1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
通过最近的城乡建筑面积调查发现，我国在最近几年中完成的总城乡建筑，平均每年约为 19.7 亿 m2，而其中超过三分之一为城镇住宅建筑，在世界建筑市场中我国高居榜首[1]。在我国建筑中，大部分为混凝土建筑，一直以来，我国混凝土建筑主要以传统的现场施工为主，经过长期发展，虽然已经形成较为稳定的施工方式，但这种模式缺点也同样明显，对劳动力需求大，过于依赖人工作业，建筑材料周转慢，材料浪费严重，建筑期间高能耗，工业化程度较低，建筑质量波动大，与国家所提倡的绿色节能化建筑政策不相匹配。
我国近年来经济发展迅速，高度重视可持续发展，大力推广绿色发展概念，出台一系列政策推动循环可持续发展，建筑行业装配式混凝土建筑具有绿色、节能、环保等优点，随着国情需要，对于装配式混凝土建筑的研究也变得越来越被人们所重视。转变传统建筑行业的建造方式，不仅是实施国家建设和住宅产业化的总体部署，也是响应国家转变经济发展方式的号召，同时也是提高居民生活居住条件的客观需要。在多高层的建筑中，常用的结构形式有框架结构、剪力墙结构、筒体结构等，而剪力墙为各结构中较为常见也较重要的结构，因此改善剪力墙的施工方式，研发预制装配式剪力墙结构是产业化发展的必然趋势。装配式剪力墙的施工采用工厂流水化生产、机械预制、施工现场装配的方式，质量稳定，节省了人力物力，实现绿色节能环保的同时，也达到了产业化住宅的要求。
一般装配式剪力墙结构通过水平拼缝使上下两块墙体连接在一起，相应的连接处为其受力的薄弱环节，因此提高水平连接节点处的承载力，加强节点设计，是提高剪力墙整体承载力的重要环节[2]。考虑水平连接设计的合理性和可靠性的同时，相应的也要考虑连接节点施工的便利性，因此，水平拼缝连接的受力和设计构造优化是提高结构整体抗震性能和实际工程应用推广的重中之重。
........................
1.2 装配式剪力墙的应用现状
1.2.1 装配式结构的发展
最早提出装配式混凝土结构是在 19 世纪后期，预制的混凝土墙和预制混凝土板在欧洲的一些建筑中开始使用[3]，在 19 世纪末期，英国的 Lascell 所设计的分隔式建筑使得装配式建筑体系雏形开始形成。在世界上，首个使用装配式混凝土的建筑为巴黎在1878 年的世界博览会上面所展示的一栋临时别墅。在 1882 年，位于英国的 Sydenham大街 226 号和 228 号的两幢别墅是由装配式混凝土建造，是现在所存在的最早的装配式混凝土实用建筑。欧洲一些国家在二战结束后，出现劳动力紧缺、住房不足等一系列问题，慢慢开始施行住宅产业化政策，预制装配式建筑普遍增多，发展迅速，1960 年以后，一些国家的主要建筑方式为预制装配式建筑。20 世纪 60 年代，预制装配式大板结构开始在日本兴起，大多数为中低层建筑，高层还是以混凝土框架结构为主。在 20 世纪末期的时候，装配式结构在全国范围内开始普及，在工业、住宅、道路等方面都有装配式结构的影子，并且发挥着重要作用。目前，瑞典、美国等国家已经发布并使用装配式结构的相关技术规范，同时美国还颁发了住宅安全和工业化生产标准。目前来说，预制装配式建筑在发达国家发展更为迅速，在瑞典的新建住宅建筑中预制构件占比超过 70%，日本约为 50%，美国等国家也达到了 30%以上。
我国在 20 世纪 50 年代开始发展预制装配式结构，刚开始预制装配式结构主要用于厂房、办公楼等结构中，而到了 20 世纪 80 年代，预制装配式建筑在我国迅速发展，并达到了鼎盛时期[4]，但在不久后，因为没法形成大规模流水线生产厂房、技术力量不足等原因，预制装配式结构的发展又重新变得低迷，到了 20 世纪 90 年代中期，建筑基本都是现浇混凝土结构体系。随着 21 世纪经济飞速发展，人们对住房要求的提高，建筑业发展迅速，同时，国家也越来越重视绿色节能发展以及可持续发展。国家政策的鼓励、市场的要求等，使得预制装配式结构的发展被越来越多的人所重视，对装配式结构的研究也越来越多。
..........................
2 暗柱型钢焊接的装配式剪力墙非线性分析及验证2.1 非线性理论
现实中大部分物理结构都会产生非线性现象，非线性是指结构产生变形时，其刚度也改变的过程[42]。虽然结构中存在非线性问题，但大多数时候都会利用线性分析方法来研究这些结构产生的变化，对于大部分结构而言，仅利用线性分析得到的结果会存在较大的误差，无法达到需要的标准。因此在分析结构时，不仅需要线性分析，还需进行非线性分析，力学中，包含了几何、状态、材料三种非线性。本文主要对暗柱型钢焊接连接预制装配式墙体结构利用有限元软件 ABAQUS 进行非线性分析，整个过程中，几何、材料非线性变化涉及最为广泛。
2.1.1 材料、几何非线性
（1）材料非线性
墙体材料在受到应力作用时，会出现塑性变形，且这种变形不可逆，即其本构关系与胡克定律不吻合，这就是材料非线性的释义[43]。弹塑性部分，加载、卸载产生的影响可利用结构位移的增量相关性描述。暗柱型钢焊接连接剪力墙结构中，使用的材料主要为混凝土、钢材，对于钢材来说，当其应变值较小时，线性应力应变关系较为突出；应变值增大，钢材逐渐产生无法恢复的非线性形变。所以本次研究中，如何确定钢材的本构关系非常重要。
（2）几何非线性
对问题线性分析时，需要建立在刚度远高于位移的假设条件上，要求应变不超过 1。当物体受力前后形状、位置产生的变化可忽略不计时，即表明该物体此时处于受力平衡状态，此时可利用线性关系将其描述出来。但该假设条件下得到的最终结果与实际结果之间存在误差，当对精度要求较高时，该假设条件是无法成立的，此时需要分析几何非线性。当物体形状改变时，其位移也受到影响，这种关系即为几何非线性[45]，这可能是由于初应力或载荷刚性化、大转动或大挠度、突然翻转等因素造成。研究暗柱型钢焊接剪力墙的抗震性时，不能将侧向载荷作用下产生的位移变化忽略，同时该结构受重力作用下而进一步产生侧向位移并使各构件之间产生附加内力，因此分析时，几何非线性问题不容忽略。
..........................
2.2 有限元模型的建立
对暗柱型钢焊接连接的预制装配式剪力墙进行抗震性能研究，影响因素较多，采用试验方法对各个参数全部进行研究是不现实的。而有限元分析法通用性强，计算高效准确，在可靠性得到验证的基础上适合进行大量的参数分析。使用有限元软件 ABAQUS建模，对低周往复荷载作用下的暗柱型钢焊接连接的预制装配剪力墙构件的荷载-位移关系曲线进行计算，并与既有试验研究成果进行对比，建立能够较准确模拟该类构件的有限元计算模型，为后面深入研究其抗震性能和提出合理的设计方法奠定基础。
2.2.1 试件概述
选取文献[24]编号为 SW2 的试验试件，试件为暗柱型钢焊接的预制装配式剪力墙，本文在 SW2 剪力墙基础上进行分析研究，墙体的长×厚×高=1000mm×160mm×1850mm，加载梁尺寸为长×宽×高=1400mm×300mm×300mm，基础梁长宽高分别为：1900mm、500mm、500mm，如下图 2.1 所示。混凝土和后浇带等级均为 C40，剪力墙体中水平筋与竖向筋使用直径为 8mm 的 HRB400 钢筋，边缘箍筋采用直径为 8mm 的 HPB300 钢筋，连接钢板为 Q235，连接段型钢采用 Q345 钢，试验中实测材料力学性能如下表 2.1 所示：
.............................
3 单调荷载下暗柱型钢焊接的装配式剪力墙性能分析 ............................... 31
3.1 主要参数确定 ....................... 31
3.2 考察指标 ............................. 32
4 低周反复荷载下暗柱型钢焊接的装配式剪力墙性能分析 ............................ 40
4.1 考察指标 ........................................... 40
4.1.1 滞回曲线与骨架曲线 ......................................... 40
4.1.2 刚度退化 ....................................... 40
5 结论与展望 .................................... 67
5.1 结论 ...................................... 67
5.2 展望 ............................... 68
4 低周反复荷载下暗柱型钢焊接的装配式剪力墙性能分析
4.1 考察指标
在低周反复荷载下对剪力墙进行有限元分析，比较各构件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化以及耗能性能来进一步分析剪力墙的抗震性能。各参数指标含义如下（位移延性见前文 3.2.2）：
4.1.1 滞回曲线与骨架曲线
试件在受到往复循环应力时，结构产生的变形与荷载之间的关系曲线，即为滞回曲线，也可将其叫做恢复力曲线。通过分析该曲线来交界试件在该条件下产生的能耗、形变、刚度退化大小，从而构建相应的恢复力模型，也可依据该曲线变化完成结构的非线性地震反应分析。
滞回曲线中，同向荷载的极值点连接后形成包络曲线，该曲线即为骨架曲线。通过该曲线可了解不同应力作用下结构产生的变形及其变形特征。
..............................
5 结论与展望
5.1 结论
利用有限元软件 ABAQUS 建模并对暗柱型钢焊接连接的预制装配式剪力墙进行抗震性能分析。首先基于原试验试件 SW2，运用 ABAQUS 进行剪力墙建模，得出混凝土、型钢和纵向钢筋的破坏形态、滞回曲线以及骨架曲线，与原试验试件的破坏裂缝、滞回曲线和骨架曲线进行对比，应力云图与破坏裂缝相吻合，滞回曲线和骨架曲线基本一致，误差较小，验证了建立模型的合理有效性。在所建立模型基础上，改变试件的轴压比、型钢厚度、暗柱纵筋直径、箍筋体积配箍率四个参数，并分别在单调荷载和低周反复循环荷载条件下进行有限元分析，通过对剪力墙的混凝土，型钢，纵筋的应力云图、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能等一系列参数来进行结构的抗震性能的研究，并对单调荷载和低周反复荷载条件下分析结果进行对比分析。得出以下结论：
（1）单调荷载下，轴压比由 0.2 增大为 0.3、0.4 时，暗柱型钢焊接连接的预制装配式剪力墙结构的极限荷载和承载能力别增大 26.9%和 34.3%，但剪力墙的延性先增大后减小；在低周循环荷载下，轴压比越大，混凝土、型钢以及钢筋骨架的应力值越大，结构的承载力越大，但延性有所降低，同一位移幅值下，轴压比大的刚度以及耗能大。
（2）单调荷载下，型钢厚度由 3mm 变为 6mm、9mm，结构承载力分别增大为 13.8%、4.5%，延性变形能力增大 32.7%、4.5%；在低周循环荷载下，型钢厚度增大，结构的混凝土、钢筋骨架应力值增大，型钢的应力值变小，结构的承载能力和变形能力随型钢厚度增大而变强，当型钢厚度增大到一定程度后，混凝土应力以及承载力变化幅度变小，同一位移幅值下，型钢厚度越大，结构的刚度和耗能越大。
（3）纵筋直径对剪力墙抗震性能影响显著，增大纵筋直径，能提升剪力墙的抗震性能。单调荷载下，纵筋直径分别由 6mm 增大为 8、10、12mm 时，剪力墙承载能力分别提高 10%、20.9%、3%，延性分别增大约为 14.5%、7.5%、1.3%，结构的承载力和变形能力增强；在低周循环荷载下，结构的边缘纵筋直径越大，混凝土和型钢的应力值越大，钢筋骨架的应力值越小，并且纵筋直径增大，结构的承载力、延性越大，当直径增大到 10mm 后，结构承载力不再有明显变化，位移相同时，纵筋直径越大，结构的刚度和耗能也越大。
参考文献（略）