装配式建筑是指由预制构件通过可靠连接方式在工地装配而成的建筑, 具有质量高、工期短、耗能低、排放少等优点。对比现浇式建筑, 在环境保护和施工效率方面更具优势。随着我国社会经济发展转型, 节能减排是当前我国面临的重大任务。对于建筑业而言, 装配式施工方式无疑是最佳解决方案, 既可满足我国当前迅猛的经济发展需要, 又能得到绿色节能保障。当前, 我国装配式建筑发展存在以下问题:技术研究落后于国外, 加工设备不完善, 部分预制构件不能保证在生产、运输及使用过程中的规范操作, 从而导致民众对装配式建筑的可靠性存有疑虑, 最终导致装配式建筑在我国占比较低。本文通过梳理国内外装配式建筑发展历程, 鉴于节点连接是装配式建筑研究的核心问题, 因此重点总结并分析装配式建筑节点连接方式, 对比其各自优缺点、适用范围及性价比, 以期为工程实践在节点连接方式选择方面提供参考和为国内装配式研究指明方向。

装配式建筑在19世纪末最早出现在欧洲, 20世纪初, 预制混凝土技术传入美国, 因预制混凝土采用工业化生产方式, 顺应了美国等国工业化大生产的要求, 预制混凝土在这些国家得到了推广与应用。其中, 丹麦是世界上最早推广使用预制混凝土结构的国家, 如今丹麦全国建筑结构体系中70%～80%为预制混凝土体系^[1]。据统计^[2,3], 瑞士、德国、法国和新加坡现有的装配式建筑占其全国建筑的80%, 日本目前装配式建筑占建筑市场份额达50%。美国装配式建筑始于20世纪30年代, 1976年美国国会通过了国家工业化住宅建造及安全法案, 同年开始出台一系列严格的行业标准;1991年美国PCI (预制预应力混凝土协会) 年会上提出将装配式混凝土建筑作为美国建筑业发展的契机, 由此带来美国20年来装配式建筑的长足发展, 美国目前有35%的装配式混凝土建筑, 其装配式混凝土住宅的价格仅为传统方式建造房屋价格的一半。

我国装配式建筑发展始于20世纪50年代, 当时为满足工业发展需要, 借鉴前苏联经验, 开始了第一批装配式建筑实施。20世纪70年代末至80年代末, 为解决住宅需求, 装配式建筑迎来了一次发展高潮。之后装配式建筑在我国发展停滞不前, 主要原因:譹) 盲目强调全装配式;譺) 技术、材料、工艺及设备等条件限制;譻) 改革开放后, 现浇建筑更具有市场;譼) 唐山大地震等原因^[4]。

进入21世纪, 随着我国经济及建筑业高速发展, 近年来, 国家大力推进装配式建筑。国务院于2013年1月1日发布的《绿色建筑行动方案》中明确要求推广适合工业化生产的装配式混凝土、钢结构等建筑体系, 极大促进了建设工程的预制与装配技术的发展^[5]。2016年2月6日国务院发布的《进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中明确指出要争取在10年左右的时间, 使装配式建筑在新建建筑中的比例达到30%。

与现浇结构相比, 装配式建筑最大的安全问题在于如何确保连接节点的可靠性。目前, 装配式结构节点连接主要分为干连接和湿连接2种。干连接主要是借助埋设在预制混凝土构件中的钢筋进行机械连接。湿连接是在工厂完成预制构件制作后运至现场拼装, 在节点处浇筑混凝土连接。根据连接方式或材料的不同, 干连接和湿连接又可分为很多种类, 如图1所示。

牛腿主要是借助连接点的高承载力向其他部件传递竖向力, 从而保证装配式混凝土结构的坚固性和抗震性, 故牛腿连接方式在预制装配式结构中的应用相当普遍。针对牛腿连接方式, 国内外专门的研究较少, 大多把它当作一种短悬臂梁或深梁进行计算。黄祥海等^[6]分析了牛腿连接方式并对其进行有限元分析, 首次应用拉压杆模型理论对应力分布极不规则的钢筋混凝土暗牛腿进行受力分析, 并根据其在该连接构造中的受力特点提出相应的竖向承载力计算公式, 推算出钢筋混凝土暗牛腿上部受力钢筋的最大配筋率, 得出混凝土抗压承载力决定了牛腿最大承载能力的结论。陈子康等^[7]调查研究发现牛腿节点在延性和韧性上差于无牛腿节点。张力滨等^[8]针对牛腿节点延性和韧性差这一缺点, 也利用拉压杆模型和摩擦抗剪理论对钢筋混凝土暗牛腿进行分析, 结果表明, 利用新型干式企口连接节点、钢筋混凝土暗牛腿缺口梁干式节点能够满足承载力且性能优异。林宗凡等^[9]也研究出牛腿-梁互嵌式接头节点, 采用摩擦滑移装置可显著改善牛腿抗震能力, 并未发生性能退化现象, 延性效果较为理想, 但造价较高。

焊接连接在预制装配式结构中应用较普遍, 特别是在钢结构和型钢结构中。其优点是施工方便、快速、节省工期、节约成本。焊接连接中, 如果将焊接接头处的塑性铰位置布置合理, 此连接会具有明显的优越性。但要求焊接技术精湛, 如果连接方法中没有明显的塑性铰设置, 此时节点承载力不高, 易发生脆性破坏, 抗震性能反而较差。PILLAI S U等^[10]对足尺预制的焊接节点和现浇混凝土梁-柱节点试件进行对比试验, 结果表明, 预制试件的强度、刚度和承载力与现浇试件基本相当, 但钢筋的焊接位置是试件的薄弱部位, 提高钢筋的焊接位置强度是应用预制试件的前提。SECKIN M^[11]等针对PILLAI所做试件中钢筋焊接位置的薄弱问题, 通过增加钢板、增长钢筋焊接长度等措施有效提高了节点的受力性能。

螺栓连接是装配式混凝土结构的主要连接方式之一, 可连接结构柱梁, 应用于非抗震结构或低抗震设防烈度或多层建筑。其最大优点是施工简便快捷。最大的缺点是对于构件的制作精度要求相对较高, 不能出现偏差、受污染和破损的情况。若出现构件损坏情况, 则维修成本较高和施工过程较为复杂。孙建等^[12]研究发现螺栓连接的装配整体式混凝土剪力墙的抗弯承载力与现浇混凝土剪力墙接近, 装配整体式混凝土剪力墙的总体延性、抗震性能比现浇式好。李贤等^[13]提出一种端板高强螺栓连接的狗骨式削弱钢梁-钢筋混凝土柱节点, 此类节点的强度和刚度较高, 破坏时塑性铰发生在梁端, 具有较好的延性。前述的研究都是基于拟静力试验结果, 在动力荷载作用下, 螺栓连接效果也可满足要求。范力^[14]提出橡胶垫螺栓连接梁柱的方式, 在动力荷载作用下未发生明显破坏。毛炜烽等^[15]通过2组足尺螺栓连接钢-混凝土柱组合节点试件的低周反复荷载试验, 发现2组试件均具有较高承载力、良好延性和耗能能力, 其延性系数均超过4。

灌浆套筒连接技术是通过在套筒间的环形间隙中填充水泥浆等灌浆料的方式连接2根不同的钢筋, 并通过凝固灌浆料的剪切强度传递轴向力。灌浆套筒形式上可分为全灌浆套筒和半灌浆套筒, 如图2所示。全灌浆套筒两端均采用灌浆方式连接钢筋, 是目前应用最广泛的套筒形式。半灌浆套筒在预制构件端采用直螺纹方式连接钢筋, 现场装配端采用灌浆方式连接钢筋^[16]。

LING J H等^[17]通过试验结果发现套筒形状对节点的承载能力有重要影响。套筒内径的减小和钢筋埋入长度的增大会提高节点的承载能力。熊杨等^[18]研究了装配式混凝土结构中钢筋套筒连接灌浆料强度及影响因素, 为工程中钢筋套筒连接灌浆料实体强度检测提供理论依据。赵作周等^[19]对灌浆套筒连接节点进行试验, 得出灌浆套筒节点性能不比现浇节点差的结论。黄朗等^[20]对预制混凝土柱套筒灌浆连接和螺栓连接进行低周反复荷载试验, 结果发现套筒连接节点比螺栓连接节点承载能力强、延性好、耗能佳。

针对灌浆套筒的形式研究, 郑永峰^[21]提出一种新型变形灌浆钢套筒GDPS (Grouted Deformed Pipe Splice) 套筒, 调整了套筒内壁凸肋的分布规律, 在轴力向方向, 套筒中部由于没有凸环肋, 表现为受拉;在套筒两端, 由于凸环肋的存在, 表现为受压;在环向方向, 套筒沿全长均受压, 这是一种经济有效的套筒形式。之后郑永峰等^[22]研究套筒内腔构造对钢筋套筒灌浆连接黏结性能的影响, 考虑套筒内腔环肋数量、间距、凸起高度等参数, 并进行了单调轴向拉伸试验和理论分析, 结果表明:适当增加套筒环肋数量及内壁凸起高度, 可提高钢筋灌浆套筒连接的承载力, 减小钢筋屈服前的连接位移。

浆锚搭接的原理是黏结锚固原理^[23], 将需要连接的带肋钢筋插入预制构件的预留孔道中, 预留孔道内壁为螺旋形, 钢筋插入孔道后, 注入高强早强且微膨胀灌浆料, 锚住插入的钢筋, 如图3所示。浆锚搭接螺旋孔有2种:埋设金属波纹管成孔和螺旋内模成孔, 第1种的实际应用更广泛。其中, 直径大于20mm的钢筋不宜采用浆锚搭接连接, 直接承受动力荷载构件的纵向钢筋不宜采用浆锚搭接连接。浆锚搭接成本低, 操作简单, 但因结构力的局限性, 浆锚搭接一般只适用于房屋高度不大于12m或层数不超过3层的装配式整体框架结构的预制柱纵向钢筋连接。

邰晓峰^[24]发现采用插入式预留孔灌浆搭接连接的预制剪力墙与现浇剪力墙相比, 有相当的抗震性能。姜洪斌等^[25]采用单向拉伸的加载试验证明了该连接方式具有良好的锚固和搭接性能, 并建议插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接的搭接长度减短为锚固长度。赵培^[26]在单向拉伸试验的基础上, 加上高应力反复拉压试验, 发现配置螺旋箍筋可有效降低钢筋搭接长度, 并得出螺旋箍筋体积配箍率对钢筋搭接长度的影响规律。马军卫等^[27]亦研究出节点体积配筋率的增加可提高钢筋与灌浆料或混凝土的锚固强度, 进而提高节点承载能力。约束浆锚连接技术安全可靠、成本低廉, 在我国已取得较快发展, 但该技术目前还存在一些缺点和不足^[28,29], 主要表现在:譹) 承载能力较低, 应用范围狭窄;譺) 钢筋搭接长度过长;譻) 应用受到构件截面尺寸限制。

以上是5种常见的节点连接方式, 相关研究较多, 应用较广。除此之外, 还有构件搭接、刚吊架式连接、钢筋机械连接及注胶套筒连接等连接方式。这些连接方式比较简易或应用面比较局限, 因此未得到广泛推广。

在众多节点连接形式中, 各有优缺点、特点及其适用范围。牛腿连接、焊接、螺栓连接、灌浆套筒连接、浆锚搭接等是当下主要的连接方式。在选取具体连接方式时, 需根据本身结构设计、材料属性、造价、技术要求等方面综合决定。

目的是为能更直观地比较各种连接方式的优缺点及适用范围等, 各种连接方式的特点如表1所示, 可为工程师在选择装配式建筑连接节点时提供参考。

从装配式建筑从古至今的发展历程可得出装配式建筑具有质量高、工期短、耗能低、排放少等优点。近十年, 我国从中央政府到地方政府出台了各种政策鼓励装配式建筑的发展, 在未来一段时间里装配式建筑将蓬勃发展。

要提高建筑的装配率, 主要任务是保证其安全性。而装配式建筑安全和质量的核心问题在于节点连接, 保证节点连接质量至关重要。本文总结了目前市面上常见的几种节点连接方式, 对比分析其各自的优缺点、适用范围及性价比, 可为实际工程应用中在选择节点连接方式方面提供参考。