装配整体式混凝土结构连接节点特性及设计要求

张 聪

（中哲国际工程设计有限公司 南京210019）

0 引言

装配式混凝土结构建筑根据预制结构构件连接方式的不同，可以分为全装配式和装配整体式等类型［1］。全装配式建筑通常采用干式连接节点，而装配整体式建筑采用湿式连接节点。对于这两种装配式建筑，由于都存在构件的不连续，为满足结构体系整体及局部上“等同现浇”以及“强节点、弱构件”等要求，其连接节点的性能就显得至关重要。国内对此也有许多研究［2～4］。

连接节点设计时应考虑由混凝土收缩、蠕变以及外界温度变化、沉降差、重力、风、地震等各种内外部因素引起的内力，以及不同连接构件的刚度、强度以及延性。此外，还要考虑生产、安装等的容差情况。

1 节点连接方式

1.1 节点连接分类

对于装配整体式结构，预制构件之间的连接与现浇结构相似，都是通过混凝土以及钢筋的连接来实现的。其中，混凝土的连接通过在节点处后浇混凝土、坐浆或灌浆来实现。而钢筋的连接有多种方式，既有传统的机械连接、焊接以及绑扎搭接等方式，也有如套筒灌浆连接、浆锚连接、钢锚环连接等专用新型连接方式。

连接节点按照所连接构件类型的不同可以分为：墙-墙连接节点、墙-梁连接节点、墙-板连接节点、柱-柱连接节点、柱-梁连接节点、梁-梁连接节点、梁-板连接节点、板-板连接节点等；按照连接节点的传力方向可以分为竖向连接节点、水平连接节点及混合连接节点；按照连接构件的预制与否可分为预制-预制连接节点、预制-现浇连接节点；按照传力类型的不同又可以分为传递轴力、传递剪力以及传递弯矩等连接节点等。不同预制构件之间的连接方式具体如表1所示。

1.2 节点连接特点

表1 不同类型预制构件之间的连接方式Tab.1 Connections for Different Types of Prefabricated Units

1.2.1 节点工作机制

装配整体式结构中主要存在两类接缝：一类是预制构件之间的连接接缝，另一类是预制构件与现浇或后浇混凝土之间的结合面。具体而言，包括剪力墙竖向及水平接缝、柱端接缝、梁端接缝、板端及板间接缝等。接缝承受的压力通过后浇混凝土或坐、灌浆料传递；拉力由连接钢筋或预埋连接件承担；剪力的传递稍微复杂一些，根据相关研究［5］，它是由结合面处混凝土的粘结力，穿缝钢筋及预留键槽或粗糙面的摩擦抗剪作用以及穿缝钢筋的销栓抗剪作用等承担。此外，当接缝处于受压或受弯状态，如预制柱或预制剪力墙底的水平接缝，则静力摩擦也可以承担部分剪力。

1.2.2 混凝土及钢筋连接方式

对于装配整体式结构节点，混凝土的连接主要通过在结合面处的预制构件上设置有一定凹凸度的粗糙面和键槽来实现与后浇混凝土的连接。对于钢筋而言，传统的连接方式如绑扎搭接、机械连接和焊接等虽然也可以用于装配整体式结构，但绑扎搭接由于需要预留足够长度的后浇段以保证钢筋的搭接长度，因此现场湿作业量较大，目前仅用于剪力墙的竖向接缝及叠合板的后浇带等特定节点处。而机械连接和焊接都需要逐根连接，现场作业量大，也不太符合快速装配的要求，并且无论焊接或机械连接都对操作空间有一定要求，在实际应用中受到一定的限制。目前装配整体式结构的竖向连接主要采用套筒灌浆连接以及浆锚连接。

1.2.3 主要节点连接方式比较

对于套筒连接方式，其抗拉承载力主要由套筒与钢筋之间高强灌浆料的粘结力提供。套筒连接可以看成一种特殊的机械连接方式，其在日美等国有多年的应用，且经受了地震的考验，是一种相对比较可靠的连接方式。但是也存在一些缺点：对生产和施工精度要求相对较高；灌浆质量难以保证，且检测较为困难；灌浆效率相对较低，对施工人员的技术要求较高。此外，套筒和配套灌浆料价格较高，经济性不如其他连接方式。浆锚连接属于搭接连接方式，钢筋和钢筋之间的抗拉承载力主要由灌浆料、成孔材料以及混凝土之间的粘结力来提供。浆锚连接在欧洲有很多年的应用经验，但在我国目前应用尚不够广泛，且缺乏关于相关连接接头的技术标准。套筒灌浆连接与浆锚连接相比，区别在于：①传力机制和性能不同：套筒连接属于一种特殊的机械连接，而浆锚连接属于搭接连接；套筒连接可以达到Ⅰ级接头性能，浆锚连接也能够满足钢筋传力的要求；②破坏模式不同：根据试验［6-7］，套筒连接预制构件破坏方式与现浇构件相似，均为边缘构件的纵筋屈服，墙体底部区域的混凝土受压破坏；浆锚连接可以有效传递钢筋的应力，滞回曲线饱满，但其破坏形态与现浇构件有所区别；③连接长度不同：套筒连接的总长度由套筒长度决定，根据文献［8］要求，钢筋伸入套筒的长度不宜小于8d，因此套筒长度不应小于16d+20，考虑到生产及施工误差，总长度要大于此值，通常在25～45 cm 之间；浆锚连接的总长度由预留孔道的长度确定，根据实验结果及规范要求，浆锚连接长度可按受拉钢筋（抗震）锚固长度确定［9］；④适用范围不同：套筒连接对结构体系、结构高度及连接使用部位均无限制，仅由于套筒本身规格的要求，对连接钢筋的直径有一定的要求；对于浆锚连接，有一定的适用范围，如文献［1］要求不宜用于房屋高度大于12 m或层数超过3层的框架结构预制柱的纵筋连接，不宜用于一级抗震等级剪力墙及二、三级抗震等级底部加强部位剪力墙边缘构件竖向钢筋等。此外，直径大于20 mm的钢筋不宜采用浆锚连接。

2 连接节点设计要求

2.1 节点连接验算

对装配整体式结构的变形及破坏控制区域如梁柱箍筋加密区以及剪力墙的底部加强部位等，按照“强剪弱弯”、“强节点弱构件”等设计原则，接缝需要采用强连接以避免发生破坏，确保结构不会发生严重的安全问题。这就要求这些部位接缝的承载力设计值大于其所连接的预制构件的承载力设计值与相应的强连接系数即接缝受剪承载力增大系数的乘积［1］。同时，与现浇结构相似，此承载力设计值也应大于该处的设计内力以确保连接的安全。对于非控制区域的连接接缝，在保证其安全的基础上，可根据需要设计采用延性连接方式［10］，使其产生一定的塑性变形以消耗地震能量。

连接接缝处的后浇混凝土、灌浆料或坐浆料的强度等级一般高于预制构件。当接缝截面的配筋不小于构件配筋且其构造符合相关规范要求时，接缝的正截面承载力一般不会低于其所连接的构件。因此，可以不进行正截面承载力验算。

由于后浇混凝土、后灌浆料与预制构件混凝土浇筑温度不同以及收缩硬化不同步等原因，其结合面的粘结抗剪强度一般较构件自身混凝土抗剪强度低。因此，为了确保接缝的安全，需要对其进行受剪承载力计算。具体而言，对于装配整体式框架结构，应计算预制柱底水平接缝、叠合梁端部竖向接缝以及梁柱节点核心区的受剪承载力。对于装配整体式剪力墙结构，应计算剪力墙水平接缝以及叠合连梁端部接缝的受剪承载力。

2.2 节点连接设计要求

2.2.1 节点钢筋连接型式选择及连接要求

对于整体式连接节点，钢筋的连接方式及相应连接要求等是设计的重点。对于装配整体式框架结构，预制柱的纵筋宜采用套筒灌浆连接，现场湿作业量较其他湿式连接方式为少，施工相对简便。此外，在无法保证灌浆质量的情况下，也可以考虑采用挤压套筒连接等机械连接方式。叠合梁底部纵筋的连接可根据连接部位、现场施工技术条件等选择采用机械连接、焊接、绑扎搭接或套筒灌浆连接。装配整体式剪力墙结构中，预制剪力墙的竖向钢筋可根据部位的不同，分别采用套筒灌浆连接、浆锚搭接连接、U 型套箍连接或混合连接等，水平分布钢筋可采用绑扎搭接、钢锚环连接或焊接等。

不同结构体系及节点型式的钢筋具体连接要求如表2所示。

表2 不同连接节点钢筋设计要求Tab.2 Design Demands of Rebar for Different Connections

2.2.2 装配整体式框架结构节点设计要求

当由于起吊重量、长度等原因需要对梁分段预制时，应在预制梁的对接部位处设置后浇段，梁下部纵筋在后浇段内可采用绑扎搭接、机械连接、焊接及套筒灌浆连接等，预留的后浇段长度应能满足纵筋连接作业的操作空间要求。如对于套筒灌浆连接，为便于施工，一般采用全灌浆套筒连接，预留后浇段长度不应小于1.5 倍套筒长度+20 mm。采用机械连接时，为达到Ⅰ级接头的性能要求，可采用加长丝扣型直螺纹接头，预留后浇段长度不应小于200 mm［11］等。预制主梁和预制次梁连接时，可采用在预制主梁上设后浇段（主梁混凝土全部或部分断开）的方法。次梁下部纵筋锚入主梁后浇段内。

对于预制梁柱整体式连接节点，梁纵筋应伸入后浇节点区内锚固或连接。节点的受力和变形性能与具体的锚固或连接方式相关。预制梁柱构件深化设计时应按等面积代换的原则尽可能采用较大直径较大间距的钢筋排布方式以利于降低造价并方便节点的施工，保证施工质量。同时还应考虑安装的可行性如钢筋避让关系、吊装顺序等来合理确定梁柱截面尺寸及相互位置关系，钢筋的排布方式等。应特别注意尽量避免对同一节点的两个方向的梁同时预制，以免钢筋排布困难。当无法避免时，宜将两方向的梁设计为不同的高度，且高差宜取100 mm。同方向两侧梁纵筋同时在节点区锚固时，其中一侧的钢筋应采用水平或竖向弯折避让的方式。当柱截面较小、梁下部纵筋在节点区连接困难时，可将后浇段设置在节点区外。由于钢筋连接接头处无法产生足够的塑性变形，为了保证梁端能顺利出铰，接头应避开塑性铰区域，设置在距梁端不小于1.5 倍梁截面有效高度处，且宜位于梁受力较小的部位。现浇柱-叠合梁连接节点做法与预制柱-叠合梁节点做法相似。由于柱为现浇，其钢筋的布置可相对灵活，对梁的制作精度和施工要求相对也要低些。

对于叠合梁-叠合板连接节点，通常采用将单方向或两方向板底筋伸入梁内锚固的方式。预制剪力墙-叠合板连接与叠合梁-叠合板连接方式相同。

预制楼板-预制楼板连接可采用分离式或整体式接缝。对于分离式接缝，应于接缝处且垂直接缝的方向设置附加筋。整体式接缝一般采用后浇带形式，后浇带宜沿板短跨方向设置且宜避免设置在长跨中点等最大弯矩截面处。

2.2.3 装配整体式剪力墙结构节点设计要求

预制剪力墙的竖向受力筋采用套筒灌浆连接时，由于底部钢筋连接区域容易出现多且密集的裂缝，是影响结构安全的重要隐患，因此应对该区域水平筋进行加密以提高墙板的抗剪能力和抗震耗能能力。根据试验及分析结果，加密区范围设定为套筒及其顶部往上不小于300 mm 的范围。同一楼层内的相邻预制剪力墙板应采用整体式湿式接缝连接。墙肢端部的约束或构造边缘构件可以根据设计需要与墙身一起预制。纵横墙交接处的边缘构件宜采用后浇，且应在边缘构件内形成封闭箍筋，以保证后浇边缘构件作为预制构件锚固端的自身可靠性。设置于非边缘构件位置的后浇连接段的长度不应小于墙厚及200 mm 的较大值。相邻楼层的预制墙板间的水平后浇接缝宜在整个楼层平面内封闭连续，以保证结构的整体性和稳定性。水平后浇带的高度不应小于楼板厚度，并配置不少于2根直径不小于12 mm的纵向连续钢筋。对于屋面层及立面收进的楼层，应在预制墙板和楼板连接处设置封闭的后浇圈梁以提高结构的整体性。水平圈梁的高度不宜小于楼板厚度及250 mm 的较大值，并配置不少于4 根直径不小于12 mm 的纵向连续钢筋。对于同一位置上下相邻的预制墙板，预制边缘构件内的纵筋应逐根相接以保证边缘构件内受力筋分布的均匀性，避免出现由于局部破坏导致边缘构件失效的情况。其余部位的竖向钢筋，可采用相对较大直径的钢筋进行等面积代换，以减少连接套筒的数量，有利于施工，并且连接接头数量太多导致墙体变形能力下降，不利于抗震。一般要求同侧的连接钢筋间距不大于600 mm。此外应设置非连续钢筋以满足竖向分布钢筋最大间距要求。

3 结论

本文对装配整体式混凝土结构的连接节点进行了阐述，对目前常用的连接节点的构造及力学特点进行了比较，对装配式整体式框架结构和装配式整体式剪力墙结构连接节点的主要设计要求进行了总结，以期能为相关设计和研究人员在具体设计时提供参考。