第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着我国建筑结构技术体系日益成熟，目前高层及超高层建筑如雨后春笋一般在我国全国各地许多城市拔地而起。城市人口的急剧增加和地价的猛涨都是促使着高层及超高层建筑的飞速发展的主要因素，高层建筑也成为了社会经济和科学技术发展的必然产物。随着城市化发展，超高层建筑不再是一个单纯的地标性建筑，而是成为一种真正的多功能建筑模式，同时也解决了当今城市人口密集和用地紧张问题。根据最新数据统计，世界上最近 50 座在建的和已建成的 400 米以上的高层建筑，其中有 25 座在中国。据不完全统计，截止到 2018 年中国超高层排名如下：位居首位的是上海中心大厦[1]，上海中心大厦建筑主体为 119 层，总共建筑层数为 125 层，总建筑高度 632m。由于超高层建筑高度较高，导致建筑刚度小阻尼低，因此抗风是超高层建筑设计中的主要考虑因素[2]。该建筑设计特点较为新颖，从顶部看其外形好似一个吉他拨片，建筑呈螺旋式上升，每层扭曲近 1 度，能够延缓风流，防止结构形成涡旋脱落效应发生剧烈摇晃。如 1-1 图所示为上海中心大厦。
1.1 课题研究背景及意义
随着我国建筑结构技术体系日益成熟，目前高层及超高层建筑如雨后春笋一般在我国全国各地许多城市拔地而起。城市人口的急剧增加和地价的猛涨都是促使着高层及超高层建筑的飞速发展的主要因素，高层建筑也成为了社会经济和科学技术发展的必然产物。随着城市化发展，超高层建筑不再是一个单纯的地标性建筑，而是成为一种真正的多功能建筑模式，同时也解决了当今城市人口密集和用地紧张问题。根据最新数据统计，世界上最近 50 座在建的和已建成的 400 米以上的高层建筑，其中有 25 座在中国。据不完全统计，截止到 2018 年中国超高层排名如下：位居首位的是上海中心大厦[1]，上海中心大厦建筑主体为 119 层，总共建筑层数为 125 层，总建筑高度 632m。由于超高层建筑高度较高，导致建筑刚度小阻尼低，因此抗风是超高层建筑设计中的主要考虑因素[2]。该建筑设计特点较为新颖，从顶部看其外形好似一个吉他拨片，建筑呈螺旋式上升，每层扭曲近 1 度，能够延缓风流，防止结构形成涡旋脱落效应发生剧烈摇晃。如 1-1 图所示为上海中心大厦。
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国内外学者已经对双钢板-混凝土组合剪力墙结构进行了初步分析研究，以及其优良性能也得到了试验研究和数值模拟的双重验证。对双钢板-混凝土组合剪力墙的承载力、变形能力、延性以及耗能能力等有了基本的研究分析，但由于影响该类型剪力墙力学性能的因素过多，所以对双钢板-混凝土组合剪力墙的研究分析还有欠缺及不足之处。
目前对一字形双钢板-混凝土组合剪力墙构件的试验研究及模拟分析已经足够成熟，但对异形双钢板-混凝土组合剪力墙构件的分析研究是比较欠缺的，而在实际工程应用中由一字形双钢板-混凝土组合剪力墙组合而成的各种截面形式剪力墙是经常存在的，对于这种异形截面形式剪力墙的应用和研究分析还没有具体详细的相关规范进行规定。本文通过 ABAQUS 有限元软件对工字形双钢板-混凝土组合剪力墙构件进行数值模拟，参数化分析，系统全面的总结归纳了异形组合剪力墙构件的力学性能。
1.2.1 国内相关文献综述
关于钢板混凝土组合剪力墙的研究最早是 1995 年李国强、张晓光、沈祖炎[8]等学者对 3 个钢板外包混凝土剪力墙和 1 个纯钢板剪力墙板试件在循环荷载作用下的试验研究。试验结果表明，前者与钢板剪力墙相比，在具有良好的承载能力和延性的同时，构件的刚度也有很大提高。根据试件的破坏情况可知，该剪力墙角部最先破坏，可在四个角部适当配置加劲肋，能更好提高该类试件的极限承载力及变形能力。
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第 2 章 ABAQUS 有限元软件简介及理论
2.1 ABAQUS 模块简介
ABAQUS 有 ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit 两个主要分析模块[42]。 ABAQUS 模型计算过程主要包括前处理、模型计算和后处理[43]。这三个步骤的联系及生成的相关文件如图 2-1 所示：
(1) 前处理（ABAQUS/CAE）
ABAQUS 软件中前处理主要通过部件、材料属性、装配组合、设置分析步、接触定义、施加荷载、划分网格这七个模块来进行，通常做法是在 ABAQUS/CAE 或其他前处理模块环境下建立模型。
(2) 模拟计算（ABAQUS/Standard）
模拟计算阶段是求解模型的数值问题，通常情况下是作为后台进程处理的。
(3) 后处理（ABAQUS/CAE）
完成了模拟计算后可以通过 Job 模块进行分析，得到应力云图、变形图等，对计算结果进行分析，即后处理。通常后处理是使用 Visualization 模块查看模拟结果，该模块可以显示应力应变云图、绘制模型的滞回曲线等多种结果。得到结果数据后，利用其它后处理软件对数据进行处理及分析[44]。
..........................模拟计算阶段是求解模型的数值问题，通常情况下是作为后台进程处理的。
(3) 后处理（ABAQUS/CAE）
完成了模拟计算后可以通过 Job 模块进行分析，得到应力云图、变形图等，对计算结果进行分析，即后处理。通常后处理是使用 Visualization 模块查看模拟结果，该模块可以显示应力应变云图、绘制模型的滞回曲线等多种结果。得到结果数据后，利用其它后处理软件对数据进行处理及分析[44]。
2.2 有限元软件理论
有限元单元法的基本思想是将连续的求解区域离散化，将复杂形状模型化，用有限个数量单元求解无限单元问题，从而使一个连续的无限自由度问题转化成离散的有限自由度问题[45]。目前，有限单元法的应用已经越来越广泛，在受力问题和分析对象方面都有了极大的发展[46]。随着现代力学和计算机技术等学科的发展，有限单元法作为一个具有理论基础和广泛应用效力的数值分析工具[47]，其自身将得到更好发展和完善的同时，必将对国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用。
混凝土属于各向异性复合材料，在同时承受压力和拉力时，混凝土将呈现出各向异性的特点且其处于复杂的受力状态。因此，利用 ABAQUS 有限元模拟混凝土构件受力特点时，混凝土本构模型的选择对获得较精确的模拟结果有极其重要的作用。ABAQUS 有限元软件提供了脆性开裂模型、弥散开裂模型和塑性损伤模型三种混凝土本构模型[51]。随着材料内部受力变形产生形变，使得材料形成表面微裂纹，由于进一步形变逐渐增大与其他部位的裂纹汇合形成塑性区，区域内的裂纹进一步扩展在宏观上就表现为塑性损伤。塑性损伤模型由于其收敛性好，对静力学分析和动力学分析都能适用，而且对混凝土的非弹性行为采用压缩塑性理论和各向同性拉伸来进行说明，又对循环往复荷载加载适用。故本文选取了混凝土塑性损伤模型，该模型能较好的模拟混凝土开裂和压碎的破坏机制[52]。
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第 3 章 一字形多腔组合剪力墙模拟结果分析 ························· 21
3.1 试验概况 ······························ 21
3.2 有限元模型的建立 ·························· 22
第 4 章 工字形双钢板-混凝土组合剪力墙力学性能有限元分析 ························· 27
4.1 引言 ···································· 27
4.2 有限元模型的建立 ······················ 27
第 4 章 工字形双钢板-混凝土组合剪力墙力学性能有限元分析
4.1 引言
本章采用 ABAQUS 有限元软件模拟文献中试验构件，是在一字形双钢板-混凝土组合剪力墙有限元模型建立的基础上，对工字形双钢板-混凝土组合剪力墙进行建模分析，研究其在滞回荷载作用下力学性能。上一章已经对有限元建模的正确性进行了验证，也将有梁模型与无梁模型进行了对比，由此可知无梁模型能准确反映剪力墙在实际工程中的破坏机理，因此，本章将通过对无梁模型进行参数化分析。本文主要通过改变钢板强度、钢板厚度、混凝土强度等级、墙体厚度、轴压比、剪跨比以及腹板腔数等主要参数来系统研究该剪力墙承受单轴和循环往复不同荷载作用下的力学性能——变形能力、承载能力、刚度退化以及滞回耗能能力，并归纳参数改变对其力学性能的影响，总结出相关变化规律，并对该类构件在实际工程设计中的应用提出可行性意见。
在阅读大量相关文献基础上，确定了影响该类剪力墙的相关参数，对于工字形双钢板-混凝土组合剪力墙，主要影响参数有钢板强度、钢板厚度、混凝土强度、墙体厚度、轴压比、剪跨比以及腔数等，由于试件的参数较多，本文采用腔数为 3、4、5 腔，改变其他参数，研究分析各个参数变化的情况下对剪力墙力学性能的影响。
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结论与展望
1. 工字形双钢板-混凝土组合剪力墙的力学性能研究总结
本文对工字形双钢板-混凝土组合剪力墙的力学性能及破坏机理采用 ABAQUS有限元软件进行模拟研究。根据研究内容，本文设计了 3、4、5 腔三种试件，其钢板厚度取 4mm，钢板强度取 Q345，混凝土强度为 C30，剪跨比 0.75，轴压比 0.5，墙体厚度取 150mm 的典型工字形双钢板-混凝土组合剪力墙构件，利用有限元软件对 3 个试件建模并数值模拟，通过观察钢板和内填混凝土的应力应变图以及得到的滞回曲线图，总结工字形双钢板-混凝土组合剪力墙的破坏机理并分析构件模型的力学性能。在建模过程中，对构件进行了参数化分析，通过改变钢板厚度、钢板强度、混凝土强度、墙体厚度、腔数、剪跨比以及轴压比等参数，分析其对工字形双钢板-混凝土组合剪力墙构件的力学性能及破坏机理的影响。通过本文对该构件的研究分析，得到以下结论：
1. 工字形双钢板-混凝土组合剪力墙的力学性能研究总结
本文对工字形双钢板-混凝土组合剪力墙的力学性能及破坏机理采用 ABAQUS有限元软件进行模拟研究。根据研究内容，本文设计了 3、4、5 腔三种试件，其钢板厚度取 4mm，钢板强度取 Q345，混凝土强度为 C30，剪跨比 0.75，轴压比 0.5，墙体厚度取 150mm 的典型工字形双钢板-混凝土组合剪力墙构件，利用有限元软件对 3 个试件建模并数值模拟，通过观察钢板和内填混凝土的应力应变图以及得到的滞回曲线图，总结工字形双钢板-混凝土组合剪力墙的破坏机理并分析构件模型的力学性能。在建模过程中，对构件进行了参数化分析，通过改变钢板厚度、钢板强度、混凝土强度、墙体厚度、腔数、剪跨比以及轴压比等参数，分析其对工字形双钢板-混凝土组合剪力墙构件的力学性能及破坏机理的影响。通过本文对该构件的研究分析，得到以下结论：
1) 通过模拟一字形多腔双钢板-混凝土组合剪力墙构件，将得到的滞回曲线与受力破坏图的结果与试验结果进行对比，发现有限元模拟结果与试验结果总体上较为吻合，能够较好的反映试验过程中钢板屈曲及混凝土被压碎的现象，从得到的骨架曲线对比图上可以看出，由于有限元模拟的试件材质及受力性能较为理想，得到的荷载值略大一些，但两者峰值荷载及变化曲线都基本一致，说明构件模拟得到的数据也是具有一定的科学性和合理性的，也表明了采取数值模拟方法来研究该双钢板-混凝土构件的力学性能是具有一定说服力的。
2) 从承载力方面来看，由三种构件在竖向轴压力和水平往复荷载作用下得到的结果可知，增大钢板厚度，构件的承载力最大可提高 29.73%；提高钢板强度，承载力最大可提高 21.53%；提高混凝土强度，最大可提高 62.84%；改变剪跨比，最大可提高 60.68%；增加墙体厚度，承载力最大可提高 62.12%；改变轴压比，构件的承载力最大可提高 45.01%。根据以上数据，可发现对提高构件承载力有较大影响因素的是钢板厚度、混凝土强度、剪跨比以及墙体厚度。就其经济性方面考虑增加钢板厚度这种措施不建议采用；降低剪跨比和增加墙体厚度这两种方法都会对减少建筑物的有效使用空间，同时也会增加建筑物自重。因此，提高该构件承载力最有效措施是提高混凝土强度。
参考文献（略）
2) 从承载力方面来看，由三种构件在竖向轴压力和水平往复荷载作用下得到的结果可知，增大钢板厚度，构件的承载力最大可提高 29.73%；提高钢板强度，承载力最大可提高 21.53%；提高混凝土强度，最大可提高 62.84%；改变剪跨比，最大可提高 60.68%；增加墙体厚度，承载力最大可提高 62.12%；改变轴压比，构件的承载力最大可提高 45.01%。根据以上数据，可发现对提高构件承载力有较大影响因素的是钢板厚度、混凝土强度、剪跨比以及墙体厚度。就其经济性方面考虑增加钢板厚度这种措施不建议采用；降低剪跨比和增加墙体厚度这两种方法都会对减少建筑物的有效使用空间，同时也会增加建筑物自重。因此，提高该构件承载力最有效措施是提高混凝土强度。
参考文献（略）