新建建筑對既有建筑沉降的影響與分析

王 勇，孟德菊

（1.甘肅省建筑科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省建材科研設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730020）

0 引言

近年來，城市建設與發(fā)展的速度越來越快，用地緊張、城市規(guī)劃要求不滿足成為了新建項目推進較慢的兩個主要問題。特別是在老城改造項目及工業(yè)園區(qū)項目的建設中，相鄰建筑物建造時間及施工工序不同，在既有建筑附近出現新建或貼建建筑物的情況更加普遍。由于附加荷載的出現，導致既有建筑發(fā)生新的不均勻沉降、傾斜，甚至產生墻體或基礎開裂，進而嚴重影響了既有建筑的正常使用，產生了嚴重的安全隱患。對于城市建設中出現的貼面建筑的問題，很多學者通過理論計算和工程試驗等方法對相鄰建筑物的受力特性、作用機理等均做了有益的研究，但對于相鄰建筑發(fā)生沉降的影響因素及其影響范圍的分析與研究尚顯不足［1-4］。

本文對既有建筑產生沉降的因素進行了分類與匯總，并利用數值模擬的手段，采用 MIDAS-GTS 對靜力荷載作用下的相鄰建筑進行有限元模擬與分析，對新建建筑樓層與相鄰建筑間距造成的沉降進行分析，為同類工程問題的研究提供參考。

2 既有建筑沉降的影響因素

既有建筑產生沉降的內因［5］：既有建筑的上部荷載、結構形式、自身剛度、構件強度、穩(wěn)定性、使用年限、建筑類別和土層差異等因素。

既有建筑產生沉降的外因［6］：臨近的基坑開挖、臨近的新建建筑荷載；臨近的附加荷載及滲流等因素。

3 有限元軟件介紹

近年來，隨著計算機技術的廣泛應用和飛速發(fā)展，數值模擬分析技術在工程領域也得到了大力發(fā)展。MIDAS-GTS 有限元軟件是由 MIDAS IT 結構軟件公司開發(fā)的一款專業(yè)三維有限元軟件，主要用于巖土與隧道結構的分析。該軟件將有限元分析內核與巖土隧道結構的專業(yè)性要求有機地結合在一起，集合了目前巖土隧道分析軟件的優(yōu)點。MIDAS-GTS 有限元軟件基本上涵蓋了巖土與隧道方面所需的分析計算功能，如非線性彈塑性分析、非穩(wěn)定滲流分析、施工階段分析、滲流－應力耦合分析、固結分析、地震、動力分析等。MIDAS-GTS 有限元軟件采用 Windows 風格的操作界面，運用完全中文化的語言，結合了國內外許多軟件的優(yōu)點使學習者更容易理解和掌握。MIDAS-GTS 有限元軟件具有以下特點。

1）具有較為全面的單元庫，使得計算模擬更加符合工程的實際受力狀態(tài)。

2）包含比較豐富的材料本構模型，針對各種巖體、土體材料，可以更加準確地模擬其應力與應變關系。

3）幾何建模方式靈活多變，既可以導入第三方軟件的數據文件，也可以在該軟件中利用其幾何工具進行建模。

4）可以提供多樣的網格劃分形式，并對網格劃分進行最優(yōu)化處理。

5）可以根據工程的實際受力條件、邊界條件和分析工況來定義其邊界荷載。

6）在定義施工階段時，只需要通過拖放來實現單元的生死，同時對于工況復雜的工程，該軟件還提供了施工階段建模助手，根據網格組的名稱來輕松定義施工階段。

7）可根據分析需要來選擇分析工況。

4 有限元模擬及分析

4.1 工程概況

甘肅省臨夏市某縣老城區(qū)為推進其城鎮(zhèn)化建設，擬建一棟寫字樓，由于場地條件所限，與附近房屋距離較近，其中與某一居民房屋相距僅為 2 m。該寫字樓共計 10 層，為框架結構，各層層高均為 4 m。

4.2 模型參數

采用 MIDAS-GTS 建立有限元模型，新建 10 層的單體建筑，既有建筑為單層建筑，該模型的地層參數如表 1 所示。

表1 地基土層參數表

4.3 基本假定

1）假定在建筑物范圍內，土體為均勻各向同性彈塑性體，土體應力變化關系符合摩爾－庫倫模型。

2）假定在相鄰建筑物施工前，土體的應力和性狀不受外在因素的影響。

3）假定在相鄰建筑物施工中，土體力學性能不受外在因素的影響，且不考慮土體中滲流作用。

4.4 新建建筑層數變化對既有建筑的沉降量影響分析

4.4.1 模型計算區(qū)域

<1)，且各件產品是否為不合格品相互獨立．

本文采用 MIDAS-GTS 有限元軟件進行建模分析時，選取的土體模型尺寸長×高為 80 m×30 m，相鄰建筑物的間距為 2 m。計算模型如圖 1 所示，土體與建筑均采用二維平面單元。土體的強度準則采用摩爾-庫倫準則和彈塑性本構關系。

圖1 新建建筑對既有建筑的沉降影響模型

4.4.2 模擬結果分析

1）新建建筑層數變化時的沉降量。由圖 2～圖 7 可知，既有建筑物施工完畢即會產生沉降，沉降最大值出現在該建筑物的重心位置正下方，為 5 mm（見圖 2）；當出現新建建筑時，既有建筑中靠近新建建筑的一側產生沉降，隨著新建建筑的層數增加，既有建筑產生的沉降變大，且其最大值有向新建建筑重心方向移動的趨勢（圖 3～圖 7）。

圖2 既有建筑沉降量

圖3 新建 2 層時既有建筑沉降量

圖4 新建 4 層時既有建筑沉降量

圖6 新建 8 層時既有建筑沉降量

圖7 新建 10 層時既有建筑沉降量

2）新建建筑層數變化對既有建筑產生的沉降對比分析。取建筑物中軸線與地面相交的點進行沉降對比與分析，如圖 8 所示。由建筑沉降量變化曲線可知，新建建筑與既有建筑沉降量隨著新建建筑層數的增加而增加，且既有建筑沉降變化曲線相對平緩，即沉降量增速較慢，新建建筑沉降的增加更快。新建建筑層數的增加與自身沉降及對既有建筑產生的沉降均呈正比例的線性關系。

圖8 新建建筑與既有建筑沉降量曲線

新建建筑對既有建筑兩側的沉降影響曲線如圖 9 所示。由圖 9 可得，既有建筑左側與右側的沉降量隨著新建建筑樓層的增加而增加，既有建筑右側沉降的增加趨于平緩，左側沉降的增加相對于右側更快，且兩側沉降的差值與樓層的增加呈正比關系。

圖9 既有建筑兩側沉降量曲線

4.5 新建建筑物與既有建筑物間距變化對沉降量的影響分析

4.5.1 工程概況

甘肅省皋蘭縣某居民房屋為 1 層砌體結構建筑，層高 3.5 m，附近新建一棟 2 層居民樓，也為砌體結構，層高均為 3.5 m，兩棟建筑相距 4 m，同為條形基礎。

4.5.2 模型計算區(qū)域

此次模擬中，既有建筑為 1 層，新建建筑為 2 層，且土體模型尺寸與 4.4.1 一樣。新建建筑與既有建筑的間距分別取 0.5、2、4、6、8、10 m。計算模型如圖 10 所示，土體與建筑物均采用二維平面單元。

圖10 新建 2 層建筑對既有 1 層建筑的沉降影響

4.5.3 相鄰建筑間距變化時的沉降量

由圖 11～圖 16 可知，新舊建筑的間距對既有建筑的沉降也有一定的影響，隨著樓間距的增大，最大沉降值出現的位置逐漸遠離既有建筑，且既有建筑所受新建建筑的影響逐漸變小，其中，最大沉降量出現的位置逐漸接近新建建筑的重心所在的軸線。

圖11 間距為 0.5 m 時沉降量

圖12 間距為 2 m 時沉降量

圖13 間距為 4 m 時沉降量

圖14 間距為 6 m 時沉降量

圖15 間距為 8 m 時沉降量

圖16 間距為10 m 時沉降量

5 結論

本文通過有限元軟件對新建建筑與既有建筑進行數值模擬，對新建建筑與既有建筑的沉降進行對比發(fā)現：新建建筑的沉降隨層數的增加而增大；新建建筑對既有建筑的沉降隨著新建建筑層數的增加而增大；新建建筑層數的增加對既有建筑兩側的沉降影響不一，兩側沉降的差值和新建建筑層數的增加呈正比；隨著新建 2 層建筑與既有 1 層建筑間距的增大，最大沉降值逐漸遠離既有建筑。Q