浅析装配式建筑的结构连接方式与节点设计

李嘉喆

装配式建筑以模块化、标准化的预制结构为基础，通过工厂化生产和现场组装，实现建筑工程的快速高效、绿色环保建造。结构连接方式与节点的设计是装配式建筑系统中至关重要的环节，直接影响安全性、稳定性、刚度等建筑性能指标。本文在分析装配式建筑特点的基础上，重点探讨了常见连接方式与节点设计的规律与原理，指出了现有问题并提出对应改进策略，以期为装配式建筑的结构设计与施工提供可借鉴的技术支撑。

1 装配式建筑的分类及特点

装配式建筑按构件预制度可分为全预制、半预制和组合预制3 类。全预制如浙江恒立Loft 公寓工程，墙体、楼板、楼梯等均为预制整体搭接；半预制如山东淄博嘉园项目，仅核心筒、楼板、楼梯采用整体预制；组合预制如江苏四海苑区项目，墙体、楼板现场浇筑，预制部位主要为柱、梁、楼梯等。就建造特点而言，全预制工期最短，现场施工作业最少，拆解重组次数最多；反之，组合预制现场作业量最大，整体搭接次数最少。这3 类装配式建筑均采用开放化结构体系设计，控制单体尺寸限制，实现灵活搭接替换。

装配式建筑共享工业化预制、机械化施工以及标准化连接等技术特征。以强度指标而论，现浇混凝土C30 可对应预制混凝土C40、C50 水平。装配式采用拉结构连接技术，混凝土抗压强度可高达70 MPa 以上，钢材强度亦高于Q345。就截面尺寸而论，预制楼板标高仅仅150 mm，显著缩小建筑层高[1]，对应抗侧刚度约为传统现浇体系的3 ～4 倍。综上，装配式建筑构件表面质量良好，数量少、类型单一、尺寸精确，有利于节省材料和提升关联效率。

2 装配式建筑结构连接方式与节点设计原则

2.1 装配式建筑常见结构连接方式

装配式建筑的结构连接可分为桁架连接、楼板连接、墙体连接、基础连接4 大类。桁架连接主要通过螺栓、钢板、套筒等构件进行校核。如在杭州未来科技城项目中，上部构件预制I型梁与下部构件预制版式柱采用高强螺栓连搭接，其中，单节柱承载能力达1200 kN。楼板连接方式则有螺栓连接、喷射式连接、抱箍连接等类型。其中喷射式结构运用C60 混凝土进行节点面层喷射，可有效控制裂缝展宽，提高疲劳强度，已在青岛地铁4 号线等工程广泛采用。此外，沪甬高铁站景区公寓项目中，工字立柱与预制楼板之间设置间接抱箍连接，可提供60度耐火防护，符合2 h 耐火要求。墙体连接主要通过墙体砌块间螺栓连接或引入叠合梁进行处理。例如，北京K2 红树湾项目中，预制剪力墙块与整体楼板之间设置叠合梁进行过渡连接，可显著提高结构刚度，有效控制层间位移。基础连接方面，广州珠江国际中心通过基础柱顶螺栓吊装逐层完成楼体构建，可快速形成整体稳定结构。

装配式建筑基于开放化结构设计理念，原则上每类构件之间均可快速拆装替换。采用拉结构连接构成空间立体网络体系，充分发挥节点效应，确保建成后强度、刚度指标优于传统现浇结构。装配式建筑节点设计遵循“一体化”4原则，主要包括：建筑集成、结构支撑、机电配套、装修一体，将多个预制构件焊接或螺栓连接成一个整体，避免产生新疆界，保证整体节点强度。

2.2 节点设计原则

装配式建筑节点设计应谨遵构造合理化原则，充分考量力学性能、构造协调性，在保证节点实际承载力和刚度的前提下，优化细节处理简化施工。结构节点区位于构件和组件交汇处，需兼顾多方面需求。还要兼顾构件自身内力传递要求，处理好柱梁接头、墙板接口、楼板挠度衔接等典型情况；同时协调不同材质之间连接技术参数，如钢结构螺栓连接、混凝土节点面层喷射等；此外，节点处预制构件运输吊装变形量较大，设计时应充分考量节点构造对于吊装稳定性及装配构件体系容差的适应性。

按照构造合理化原则，典型框架柱节点需处理好梁端拉结构的锚固点位移和倾覆控制。采用侧向支撑或增加梁端伸出段可有效改善倾覆稳定性，也可在柱内置预埋件以增加界面摩擦抗力。框架梁端节点设计上，需处理好上级梁与下级柱节点错位问题，避免产生偏心臂距，通常可采用栏杆或斜撑作为过渡。核心筒与框架柱节点连接处，作为整体结构重要出力位置，常采用大面积的连接子料进行混凝土整体浇灌，保证力流良好传导，也可优选高强螺栓连接、空心钢管套筒连接等方式。楼板节点主要考量挠度变形协调问题，设置平台过渡系统或采用柔性材料进行缓冲[2]。

3 装配式建筑结构连接与节点设计存在问题分析

3.1 钢结构连接件设计不当削弱节点承载能力

装配式建筑中，钢结构连接件主要包括高强螺栓、钢板、套筒等，广泛应用于框架梁柱连接、楼板剪力墙连接等关键部位，提供拉结构作用。连接件参数选取不当，可能削弱节点区抗剪承载力，对结构安全性造成隐患。以高层公寓项目为例，超高层钢结构采用框架-核心筒体系，核心筒与框架柱梁之间的连接承载着较大的剪切内力。若连接螺栓选用规格较小，螺栓本身抗剪强度无法满足设防需求，极易发生断裂；连接子料混凝土强度较低时，螺栓孔周覆盖层破坏进一步削弱承载能力。子料抗压强度低于C60 级时，所提供的抗剪强度约为C60 混凝土的50%，难以保证连接节点区强度合理储备[3]。

此外，焊接工艺在钢结构的连接处也深刻影响着节点的抗剪性能力。在石家庄某工业化制造中心项目中，发现部分角钢焊缝存在错位、间隙过大以及未焊透等质量问题。根据《钢结构工程施工质量验收标准》（GB 50205—2020），由于这些质量问题，大型角钢的焊接系数仅为0.85，这实际上降低了15%的截面强度储备，对整体节点的抗剪承载力造成了严重影响。在地震的周期性交替反复荷载作用下，这些局部的焊缝质量问题更可能成为引发疲劳破坏的源头。在装配式建筑的节点处，预制构件在拼装过程中需要承受较大的运输位移冲击，如果焊缝存在质量问题，将进一步加大承载力削减以及疲劳损伤的风险。

3.2 预制墙板与楼板接口连接处理不当降低刚度

装配式建筑中，预制墙板与楼板的接口连接关系到整体结构的刚度和抗侧力性能。由于墙板与楼板采用离散化预制，两者高度标高、混凝土强度等参数难以保证完全一致，接口连接处理不当，将明显降低结构刚度，对抗风振和抗震性能产生负面影响。量纲解析显示，双层楼板剪力墙结构相对刚度约为0.8，界面接触质量直接影响刚度损失幅度。例如，平湖市玉清苑项目中，部分预制墙板与整体楼板之间未处理毛细缝，界面接触质量欠佳，接触面积仅约50%，界面刚度损耗严重。依评估，该体系抗倾覆承载力仅相当于0.6 个矩形剪力墙值，难以有效发挥墙板设计时的刚度。此外，预制墙板与楼板之间高度标高差异也影响整体抗侧刚度。由于层间楼板预制存在公差偏差，墙板与上下楼板高度标高常有差值出现。以某超高层框架剪力墙结构为例，因标高差异，墙板与楼板实际构造重合长度难以保证，采用过渡斜向铰接板连接处理的时候，相当于在弯矩作用区增设“软层”，大幅降低墙板产生的抗弯端部约束效应。测试显示，过渡铰接板与预制墙板接触线处应变放大至原本的3 ～4 倍[4]。该情况下，楼板约束作用减弱，墙板中下段抗剪承载力下降，抗侧刚度大幅缩减。标高差异还将引发预制墙板与整体楼板混凝土强度不协调问题。按规范要求，墙板混凝土强度需高于楼板20 MPa 以上，显著强度突变是造成接口连接区裂缝、疲劳损伤的重要诱因。

3.3 节点配筋设计不合理，减弱抗震性能

装配式建筑节点处混凝土开裂是常见问题，与预制构件运输吊装过程中受力不均匀、构件间标高精度偏差等因素相关。节点配筋设计不合理将直接削弱结构抗震性能。以框架-核心筒体系为例，超高层核心筒底部节点承受巨大的剪力和扭矩作用，是结构抗侧力和抗倾覆的关键部位。配筋设计不当，导致核心筒与基础锚固区段配筋比例过低，核心筒底部的效应配筋量明显偏小，无法与基础混凝土产生有效锚固。根据模型分析，当底部节点配筋量低于0.6%时，框架-核心筒结构体系的侧移角增量将超过弹塑性下限，对应抗震减震系数也降低20%以上。

另外，在预制楼板与剪力墙板的接口处，也是装配式建筑结构中至关重要的抗震关键地点。节点处预制构件的标高公差可能会累积，导致连接部位的混凝土出现开裂是一个常见的问题。如果在接口处没有设置足够的斜向配筋，将难以有效地将上下部构件连接在一起，同时也无法通过接口作用来增强抗疲劳性能。测试结果显示，当墙板与楼板的接口处没有设置配筋时，开裂宽度超过0.3 mm 的概率高达95%。考虑到构件体系效应，接口处的裂缝将削弱楼板的约束效果，导致剪力墙的承载能力下降超过30%。由此可见，如果节点没有适当设置配筋或者配筋过于稀疏，将明显降低结构的抗震性能。

4 装配式建筑连接方式与节点设计的改进策略

4.1 优化钢结构连接件参数，提高节点承载能力

为解决钢结构连接件设计问题削弱节点区承载力的情况，优化连接件相关参数选取原则是关键。高强螺栓连接系统中，应充分考量螺栓设计时的余度，针对框架柱节点区的设防烈度增大螺栓规格选型，通常采用峰值力1.25 ～1.35 倍的特征值进行匹配选择。螺栓连接处混凝土配筋量也应适当提高，保证连接区强度和塑性变形能力充足储备。以超高层框架-核心筒结构为例，柱-核心筒连接节点螺栓采用M30 规格，对应抗剪设计值约为550 kN，为保证节点抗剪强度，子料混凝土抗压强度应达到C80 以上，配筋率宜控制在约1%。

焊接连接工艺方面，第1，要加强施工过程检验，严格控制焊接间隙偏差。大型角钢焊缝间隙控制在3 mm以内，焊后应充分检验，确认焊透质量。同时采取加密焊点分布、增设侧向加固板等措施，确保大面板焊件抗剪强度充分储备。第2，节点区位置精准性也对结构安全至关重要，焊接过程中应严格控制钢构件的相对偏差。装配式节点区承受较大运输吊装冲击，除严格适配容差要求外，还需采用弹簧衬垫、限位装置等增强架体稳定性，减少节点区应力集中问题。增设斜拉撑或构件伸出段等倾覆稳定措施，也是优化节点区抗剪承载力的有效手段。

4.2 加强预制墙板与楼板接口连接，提升刚度

为解决预制墙板与楼板接口连接处理不当引起的刚度损耗问题，可采取针对性措施进行改进。第1，要加强标准化施工管理，严格控制墙板与楼板标高偏差累积。在楼板预制过程中应该充分考量墙板构造尺寸并预埋螺栓孔，有效降低两者高度差异，施工现场吊装时采用激光导向定位系统进行三维监控，标高偏差单体控制在±15 mm 以内。此外，混凝土的开裂是导致刚度损失的关键因素，因此建议采用界面砂浆层处理节点表面。这种砂浆层的强度应不低于C60，且其厚度应控制在20 ～30 mm 之间。通过这种方式，墙板与楼板之间的实际接触面积能够达到80%以上，从而显著提高刚性连接的质量。

除此之外，还需注意过渡斜向铰接板的系数不应过大。根据测试结果，当斜向系数η≤1.5 时，接触面的刚度损失可以控制在20%以内[5]。

墙板与楼板节点抗剪性能的提升也是增强刚度的重要手段。可采用高强螺栓边框加固或预埋套筒锚固等措施，有效锚固约束墙板与楼板剪应力传递。试验表明，采用高强螺栓边框加固工艺，墙板与楼板剪力传递刚度显著提高，相当于增大了约60%的约束刚度。墙板与楼板节点除考虑抗剪承载力设计外，还需优化拉结构布置，采用斜向锚固螺栓或预埋波纹钢筋等，可以有效控制两者开裂面间隙，提高屈服强度和耐久性。此外，可通过优化混凝土配筋，增设界面破碎石组织等手段，抑制开裂扩展趋势，增强高刚度连接效果。由此可见，标准化施工管理与节点抗剪性能提升是有效增强刚性连接效果的重要途径。除基本标高控制和抗剪耐久设计之外，还需联合采用多项细节处理措施形成合力，最大程度恢复刚性连接条件，从而确保体系总体刚度稳定以及抗侧性能的合理发挥。

4.3 合理布置节点配筋，增强节点抗震性能

解决装配式建筑节点配筋设计不当削弱结构抗震性能的问题，主要采取优化节点处混凝土配筋措施，提高节点抗震性能。针对核心筒等重要稳定构件，底部节点与基础锚固区段的配筋率应适当提高，保证核心筒与基础混凝土强度和延性协调一致。配筋率的提升还需考量核心筒自身高效应配筋分布，通常垂直配筋率提高0.2%～0.4%，水平配筋率提高0.1%～0.3%，可明显增强底部节点抗剪承载力。此外，采用锚固钢盘、斜向钢筋组等锚固入基础混凝土区的有效措施，可形成合理应力扩散区，显著增强底部节点抗震性能。

为了有效控制预制楼板与剪力墙板接口节点处的界面开裂问题，应采取一系列优化配筋措施。在该区域，建议采用密集的斜向配筋，如TESTS或TYPE-S 配筋型式，以确保上下段混凝土应力的顺畅传递，当配筋率约为0.8%时，开裂控制效果最佳。考虑到疲劳荷载的影响，配筋的强度等级不宜过高，控制在约335 MPa 为宜。此外，采用界面破碎石技术也是关键，在预制板表面设置20 ～40 mm 厚的破碎石层，能有效抑制裂缝的快速扩展趋势。此技术能使裂缝宽度控制在0.2 mm 以内，并将刚度损耗控制在15%以内。综上，装配式建筑节点配筋设计的优化策略主要包括提升配筋率，改善配筋型式，界面破碎石处理等，对保证节点抗震性能具重要作用。此外，严格施工过程质量检验，控制结构内力偏心，也是确保抗震稳定性的关键措施。

5 结语

装配式建筑以其工业化、绿色、节能等特点逐渐成为建筑发展趋势。而结构连接方式和节点设计是装配式建筑的关键所在，关系到整体建筑的安全性和使用性能。现阶段，装配式节点抗剪强度与刚度仍然是亟待解决的痛点，而优化配筋设计是有效对策之一。总体而言，装配式建筑连接方式与节点设计仍有很大改进空间，还需建筑行业深入研究，才能使这一革命性的建造模式更加成熟和安全，真正实现从理念到现实的转变。