李嘉喆

裝配式建筑以模塊化、標準化的預制結構為基礎，通過工廠化生產和現(xiàn)場組裝，實現(xiàn)建筑工程的快速高效、綠色環(huán)保建造。結構連接方式與節(jié)點的設計是裝配式建筑系統(tǒng)中至關重要的環(huán)節(jié)，直接影響安全性、穩(wěn)定性、剛度等建筑性能指標。本文在分析裝配式建筑特點的基礎上，重點探討了常見連接方式與節(jié)點設計的規(guī)律與原理，指出了現(xiàn)有問題并提出對應改進策略，以期為裝配式建筑的結構設計與施工提供可借鑒的技術支撐。

1 裝配式建筑的分類及特點

裝配式建筑按構件預制度可分為全預制、半預制和組合預制3 類。全預制如浙江恒立Loft 公寓工程，墻體、樓板、樓梯等均為預制整體搭接；半預制如山東淄博嘉園項目，僅核心筒、樓板、樓梯采用整體預制；組合預制如江蘇四海苑區(qū)項目，墻體、樓板現(xiàn)場澆筑，預制部位主要為柱、梁、樓梯等。就建造特點而言，全預制工期最短，現(xiàn)場施工作業(yè)最少，拆解重組次數(shù)最多；反之，組合預制現(xiàn)場作業(yè)量最大，整體搭接次數(shù)最少。這3 類裝配式建筑均采用開放化結構體系設計，控制單體尺寸限制，實現(xiàn)靈活搭接替換。

裝配式建筑共享工業(yè)化預制、機械化施工以及標準化連接等技術特征。以強度指標而論，現(xiàn)澆混凝土C30 可對應預制混凝土C40、C50 水平。裝配式采用拉結構連接技術，混凝土抗壓強度可高達70 MPa 以上，鋼材強度亦高于Q345。就截面尺寸而論，預制樓板標高僅僅150 mm，顯著縮小建筑層高[1]，對應抗側剛度約為傳統(tǒng)現(xiàn)澆體系的3 ～4 倍。綜上，裝配式建筑構件表面質量良好，數(shù)量少、類型單一、尺寸精確，有利于節(jié)省材料和提升關聯(lián)效率。

2 裝配式建筑結構連接方式與節(jié)點設計原則

2.1 裝配式建筑常見結構連接方式

裝配式建筑的結構連接可分為桁架連接、樓板連接、墻體連接、基礎連接4 大類。桁架連接主要通過螺栓、鋼板、套筒等構件進行校核。如在杭州未來科技城項目中，上部構件預制I型梁與下部構件預制版式柱采用高強螺栓連搭接，其中，單節(jié)柱承載能力達1200 kN。樓板連接方式則有螺栓連接、噴射式連接、抱箍連接等類型。其中噴射式結構運用C60 混凝土進行節(jié)點面層噴射，可有效控制裂縫展寬，提高疲勞強度，已在青島地鐵4 號線等工程廣泛采用。此外，滬甬高鐵站景區(qū)公寓項目中，工字立柱與預制樓板之間設置間接抱箍連接，可提供60度耐火防護，符合2 h 耐火要求。墻體連接主要通過墻體砌塊間螺栓連接或引入疊合梁進行處理。例如，北京K2 紅樹灣項目中，預制剪力墻塊與整體樓板之間設置疊合梁進行過渡連接，可顯著提高結構剛度，有效控制層間位移?；A連接方面，廣州珠江國際中心通過基礎柱頂螺栓吊裝逐層完成樓體構建，可快速形成整體穩(wěn)定結構。

裝配式建筑基于開放化結構設計理念，原則上每類構件之間均可快速拆裝替換。采用拉結構連接構成空間立體網絡體系，充分發(fā)揮節(jié)點效應，確保建成后強度、剛度指標優(yōu)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結構。裝配式建筑節(jié)點設計遵循“一體化”4原則，主要包括：建筑集成、結構支撐、機電配套、裝修一體，將多個預制構件焊接或螺栓連接成一個整體，避免產生新疆界，保證整體節(jié)點強度。

2.2 節(jié)點設計原則

裝配式建筑節(jié)點設計應謹遵構造合理化原則，充分考量力學性能、構造協(xié)調性，在保證節(jié)點實際承載力和剛度的前提下，優(yōu)化細節(jié)處理簡化施工。結構節(jié)點區(qū)位于構件和組件交匯處，需兼顧多方面需求。還要兼顧構件自身內力傳遞要求，處理好柱梁接頭、墻板接口、樓板撓度銜接等典型情況；同時協(xié)調不同材質之間連接技術參數(shù)，如鋼結構螺栓連接、混凝土節(jié)點面層噴射等；此外，節(jié)點處預制構件運輸?shù)跹b變形量較大，設計時應充分考量節(jié)點構造對于吊裝穩(wěn)定性及裝配構件體系容差的適應性。

按照構造合理化原則，典型框架柱節(jié)點需處理好梁端拉結構的錨固點位移和傾覆控制。采用側向支撐或增加梁端伸出段可有效改善傾覆穩(wěn)定性，也可在柱內置預埋件以增加界面摩擦抗力?？蚣芰憾斯?jié)點設計上，需處理好上級梁與下級柱節(jié)點錯位問題，避免產生偏心臂距，通常可采用欄桿或斜撐作為過渡。核心筒與框架柱節(jié)點連接處，作為整體結構重要出力位置，常采用大面積的連接子料進行混凝土整體澆灌，保證力流良好傳導，也可優(yōu)選高強螺栓連接、空心鋼管套筒連接等方式。樓板節(jié)點主要考量撓度變形協(xié)調問題，設置平臺過渡系統(tǒng)或采用柔性材料進行緩沖[2]。

3 裝配式建筑結構連接與節(jié)點設計存在問題分析

3.1 鋼結構連接件設計不當削弱節(jié)點承載能力

裝配式建筑中，鋼結構連接件主要包括高強螺栓、鋼板、套筒等，廣泛應用于框架梁柱連接、樓板剪力墻連接等關鍵部位，提供拉結構作用。連接件參數(shù)選取不當，可能削弱節(jié)點區(qū)抗剪承載力，對結構安全性造成隱患。以高層公寓項目為例，超高層鋼結構采用框架-核心筒體系，核心筒與框架柱梁之間的連接承載著較大的剪切內力。若連接螺栓選用規(guī)格較小，螺栓本身抗剪強度無法滿足設防需求，極易發(fā)生斷裂；連接子料混凝土強度較低時，螺栓孔周覆蓋層破壞進一步削弱承載能力。子料抗壓強度低于C60 級時，所提供的抗剪強度約為C60 混凝土的50%，難以保證連接節(jié)點區(qū)強度合理儲備[3]。

此外，焊接工藝在鋼結構的連接處也深刻影響著節(jié)點的抗剪性能力。在石家莊某工業(yè)化制造中心項目中，發(fā)現(xiàn)部分角鋼焊縫存在錯位、間隙過大以及未焊透等質量問題。根據(jù)《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB 50205—2020），由于這些質量問題，大型角鋼的焊接系數(shù)僅為0.85，這實際上降低了15%的截面強度儲備，對整體節(jié)點的抗剪承載力造成了嚴重影響。在地震的周期性交替反復荷載作用下，這些局部的焊縫質量問題更可能成為引發(fā)疲勞破壞的源頭。在裝配式建筑的節(jié)點處，預制構件在拼裝過程中需要承受較大的運輸位移沖擊，如果焊縫存在質量問題，將進一步加大承載力削減以及疲勞損傷的風險。

3.2 預制墻板與樓板接口連接處理不當降低剛度

裝配式建筑中，預制墻板與樓板的接口連接關系到整體結構的剛度和抗側力性能。由于墻板與樓板采用離散化預制，兩者高度標高、混凝土強度等參數(shù)難以保證完全一致，接口連接處理不當，將明顯降低結構剛度，對抗風振和抗震性能產生負面影響。量綱解析顯示，雙層樓板剪力墻結構相對剛度約為0.8，界面接觸質量直接影響剛度損失幅度。例如，平湖市玉清苑項目中，部分預制墻板與整體樓板之間未處理毛細縫，界面接觸質量欠佳，接觸面積僅約50%，界面剛度損耗嚴重。依評估，該體系抗傾覆承載力僅相當于0.6 個矩形剪力墻值，難以有效發(fā)揮墻板設計時的剛度。此外，預制墻板與樓板之間高度標高差異也影響整體抗側剛度。由于層間樓板預制存在公差偏差，墻板與上下樓板高度標高常有差值出現(xiàn)。以某超高層框架剪力墻結構為例，因標高差異，墻板與樓板實際構造重合長度難以保證，采用過渡斜向鉸接板連接處理的時候，相當于在彎矩作用區(qū)增設“軟層”，大幅降低墻板產生的抗彎端部約束效應。測試顯示，過渡鉸接板與預制墻板接觸線處應變放大至原本的3 ～4 倍[4]。該情況下，樓板約束作用減弱，墻板中下段抗剪承載力下降，抗側剛度大幅縮減。標高差異還將引發(fā)預制墻板與整體樓板混凝土強度不協(xié)調問題。按規(guī)范要求，墻板混凝土強度需高于樓板20 MPa 以上，顯著強度突變是造成接口連接區(qū)裂縫、疲勞損傷的重要誘因。

3.3 節(jié)點配筋設計不合理，減弱抗震性能

裝配式建筑節(jié)點處混凝土開裂是常見問題，與預制構件運輸?shù)跹b過程中受力不均勻、構件間標高精度偏差等因素相關。節(jié)點配筋設計不合理將直接削弱結構抗震性能。以框架-核心筒體系為例，超高層核心筒底部節(jié)點承受巨大的剪力和扭矩作用，是結構抗側力和抗傾覆的關鍵部位。配筋設計不當，導致核心筒與基礎錨固區(qū)段配筋比例過低，核心筒底部的效應配筋量明顯偏小，無法與基礎混凝土產生有效錨固。根據(jù)模型分析，當?shù)撞抗?jié)點配筋量低于0.6%時，框架-核心筒結構體系的側移角增量將超過彈塑性下限，對應抗震減震系數(shù)也降低20%以上。

另外，在預制樓板與剪力墻板的接口處，也是裝配式建筑結構中至關重要的抗震關鍵地點。節(jié)點處預制構件的標高公差可能會累積，導致連接部位的混凝土出現(xiàn)開裂是一個常見的問題。如果在接口處沒有設置足夠的斜向配筋，將難以有效地將上下部構件連接在一起，同時也無法通過接口作用來增強抗疲勞性能。測試結果顯示，當墻板與樓板的接口處沒有設置配筋時，開裂寬度超過0.3 mm 的概率高達95%?？紤]到構件體系效應，接口處的裂縫將削弱樓板的約束效果，導致剪力墻的承載能力下降超過30%。由此可見，如果節(jié)點沒有適當設置配筋或者配筋過于稀疏，將明顯降低結構的抗震性能。

4 裝配式建筑連接方式與節(jié)點設計的改進策略

4.1 優(yōu)化鋼結構連接件參數(shù)，提高節(jié)點承載能力

為解決鋼結構連接件設計問題削弱節(jié)點區(qū)承載力的情況，優(yōu)化連接件相關參數(shù)選取原則是關鍵。高強螺栓連接系統(tǒng)中，應充分考量螺栓設計時的余度，針對框架柱節(jié)點區(qū)的設防烈度增大螺栓規(guī)格選型，通常采用峰值力1.25 ～1.35 倍的特征值進行匹配選擇。螺栓連接處混凝土配筋量也應適當提高，保證連接區(qū)強度和塑性變形能力充足儲備。以超高層框架-核心筒結構為例，柱-核心筒連接節(jié)點螺栓采用M30 規(guī)格，對應抗剪設計值約為550 kN，為保證節(jié)點抗剪強度，子料混凝土抗壓強度應達到C80 以上，配筋率宜控制在約1%。

焊接連接工藝方面，第1，要加強施工過程檢驗，嚴格控制焊接間隙偏差。大型角鋼焊縫間隙控制在3 mm以內，焊后應充分檢驗，確認焊透質量。同時采取加密焊點分布、增設側向加固板等措施，確保大面板焊件抗剪強度充分儲備。第2，節(jié)點區(qū)位置精準性也對結構安全至關重要，焊接過程中應嚴格控制鋼構件的相對偏差。裝配式節(jié)點區(qū)承受較大運輸?shù)跹b沖擊，除嚴格適配容差要求外，還需采用彈簧襯墊、限位裝置等增強架體穩(wěn)定性，減少節(jié)點區(qū)應力集中問題。增設斜拉撐或構件伸出段等傾覆穩(wěn)定措施，也是優(yōu)化節(jié)點區(qū)抗剪承載力的有效手段。

4.2 加強預制墻板與樓板接口連接，提升剛度

為解決預制墻板與樓板接口連接處理不當引起的剛度損耗問題，可采取針對性措施進行改進。第1，要加強標準化施工管理，嚴格控制墻板與樓板標高偏差累積。在樓板預制過程中應該充分考量墻板構造尺寸并預埋螺栓孔，有效降低兩者高度差異，施工現(xiàn)場吊裝時采用激光導向定位系統(tǒng)進行三維監(jiān)控，標高偏差單體控制在±15 mm 以內。此外，混凝土的開裂是導致剛度損失的關鍵因素，因此建議采用界面砂漿層處理節(jié)點表面。這種砂漿層的強度應不低于C60，且其厚度應控制在20 ～30 mm 之間。通過這種方式，墻板與樓板之間的實際接觸面積能夠達到80%以上，從而顯著提高剛性連接的質量。

除此之外，還需注意過渡斜向鉸接板的系數(shù)不應過大。根據(jù)測試結果，當斜向系數(shù)η≤1.5 時，接觸面的剛度損失可以控制在20%以內[5]。

墻板與樓板節(jié)點抗剪性能的提升也是增強剛度的重要手段?？刹捎酶邚娐菟ㄟ吙蚣庸袒蝾A埋套筒錨固等措施，有效錨固約束墻板與樓板剪應力傳遞。試驗表明，采用高強螺栓邊框加固工藝，墻板與樓板剪力傳遞剛度顯著提高，相當于增大了約60%的約束剛度。墻板與樓板節(jié)點除考慮抗剪承載力設計外，還需優(yōu)化拉結構布置，采用斜向錨固螺栓或預埋波紋鋼筋等，可以有效控制兩者開裂面間隙，提高屈服強度和耐久性。此外，可通過優(yōu)化混凝土配筋，增設界面破碎石組織等手段，抑制開裂擴展趨勢，增強高剛度連接效果。由此可見，標準化施工管理與節(jié)點抗剪性能提升是有效增強剛性連接效果的重要途徑。除基本標高控制和抗剪耐久設計之外，還需聯(lián)合采用多項細節(jié)處理措施形成合力，最大程度恢復剛性連接條件，從而確保體系總體剛度穩(wěn)定以及抗側性能的合理發(fā)揮。

4.3 合理布置節(jié)點配筋，增強節(jié)點抗震性能

解決裝配式建筑節(jié)點配筋設計不當削弱結構抗震性能的問題，主要采取優(yōu)化節(jié)點處混凝土配筋措施，提高節(jié)點抗震性能。針對核心筒等重要穩(wěn)定構件，底部節(jié)點與基礎錨固區(qū)段的配筋率應適當提高，保證核心筒與基礎混凝土強度和延性協(xié)調一致。配筋率的提升還需考量核心筒自身高效應配筋分布，通常垂直配筋率提高0.2%～0.4%，水平配筋率提高0.1%～0.3%，可明顯增強底部節(jié)點抗剪承載力。此外，采用錨固鋼盤、斜向鋼筋組等錨固入基礎混凝土區(qū)的有效措施，可形成合理應力擴散區(qū)，顯著增強底部節(jié)點抗震性能。

為了有效控制預制樓板與剪力墻板接口節(jié)點處的界面開裂問題，應采取一系列優(yōu)化配筋措施。在該區(qū)域，建議采用密集的斜向配筋，如TESTS或TYPE-S 配筋型式，以確保上下段混凝土應力的順暢傳遞，當配筋率約為0.8%時，開裂控制效果最佳?？紤]到疲勞荷載的影響，配筋的強度等級不宜過高，控制在約335 MPa 為宜。此外，采用界面破碎石技術也是關鍵，在預制板表面設置20 ～40 mm 厚的破碎石層，能有效抑制裂縫的快速擴展趨勢。此技術能使裂縫寬度控制在0.2 mm 以內，并將剛度損耗控制在15%以內。綜上，裝配式建筑節(jié)點配筋設計的優(yōu)化策略主要包括提升配筋率，改善配筋型式，界面破碎石處理等，對保證節(jié)點抗震性能具重要作用。此外，嚴格施工過程質量檢驗，控制結構內力偏心，也是確?？拐鸱€(wěn)定性的關鍵措施。

5 結語

裝配式建筑以其工業(yè)化、綠色、節(jié)能等特點逐漸成為建筑發(fā)展趨勢。而結構連接方式和節(jié)點設計是裝配式建筑的關鍵所在，關系到整體建筑的安全性和使用性能。現(xiàn)階段，裝配式節(jié)點抗剪強度與剛度仍然是亟待解決的痛點，而優(yōu)化配筋設計是有效對策之一?？傮w而言，裝配式建筑連接方式與節(jié)點設計仍有很大改進空間，還需建筑行業(yè)深入研究，才能使這一革命性的建造模式更加成熟和安全，真正實現(xiàn)從理念到現(xiàn)實的轉變。