皮 剥 落 等 情况，部 分 钢 绞 线 表 面 浮 锈、锚 固 端 松 动，后 续 应采 取 适 当 措 施 进 行 维 修 处 理。南 京 市 广 播 电 视 塔 采 用 钢 筋 混 凝 土 结 构 和钢 结 构，针 对 不 同 部 位，合 理 选 用 了 预 应 力 钢 筋混 凝 土、钢 结 构、混 凝 土 框 架 等 不 同 的 结 构 类型，传 力 路 径 明 确，构 造 措 施 合 理，有 良 好 的 抗震 能 力。经 计 算 复 核，各 项 指 标 满 足 规 范 要 求。经 采 取 适 当 维 修 措 施 后，电 视 塔 主 体 结 构 安 全 性满 足 后 续 使 用 要 求。参 考 文 献何 敏 娟，刘 慧 芬，梁 峰，等高 耸 钢 塔 在 强 震 后 的 现 场 检测 和 抗 震 计 算 分 析 特 种 结 构，（）：，（）：邱 意 坤高 耸 混 凝 土 结 构 地 震 动 强 度 指 标 和 整 体 损 伤 研 究北 京：北 京 交 通 大 学，汪 祖 培，张 小 玲，俞 志 雄，等混 凝 土 电 视 塔 中 预 应 力 技术 的 应 用 高 效 预 应 力 混 凝 土 工 程 实 践，：裘 建 东，张 红 印，丛 蓉预 应 力 技 术 在 斯 里 兰 卡 科 伦 坡 电视 塔 设 计 中 的 应 用 特 种 结 构，（）：，（）：倪 冬 燕，杨 德 生，谷 凯，等高 耸 异 形 建（构）筑 物 维 护 保养 施 工 技 术 研 究 与 应 用 第届 华 东 六 省 一 市 土 木 建筑 工 程 建 造 技 术 交 流 会 论 文 集（下 册），：工 业 与 民 用 建 筑 抗 震 设 计 规 范 北 京：中 国 建筑 工 业 出 版 社，：，