新建建筑对既有建筑沉降的影响与分析

王 勇，孟德菊

（1.甘肃省建筑科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省建材科研设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730020）

0 引言

近年来，城市建设与发展的速度越来越快，用地紧张、城市规划要求不满足成为了新建项目推进较慢的两个主要问题。特别是在老城改造项目及工业园区项目的建设中，相邻建筑物建造时间及施工工序不同，在既有建筑附近出现新建或贴建建筑物的情况更加普遍。由于附加荷载的出现，导致既有建筑发生新的不均匀沉降、倾斜，甚至产生墙体或基础开裂，进而严重影响了既有建筑的正常使用，产生了严重的安全隐患。对于城市建设中出现的贴面建筑的问题，很多学者通过理论计算和工程试验等方法对相邻建筑物的受力特性、作用机理等均做了有益的研究，但对于相邻建筑发生沉降的影响因素及其影响范围的分析与研究尚显不足［1-4］。

本文对既有建筑产生沉降的因素进行了分类与汇总，并利用数值模拟的手段，采用 MIDAS-GTS 对静力荷载作用下的相邻建筑进行有限元模拟与分析，对新建建筑楼层与相邻建筑间距造成的沉降进行分析，为同类工程问题的研究提供参考。

2 既有建筑沉降的影响因素

既有建筑产生沉降的内因［5］：既有建筑的上部荷载、结构形式、自身刚度、构件强度、稳定性、使用年限、建筑类别和土层差异等因素。

既有建筑产生沉降的外因［6］：临近的基坑开挖、临近的新建建筑荷载；临近的附加荷载及渗流等因素。

3 有限元软件介绍

近年来，随着计算机技术的广泛应用和飞速发展，数值模拟分析技术在工程领域也得到了大力发展。MIDAS-GTS 有限元软件是由 MIDAS IT 结构软件公司开发的一款专业三维有限元软件，主要用于岩土与隧道结构的分析。该软件将有限元分析内核与岩土隧道结构的专业性要求有机地结合在一起，集合了目前岩土隧道分析软件的优点。MIDAS-GTS 有限元软件基本上涵盖了岩土与隧道方面所需的分析计算功能，如非线性弹塑性分析、非稳定渗流分析、施工阶段分析、渗流－应力耦合分析、固结分析、地震、动力分析等。MIDAS-GTS 有限元软件采用 Windows 风格的操作界面，运用完全中文化的语言，结合了国内外许多软件的优点使学习者更容易理解和掌握。MIDAS-GTS 有限元软件具有以下特点。

1）具有较为全面的单元库，使得计算模拟更加符合工程的实际受力状态。

2）包含比较丰富的材料本构模型，针对各种岩体、土体材料，可以更加准确地模拟其应力与应变关系。

3）几何建模方式灵活多变，既可以导入第三方软件的数据文件，也可以在该软件中利用其几何工具进行建模。

4）可以提供多样的网格划分形式，并对网格划分进行最优化处理。

5）可以根据工程的实际受力条件、边界条件和分析工况来定义其边界荷载。

6）在定义施工阶段时，只需要通过拖放来实现单元的生死，同时对于工况复杂的工程，该软件还提供了施工阶段建模助手，根据网格组的名称来轻松定义施工阶段。

7）可根据分析需要来选择分析工况。

4 有限元模拟及分析

4.1 工程概况

甘肃省临夏市某县老城区为推进其城镇化建设，拟建一栋写字楼，由于场地条件所限，与附近房屋距离较近，其中与某一居民房屋相距仅为 2 m。该写字楼共计 10 层，为框架结构，各层层高均为 4 m。

4.2 模型参数

采用 MIDAS-GTS 建立有限元模型，新建 10 层的单体建筑，既有建筑为单层建筑，该模型的地层参数如表 1 所示。

表1 地基土层参数表

4.3 基本假定

1）假定在建筑物范围内，土体为均匀各向同性弹塑性体，土体应力变化关系符合摩尔－库伦模型。

2）假定在相邻建筑物施工前，土体的应力和性状不受外在因素的影响。

3）假定在相邻建筑物施工中，土体力学性能不受外在因素的影响，且不考虑土体中渗流作用。

4.4 新建建筑层数变化对既有建筑的沉降量影响分析

4.4.1 模型计算区域

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

本文采用 MIDAS-GTS 有限元软件进行建模分析时，选取的土体模型尺寸长×高为 80 m×30 m，相邻建筑物的间距为 2 m。计算模型如图 1 所示，土体与建筑均采用二维平面单元。土体的强度准则采用摩尔-库伦准则和弹塑性本构关系。

图1 新建建筑对既有建筑的沉降影响模型

4.4.2 模拟结果分析

1）新建建筑层数变化时的沉降量。由图 2～图 7 可知，既有建筑物施工完毕即会产生沉降，沉降最大值出现在该建筑物的重心位置正下方，为 5 mm（见图 2）；当出现新建建筑时，既有建筑中靠近新建建筑的一侧产生沉降，随着新建建筑的层数增加，既有建筑产生的沉降变大，且其最大值有向新建建筑重心方向移动的趋势（图 3～图 7）。

图2 既有建筑沉降量

图3 新建 2 层时既有建筑沉降量

图4 新建 4 层时既有建筑沉降量

图6 新建 8 层时既有建筑沉降量

图7 新建 10 层时既有建筑沉降量

2）新建建筑层数变化对既有建筑产生的沉降对比分析。取建筑物中轴线与地面相交的点进行沉降对比与分析，如图 8 所示。由建筑沉降量变化曲线可知，新建建筑与既有建筑沉降量随着新建建筑层数的增加而增加，且既有建筑沉降变化曲线相对平缓，即沉降量增速较慢，新建建筑沉降的增加更快。新建建筑层数的增加与自身沉降及对既有建筑产生的沉降均呈正比例的线性关系。

图8 新建建筑与既有建筑沉降量曲线

新建建筑对既有建筑两侧的沉降影响曲线如图 9 所示。由图 9 可得，既有建筑左侧与右侧的沉降量随着新建建筑楼层的增加而增加，既有建筑右侧沉降的增加趋于平缓，左侧沉降的增加相对于右侧更快，且两侧沉降的差值与楼层的增加呈正比关系。

图9 既有建筑两侧沉降量曲线

4.5 新建建筑物与既有建筑物间距变化对沉降量的影响分析

4.5.1 工程概况

甘肃省皋兰县某居民房屋为 1 层砌体结构建筑，层高 3.5 m，附近新建一栋 2 层居民楼，也为砌体结构，层高均为 3.5 m，两栋建筑相距 4 m，同为条形基础。

4.5.2 模型计算区域

此次模拟中，既有建筑为 1 层，新建建筑为 2 层，且土体模型尺寸与 4.4.1 一样。新建建筑与既有建筑的间距分别取 0.5、2、4、6、8、10 m。计算模型如图 10 所示，土体与建筑物均采用二维平面单元。

图10 新建 2 层建筑对既有 1 层建筑的沉降影响

4.5.3 相邻建筑间距变化时的沉降量

由图 11～图 16 可知，新旧建筑的间距对既有建筑的沉降也有一定的影响，随着楼间距的增大，最大沉降值出现的位置逐渐远离既有建筑，且既有建筑所受新建建筑的影响逐渐变小，其中，最大沉降量出现的位置逐渐接近新建建筑的重心所在的轴线。

图11 间距为 0.5 m 时沉降量

图12 间距为 2 m 时沉降量

图13 间距为 4 m 时沉降量

图14 间距为 6 m 时沉降量

图15 间距为 8 m 时沉降量

图16 间距为10 m 时沉降量

5 结论

本文通过有限元软件对新建建筑与既有建筑进行数值模拟，对新建建筑与既有建筑的沉降进行对比发现：新建建筑的沉降随层数的增加而增大；新建建筑对既有建筑的沉降随着新建建筑层数的增加而增大；新建建筑层数的增加对既有建筑两侧的沉降影响不一，两侧沉降的差值和新建建筑层数的增加呈正比；随着新建 2 层建筑与既有 1 层建筑间距的增大，最大沉降值逐渐远离既有建筑。Q