上海西岸油罐艺术中心位于徐汇区龙腾大道与龙耀路交叉口, 龙腾大道以东的临江区域。本工程是在原废弃航空储油罐和消防水池等组成的工业遗址上进行升级加固和改造而成的。项目总建筑面积为10 845m², 分为新建和加固改造两部分, 共5个油罐, 其中1, 2和3号罐建于1985年, 4和5号罐建于1994年。各个罐体均根据不同建筑功能进行民用化升级改造, 并采用下沉式广场和半地下室的绿化平台 (混凝土框架结构) 将5个罐体的建筑功能联系在一起。根据建筑功能需求, 各个油罐均需在罐体上开设门窗洞口, 内部需增设1~3层不等的楼层, 且部分罐体 (2和4号罐) 需将油罐罐顶拆除。各个罐体改造后的主要建筑功能及相关设计参数如表1所示。

本工程是对储油罐这一独特的特种结构进行民用化改造, 基础设计与传统工程存在较大差别。基础设计需全方位、多角度进行研究分析, 主要需考虑以下几个因素: (1) 新增基础施工对现有油罐基础的影响; (2) 新老基础应相互协调, 避免碰撞; (3) 地下室基础与原油罐基础边界的相互协调; (4) 各个罐内结构基础设计还需综合考虑建筑净高控制、罐内场地条件的限制、上部结构受力特点、基础施工工序等多方面因素。基础设计时综合考虑上述因素, 结合各单体的实际限制条件, 因地制宜地对各个单体采用不同的基础形式。总平面鸟瞰效果如图1所示, 典型建筑剖面如图2所示。

5个油罐现均处于空置状态, 1~5号均为立式圆筒形钢制焊接油罐, 油罐平面均呈圆形, 主要由罐壁、罐顶和底板3部分组成。钢制底板采用7mm厚的钢板拼接而成, 底板周边设环形边缘板, 边缘板与底圈罐壁板采用T形接头连续焊接, 罐底采用搭接焊接。罐壁由9块钢板两两焊接, 竖向焊缝为对接焊接, 水平焊缝为搭接焊接。油罐罐顶为自支撑式固定拱顶, 罐顶与罐壁采用包边角钢搭接焊接。油罐壁厚自下而上逐块变小, 1~3号罐厚度为5.9~12.3mm, 4和5号罐壁厚度为7.0~17.1mm。油罐检测参数如表2所示。

油罐基础环梁均为一次性浇筑成型, 不设二次后浇带, 基础混凝土设计强度为C20, 混凝土采用早强微膨胀混凝土。各个油罐罐体内部钢底板下地基土体均进行了地基处理, 1~3号罐采用真空预压法进行地基处理, 4号和5号罐采用水泥土搅拌桩进行处理, 桩长19m, 桩间距1.7m (见图3) 。1~3号罐底板高出自然地面600mm, 4和5号罐高出400mm。

1) 油罐与罐外半地下室结构设缝脱开。

2) 为减轻结构自重, 方便施工, 罐内新增结构采用钢结构。

3) 罐体与罐内结构设缝脱开, 罐体仅承受自重、风荷载和地震作用。

4) 为避免罐内新增结构基础与油罐基础碰撞冲突, 上部结构设计时采用首层斜柱的形式避让原基础 (2号罐) , 或结合内部通道隔墙, 采取柱内退向外挑梁的形式进行处理 (1, 4, 5号罐) 。

1) 由于油罐与罐内、外结构均设缝脱开, 原油罐基础仅承受自重作用, 根据检测报告, 可不进行基础加固。

2) 基础设计时因地制宜地对各个单体采用不同的基础形式。

3) 基础设计时应考虑施工时序的影响。

4) 在满足结构设计安全、经济、可靠的基础上尽可能地降低施工复杂性, 降低施工成本。

由于1号和2号罐罐内建筑净高控制要求不高, 采取在油罐钢底板上整浇500mm厚混凝土筏板作为基础, 筏板与油罐底板之间采用栓钉连接 (见图4~图6) 。为保证罐内基础具有一定的埋置深度, 采取室外覆土至建筑完成面, 保证基础埋置深度≥500mm。采用筏板基础可避免对原有油罐钢底板进行切割开洞、挖土和浇筑独立基础等复杂施工工序, 不仅方便施工, 且保留了罐体的完整性。

根据地质勘察报告, 原1, 2号罐基础施工时采用真空预压法对罐内地基土体进行地基处理, 经过长时间的固结作用, 土体性质已较原天然状态下有一定的提高, 罐内 (2) 层天然地基承载力特征值为95k Pa。原油罐主要储藏航空煤油, 航空煤油容重为8k N/m³, 1, 2号罐储油容量为5 000m³, 按储油高度12.1m计算, 原油罐基础设计时需承受的最大压力为97k Pa, 可承受总重为40 000k N。以总荷载较大的2号罐为例, 2号罐总柱底受力为12 863.3k N, 底板所受压力平均为29k Pa<95k Pa, 原油罐基础可承受的总重是新增罐内结构质量的3.1倍。

综上所述, 1, 2号罐采用筏板基础, 基底平均反力小于油罐地基承载力, 罐内结构自重远小于储油时的质量, 采用筏板基础满足结构设计要求。

3, 4, 5号罐采用观光坡道和楼梯将罐内建筑与罐外半地下室联通起来, 形成一个参观回路。由于地下室标高低于油罐底板标高, 若仍采用钢底板上浇筑筏板的做法将导致罐体内部结构面高度增加, 无法满足建筑净高控制要求, 因此无法采用筏板基础。

4号罐将被改造成美术馆展厅 (共3层) , 为满足展厅大空间的需求, 平均跨度为18m, 主要采用8个钢柱承重, 柱底受力最大值为2 870k N, 采用天然基础无法满足设计要求, 因此拟采用钻孔灌注基础 (见图7) 。由于油罐是个封闭空间且受高度限制 (罐顶最高点距离地面为19m) , 桩基施工较为困难。根据建筑改造后使用需要, 4号罐需将油罐罐顶拆除, 拆除罐顶后可采用大型吊装设备将打桩设备吊至罐内进行桩基施工。因此, 罐内桩基施工需待油罐加固完成、并拆除罐顶后方可进行。4号罐曾采用水泥土搅拌桩进行地基处理, 为避免灌注桩与原水泥土搅拌桩冲突, 进行罐内工程桩施工前应先进行探测, 根据探测结果调整灌注桩位置。

罐内桩承台厚度约为1.1m, 承台底距离罐内钢底板面高度为2.5m, 桩基承台底标高低于原油罐基础标高, 承台施工时应采取临时支护措施保证原基础下土体的稳定。罐内基础施工复杂, 施工步骤: (1) 切除钢制油罐底板→ (2) 开挖土体→ (3) 对开挖周边采取必要临时支护措施→ (4) 定位并避让原水泥土搅拌桩→ (5) 完成桩基施工→ (6) 进行桩承台施工→ (7) 土体回填压实→ (8) 重新焊接封闭油罐底板。

5号罐罐内建筑为2层钢结构, 柱网布置均匀, 荷载较小, 拟采用条形基础+独立基础的形式, 基础埋深同原基础。其中东侧罐外两个框架柱距离原油罐基础太近, 为避免基础碰撞, 采用钻孔灌注桩基础。罐内结构外圈环向柱拟采用条形基础, 中部区域4个框架柱采用独立基础 (见图8) 。施工步骤: (1) 切除钢制油罐底板→ (2) 开挖土体→ (3) 完成基础施工→ (4) 土体压实回填→ (5) 重新焊接封闭油罐底板。

4, 5号罐进行基础施工时, 需将钢底板切除, 5号罐施工环形条形基础时需将钢底板沿环向一圈全部切除。底板周边环形边缘板与底圈罐壁板采用T形接头连续焊接, 若将沿条形基础一圈的底板全部切除, 对油罐的整体受力将产生很大影响。油罐钢底板作为油罐的重要组成部分之一, 对保持油罐整体稳定、抗倾覆和抗滑移稳定性等均有重要作用, 并发挥着油罐自重通过罐壁传至基础时进行应力扩散的作用。根据GB50341—2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》对油罐进行抗风稳定验算和抗滑移稳定验算。验算结果表明, 油罐空置状态下和罐顶拆除时油罐的抗倾覆稳定和抗滑移稳定均满足设计要求, 但在基础施工阶段由于底板缺失, 稳定计算不满足要求。同时, 油罐底板切除将导致在倾覆弯矩作用下罐壁和罐底接合区域钢板应力很大, 需采取加强措施。为保证油罐基础施工阶段的安全, 采取如下施工措施。

1) 在进行条形基础施工时, 将5号罐环向条基均分为8个区间进行分阶段施工 (见图9) , 每个区依次按3.4节的施工顺序, 待上个区施工完毕后 (即重新焊接封闭油罐底板后) 再进行下个区间的基础施工。通过控制施工工序, 保证底板在施工阶段仅切除原设计的1/8, 最大程度保证底板的完整性。

2) 沿着罐壁和罐底接合处环向加设锚栓, 确保罐体在罐内建筑施工过程中抗倾覆性能满足设计要求。对油罐基础进行锚固设计, 在罐体底部共均匀设置30个M24锚栓 (间距约3m) , 在倾覆力矩作用下, 锚栓最大拉力为33.7k N, 小于锚栓抗拉承载力。

本工程下沉式广场及地下室底板面标高为-3.200m, 而原3~5号罐基础埋深为-1.400m, 罐内楼面标高为0.100m, 油罐原有基础高于地下室底板面。因此, 在油罐与底板交接处需进行基坑围护设计, 基坑围护设计时应有效控制基坑开挖对原有基础的扰动影响, 并控制好原有基础的沉降及变形。

本工程基坑开挖深度约3.5m, 周边有油罐基础需要保护, 经过比选拟采用树根桩的围护形式来实施, 优点如下。

1) 满足基坑的变形控制要求, 树根桩顶设置围檩, 利用油罐弧形的平面形状, 形成空间受力, 将基坑的变形控制在油罐能承受的范围。

2) 树根桩施工过程对油罐现有基础的扰动较小, 能有效保护油罐在施工期间不被扰动。

3) 树根桩后期作为永久的保护措施置于油罐基础边, 不需要拔出, 相比钢板桩等围护形式具备减小基坑扰动的优点, 且经济性较高。

4) 树根桩施工机械小, 能满足狭小场地的工作面需要。

由于油罐钢底板面高于自然地面且油罐基础高于地下室底板, 为了加强油罐周边土体的稳定, 在油罐与地下室交接区域采用400mm@600mm的树根桩进行支护, 在非地下室区域采用400mm@1 200mm的树根桩进行土体加强, 并在桩顶设置圈梁, 形成环箍作用。

1) 经过研究论证, 明确了油罐民用化改造过程中基础设计的基本原则, 因地制宜地对各个罐内建筑采取不同的基础形式。

2) 1, 2号罐采取在油罐钢底板上现浇混凝土筏板的基础形式, 经验算基础满足设计要求。筏板基础可避免对原有油罐钢底板进行切割开洞, 以及挖土和浇筑独立基础等复杂施工工序, 不仅方便施工, 且保留了罐体的完整性。

3) 4号罐由于仅靠8个主钢柱承重, 柱底受力较大, 需采用钻孔灌注桩基础。桩基施工需待罐体加固完成并拆除罐顶后方可进行, 且施工工序复杂。

4) 5号罐采用天然基础, 罐外钢柱距离原油罐基础较近需采用桩基础, 基础施工工序繁杂。

5) 通过在4, 5号罐罐壁和底板接合区域加设锚栓, 并将5号罐环形基础分成8个施工阶段进行分区施工等措施, 保证油罐在施工工程中的整体稳定性。

6) 在油罐与地下室交接面采用φ400mm@600mm树根桩进行支护, 在非地下室区域采用φ400mm@1 200mm的树根桩进行土体加强, 并在桩顶设置圈梁, 形成环箍作用, 保证了油罐地基土体的稳定。