王 勇，孟德菊

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

0 引言

近年來，城市建設(shè)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(shè)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(xiàn)新建或貼建建筑物的情況更加普遍。由于附加荷載的出現(xiàn)，導(dǎo)致既有建筑發(fā)生新的不均勻沉降、傾斜，甚至產(chǎn)生墻體或基礎(chǔ)開裂，進而嚴(yán)重影響了既有建筑的正常使用，產(chǎn)生了嚴(yán)重的安全隱患。對于城市建設(shè)中出現(xiàn)的貼面建筑的問題，很多學(xué)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(chǎn)生沉降的因素進行了分類與匯總，并利用數(shù)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(chǎn)生沉降的內(nèi)因［5］：既有建筑的上部荷載、結(jié)構(gòu)形式、自身剛度、構(gòu)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(chǎn)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(shù)的廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展，數(shù)值模擬分析技術(shù)在工程領(lǐng)域也得到了大力發(fā)展。MIDAS-GTS 有限元軟件是由 MIDAS IT 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的分析。該軟件將有限元分析內(nèi)核與巖土隧道結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求有機地結(jié)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(yīng)力耦合分析、固結(jié)分析、地震、動力分析等。MIDAS-GTS 有限元軟件采用 Windows 風(fēng)格的操作界面，運用完全中文化的語言，結(jié)合了國內(nèi)外許多軟件的優(yōu)點使學(xué)習(xí)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(gòu)模型，針對各種巖體、土體材料，可以更加準(zhǔn)確地模擬其應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。

3）幾何建模方式靈活多變，既可以導(dǎo)入第三方軟件的數(shù)據(jù)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(wǎng)格劃分形式，并對網(wǎng)格劃分進行最優(yōu)化處理。

5）可以根據(jù)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(xiàn)單元的生死，同時對于工況復(fù)雜的工程，該軟件還提供了施工階段建模助手，根據(jù)網(wǎng)格組的名稱來輕松定義施工階段。

7）可根據(jù)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(shè)，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(jié)構(gòu)，各層層高均為 4 m。

4.2 模型參數(shù)

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(shù)如表 1 所示。

表1 地基土層參數(shù)表

4.3 基本假定

1）假定在建筑物范圍內(nèi)，土體為均勻各向同性彈塑性體，土體應(yīng)力變化關(guān)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(yīng)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(xué)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(shù)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(chǎn)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(zhǔn)則采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)關(guān)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(jié)果分析

1）新建建筑層數(shù)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(chǎn)生沉降，沉降最大值出現(xiàn)在該建筑物的重心位置正下方，為 5 mm（見圖 2）；當(dāng)出現(xiàn)新建建筑時，既有建筑中靠近新建建筑的一側(cè)產(chǎn)生沉降，隨著新建建筑的層數(shù)增加，既有建筑產(chǎn)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(shù)變化對既有建筑產(chǎn)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(shù)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(shù)的增加與自身沉降及對既有建筑產(chǎn)生的沉降均呈正比例的線性關(guān)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(cè)的沉降影響曲線如圖 9 所示。由圖 9 可得，既有建筑左側(cè)與右側(cè)的沉降量隨著新建建筑樓層的增加而增加，既有建筑右側(cè)沉降的增加趨于平緩，左側(cè)沉降的增加相對于右側(cè)更快，且兩側(cè)沉降的差值與樓層的增加呈正比關(guān)系。

圖9 既有建筑兩側(cè)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(jié)構(gòu)建筑，層高 3.5 m，附近新建一棟 2 層居民樓，也為砌體結(jié)構(gòu)，層高均為 3.5 m，兩棟建筑相距 4 m，同為條形基礎(chǔ)。

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(xiàn)的位置逐漸遠(yuǎn)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(xiàn)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(jié)論

本文通過有限元軟件對新建建筑與既有建筑進行數(shù)值模擬，對新建建筑與既有建筑的沉降進行對比發(fā)現(xiàn)：新建建筑的沉降隨層數(shù)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(shù)的增加而增大；新建建筑層數(shù)的增加對既有建筑兩側(cè)的沉降影響不一，兩側(cè)沉降的差值和新建建筑層數(shù)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(yuǎn)離既有建筑。Q