经典煤气柜结构检测、再利用与评估

1、经典煤气柜结构检测、再利用与评估施工技术经典煤气柜结构检测,再利用与评估*童乐为孙传祺赵贞欣庄磊陈扬骥陈以一(同济大学建筑工程系上海200092)摘要位于上海杨树浦路,建于1936年的一个直径为34m的经典钢质煤气柜,是我国近代工业诞生的标志.提出了对该废弃的煤气柜进行保护和内部空间利用的设想,讨论了如何对老旧煤气柜进行检测和设置内部结构使其升起,并对升起状态的煤气柜进行了结构安全评估.研究表明,除了有不同程度,局部性的基础损坏和钢材锈蚀外,煤气柜基本完好.内部建造钢框架结构将煤气柜升起和利用内部空间的方案是可行的.当煤气柜升起后在风荷载作用下,其钢扳和铆钉连接都具有足够的强度,但是壁厚较薄的

2、上部柜体容易产生局部屈曲,这部分结构需要设置加劲肋予以加固.关键词老旧煤气柜建筑保护与再利用钢结构检测与评估STRUCTURALINSPECTIoN,REUSEANDAPPRAISEMENToFCLASSICGASTANKTongLeweiSunChuanqiZhaoZhenxinZhuangLeiChenYangjiChenYiy(DepartmentofBuildingEngineering,ToniUniversityShanghai200092)ABSTRACTThegastanklocatedinYangshupuRoad,Shanghaiisaclassicalsteelgasta

3、nkwithadiameterof34meterbuiltin1936.whichiSasymbolofthebirthofChineseindustriesinmoderntimes.Anideaofprotectingtheabandonedgastankandmakinguseofitsinsidespaceisproposedinthepaper.Itisdiscussedhowtoinspecttheagedgastankandmakeitrisebymeansofinsidestructures.Thestructuralappraisementofthegastankiscarr

4、iedoutundertheconditionofitsrise.Itisconcludedfromthepresentstudythatthegastankisinbasicallygoodconditionexceptthatitsfoundationfailsandsteelrustslocallytoadifferentdegree.Theplanisfeasibletoliftthegastankanduseinsidespacebyconstructingsteelframestructuresinside.Whenthegastankisrisenandsubjectedtowi

5、ndloads,itssteelplatesandrivetconnectionswillhavesufficientstrength,butitsupperpartswithsmallthicknessofwallwillbepronetolocalbuckling.Thepartsshouldbereinforcedbyusingstiffeners.KEYWORDSagedgastankbuildingprotectionandreusesteelstructuresinspectionandappraisement1概况保护优秀的经典建筑已成为国策,具有重要的历史,文化,经济等意义.近

6、年来人们保护优秀历史建筑的意识不断增强,既重视有人文特色的民用建筑,也开始关注具有重要历史意义和价值的经典工业建筑,例如对创办于1883年上海杨树浦自来水厂修缮保护以及近期上海世博会建设对会址内诞生于1865年的江南造船厂的保留方案.同时,除了通常原汁原味的保护外,还考虑在可能的基础上进行再利用的保护.对优秀历史工业建筑保护与再利用,国际上一些国家的创新探索和成功事例给人以启迪.例如奥地利的维也纳,有4座建于19世纪末,直径60m,高65m的巨型煤气柜,废弃不用后,保留其古典厚实的砖外墙立面,将内部功能转换,改建成具有办公,购物,娱乐等功能的现代化大型商业设施(图1),巧妙地将工业纪念碑的外观

7、与商业中心的内容融合于一体.因城市建设发展的需要,上海杨树浦煤气厂现已停产,厂区内1936年由英国人设计制造的2万m.煤气柜成为我国现存的历史最悠久的煤气柜(图2),见证了上海乃至我国煤气工业的发展,是我国近代工业诞生的一个标志,政府有关部门决策将其作为优秀历史工业建筑进行保护.本文认为除了将煤气柜各塔节升起进行原状保护外,还可像维也纳煤气柜那样进行改造,在外观保护的同时充分利用内部大空间,或者建成展示煤气工业发展历史的专业博物馆,或者建成服务社会的商业设施.本文针对该煤气柜未来可能的保护再利用,从结构层面讨论煤气柜检测,塔节提升和内部空间再利用方*本文研究工作开展过程中得到了上海市杨浦区文物

8、管理办公室和原杨树浦煤气厂领导的大力支持和帮助,在此表示深切的谢意.第一作者:童乐为男1961年5月出生教授Email:Suneql108163.corn收稿日期:2007100968钢结构2008年第3期第23卷总第105期童乐为,等:经典煤气柜结构检测,再利用与评估案以及安全评估等问题.ba一工业纪念碑的外观-b一商业中心的景象图1维也纳煤气柜2煤气柜现状图2所示的煤气柜为钢结构螺旋式煤气柜,由1个固定的水槽塔节和3个可活动升降的塔节组成.当煤气柜注入或放出煤气时,借助导轮和导轨,ba一煤气柜外观;b一地面环梁局部损坏图2煤气柜现状3个活动塔节可升起或下降.煤气柜最大直径34m,当3个活动

9、塔节都落地时高度约8m,当3个活动塔节都升起时总高度约34m.煤气柜侧面和顶面通过大量的薄钢板拼接而成,外表面再设置型钢加劲肋,顶面内设置径向辐射状的三角形型钢桁架,所有板件,构件的连接均采用早期的铆钉连接.基础为木桩基础.1999年煤气厂停产,煤气柜不再储存煤气.经现场调查,煤气柜现状为:1)因无煤气储存,3个活动塔节都降落在地面上大量积水,平时下落的雨水大量积存在煤气柜内而不能排除掉.2)钢结构柜体总体上保存完好,铆钉连接基本良好,存在的问题主要是不同部位不同程度的锈蚀和局部损坏.在煤气柜外部,接近基础的水槽钢板,检修钢梯,塔节上的导轨,顶部钢板和栏杆等处有明显的锈蚀现象,其中钢梯和栏杆局

10、部破损.在煤气柜内部,侧面的钢板,顶部桁架和环梁锈蚀较严重(以后的钢材材性试验过程中,经量测表面锈蚀厚度在1ram以内).煤气柜内部钢材锈蚀严重有多方面原因:首先,使用过程中煤气中少量硫化氢成分的酸性介质会对钢材产生腐蚀作用;其次,氧浓差电池腐蚀的影响;最后,也是最主要的是,煤气柜弃用后为了排空余留的煤气,侧面和顶部的钢板被开孔,外界空气进入发生氧化反应,促进锈蚀,同时煤气柜处于无人管理状态,水槽内终年雨水积存,长期环境潮湿,进一步加重钢材锈蚀.3)煤气柜停止使用后厂家曾将水槽内的水排除,当时引起煤气柜基础不均匀反弹,并使煤气柜外侧的地面环梁以及下面的基础混凝土沿着煤气柜周长有不同程度的损坏(

11、图2b),同时,也导致用于支撑顶部桁架的塔架柱(当顶部塔节落地放置时起作用)倾倒损坏(见图3c).4)已有7O多年历史的该煤气柜由英国人设计,目前图纸严重残缺不齐,保存至今的仅有十多张图纸,涉及结构尺寸的,只有煤气柜塔节直径和高度,其他几何尺寸,钢材性能,地质资料,基础资料等都缺乏图纸,极大地影响了对整个煤气柜结构细节的了解.3煤气柜结构检测由于严重缺乏煤气柜原始设计图纸的结构数据,故需对其进行现场检测,测绘出与整个煤气柜有关结构几何尺寸的图纸,获得钢材的材性数据和铆钉连接的强度数据.现场测量采用多台爬梯协作,由专业技术人员和辅助工人完成,绘制了完整的煤SteelConstruction.20

12、08(3),Vo1.23,No.1O569施工技术气柜钢结构图纸,图3为部分测绘示意图.煤气柜水槽塔节由1018mm厚度不等的钢板拼接,其他塔节由4mm钢板拼接,顶部由4mm和6mm钢板拼接,作为侧面钢板的加劲肋以及顶部屋盖(专业术语为钟罩)的桁架所采用的槽钢,角钢,工字钢和T型钢厚度为510mm.拼接水槽塔节和其他塔节的钢板,分别采用M8和M18的铆钉.Ca一各塔节落地放置时的立面Ib一各塔节升起时的立面;c一各塔节落地放置时的剖面图3煤气柜测绘示意在水槽和另一塔节的人孔旁分别切割了少量钢板,加工成T1和T2两组(每组3个)的标准试样,进行有关化学成分的检测和力学性能的拉伸试验.虽然煤气柜由

13、多种厚度的钢板和型钢制造,但是为了尽可能减少对煤气柜结构的人为损害,仅在两处取样.考虑到20世纪30年代用于结构的钢材牌号较单一,同时同一构筑物也不会采用多种牌号的钢材,故钢材取样的做法是恰当合理的.表1和表2分别列出检测后的力学性能和化学成分以及与我国Q235钢材的比较.检测表明,两处取样的钢材具有相同的化学成分,属于低碳钢,且化学成分和力学性能都相当于目前我国的Q235钢材.表1煤气柜材性试验数据及与我国Q23s钢材的比较在水槽塔节和其他塔节上分别切割了带铆钉M18和M8的钢板,如图4所示,加工成2组抗剪试样(每组3件),进行抗剪强度试验,试验结果的平均值列于表3.试验表明,M18的大铆钉

14、破坏时,由于搭接的钢板厚度较大(为14mm),具有明显的剪切破断的特征,而M8的小铆钉连接的钢板厚度小(为4mm),具有剪切破坏外,在破坏的最后阶段还表现出一定的拉断特征.参照我国现行钢结构设计规范(GB500172003)L2对铆钉,螺栓强度设计值的取值方法,取铆钉抗力分项系数为2.0,由表3试验获得的铆钉剪表2煤气柜钢材化学成分及与我国Q23s钢材的比较断时的强度可以得到表中两种铆钉的抗剪强度设计值.钢结构设计规范(GB50017-2003)有关I类孔的铆钉抗剪强度设计值不分铆钉直径大小,均为185MPa.对照表3,试验所得的铆钉抗剪强度设计值还是较接近规范所规定的值.表3铆钉抗剪试验结果

15、4煤气柜塔节升起保护与再利用方案目前煤气柜各塔节处于落地放置状况,未来煤气柜各塔节应在永久性升起的状况下进行保护,以反映整个煤气柜的全貌和雄伟.在无煤气压力情况下,需依靠辅助支架和机械设备将3个原可活动的塔节顶升,或提升,或吊升到图3b所示的高度位置,实现煤气柜永久性升起的外观保护.经计算,一,二,三塔质量分别约75,35,35t,总质量约145t,这70钢结构2008年第3期第23卷总第lO5期童乐为,等:经典煤气柜结构检测,再利用与评估a一铆钉M18;b一铆钉M8图4铆钉抗剪试样样的质量,起重设备或液压顶升设备不难应对.经典煤气柜的保护需突破常规思路,走外观保护与室内空间开发利用相结合的道

16、路,一举两得.室内空间的利用至少可考虑两种用途的选择,方案一是建立中国煤气工业博物馆,实地展示近代煤气工业的诞生与发展,用模型解析煤气生产,储存,输送等工艺流程,该博物馆与杨浦区自来水厂等其他经典工业建筑一起形成上海乃至中国近代工业建筑群,打造上海工业历史旅游风景线.实施方案一时,室内可仅单层利用,使用面积近600In.此时结构处理较简单,主要是建造支架将升起后的煤气柜塔节永久性固定.如图5a的三维示意图,设想在煤气柜内部中心以直径27In的圆周上(距煤气柜最里面的塔节有2In多的距离,以保证基础施工)架设总高31.8In的环形钢框架体系,由24根柱和8道环梁组成.在钢框架与每个塔节底部相对应

17、的高度处沿环向一周设置24个水平悬挑梁,搁置提升起来的3个塔节,并与其牢固连接.煤气柜的顶部仍可利用原来的屋盖桁架和顶板,但是钢框架体系的径向刚度不考虑利用原有桁架的刚度.在钢框架体系的立面上,沿环向每隔一个柱间设置1道交叉支撑,沿竖向每个塔节高度设置2道交叉支撑.钢框架的梁,柱均采用断面经济而刚度大的格构式钢梁和钢柱.方案二是结合上海市北外滩开发改造的布局定位,进行煤气柜室内商业,娱乐业等项目的开发,实现古朴经典的煤气柜外表与内部现代化商业的交融,别具一格.以商业利用产生的效益补贴保护的投入,形成良性的循环发展.实施方案二时,应分隔室内空间楼层使之充分利用,在3个升起后的塔节底部分别设置了楼

18、面(见图3b),每楼层高度约7.6In,形成共4层的空间.在室内中心区域设置中庭,围绕中庭进行室内商业和垂直交通布局,有利于设施与环境的和谐.如图5b的三维示意图,设想设置两圈刚架体系,外圈钢框架体系与方案一相同;在直径9In的圆周处布置内圈钢框架体系,同样由12根柱和8道环梁组成.内外两圈钢框架体系之间在各塔节升起的底部高度处,均用径向主钢梁和环向次钢梁联系起来,并形成楼层结构.为了中庭采光,拆除顶部原有的桁架和顶板,另建新屋盖.a一方案一;b一方案二图5煤气柜升起保护与利用时内部钢框架结构布置5升起后的煤气柜塔节安全评估煤气柜升起后,整个结构由两大部分组成:一是用于承重的内部钢框架结构体系

19、,由柱,环梁,楼面梁(仅方案二),支撑等组成;二是原有的煤气柜塔节,它们完全成为围护结构,主要承受风荷载,并将其传递到内部的钢框架结构体系.钢框架结构是新设计的,按照现行有关规范总能达到要求.本文已做过初步设计,进行了包括活载,风荷载,地震等各种荷载组合下的计算,表明所构想的结构方案一和方案二都是可行的,构件断面也在常规尺寸范围内,限于篇幅不再展开.关键是煤气柜塔节的安全问题,以往煤气柜的活动塔节靠内部的煤气压力升起,无煤气或少量煤气储存时,活动塔节落地,隐藏在水槽塔节之内,不承受风荷载.无论方案一还是方案二,各塔节靠钢框架结构升起,内部不再有煤气压力,受力条件发生改变,在风荷载作用下各塔节钢

20、板的强度,局部稳定,铆钉连接强度需要验算,确认是否能满足安全要求.验算考虑的荷载工况及组合为:1.2自重+1.4风荷载(对水槽和塔节);1.0自重+1.4风荷载(对顶部钢板,因顶部壳体矢跨比为0.08,全为风吸_3,永久荷载分项系数取1.0).采用ANSYS软件分析塔节受力,图6为各塔节升起的有限元计算模型,按照实测的几何数据建模,各塔节包含了连接SteelConstruction.2008(3),Vo1.23,No.10571施工技术在钢板上的竖向工字钢或者槽钢加劲肋以及侧向的工字钢轨道.各塔节在与内部钢框架结构连接的位置处设置铰接约束,煤气柜底部全部固支约束.验算结果列于表4,可见各塔节的

21、钢板强度和铆钉连接强度都能满足要求,壁厚1018mm的水槽塔节不会发生局部屈曲,但是壁厚4mm的其他塔节升起后在内部没有煤气压力,风荷载作用下容易发生局部屈曲.这表明未来若将煤气柜各塔节升起保护,须对壁厚4mm的塔节设置附加的加劲肋加固,避免其局部失稳.图6煤气柜柜体有限元计算模型表4煤气柜塔节验算验算项目水槽塔节其他塔节注:水槽塔节和其他塔节分别采用M18和M8铆钉.煤气柜升起后的室内空间利用,须进行系统的建筑设计,包括平立面布置,水平和竖直交通组织,通风采光,隔热保温,节能,除锈防腐防火等细节.在建筑设计的基础上,再完成结构设计和基础改造设计方案以及完成施工组织计划.6结论1)具有历史文物价值和重要地位的工业建筑也需要象优秀民用建筑那样得到人们的关注和保护.在有条件的情况下,保护应与合理利用相结合,充分发挥建筑的效用,使保护更有意义和价值.2)经检测,除了有不同程度,局部性的基础损坏和钢材锈蚀外,原杨树浦煤气厂的经典钢结构煤气柜基本完好.英国制造的煤气柜所使用的钢材为低碳钢,其化学成分和力学性