装配式建筑结构连接节点性能分析与优化

引言

装配式建筑作为建筑工业化的重要发展方向，其结构连接节点在承载路径、力学协同与施工效率中发挥关键作用。节点性能不足将严重制约结构整体性与耐久性，甚至导致体系性破坏。随着施工规模扩大与性能标准提高，需深入探讨连接节点性能分析与优化机制，研究成果对推动装配式建筑标准化、可靠性设计具有重要工程意义。

1.装配式结构连接节点的分类与构造特性

1.1 节点类型分类

当前市面上主流装配式结构体系主要包括装配整体式混凝土结构（PC）、钢结构体系、钢-混组合结构体系及装配式木结构体系等。其中，装配整体式混凝土结构中常见连接节点有梁柱湿接缝、叠合楼板干湿结合缝、剪力墙套筒灌浆连接等。PC 结构连接节点具备良好的整体性与抗震性能、传力路径明确等优点[1]，但施工工艺复杂，湿作业占比高。钢结构体系主要采用螺栓连接、焊接与插接节点，节点施工效率高，便于装拆，但对连接构件加工精度要求较高[2-4]。钢-混组合结构通常在柱脚与梁柱节点采用钢筋外露+灌浆连接方式，兼具承载力与构造灵活性。木结构节点以榫卯、螺栓和金属连接件为主，易加工但耐久性需加强。不同体系中节点形式直接决定了力的传递路径与结构体系协同性能，需结合力学性能、施工效率与耐久性进行综合评估。

1.2 构造特征分析

装配式连接节点构造中核心要素包括预埋钢筋、连接钢件、灌浆套筒、剪力键等（见图 1-图 4），其布置方式直接决定节点受力路径与应力集中分布。以灌浆套筒连接为例，其钢套筒内径宜控制在 Φ³²～Φ⁵⁰mm 范围，灌浆材料抗压强度应不低于60 MPa，以确保连接界面的剪切强度和粘结性能[5-6]。连接钢件多采用Q355 或 Q390 级别，满足节点在多向受力下的变形协调性。节点构造还需兼顾施工可达性与误差补偿能力，如设置限位凸台、安装导轨等提升现场装配精度。节点内部构造布局应控制焊缝长度、锚固深度等关键参数，避免发生早期裂缝或连接疲劳失效，从而保证装配结构整体性与可靠性。

图1 预埋钢筋及灌浆套筒注浆孔

图2 预埋灌浆套筒

图3 粗糙面及连接钢筋2.装配式连接节点的性能分析方法

图4 叠合板连接节点

2.1 理论分析方法

理论分析方法是连接节点性能研究的基础，其核心在于构建反映实际受力行为的力学模型，并推导节点的内力分布、变形响应及极限承载能力。常用方法包括刚度折减法、塑性铰理论、界面摩阻模型等。在框架结构中，节点可通过等效刚度模型简化为弹性铰接或半刚连接，进而在整体结构分析中体现其变形协调性。例如，对灌浆套筒连接节点，可通过组合弹簧模型模拟钢筋—灌浆材料—钢套筒三者间的协同变形，计算中应考虑非线性滑移与剪切失效特征。此外，对节点中存在预应力筋或锚固段的构造，还需引入应力滞后理论，预测受力滞后的效应对整体传力路径的干扰。对于地震作用下的性能分析，应结合屈服机制与耗能能力构建滞回本构模型，以准确评估节点在低周反复荷载作用下的变形能力和破坏模式[7]。

2.2 数值模拟技术

数值模拟技术在节点性能研究中具有高精度、多尺度、可控变量的优势。常用分析平台包括 ABAQUS、ANSYS、MIDAS FEA 等，能够进行静力、动力、热力耦合等多工况模拟。节点模拟需建立包括预制构件、连接件、灌浆层及钢筋等多材料组合的有限元模型，并通过接触算法处理界面非线性问题。材料模型应选用适用于高应变区域的本构关系，如混凝土采用 Concrete Damaged Plasticity模型，钢材采用双线型或多折线强化模型。典型建模中，网格尺寸应控制在10 mm以内，以捕捉应力集中区的应变分布，界面滑移模型可采用Cohesive Zone Model精确模拟脱粘行为。在参数敏感性分析中，通过正交试验法调整灌浆层厚度、锚固深度、节点刚度等参数，可识别控制性能的主导因素。

2.3 试验研究方法

试验研究方法是验证理论与数值模拟准确性的重要手段，可全面评估节点在实际荷载作用下的受力性能、破坏形态与退化规律。试验类型涵盖单轴拉压试验、拟静力试验、低周反复加载试验及拟动力试验等（见图 5-图 6），具体选型需根据节点所承受的作用类型确定。以拟静力试验为例，试验加载速率控制在

0.01～0.05mm/s 之间，能真实模拟地震作用下的慢速加载过程，获取节点的滞回性能和耗能能力。加载设备需配置多向加载系统及高精度位移计，数据采集频率应不低于 soHz ，以捕捉节点响应全过程。关键观测指标包括初始刚度、极限承载力、变形能力、裂缝扩展路径及残余变形率等。为保证结果具有代表性，试件制作精度需控制在±2 mm 以内，钢筋保护层厚度、灌浆密实度等均应满足规范要求。

图5 试验装置图

图6 加载制度图

3装配式节点的优化设计与发展策略

3.1 节点构造优化策略

节点构造优化的核心目标是实现力流路径清晰、构造紧凑、高可靠性与施工高效性的有机统一。优化应围绕连接件布置、受力传递方式及节点空间配置展开。在预制框架节点中，通过设置内嵌式导向钢板及多向限位肋可显著降低拼装误差，提升连接刚度与抗滑移性能。对于竖向构件连接，采用对称布设的灌浆套筒可形成多点约束，提高节点抗扭刚度，并有效减少偏心效应对力流路径的扰动。构造优化还应考虑装配便利性与施工容错性，例如引入可调节长度的螺栓连接或滑移导轨系统，可在 5mm 装配偏差范围内实现高精度就位。节点构件界面应采用凹凸错缝设计，以增强界面抗剪能力并抑制相对滑移，其构造特征有助于提升界面剪应力传递效率，并增强节点整体稳定性。

3.2 性能提升技术路径

装配式节点的性能提升技术路径需从材料、构造、力学协同与防护机制等多层面展开，形成综合集成化设计体系。在材料层面，引入高性能灌浆料（抗压强度≥80 MPa、弹性模量≥38 GPa）可显著提高连接界面抗裂能力及长期变形控制效果；其在-20 ℃低温下仍保持 95% 以上强度。结构层面，通过增加节点的冗余承载路径，例如增设加强环箍或构造剪力撑，可在突发荷载下防止单一连接失效导致结构破坏。为提升节点在地震荷载下的耗能能力，可引入耗能连接件，如减震滑移连接或粘滞阻尼钢件，可将滞回曲线包络面积提高 30% 以上。此外，针对环境耐久性问题，节点界面可采用防腐锌铝合金镀层及聚合物涂覆技术，延长使用寿命并降低腐蚀速率达 60% 。

3.3 节点优化设计的多目标方法

节点的多目标优化设计需同时兼顾结构安全性、施工效率、耐久性与成本控制，通常采用多目标优化算法与参数建模技术协同实现。常用方法包括非支配排序遗传算法（NSGA-II）、响应面法（RSM）与多目标粒子群优化（MOPSO），其中 NSGA-II 在高维优化中表现出较强的收敛性与解集均匀性。建模阶段需定义性能目标函数，如最小化节点滑移量、最大化延性比值（推荐目标值≥1.8）及降低单位连接成本。通过构建输入变量与性能响应之间的数学模型，并结合拉丁超立方采样技术，生成优化训练数据集以提升预测精度。在模型求解阶段，可设定约束条件，如节点位移不得超过结构控制位移的 25% 、构件连接长度控制在300～450mm 之间等。最终结果经Pareto 前沿筛选后，导出性能与经济性兼顾的优化解集，实现节点性能的系统提升并为标准化设计提供决策依据。通过试验研究手段对优化节点进行验证，并将测试数据与理论模拟结果进行对比分析，重点评估在刚度、延性与界面滑移等关键性能指标上的偏差范围，确保计算模型精度控制在 ±10% 以内，从而增强优化方案的实际可行性与结构可靠性。

4.结语

总而言之，装配式建筑中连接节点的性能直接关系到结构体系的整体稳定性与工程安全性。通过合理的节点分类、构造优化与性能提升路径，能够有效增强结构的承载能力（提升幅度约为 12%～25% ）、抗震能力（延性比可提高至1.8～2.3）、耐久性（界面劣化延缓时间延长 20%～35% ），推动装配式建筑技术向高质量发展迈进。未来，节点设计将更趋智能化、集成化，依托数字建造与新材料技术实现性能与效率的全面升级。

参考文献

[1]鹿维丹，郝燃.装配式建筑结构连接节点性能分析与优化[J].城市建设理论研究（电子版），2025，（22）：169-171.

[2]杨伯韬.装配式建筑加固钢结构端板连接节点承载性能分析[J].建筑技术，2025，56（09）：1148-1152.

[3]李永圣.装配式建筑结构节点连接方式及施工技术管理措施[J].低碳世界，2025，15（06）：72-74.

[4] 王彦飞. 装配式钢结构建筑的墙板连接节点施工技术[J]. 城市开发，2025，（10）：156-158.

[5] 陈 自 闯 . 建 筑 工 程 施 工 中 的 装 配 式 技 术 探 究 [J]. 建 材 发 展 导向，2025，23（08）：58-60.

[6] 王英. 影响装配式建筑构件连接节点质量的因素分析[J]. 混凝土，2024，（12）：175-177.

[7]龚诗雨，陈楠，蒋志桢，等.装配式建筑节点抗震性能研究[J].建材发展导向，2022，20（12）：88-90.