基于IPD模式的大跨型钢混凝土梁起拱

集成项目交付（Integrating Project Delivery，IPD）模式作为建筑行业的一种新型交付模式，有效地将项目各参与方集成在同一流程中，通过充分调用各方资源以实现建设项目利益最大化，满足现代建筑行业高度信息化的发展要求。

基于IPD模式，综合规范、结构设计和有限元模拟确定了某房建项目的大跨型钢混凝土梁的起拱高度；采用精准起拱施工工法，保证起拱误差在施工过程中满足要求，从而确保大跨型钢混凝土梁在交付使用后能达到水平的理想状态，为业主带来更好的体验。

1 工程概况

山东省肿瘤防治研究院公共停车、连廊及科研教学用房建设项目位于山东省济南市。本项目主要用于山东省肿瘤防治研究院科研教学、会议、停车等使用，由1栋3层中心连廊楼、1栋地下2层和地上6层的停车楼组成，建筑总面积为33813.2m ² ，单体面积大，建筑体型结构复杂。主体结构形式采用框架结构，屋盖结构形式采用钢筋混凝土和钢结构。部分结构设计中采用大跨型钢混凝土梁，最大跨度可达30.3m，在施工和结构设计阶段均会产生较大变形，会对结构的经济性、舒适性及安全性等方面造成一定影响，因此需在施工阶段对大跨梁进行起拱，以抵消其竖向位移。

2 IPD模式协同体系

图1所示为基于IPD模式建立的大跨型钢混凝土梁起拱的协同体系框架，主要分为集成目标、集成组织、集成信息、集成过程和集成结果5个部分。项目各参与方在协同体系框架内充分利用自己的人才、智慧、经验等，以优质高效地达成集成结果，减少资源浪费，为业主创造更高的价值。

3 起拱高度确定方法

本工程综合考虑施工阶段和结构设计阶段确定大跨型钢混凝土梁的起拱高度。

施工阶段的起拱高度可根据规范按大跨梁跨度的1/1000~3/1000进行计算；结构设计阶段的起拱高度利用盈建科软件建立结构整体模型进行计算（图2）。其中30.3m大跨型钢混凝土梁在荷载组合作用下的最大竖向挠度可达142.6mm。GB50010—2010《混凝土结构设计规范》对受弯构件挠度限值规定见表1，其中括号中的限值表明构件对挠度有较高的要求，则30.3m跨度梁的挠度限值为101（75.8）mm，小于结构设计阶段梁的最大竖向挠度。

图2 结构整体模型（计算机截图）

表1 受弯构件的挠度限值

对于本工程的大跨型钢混凝土梁，无论是从施工角度还是结构设计角度，都需要确定一个合适的起拱高度抵消其竖向变形，以达到结构面水平的理想状态。

由于实际工程的结构形式比较复杂，不同大跨型钢混凝土梁的跨度、约束条件和受力情况不同，因此其挠度计算结果也不尽相同。如果大跨梁采用统一的起拱高度，在工程交付使用后会造成结构面凹凸不平的现象，需要后期找平，造成不必要的经济损失；如果起伏较大，找平效果不好，则会影响建筑的观感，使用舒适性较差；结构面凹凸不平也不符合结构设计的要求，可能存在安全隐患。因此为了保证工程交付使用后结构面基本能保持水平，本工程对不同的大跨型钢混凝土梁采用不同的起拱高度。由于型钢混凝土梁截面刚度通常较大，且结构设计结果偏于保守，为了避免起拱高度过大，又能综合考虑施工和结构设计阶段的影响，最终大跨梁起拱高度取跨度的2/1?000和挠度计算值0.8倍中的较大值。

4 有限元验证

本工程利用ANSYS软件建立大跨型钢混凝土梁的有限元模型，分别计算跨度为30.3m（挠度计算值为142.6mm）和跨度为16.8m（挠度计算值为22.1mm）大跨梁的竖向位移，并将计算结果和起拱高度进行对比，以验证大跨梁起拱高度确定方法的准确性。30.3m梁的起拱高度取挠度计算值的0.8倍，即114.1mm；16.8m梁的起拱高度取跨度的2/1000，即33.6mm。型钢混凝土梁的混凝土为C30；型钢为Q355，截面为1000mm×250mm×20mm×20mm；30.3m梁的截面为1400mm×400mm，箍筋为8@200，纵筋为2025；16.8m梁的截面为1500mm×500mm，箍筋为8@100/200，纵筋为525+1214。

4.1 单元选型及材料本构模型

合理的单元类型和材料本构模型是保证数值模拟结果准确的前提条件，因此需要根据不同构件的特性选用相应的单元类型和材料本构模型。

（1）混凝土采用实体单元SOLID65进行模拟，本构关系采用Saenz模型，通过多线性等向强化材料模型（MISO）输入，单轴抗拉强度和抗压强度取设计值，泊松比为0.2。混凝土破坏准则采用William–Warnke五参数破坏准则。

（2）型钢采用实体单元SOLID45进行模拟，弹性模量为2.06×10 ⁵ MPa，泊松比为0.3，屈服强度为355MPa，本构关系为理想弹塑性模型，通过双线性随动强化材料模型（BKIN）输入。

（3）利用钢筋混凝土分离式模型考虑钢筋的作用。钢筋采用杆单元LINK8进行模拟，弹性模量为2.06×10 ⁵ MPa，泊松比为0.3，屈服强度按相应型号取值，本构关系为理想弹塑性模型，通过双线性随动强化材料模型（BKIN）输入。

（4）利用弹簧单元COMBIN39考虑型钢混凝土的粘结滑移行为，粘结滑移的本构关系模型采用杨勇的试验分析结果。试验的荷载–加载段滑移曲线（P~Sl曲线）如图3所示。

（a）

（ b ）

图3  P~Sl曲线

（a）形状1；（b）形状2

4.2 网格划分

为了方便网格划分后能在混凝土和型钢的接触面 上建立弹簧单元，采取自上而下的建模方式。大跨梁的网格划分如图4所示，由于结构跨度比较大，跨度方向网格尺寸为100mm。经计算分析，所用网格划分方法可同时兼顾计算效率和计算精度。

（a）

（b）

（c）

图4 大跨梁网格划分示意

（a）截面网格划分；（b）跨度网格划分；（c）型钢网格划分

4.3 荷载及约束情况

计算大跨梁的竖向位移时，应同时考虑施工阶段荷载和结构设计阶段荷载。施工阶段荷载考虑模板自重、型钢混凝土自重及其他施工荷载的影响，此时对大跨梁上表面施加沿跨度方向均匀分布的面荷载；设计阶段荷载综合考虑永久荷载和可变荷载的作用，且只考虑与大跨梁相连的楼板以及次梁传递的荷载。永 久荷载和可变荷载的传递路径如图5所示。根据荷载等效原则，分别计算出大跨梁相应位置处的荷载大小，并沿跨度分段施加面荷载。根据“强节点，弱构件”的设计原则，梁端部的约束条件为固接。

（a）

（b）

图5 不同跨度大跨梁的荷载传递路径示意

（a）30.3?m；（b）16.8?m

4.4 结果分析

模型求解过程采用牛顿–拉普森平衡迭代方法，并选用稀疏矩阵求解器求解。为了使结构计算正常收敛，计算时采取以下措施：（1）不考虑混凝土压碎；（2）打开时间自动步长；（3）使用线性搜索以及预测；（4）适当调整收敛准则。分析结果表明，采用上述方法不会影响模型的计算精度，且计算时间更短，更易收敛。

不同跨度大跨梁的位移云图如图6所示。可以看出，大跨梁的最大竖向位移均在跨中区域，30.3m梁的最大竖向位移为117.4mm，与其起拱高度114.1mm误差较小；16.8m梁的最大竖向位移34.7mm，与其起拱高度33.6mm误差较小。

（a）

（b）

图6 不同跨度大跨梁的位移云图

（a）30.3m梁竖向位移；（b）16.8m梁竖向位移

研究表明，数值模拟结果和大跨梁的起拱高度较为吻合，即本工程所应用的大跨型钢混凝土梁起拱高度确定的方法能有效抵消大跨梁的竖向位移，可应用于实际工程中的大跨梁起拱。

5 起拱方式和注意事项

大跨梁起拱的方式主要有图7所示几种类型。

（a）

（b）

（c）

（d）

图7 起拱方式示意

（a）抛物线起拱；（b）双折线起拱（梁顶水平，梁底起拱）；

（c）双折线起拱（梁顶、梁底起拱）；（d）多折线起拱

图7（a）所示为抛物线起拱，这种起拱方式和大跨梁实际的变形曲线比较吻合，是符合结构设计的起拱方式，但是现场施工难度较大，容易出现施工误差较大的情况。

图7（b）所示为双折线起拱，其中梁顶保持水平，梁底起拱，这种起拱方式削弱了梁截面，降低了梁跨中的承载力，不符合结构设计和规范要求，实际施工过程中应尽量避免。

图7（c）所示也为双折线起拱，其中梁顶和梁底均起拱，这种起拱方式不会改变梁截面高度，同时现场施工难度相对较小，但是和梁实际的变形曲线误差较大，适合于起拱高度不大的梁。

图7（d）所示为多折线起拱，起拱效果和现场施工难度介于图7（a）和图7（c）两种起拱方式之间，是综合性能较好的起拱方式。本工程大跨梁的起拱高度和跨度的比值较小，为了施工便捷，最终选用图7（c）所示的起拱方式。

6 大跨型钢混凝土的精准起拱土梁

在建筑工程的施工过程中，传统起拱施工工法效率低，且施工精度无法保证，可能会出现起拱误差较大的情况，造成质量隐患，导致工期延误、费用增加。为了解决上述问题，本工程采用精准起拱施工工法，规范了施工流程，并在施工过程中采取不同的措施保证起拱误差，满足要求，若有问题及时调整，以确保大跨型钢混凝土梁能够精准起拱。

6.1 起拱流程

精准起拱施工工法的规范流程为：梁支撑加固体系计算→满堂支撑架搭设→设置支撑架监控系统→梁底模铺设→型钢吊装与固定→钢筋绑扎→梁侧模铺设→ 混凝土浇筑与养护→模板拆除。

6.2 起拱高度保障措施

（1）在满堂支撑架搭设阶段，通过调节可调底座或可调托座调整梁底模的起拱高度。在梁底模铺设之前进行复检，确保起拱高度满足要求。（2）为保证大跨梁在施工过程中的精准起拱及其他监测要求，采用支撑架监控系统监控支撑架的受力和变形。（3）在型钢吊装与固定阶段，型钢根据图纸分段吊装。首先将型钢与钢骨柱连接，连接时注意复测型钢底标高，根据起拱高度在型钢分段连接处调整型钢起拱标高，分段安装每节型钢，之后布置型钢支撑体系，防止其变形或倾倒。（4）由于大跨梁的跨度和截面尺寸较大，为了便于施工和过程检查，本工程对大跨梁的起拱高度进行深化设计，并采取梁模底部顶部二次复核的方式进行精准起拱。根据永久标高点引测梁底模底部起拱高度，利用现有板顶标高线检测梁顶部起拱高度，两数据比对检查数据是否相符，出现偏差现场调整，重复核验，最后检查监控系统数据，控制偏差符合要求。（5）施工时严格落实人员岗位职责，熟悉图纸规范做好技术交底，落实到人，对工人严格说明模板支设顺序，支设高度和精准起拱要求，且有质检员、测量员全程旁站监督，控制起拱高度准确性。

6.3 起拱高度校核验证

在验收阶段利用水准仪对大跨型钢混凝土梁的起拱高度进行校核验证，检测数量按照GB50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》规定：“在同一检测批内，对梁，跨度大于18m时应全数检查，跨度不大于18m时应抽查构件数量的10%，且应不少于3件”，最终大跨梁的起拱误差控制在2~5mm。精准起拱施工工法明确起拱措施和检测方式，施工流程顺畅，起拱误差小，应用前景好。

7 效益分析

在工程交付使用后，对大跨型钢混凝土梁的梁端楼板和跨中楼板高差进行抽检，抽检数量满足规范要求。测量结果表明，楼板高差范围为–6~7mm，与跨度的最大比值为0.0003，结构面基本水平，满足要求。以本工程为例，分别计算采用传统起拱工法和精准起拱工法对大跨型钢混凝土梁起拱所需工期和费用，工程所用主要材料为：盘扣钢管48×3mm、12mm竹胶板、型钢材325t和支模架检测系统。经测算对比，在同等条件下（人工、材料、机械）采用精准起拱工法共节省10d工期，每平方米节省成本7元。

从工程实践结果可以看出，本工程应用的大跨型钢混凝土跨梁起拱高度的确定方法能够有效抵消施工阶段和结构设计阶段梁体的竖向变形；精准起拱施工工法的成功应用为同类大跨型钢混凝土梁的起拱施工开创了一种全新的施工控制方法，采用智能检测起拱报警系统保证质量，杜绝了大跨梁挠度控制不准确、位置不明确、过程受力监测困难的质量安全隐患。

8 结论

（1）通过综合考虑施工阶段和结构设计阶段大跨梁的竖向位移，给出了大跨型钢混凝土梁起拱高度的确定方法。（2）精准起拱工法相较于传统起拱工法明确了起拱措施和检测方式，可靠性高、施工流畅、精准度高、经济效益和社会效益好。（3）有限元分析以及施工结果表明，大跨梁起拱高度的确定方法能有效抵消其竖向位移，以达到结构面水平的理想状态，可应用于实际工程中的大跨型钢混凝土梁起拱。（4）IPD模式能够有效集成各方资源，实现利益最大化。