型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙受力性能研究--学位论文.doc

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年 月 日

论文题目：型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙受力性能研究
专 业：结构工程
硕 士 生：冯 常 琴 （签名）
指导教师：郭 秉 山 （签名）
摘 要
21世纪人们的生活水准不断提高和科学技术日新月异促使住房质量飞跃式的提升,促使新材料和新工艺不断涌现，出现许多新型结构，如型钢混凝土短肢剪力墙，其广泛应用于高层住宅中。在国内对十字形截面型钢混凝土短肢剪力墙受力性能的研究少之又少，因此研究十字形短肢剪力墙的受力性能和抗震性能对指导工程实践及充实理论具有重要的意义。
本文利用大型通用软件ANSYS对十字形型钢混凝土短肢剪力墙采用实体建模的方法进行有限元非线性分析，考虑混凝土强度等级、轴压比、墙肢长宽比和型钢配钢率对构件受力性能的影响，建立了13个有限元模型试件，系统分析了型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙在循环荷载作用下的滞回性能、骨架曲线、刚度退化特征、型钢和混凝土的应力分布等。阐述了结构在循环荷载作用下，型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙的承载能力、变形能力和耗能能力的变化规律、结构的破坏机理等。研究结果表明：混凝土强度等级对结构的受力性能影响很大，混凝土强度等级越高，结构的承载力越大，单调荷载作用下混凝土强度为C40时试件延性最好。循环荷载作用下，混凝土强度为C40时试件耗能能力最大，故建议混凝土强度一般宜选用C40左右；型钢混凝土十字形短肢剪力墙随着墙肢截面长宽比的增大其承载能力和延性呈现先增后减的趋势。循环荷载作用下，截面长宽比较小的构件其滞回性能较差，故建议该比值取值范围为6-7。不同轴压比的型钢混凝土剪力墙在单调荷载作用下压比型钢受力性能较为相似，但循环荷载作用下，轴压比为0.05和0.7的试件滞回性能较差，建议轴压比取值范围为0.25-0.5之间；型钢配钢率较小的构件其滞回性能优于配钢率较大的构件，但承载力相对有所减小,因此选定型钢配钢率时应综合考虑结构滞回性能和承载力。
本文通过对型钢混凝土十字形短肢剪力墙在低周反复荷载作用下受力性能的分析，揭示了在地震作用下型钢混凝土十字形短肢剪力墙的抗震性能及工作性能，得出了对型钢混凝土短肢剪力墙的理论研究具有参考价值的结论。
关 键 词：型钢混凝土；十字形短肢剪力墙；混凝土强度等级；轴压比；截面长宽比
研究类型：应用研究

Subject : Research on Mechanical Performance of SRC cross-shaped Short-limb Shear Walls
Specialty : Structural Engineering
Name : Feng Changqin （Signature）
Instructor : Guo Bingshan （Signature）
ABSTRACT
In the 21st century, people's living standards continue to improve science and technology changes with each passing day lead to an leap improvement in housing quality ,Prompted new materials and new technology constantly emerging, appeared many new structures, such as steel reinforced concrete short shear wall, which is widely used in high-rise residential.In the domestic cross section steel reinforced concrete short shear wall stress performance study of rare, so the cross short limb shear wall seismic performance and mechanical and enrich the theory to guide the engineering practice has the vital significance.
This paper, by using the large general software ANSYS cross-shaped steel reinforced concrete short shear wall adopted entity modeling method for nonlinear finite element analysis,considering concrete strength grade, axial compression ratio, wall limb length-width ratio and section steel ratio on the properties of component force influence,finite element model is established for 13 specimens, the system analysis of the steel reinforced concrete cross-shaped section of short limb shear wall under cyclic loading is hysteretic performance, skeleton curve, stiffness degradation characteristics and the stress distribution of steel and concrete, etc.This paper expounds the structure under the effect of cyclic loading, the steel reinforced concrete cross-shaped section of short shear wall bearing capacity, deformation capacity and energy dissipation capacity, the change rule of structural damage mechanism, etc.The results show that the great influence on the mechanical properties of structure concrete strength grade, the higher the concrete strength grade, the bearing capacity of the structure, the greater the strength of concrete under monotonic loading for C40 specimen ductility is best.Under cyclic loading, the strength of C40 concrete specimens energy dissipation, the biggest reason suggests about general appropriate chooses C40 concrete strength;Pattern of steel reinforced concrete short shear wall with wall limb section increase its bearing capacity and ductility of the aspect ratio showed a trend of increase after decreases first.Under cyclic loading, the cross section width smaller components the hysteretic performance is poorer, therefore suggested that the ratio value range is 6 to 7.different axial compression ratio of steel reinforced concrete shear walls in the monotonic load down than steel mechanical performance is relatively similar,but under cyclic loading, axial compression ratio of 0.05 and 0.7 specimen hysteretic performance is poorer, suggested that axial compression ratio values range between 0.25 0.5;Steel steel ratio smaller artifacts the hysteretic performance is superior to the steel ratio larger artifacts, but relatively less bearing capacity, so the selected steel structure steel ratio should be considered when hysteretic performance and bearing capacity.
This article through to the pattern of steel reinforced concrete short shear wall under low reversed cyclic load bearing performance analysis,revealed in the earthquake under the action of steel reinforced concrete cross-shaped short limb shear wall seismic performance and working performance, obtained the theoretical research of steel reinforced concrete short shear wall has the reference value of the conclusion.
Key words：Steel Reinforced Concrete(SRC); Cross-shaped Short-limp Wall; Concrete
strength grade;Axial compression ratio;Cross section aspect ratio
Thesis ：Application Research
西安科技大学硕士学位论文

III

目录
目 录
1绪论 1
1.1 本文研究背景 1
1.2 型钢混凝土结构特点 2
1.3 短肢剪力墙研究及发展趋势 3
1.3.1 国内研究现状 3
1.3.2 国外研究现状 4
1.4 型钢混凝土短肢剪力墙的研究的价值和意义 5
1.4.1 型钢混凝土剪力墙的抗震性能研究存在的问题 5
1.4.2 本文所做工作的意义 7
1.5 本文的主要研究内容 7
2有限单元法基本理论 9
2.1 ANSYS有限元简介 9
2.2 结构非线性有限单元法 9
2.3 非线性有限元理论 11
2.4 材料非线性有限元弹塑性分析 12
2.5 有限元单元选取 14
2.5.1 Solid65单元 14
2.5.2 Solid45单元 15
2.6 材料本构模型及破坏准则 16
2.6.1 材料本构关系 16
2.6.2 材料破坏准则 18
2.7 有限元模拟在程序中的实现 21
2.7.1 钢筋与混凝土的组合方式 21
2.7.2 型钢与混凝土之间的联结单元 22
2.7.3 混凝土开裂后的处理 22
2.8 本文采用的有限元分析指标 23
2.9 本章小结 26
3 型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙有限元分析模型 27
3.1 试件的设计 27
3.1.1基本（BASE）试件 27
3.1.2 系列试件及相关参数 28
3.2 有限元模型建立和求解 29
3.2.1 材料参数 29
3.2.2 材料模型的选取 29
3.2.3 网格划分 31
3.2.4 加载方式及过程 31
3.2.5 求解参数设置 32
3.3 本章小结 33
4 型钢混凝土剪力墙结构有限元计算结果分析 34
4.1 基本(BASE)试件受力性能分析 34
4.1.1 单调加载作用下的曲线结果分析 34
4.1.2 循环荷载作用下的结果分析 38
4.1.3 循环加载混凝土应力与型钢等效应力分析 39
4.1.4 构件应力路径分析 42
4.2 GTX系列试件水平荷载作用下受力性能 52
4.2.1 荷载－位移曲线和位移延性分析 52
4.2.2 循环加载下滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线 53
4.2.3 GTX系列试件循环加载耗能分析 55
4.2.4 GTX系列试件循环加载下应力分析 56
4.3 GCX系列水试件水平荷载作用下受力性能 57
4.3.1 荷载-位移曲线和位移延性分析 58
4.3.2 循环加载下滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线 59
4.3.3 GCX系列试件循环加载耗能分析 61
4.3.4 循环加载GCX系列试件应力分析 61
4.4 GZX系列试件水平荷载作用下受力性能 63
4.4.1 荷载-位移曲线和位移延性分析 64
4.4.2 循环加载下滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线 65
4.4.3 GZX系列试件循环加载耗能分析 66
4.4.4 GZX系列试件循环加载下应力分析 67
4.5 GYX系列试件水平荷载作用下受力性能 69
4.5.1荷载-位移曲线和位移延性分析 69
4.5.2 循环加载下滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线 70
4.5.3 GYX系列试件循环加载耗能分析 72
4.5.4 GYX系列试件循环加载下应力分析 73
5 结论与展望 76
5.1 结论与设计建议 76
5.2 展望 77
致 谢 78
参考文献 79

1绪论
1绪论
1.1 本文研究背景
21世纪，随着生活水准的不断提高和科学技术的日新月异，人们对住房质量的要求也飞跃提升。同时，新型的建筑材料、先进的施工工艺、超越的安装技术和新发明在建筑施工的应用，促使建筑向高层和超高层发展。常见的高层建筑结构形式有框架结构，剪力墙结构，框架—剪力墙结构，框架—筒体结构，框架—筒中筒结构，钢与混凝土组合结构等，其中框架结构和框架—剪力墙结构是建筑结构的首选。框架结构和框架—剪力墙结构中梁截面和柱截面通常是矩形，随着建筑高度的增加，一般会采取缩小截面的方案，而且柱截面缩小的方式会有所不同，房间形状不规则，导致结构柱网很难布置，很难协调。将柱设置在方向不一致的隔墙交汇处，就很难形成规则框架，进而会影响结构的受力和工作性能；要形成规则框架，就要错开了柱和隔墙的位置，建筑的使用面积会大大降低；无论采取哪种布置柱网方案，柱截面宽度会大于隔墙厚度，这样会出现柱子凸出墙面的现象，影响了房间整体布局，尤其对家具布置影响较大，会提高房子后期装修的难度，引起房间局部不协调，不美观。剪力墙结构中，剪力墙的墙肢厚度可以和填充墙相同，甚至墙肢长度可以根据具体需要设置，致使其有填充墙的作用，可以用来分隔建筑空间，规则布置房间，最为突出的表现是能避免出现柱子凸出墙面，由此可见，该结构与建筑平面有较高的契合度。不规则框架结构，受力性能较差，尤其是抗侧力性能更差，难以满足抗震要求。剪力墙与中部筒体结合形成了框架—筒体结构，其结构整体抗侧力很强，满足高层建筑抗侧震要求；然而若建筑高度不大，刚度过大会承受相对较大的地震荷载，通常会采用减小刚度的方法（如撤除某些剪力墙），可能会影响建筑结构的布置，会使提高造价，不是理想的方法。利用框架结构的优点，以剪力墙为基础，经过不断地实践优化，逐步发展成为一种新型结构—“短肢剪力墙”结构，其能够满足高层建筑的抗震要求和受力要求。
“短肢剪力墙”结构是把框架结构中的部分或全部矩形截面柱变为异形截面柱，异形截面柱的墙肢尽可能和隔墙的厚度相等，这样就能很好地解决梁柱突出墙面的问题，这种框架结构也被称之为“异形柱框架结构”。异形截面柱的墙肢宽度与隔墙厚相同以及梁宽度与隔墙厚相同时，就可以很好地隐藏梁柱，避免由于宽度不一致引起的结构错台。异形柱框架结构更符合高层建筑开间大、布局灵活、分隔方便及抗震性能的要求，并且可以增加7%左右的房间使用面积。在高层或超高层建筑结构设计中，结构抗侧力和建筑平面布置的要求，柱子不可能全部是异形柱，而是异形柱与矩形柱混合布置，或是矩形柱和短肢剪力墙混合布置。
在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中，短肢剪力墙是这样表述的：“短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙，一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙”[2]。常见的短肢剪力墙截面有：一字形、T形、L形、Z形、十字形等，见图1.1。短肢剪力墙布置位置具有广泛适用性，布置合理、对称、均匀、力求质量中心与刚度中心重合。通常可以布置在建筑内墙处，外墙处，内外墙交接的一定墙长范围内，内墙交接的一定墙长范围内，外墙转角处，内墙体转角处，筒体以及筒中筒四周。

图1.1短肢剪力墙常用的截面形式
“短肢剪力墙结构”中，短肢剪力墙布置位置具有广泛适用性，可以布置在内墙处，外墙处，墙体转角处等，同时设置连系梁，通过短肢剪力墙和连系梁把相邻的分隔墙连成一个整体。其特点是：
（1） 在不与建筑使用功能发生矛盾的前提下，结构可以结合建筑平面来布置竖向传力构件，充分发挥各功能房间的作用，更好地利用建筑空间；
（2） 通过短肢剪力墙的尺寸调整建筑的刚度，通过短肢剪力墙位置的布置调整建筑的刚度中心，墙的数量和墙肢长度，主要是有结构抗侧力决定；
（3） 剪力墙与隔墙之间的连接梁可以隐蔽于间隔墙平面内，使相邻的分隔墙连成一个整体，提高建筑的整体性；
（4） 减少剪力墙布置数量或减小剪力墙的墙肢长度，可以减轻建筑自重，降低造价，降低成本；
（5）短肢剪力墙结构中可以设置结构转换层，转换层下部几层结构布置为矩形截面柱，转换层上部可以布置其他结构。
1.2 型钢混凝土结构特点
型钢混凝土结构是用型钢代替钢筋混凝土构件中心区域的部分混凝土所形成的结构。最开始是出于对钢结构的防火和防腐蚀考虑，用混凝土将钢结构包裹起来，经过工业应用和试验研究，发现混凝土和型钢之间有很好的粘结力，且两者能较好地共同工作，才逐渐形成了型钢混凝土组合结构。型钢混凝土结构具有钢结构、普通钢筋混凝土结构没有优点，下面进行对比。
（1）与钢结构比较，型钢混凝土结构具有的优点：
1）型钢混凝土构件的外裹混凝土，不仅可以改善型钢的扭转屈曲，而且还能阻止型钢的局部屈曲，充分发挥钢材的工作性能；
2）在节材方面有突出表现，一般可以节约钢材50%以上；
3）型钢和混凝土的组合，能提高构件的刚度，有利于高层建筑在风载作用下的变形控制，地震作用下的加速度控制；
4）外裹钢筋混凝土能够提高结构构件的耐火性和耐久性。
（2）与普通钢筋混凝土结构相比较，型钢混凝土结构具有的优点：
1）钢筋混凝土构件中心区域的部分混凝土被型钢取代，这样可以大幅度提高构件的受压、受剪和压弯承载力；
2）提高了构件的工作性能，其截面面积就可以大幅度减少，增加建筑的使用面积，降低造价，降低成本，有较好的经济效益；
3）改善了框架梁、柱、梁柱节点的抗震性能，进而提高整个结构的抗震性能；
4）由于钢筋混凝土构件中心区域的部分混凝土被型钢取代，构件的延性大幅度提高，在低周往复荷载下，构件的滞回曲线饱满，耗能性能优越；
5）现场施工中，型钢混凝土构件的钢骨可以承担施工荷载，构件模板可以支设悬挂在型钢钢骨上，可以实现几个楼层或整个建筑同时浇筑作业，从而加快施工速度。
1.3 短肢剪力墙研究及发展趋势
短肢剪力墙结构是一种新型的抗侧力结构，它综合了剪力墙结构和框架结构的优点，适应我国建筑业的发展趋势。
1.3.1 国内研究现状
目前，我国学者在短肢剪力墙结构方面已经做了大量的研究，取得喜人的成就。“短肢剪力墙”的概念是我国容柏生[1]院士在1997年提出的，介绍了该体系的一般布置原则，讨论了结构设计中结构转换问题，论述了有限元分析中墙元模型问题，最后简介了该结构的工程实际应用。
天津大学丁永君[3]等经过多年对短肢墙结构的研究，建立了能够计算短肢墙结构的层间侧移的力学模型，理论推导出了短肢墙结构层间侧移角限值，经反复验算推导出短肢墙结构层间侧移角的计算公式。
河南建筑设计院牛润生[4]高级工程师在总结多年工程实例的基础上，对比讨论了对全剪力墙结构和部分短肢剪力墙结构的优劣，并对两种结构进行理论计算，结果表明全剪力墙结构虽然能很好利用建筑空间，但是在受力方面没有部分短肢剪力墙结构优秀。
东南大学张晋、吕志涛[6]设计了一个短肢剪力墙筒体结构的整体模型，并对其进行了抗震试验，结果表明短肢剪力墙筒体结构工作性能良好，整体性较好，由于中心筒体的存在提高该结构的抗震性能。
中国建筑科学研究院赵西安教授[7]在短肢墙结构的工程应用基础上，论述了短肢墙结构设计理论，承载力计算和构造措施等内容。
同济大学赵斌、吕西林[8]以一栋超高层建筑为基础，设计了一个短肢剪力墙筒体结构整体模型，并且进行了振动台试验，结果表明“复杂的体型结构会出现明显的扭转振动反应，该反应会使结构上的平面弯折产生集中的开裂破坏”。
彭飞[9]等在多年工程实践的基础上，认为短肢剪力墙应该构建成联肢墙，这样可以提高结构的整体性，进而提高结构的抗震性能，并且建立了联肢墙的结构模型，对其进行了演算，推导出判断双肢RC剪力墙的公式。
中国建筑科学院程绍革[10]等以一栋超高层建筑为基础，设计了一个短肢剪力墙筒体整体结构模型，并且进行了振动台抗震试验，证明了短肢剪力墙结构具有抗震性能良好，提出了短肢剪力墙结构的设计建议。
北京工业大学曹万林[11-21]等设计了多个带暗支撑且截面不同的异形截面短肢剪力墙模型，分别对多个模型进行了在低周反复荷载作用下的抗震性能试验研究，结果证明了设置暗支撑能显著地改善异形截面短肢剪力墙的工作性能和抗震性能，并且设置暗支撑能够提高构件的刚度以及延性。
东南大学刘航[22]等设计了一种在剪力墙内埋设劲性钢筋骨架的新型的钢筋混凝土剪力墙。经过对其试验研究表明，该剪力墙抗震性能明显优于钢筋混凝土剪力墙。在对试验结果做了系统分析的基础上，推导出了该剪力墙的抗剪承载力的计算公式，并且对原模型进行优化，设计出用于动力分析的恢复力模型。
西安建筑科技大学吴敏哲[23]等设计了一种在墙腹板端部设置型钢暗柱的短肢剪力墙，并建立了结构模型，进行了低周反复荷载试验，结果表明，此类剪力墙的承载力和延性有明显提高。
1.3.2 国外研究现状
虽然我国在1997年首先正式提出的短肢剪力墙的概念，但是国外学者和工程人员在短肢剪力墙结构方面的研究工作比国内早了许多年，建立许多便于短肢剪力墙结构承载力力学模型，设计许多各式各样的短肢剪力墙。
智利Ruben L.Boroschek[25]在对有关强烈地震作用的相关数据资料进行了详细系统分析的基础上，建立了短肢剪力墙结构的动力模型，对其进行了数值分析，结果证明了RC剪力墙结构具有较好的抗震性能。
Tong[26]和Saari[27]等分析了工字钢边框的组合剪力墙在受力过程中的破坏形态和破坏机理，结果表明：边框与混凝土板的连接栓钉要有一定的承载力和变形能力，栓钉能力不足会影响组合剪力墙的整体性能。
希腊Thomas[30]设计了高宽比对剪力墙工作性能影响的实验，证实了剪力墙构件承载力与其高宽比和剪切滑移有关。
Emori[31]和Link[32]等设计了一种双层钢板且在钢板间焊接了纵横加劲肋的剪力墙，并对其进行了试验研究和非线性有限元分析，结果表明：在达到极限承载力后稳载，这种剪力墙仍能有很大的变形，表明了这种组合剪力墙的延性良好。
1.4 型钢混凝土短肢剪力墙的研究的价值和意义
型钢混凝土剪力墙作为一种新型结构，具有独特的优点：节约钢材、自重轻、延性良好、抗震性能好、耐久性和耐火性好等。与普通的剪力墙相比，短肢剪力墙具有以下的特点：
（1）在不与建筑使用功能发生矛盾的前提下，结构可以结合建筑平面来布置竖向传力构件，充分发挥各功能房间的作用，更好地利用建筑空间；
（2）短肢剪力墙具有较大的延性；
（3）较大洞口可以开在结构外墙上，建筑采光和通风有了显著的提升，效果良好，结构自重较轻，侧移刚度较小，地震作用较小；
（4）布置灵活，适用性强。
1.4.1 型钢混凝土剪力墙的抗震性能研究存在的问题
型钢混凝土短肢剪力墙是在短肢剪力墙中配置型钢，通过型钢优越的塑性，来提高结构构件的整体性能，是具有良好抗震性能的新型结构。在型钢混凝土短肢剪力墙结构理论研究方面，国内外才刚刚起步，在许多方面的研究基本为零。因此，对这种新型结构的力学性能、破坏形态、抗震性能、设计方法等进行系统研究，形成整套系统的理论是建筑工程界急需解决的问题。
混凝土和型钢的结合形成了型钢混凝土剪力墙构件，由于是结合体，存在着非常复杂的耦合问题，其受力性能和破坏机理需要进一步研究：
（1） 型钢混凝土剪力墙的理论研究不够成熟
目前，国内外对型钢混凝土剪力墙的研究方面，没有能够建立合理的简化模型和推到理论计算公式，研究只是集中于数值模拟，而数值模拟无法真实反映型钢混凝土剪力墙的性能。在数值模拟中，如何合理地选取材料的本构关系，以及如何合理地选取合适的结构单元等一直困扰着人们。实际情况是型钢与混凝土之间存在粘结滑移，可是数值模拟软件模拟这种粘结滑移非常困难，现下一般用弹簧单元来模拟这种粘结滑移的关系。众所周知，弹簧单元来模拟这种粘结滑移有一定的局限性，所以模拟型钢与混凝土之间的粘结滑移值得进一步研究。
（2） 型钢混凝土剪力墙构件整体性能的试验研究不多
当前，国内外研究者主要采用拟静力加载实验来研究型钢混凝土剪力墙构件的性能。但是拟静力加载实验无法真实反应结构在地震作用下的工作性能，而且这种实验模型不是足尺寸模型，尺度较小，实验的动力相似率较低，导致实验结果不符合实际情况。静力加载实验中，加载处于弹性阶段时，型钢和混凝土有良好的共同工作性能；当加载至屈服阶段时，其外裹混凝土开裂，渐渐失去承载能力，与型钢发生相对滑移，这种相对滑移的作用机理还需要进一步研究。
（3）型钢混凝土剪力墙构件的实际应用
随着型钢种类的选择和型钢摆放位置的变化，型钢混凝土剪力墙构件的形式多种多样，所以要进一步研究型钢混凝土剪力墙构件的抗震性能和构造措施。通过理论研究和现场实践，得到型钢混凝土剪力墙合理的设计方法，应用到实际工程中去，在实践淬炼理论，选取最优结构形式再次运用到实际工程当中去，进一步提升理论。
在抗震研究方面，钢与混凝土组合剪力墙的研究存在以下问题：
（1） 在抗震理论研究方面
目前而言，在钢与混凝土组合剪力墙的抗震理论研究方面，国内外此类研究相对较少；对钢与混凝土组合剪力墙抗震性能的数值模拟分析也相对较少，并且尚未对各种类型剪力墙建立简化的恢复力模型，未推算出其相关的计算公式。数值分析中，如何合理地选取材料的本构关系，如何合理地选取合适的结构单元，如何建立在反复荷载作用下的恢复力模型；如何模拟型钢和混凝土之间的粘结以及相对滑移；剪力墙的各种组合类型及其动力时程反应分析的问题等，这些值得深入研究的问题直接关系到模拟结果的真实性，需要进一步研究。
（2） 在抗震试验研究方面
首先，拟静力试验是目前研究钢与混凝土组合剪力墙的抗震性能的主要试验方法，但是它无法真实反应地震作用下结构或构件的实际反应，试验结果与实际有出入。虽然拟动力试验能真实反映结构构件在地震作用下的抗震性能和工作性能，但是拟动力试验和现场试验非常复杂，不利于实验操作。其次，在拟静力试验中，构件的轴压比都较小，而现实中，建筑底层的剪力墙轴压比较大，数值分析结果有待考量。轴压比对剪力墙的力学性能的影响及作用机理比较复杂，需要进一步研究分析。
（3） 在抗震构造措施方面
型钢形式的多种多样以及型钢在剪力墙中布置的位置，导致钢与混凝土剪力墙的组合形式众多。在组合剪力墙抗震研究方面，国内还没有一套合理的，科学的设计方法和计算理论。通常情况，带边框的组合剪力墙只是考虑边框和墙体的共同作用，其承载力设计方法主要采用叠加法；组合墙板剪力墙只是考虑钢板对承载力的贡献，在其承载力设计中，把混凝土墙体仅作为安全储备方法。除此之外，剪力墙的抗震构造措施的研究需要进一步。
1.4.2 本文所做工作的意义
理论表明，进入塑性阶段，结构会产生塑性形变，应力会重新分布，然而基于弹性有限元分析的数值模拟设计软件不能充分地研究结构进入弹塑性阶段的破坏机制。因此，在低周反复荷载下，研究短肢剪力墙的弹性阶段、开裂阶段、完全破坏阶段的破坏机制是很有必要的。剪力墙的破坏形态随墙肢高厚比的不同分别表现为：受剪破坏时，交叉主斜裂缝的发展；受弯破坏时，墙肢端部纵筋屈服。增加墙板内配筋量可以预防受剪破坏，防止产生交叉斜裂缝。受弯破坏时，墙肢端底部会出现斜向裂缝，部分混凝土退出工作，结构承载力明显下降，在剪力墙墙肢端部设置工字钢暗柱，可以加强剪力墙的承载力。受弯破坏时，先是混凝土退出工作，随之纵筋屈服，导致荷载向墙肢端部暗柱集中。因此，暗柱承载性能决定了剪力墙的承载力。在结构抗震设计中，采取有效的措施加强墙肢端部暗柱的承载性能，提高剪力墙的承载力、延性和抗震性能，型钢结合配筋和混凝土形成了销栓作用，有效地限制了裂缝发展到主斜裂缝方向，防止出现受弯破坏。
本文通过在低周反复荷载下，对型钢混凝土十字形短肢剪力墙三维实体模型的数值模拟分析，研究了在十字形短肢剪力墙墙肢端部加设型钢暗柱对短肢剪力墙的破坏形式、开裂位置、延性、耗能能力的影响，深入地分析了型钢混凝土十字形短肢剪力墙构件基本试件和对比试件的衰减过程、延性、滞回特性、耗能能力、破坏机制等。揭示了型钢暗柱对十字形短肢剪力墙抗震性能的影响，深入地分析了型钢暗柱与十字形短肢剪力墙共同工作机理，提出优化短肢剪力墙的截面设计的方向，对提高短肢剪力墙抗震性能有着重要的意义。
1.5 本文的主要研究内容
本文采用ANSYS10.0建立了1:1的比例十字型截面型钢混凝土短肢剪力墙的试验模型，在单调和循环荷载作用下，对其进行了数值运算，详细分析了受力性能和工作性能。在循环荷载作用下，对型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙进行抗震性能模拟，系统分析了剪力墙墙体及型钢和混凝土的应力分布，利用试验得到的有效数据，绘制出了构件的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线等，详细分析了构件的滞回性能、刚度退化和抗震性能，得到了在循环荷载作用下，型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙的承载能力、变形能力和耗能能力的变化规律。在此前提下，提出了型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙抗震设计的新建议。
本文的主要研究内容：
（1）利用ANSYS10.0建立了型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙的三维实体模型，并通过多次试算，确定三维实体模型具体尺寸，优化了型钢、混凝土和配筋的取值参数。
（2）确定了本文需研究和解决的问题，利用有限元软件ANSYS10.0，在在低周反复荷载下，对型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙构件的基本试件和对比试件进行非线性分析，对它们受力性能和延性特征进行了对比分析。
（3）用有限元软件ANSYS10.0对型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙基本试件进行数值计算，并且在基本试件的基础上，进行大量的不同参数的模拟分析。本文通过混凝土强度等级、轴压比、墙肢长宽比和配钢率不同参数的变化形成了对比试件，通过对对比试件进行数值模拟，来分析不同因素变化时型钢混凝土十字形截面短肢剪力墙承载力改变的规律，以及研究混凝土强度等级、轴压比、墙肢长宽比和配钢率对短肢剪力墙构件的受力性能和耗能性能的影响。
（4） 通过对型钢混凝土十字形短肢剪力墙构件基本试件和对比试件模拟计算结果的对比分析，得到了不同参数下剪力墙构件的应力分布规律，揭示了剪力墙构件的破坏机理，为结构抗震设计提出了新的建议。

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2有限单元法基本理论
2有限单元法基本理论
2.1 ANSYS有限元简介
有限元法是一种使用最广泛的数值方法，它的主要理念是对模型进行网格划分为一系列的单元，一般将单元划分为简单的六面体，各单元通过节点连接产生关联，而单元内部点的待求物理量可以由采用的函数关系插值求得，加入边界条件后即可对方程组求解。ANSYS软件是大型通用有限元分析软件，可以适用于各个不同研究领域如：结构、流体、电磁等，具有广泛应用性，应用于土木工程、交通、水利、铁道、石油化工、造船等。
本文选用ANSYS非线性有限元软件对型钢混凝土结构进行分析，通过建立1:1型钢混凝土十字形短肢剪力墙构件有限元实体模型、设置边界条件及施加荷载进行求解得出构件受力性能、耗能能力、应力分布规律及破坏机理。
2.2 结构非线性有限单元法
结构分析属于非线性问题，考虑到非线性问题计算的复杂性，通常将现实情况进行简化，也就是将非线性问题设定为线性。当设定结构单元节点的位移非常小时，结构处于线弹性阶段，其材料应力—应变关系符合