装配式混凝土结构连接方式与适用范围的分析

以下文章来源于机械工业出版社建筑分社 作者李青山

摘要

近年来，在国家大力推行政策背景下，装配式建筑成为研究的热门课题。钢结构作为一种天然的装配式结构，具备施工速度快、现场湿作业少、便于实现工业化和标准化、质量易控制、绿色环保等诸多优势，在装配式建筑领域中具备巨大的发展前景。介绍了近年来国内外装配式钢结构梁柱连接节点研究情况，根据构造特征分为套筒式、悬臂短梁式、桁架梁、单边螺栓、装配式钢框架体系、带耗能元件等装配式节点形式，对各装配式节点构造和力学性能进行阐述与总结。

在美国和日本等发达国家，装配式建筑的发展较为领先。美国从19 世纪末开始研究装配式建筑，并成立相关协会，长期进行装配式建筑的研究和推广。日本在装配式建筑的应用上已经达到了较高的水平，相关标准和规范也已相当完善。我国建筑工业化和信息化发展相对落后，粗放式的建设和生产模式正在面临严峻挑战。工业化装配式钢结构建筑是促进建筑工业化转型升级，发展中国全寿命绿色建筑，解决当前钢铁产能过剩的有效途径，同时也是我国建筑业实现现代化的必由之路。

传统钢框架中梁柱刚性连接节点采用的形式有栓焊混合连接、全焊接、全栓接( 图1) ，这三种连接形式也属于广义的装配式连接节点形式。前两种连接形式由于受到环境和工人施工水平等因素的影响，焊接质量难以稳定控制，给节点连接受力性能埋下安全隐患。全栓接梁柱连接节点费工费料，工程中鲜有采用，且这些连接装配化程度不高，无法满足真正意义上的装配建筑的要求。

图1 传统梁柱刚性连接节点

为了能够大幅缩短施工时间，保证施工质量，并实现绿色环保等综合建设目标，新型钢结构装配式梁柱连接形式应运而生，该类节点大多采用螺栓连接替代焊接，避免现场焊接施工带来的不利影响，并通过一定的构造设计提高建筑的装配化程度，为装配式钢结构的发展提供了新的引擎。

装配式混凝土结构连接  

世界著名建筑大师格罗皮乌斯提出装配式混凝土建筑的概念已经有一个多世纪了，大规模的装配式混凝土建筑实践也有半个多世纪了，应当说，装配式混凝土建筑的机构连接技术，就结构安全而言，是比较成熟的。从单层、低层建筑到高层、超高层建筑，从非抗震设防建筑到高抗震设防建筑，装配式混凝土建筑都经历了时间和实践的考验，并创造了许多经典的成功案例。

今天，我想在这里从专业的角度通过具体的技术细节，来对大家一直关注和争议的焦点——“装配式混凝土结构连接”的方式和技术做一简单的介绍。

首先，我们通过下表列出了装配式混凝土建筑常见连接方式、可连接构件和适用范围。

装配式混凝土结构建筑主要连接方式有钢筋套筒灌浆连接、钢筋浆错搭接连接、后浇混凝土连接、叠合构件后浇混凝土连接、螺栓连接和焊接等，主要连接方式如图1-1所示。下面对主要连接方式进行具体讨论。

 

(1)套简灌浆连接

套筒灌浆连接是装配式混凝土建筑中目前竖向构件连接应用最广泛，也是最安全最可靠的连接方式。套筒按结构形式分为全灌浆套筒和半灌浆套筒，如图1-2所示套筒灌浆连接的工作原理是：将需要连接的带肋钢筋插人金属套筒内“对接”，在套筒内注人高强早强且有微膨胀特性的灌浆料，灌浆料在套筒筒壁与钢筋之间形成较大的正向应力，在钢筋带肋的粗糙表面产生较大的摩擦力，由此得以传递钢筋的轴向力。如图1-3-图1-7所示。

1)全灌浆套筒。接头两端均采用灌浆方式连接钢筋的灌浆套筒，日本最常用这种连接套筒。
2)半灌浆套筒。接头一端采用灌浆方式连接，另一端采用非灌浆方式连接钢筋的灌浆套筒，通常另一端采用螺纹连接，目前我国最常用的就是这种连接套筒。

注：D不包括灌浆孔，排浆孔外侧因导向、定位等其他目的而设置的比错固段环形凸起内径偏小的尺寸。D1可以为非等截而。
图1-2套筒构造图：a)全灌浆套简b)半灌浆套简；
1一浆孔2一排浆孔3一剪力槽4一强度验算用截面5一钢筋限位挡块6一安装密封垫的结构一灌浆套简总长，。一锚固长度一预制端预留钢筋安装调整长度与一现场装配端预留钢筋安装调整长度1一灌浆套筒壁厚d一浆套筒外径D一内螺纹的公称直径D1一内螺纹的基本小径；D2一半灌浆套筒螺纹端与灌浆端连接处的通孔直径D1一浆套筒锚固段环形凸起部分的内径

 

(2)浆锚搭接连接

浆锚搭接的工作原理是：将需要连接的带肋钢筋插入预制构件的预留孔道里，预留孔道内壁是螺旋形的。钢筋插人孔道后，在孔道内注入高强早强且有微膨胀特性的灌浆料，错固住插入钢筋。在孔道旁边，是预埋在构件中的受力钢筋，插人孔道的钢筋与之“搭接”。这种情况属于有距离搭接。浆错搭接有两种方式，一是浆错孔用金属波纹管，如图1-8所示：二是两根搭接的钢筋外圈有螺旋钢筋，它们共同被螺旋筋所约束，如图1-9所示。

浆锚搭接方式，预留孔道的内壁是螺旋形的，有两种成型方式：一是预埋金属波纹管（图1-10）做内模，不用抽出。此方法简便易行，欧洲标准也有相关规定。二是埋置螺旋的金属内模，构件达到强度后旋出内模。金属内模方式旋出内模时容易造成孔壁损坏，也比较费工，不如金属波纹管方式可靠简单。国家标准《装标》规定，采用金属波纹管以外的方式需试验验证。浆错搭接还有一种方式，孔在下方，钢筋在上部，不是安装后灌浆，而是孔内灌浆后插人钢筋，此方法在欧洲标准中有。但我国规范中没有，如图1-11所示。

 

(3)叠合连接

叠合连接是预制板（梁）与现浇混凝土叠合的连接方式。将构件分成预制和现浇两部分，通过现浇部分与其他构件结合成整体。包括叠合楼板、叠合梁、双面叠合剪力墙板等，如图1-12-图1-15所示。

 

(4)后浇混凝土连接

后浇混凝土的钢筋连接方式有：搭接、焊接、套筒注胶连接、套筒机械连接、错环连接、钢丝绳索套加钢筋销连接等，如图1-16~图1-20所示。
钢丝绳索套加钢筋销连接是欧洲常见的连接方法，用于墙板与墙板之间后浇区竖缝构造连接。相邻墙板在连接处伸出钢丝绳索套交汇，中间插入竖向钢筋，然后浇筑混凝土。预埋伸出钢丝绳索套比出筋方便，适于自动化生产线，现场安装简单，作为构造连接，是非常简便的连接方式，目前国内规范对这种连接方式尚未有规定。

在后浇混凝土连接工艺中，为保证预制构件和后浇混凝土的结合度，常需要在预制混凝土构件上的连接面(与后浇混凝土连接的区域)上进行粗糙面处理或者键槽构造处理。

（1)粗糙面处理。对于压光面（如叠合板叠合梁表面)在混凝土初凝前“拉毛”形成粗糙面，如图1-21所示。对于模具面（如梁端、柱端表面），可在模具上涂刷缓凝剂，拆模后用水冲洗未凝固的水泥浆，露出骨料，形成粗糙面，如图1-22所示。
（2)键槽构造处理。键槽是靠模具凸凹成型的。日本P柱子底部的键槽如图1-23所示。在欧洲国家，预应力空心楼板侧面，为了增加板的抗剪性能，是既有粗糙面，又有键槽，如图1-24所示。

 

(5)螺栓连接

螺栓连接是用螺栓和预埋件将预制构件与预制构件或预制构件与主体结构进行连接。前面介绍的套筒灌浆连接、浆错搭接连接、后浇筑连接和钢丝绳索套加钢筋销连接都属于湿连接。螺栓连接属于干连接。
螺栓连接是全装配混凝土结构的主要连接方式。可以连接结构柱梁。非抗震设计或低抗震设防烈度设计的低层或多层建筑，当采用全装配混凝土结构时，可用螺栓连接主体结构。
图1-25是欧洲一座全装配混凝土框架结构建筑，柱梁体系都是用螺栓连接。

图1-26是螺栓连接柱子的示意图。

图1-27是螺栓连接墙板示意图。

图1-28是美国凤凰城图书馆螺栓连接柱子的细部图。

图 1-29 是 螺栓连接构造示意图。

 

(6)焊接连接

焊接连接方式是在预制混凝土构件中预埋钢板，构件之间如钢结构一样用焊接方式连接。与螺栓连接一样，焊接方式在装配整体式混凝土结构中，仅用于非结构构件的连接。在全装配混凝土结构中，可用于结构构件的连接。欧洲装配式混凝土建筑楼板之间连接、楼板与梁之间会用到焊接连接形式，欧洲标准也有相应规定，如图1-30所示。

灌浆连接 

1.套筒灌浆连接

钢筋套筒灌浆连接是一种在预制混凝土构件内预埋成品套筒，从套筒两端插入钢筋并注入灌浆料而实现的钢筋连接方式。

套筒灌浆作业原理图

灌浆套筒连接分为全灌浆套筒连接和半灌浆套筒连接。半灌浆套筒上部内侧车丝，连接钢筋套丝，钢筋与套筒通过丝扣连接。

全灌浆套筒连接

1—连接钢筋 2—出浆孔 3—套筒 4—注浆孔 5—灌浆料

半灌浆套筒连接

1—连接钢筋 2—出浆孔 3—套筒 4—注浆孔 5—灌浆料

（1）灌浆套筒连接可以用于框架柱与框架柱连接。

框架柱钢筋套筒灌浆连接示意

1—框架柱 2—半灌浆套筒 3—钢筋

（2）钢筋灌浆套筒连接可以用于剪力墙的竖向连接。

剪力墙钢筋套筒灌浆连接示意

1—框架柱 2—框架梁 3—全灌浆套筒

2.螺旋箍筋浆锚搭接

螺旋箍筋浆锚搭接是一种通过螺旋箍筋浆加强搭接钢筋预留孔道的预留孔钢筋灌浆连接方式。预留构件后插入钢筋部分增设预留孔道，钢筋插入后灌浆连接。两根搭接的钢筋外圈混凝土用螺旋钢筋加强，混凝土受到约束，从而使得钢筋可靠搭接。

波纹管浆锚搭接连接简图

1—钢筋  2—螺旋箍筋  3—插筋

3.波纹管浆锚搭接连接

波纹管浆锚搭接是一种用波纹管加强预留孔道的钢筋灌浆连接方式。波纹管对后插入管内的钢筋和灌入的灌浆料进行约束，实现钢筋的搭接连接。

钢筋波纹管浆锚搭接连接示意

后浇混凝土钢筋连接 

1.螺纹套筒连接

钢筋的螺纹套筒连接可以用于装配式建筑，先将钢筋车丝，然后拧入螺纹套筒内即实现钢筋的连接。

钢筋螺纹套筒连接示意

1—螺纹套筒接头；2—钢筋

螺纹套筒连接要求连接钢筋定位精度要求高，在预制构件中应用难度大。但是可以同转接的方式来降低精度要求。

一种转接钢筋螺纹套筒连接示意

2.挤压套筒连接

冷挤压设备

冷挤压钢筋连接示意

冷挤压钢筋连接原理图

钢筋套筒冷挤压连接是把带肋钢筋从两端插入套筒内部后，挤压套筒使其筒变形，从而实现钢筋连接的一种钢筋连接方式。可用于框架梁柱钢筋连接。

3.注胶套筒连接

钢筋注胶套筒连接是把带肋钢筋从两端插入套筒内部，然后注入专用凝胶，从而实现钢筋连接的一种钢筋连接方式。可用于梁与梁钢筋连接。日本应用较多。

注胶套筒连接示意

4.环形钢筋绑扎搭接连接

环形钢筋绑扎搭接连接是装配式整体式剪力墙结构墙体与墙体通过现浇段（暗柱）连接的一种连接方式。连接的两片墙体伸出环形锚固钢筋，与暗柱纵筋和箍筋绑扎搭接，后浇混凝土实现钢筋连接。

环形钢筋绑扎连接

5.直钢筋绑扎搭接连接

搭接（一）工程实例

搭接（二）工程实例

钢筋绑扎搭接连接是指两根钢筋用绑线绑扎搭接到一起，然后浇混凝土形成钢筋的连接。根据结构的抗震等级及构造要求不同搭接形式也不同。一二级级抗震底部非加强部分、三四级抗震、和非抗震可以采用搭接（一），即单个截面内100%搭接。此种搭接多用于柱子、剪力墙的竖向钢筋搭接。

6.直钢筋无绑扎搭接连接

直筋无绑扎搭接连接是一种两根钢无需绑扎，直接搭接到一起，然后浇混凝土形成钢筋的连接的连接方式。根据结构的抗震等级及构造要求不同搭接形式也不同。此种搭接多用于叠合板剪力墙和圆孔剪力墙的竖向钢筋搭接。

钢筋搭接连接示意

叠合板密拼接缝

叠合板密拼接缝

叠合板板支座

单向板的密拼连和叠合板与支座的连接也属于无绑扎搭接连接。

7.钢筋焊接连接

钢筋焊接连接是一种采用对焊或搭接焊等把筋直接焊接到一起的连接方式。焊接连接多用于低多层剪力墙结构连接。

钢锚环连接

1— 预制墙板；2—钢筋；3—带螺纹的预埋件；4—连接环

钢筋焊接连接实例

后浇混凝土其他连接 

1.钢锚环连接

钢锚环连接是一种通过钢锚环插筋后浇筑混凝土连接方式。在预制墙板连接面的预留槽，在预留槽内埋置螺纹套筒。墙体安装时，在螺纹套筒内拧入连接环，然后在两片墙体连接环的重叠区域内插入钢筋，然后浇筑细石混凝土，形成墙体的连接。多用于多层剪力墙连接。

钢锚环连接

1—预制墙板 2—钢筋 3—带螺纹的预埋件 4—连接环

钢锚环连接实例

2.钢筋锚环连接

钢筋锚环连接是一种通过钢筋锚环插筋后浇筑混凝土连接方式。钢筋锚环连接是指在需要进行连接的一块剪力墙板连接端预留凹槽，凹槽内伸出伸钢筋锚环。在与之连接另一块连接剪力墙板的连接端也预留凹槽。在凹槽内部同样伸出钢筋锚环。然后把两块墙板对接，两个凹槽相对，缝隙用用密封条密封。锚环钢筋交错，形成公共空间，在公共空间内插入两根钢筋，然后浇筑细石混凝土，形成墙体的连接。

一字型节点构造示意

L 型节点构造示意                   T 型节点构造示意    

3.绳索套环连接

绳套连接是一侧墙体预埋钢索环，与另一侧墙体的预埋钢索环相交叉，在交叉区域插入钢筋形成钢筋连接。并且两侧墙体在连接部位共同形成空腔，在空腔中注入浆料连接。绳套连接多用于低层房屋。

绳套连接件

绳套连接节点示意

绳套连接实例

4.型钢连接

型钢连接是指在预制构件中预埋型钢，然后通过不同预制构件内型钢焊接或螺栓连接实现预制构件的连接。型钢连接多用于装配式框架结构。

装配整体式型钢混凝土框架节点构造示意

1—预制型钢混凝土柱2—预制型钢混凝土梁3—后浇区 4—预制梁型钢螺栓连接5—预制柱型钢螺栓连接 6—叠合梁下部纵向钢筋 7—附加穿筋 8—叠合梁上部纵向钢筋

一种型钢连接示意

叠合构件后浇混凝土连接

1.钢筋弯折锚固

钢筋的弯折锚固连接是一种钢筋直锚长度不足情况下的常规做法，在混凝土结构中普遍应用，装配式混凝土结构中的双向叠合楼板之间的连接、叠合梁与端柱之间的连接和预制剪力墙与叠合梁平面外连接等都有应用

叠合板与叠合板之间的连接

上部钢筋弯锚

梁底部钢筋弯锚

2.钢筋锚板连接

钢筋的锚板锚固连接是一种钢筋直锚长度不足情况下的常规做法。多用于两端锚固。

钢筋锚固板锚固示意

梁顶钢筋端板锚固

框架梁顶钢筋端板锚固

干式连接

1.螺栓干式连接

螺栓连接是通过螺栓紧固的方式实现与预制构件之间的连接。螺栓连接可以在构件边缘设置螺栓孔和安装手孔，螺栓孔中穿过螺栓实现紧固连接。国外采用螺栓盒或定制的螺栓连接器实现连接。螺栓连接应用范围广。适用于装配式混凝土框架结构和装配式混凝土剪力墙结构。同时还适用于外挂墙板与主体结构的连接和预制楼板与预制楼板的连接等。

剪力墙结构螺栓孔螺栓连接

剪力墙结构螺栓孔螺栓连接实例

螺栓连接盒连接示意

框架结构螺栓连接器连接实例

牛腿螺栓连接实例

外墙挂板螺栓连接示意

2.连接件焊接干式连接

连接件焊接连接是通过焊接预埋不同在混凝土构件中钢板连接件实现连接。焊接无湿作业，操作简单方便。可应用于装配式混凝土框架结构和装配式混凝土剪力墙结构。

剪力墙结构焊接连接实例

其他连接

1.预应力干式连接

预应力PC建筑在设计中将预先可能发生的拉应力转化为压应力。通过预应力将零散的PC构件牢固地紧压在一起，构件之间为压应力，受力面为整个接触面。这种结构体系改变了现有用湿法现浇方式连接各处节点的构造做法，在地面以上的结构中，可以完全取消所有的节点现浇、楼板叠合现浇等湿法作业，属于干法施工。

预应力干法连接示意

2.组合连接

型钢与钢筋套筒灌浆组合连接，多用于框架结构，具体形式见下图。

3.哈芬槽连接

哈芬槽连接适用于大砌块砌体与构造柱的连接，具体形式见下图。

我国对于装配式钢结构建筑的研究相对滞后，装配式钢结构建筑具有抗震性能优越、生产周期短、建筑空间布置灵活、综合经济效益好、舒适度高等诸多优点，在国内的研究和应用也日益增多。钢结构建筑常通过梁柱节点连接来实现装配化。