CN113218780A - 一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置及方法，其中试验装置包括：一地梁和两个压梁；一反力支架；一乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件，其通过螺栓固定在地梁上；两个千斤顶，其一端分别设置于乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件的两个框架柱的顶端，另一端通过张力支撑到反力支架的横梁上；一作动装置，其包括一力传感器、一球铰及一作动器，其中，作动器的一端通过球铰和力传感器与乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件的吊耳连接，作动器的另一端固定于一反力墙上，用于对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件的水平拉向加载，以实现通过试验研究确定乙烯裂解炉复合钢板剪力墙的抗震性能的目的。

Description

一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置及方法

技术领域

本发明涉及石油化工设备领域，具体而言，涉及一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置及方法。

背景技术

乙烯裂解炉作为乙烯装置的核心设备，用于将石油等烃类原材料加热裂解生成乙烯丙烯等产品，并提供给下游装置。乙烯裂解炉具有工艺流程复杂、操作工况苛刻、炉体体积大、炉管排布紧密、炉体结构高、设备布置多、炉子载荷大、结构布置不规则等特点。乙烯裂解炉支撑炉内外载荷的钢结构主要包括：同轴设置的箱体及多层钢框架，其中多层钢框架套装在箱体的外部，用于支撑箱体。目前，随着乙烯装置建设规模不断提高，乙烯裂解炉的高度也不断增加，过大的高径比会导致乙烯裂解炉在地震载荷作用下易发生倾斜，甚至倒塌。乙烯裂解炉炉墙板作为焊接在框架梁柱上的钢板，具有良好的延性和抗侧力性能，炉墙板一方面是裂解炉的围护结构起到密封炉墙的作用，另一方面对于整体结构的抗震性能有重要作用。由于炉墙板参与裂解炉整体结构的受力，需考虑炉墙板平面内对结构刚度的贡献，钢板炉墙板和钢框架共同承担荷载，形成钢板剪力墙+钢框架结构。为了保证炉墙板平面内的刚度，保证炉墙板局部不失稳，在构造上应在炉墙板外设置必要的加劲肋，利用结构概念设计采取加强措施，减少不规则性对结构带来的不利影响。同时，薄钢板剪力墙屈曲并不会失去承载力，相反，钢板剪力墙屈曲后的拉力带类似于一系列斜撑作用，仍具备较大的弹性侧移刚度和抗剪承载力。

乙烯裂解炉复合钢板剪力墙不同于普通的钢板剪力墙，其一侧通过锚固钢钉与裂解炉相连，且裂解炉内壁衬有330mm厚复合衬里。在对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能研究时，一方面，如何考虑衬里锚固钢钉对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能的影响仍是未知；另一方面，由于缺少实用的抗震设计方法，在确保装备结构的抗震安全性时可能会出现过于保守的抗震设计方案，增加装备结构的建造成本，例如，如果不考虑炉墙板剪力墙的平面内刚度，即水平荷载完全由框架柱承担，这样得出的框架柱截面非常大且不合理，会造成不必要的浪费。目前国内针对乙烯裂解炉复合钢板墙结构的抗震性能的研究比较少，也没有专门的规范或规程作为其抗震设计的依据，使得乙烯裂解炉复合钢板墙结构的抗震设计成为一大难题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置及方法，通过研究炉体复合钢板剪力墙的破坏过程和破坏形态，观察试验过程中拉力带的变化规律，观察并记录试验过程中钢板墙面外鼓屈位移，定量研究其承载能力、刚度、延性等力学性能与耗能性能。同时，考虑乙烯裂解炉内不同衬里刚度约束情况，对钢板侧面布置约束栓钉和加劲肋来模拟炉墙板内衬里的侧向约束刚度，通过乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙进行试验研究，用以确定乙烯裂解炉复合钢板剪力墙的抗震性能。

为达到上述目的，本发明提供了一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置，其包括：

一地梁和两个压梁，其中，所述两个压梁设置于所述地梁两端的上方，并且所述两个压梁通过地锚螺栓将所述地梁与地面固定；

一反力支架，其包括：一横梁和两个立柱，其中，所述两个立柱的下端设置在所述地梁的两侧并通过地锚螺栓与地面固定，所述横梁固定于所述两个立柱的上方；

一乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件，其通过螺栓固定在地梁上，所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件为缩尺模型，其包括：两个框架柱和设置在所述两个框架柱其中之一上的一吊耳；

两个千斤顶，其中，所述两个千斤顶的一端分别设置于所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件的所述两个框架柱的顶端，所述两个千斤顶的另一端通过张力支撑到所述反力支架的所述横梁上，用于通过所述横梁提供反力对所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件施加轴向荷载；

一作动装置，其包括一力传感器、一球铰及一作动器，其中，所述作动器的一端通过所述球铰和所述力传感器与所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件的所述吊耳连接，所述作动器的另一端固定于一反力墙上，用于实现对所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件的水平拉向加载。

在本发明一实施例中，所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件还包括：两个框架柱柱脚、一钢板剪力墙钢板、一上框架梁、一下框架梁、一栓钉约束钢板、多个钢板平面外约束栓钉以及多条钉约束钢板加劲肋，其中：

所述两个框架柱通过所述两个框架柱柱脚固定在所述地梁上，且位于所述两个压梁之间；

所述下框架梁的两端分别固定在所述两个框架柱的下端，所述上框架梁的两端分别固定在所述两个框架柱的上端，所述吊耳设置在其中一个框架柱的上端；

所述钢板剪力墙钢板的四边分别固定在所述上框架梁、所述两个框架柱与所述下框架梁上；

所述栓钉约束钢板与所述钢板剪力墙钢板平行设置，且所述栓钉约束钢板的一个侧面通过多个钢板平面外约束栓钉与所述钢板剪力墙钢板连接固定，多条钉约束钢板加劲肋设置于所述栓钉约束钢板的另一侧面，所述栓钉约束钢板的底部通过螺栓固定在所述地梁上。

在本发明一实施例中，其中，所述上框架梁和所述下框架梁与所述两个框架柱的连接方式为刚接连接或铰接连接。

在本发明一实施例中，所述缩尺模型与所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件满足相似条件，其中，所述相似条件包括：几何相似、力学相似和材料相似。

在本发明一实施例中，所述栓钉约束钢板为15mm厚钢板，多条钉约束钢板加劲肋分别按照横向和纵向互相交错设置于所述栓钉约束钢板的另一侧面，其中，横向的多条钉约束钢板加劲肋平行于地面，纵向的多条钉约束钢板加劲肋垂直于地面。

为达到上述目的，本发明还提供了一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验方法，其包括以下步骤：

S1：获取所要试验的乙烯裂解炉的箱体尺寸和物理参数，并确定箱体所在区域的实际地震烈度，其中，所述箱体尺寸包括高度和跨度，所述物理参数包括材质、密度、弹性模量、泊松比；

S2：根据所述箱体尺寸、所述物理参数及所述实际地震烈度，计算多层钢框架的尺寸，其中，所述多层钢框架的尺寸包括高度和跨度；

S3：根据获取到的各尺寸和参数数据制作乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件；

S4：将制作好的乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件安装到试验装置中；

S5：通过实验装置对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件进行低周反复加载试验，得出循环荷载作用下钢板剪力墙的滞回曲线和骨架曲线，并计算钢板剪力墙的位移延性系数和等效粘滞阻尼系数，用于评估钢板剪力墙延性和耗能能力。

在本发明一实施例中，其中，步骤S5进行低周反复加载试验的具体加载过程为：

S501：首先对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件进行预加载，结束后采用位移控制的加载方式进行正式加载；

S502：分别使用不同的加载级对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件进行加载试验，并记录加载位移、荷载及层间侧移角的值，其中，使用的加载级包括2Δ_y、3Δ_y、5Δ_y、7Δ_y及8Δ_y，其中，Δ_y为乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件屈服时的最大位移量。

在本发明一实施例中，步骤S5中还包括利用钢板剪力墙钢板的薄钢板屈曲后的强度，得出非加劲钢板剪力墙拉力带模型，其中，所述拉力带模型的参数包括：

拉力带截面积A_st：截面积A_st等于钢板剪力墙钢板的宽度s与钢板剪力墙钢板的厚度t_w的乘积；

拉力带根数：根据刚度收敛的原则，得出10根拉力带，为表征整块钢板剪力墙钢板的拉力带特征最准确的拉力带根数；

拉力带倾角：拉力带倾角α可由最小势能原理导出，其中

当上框架梁和下框架梁与两个框架柱的连接方式为铰接连接时，拉力带倾角的计算为式(1)，即

当上框架梁和下框架梁与两个框架柱的连接方式为刚接连接时，拉力带倾角的计算为式(2)，即

式中，h为上框架梁和下框架梁中心线间的距离；A_b为上框架梁或下框架梁的横截面积，其中上框架梁与下框架梁的横截面积相同；A_c框架柱的横截面积，其中，两个框架柱的横截面积相同；I_c为框架柱的抵抗矩；I_b为上框架梁或下框架梁的抵抗矩；L为两个框架柱中心线间的距离；t_w为钢板剪力墙钢板的厚度。

本发明通过研究炉体复合钢板剪力墙的破坏过程和破坏形态，观察试验过程中拉力带的变化规律，观察并记录试验过程中钢板墙面外鼓屈位移，定量研究其承载能力、刚度、延性等力学性能与耗能性能，与现有技术相比，本发明考虑了乙烯裂解炉内不同衬里刚度约束情况，对钢板侧面布置约束栓钉和加劲肋来模拟炉墙板内衬里的侧向约束刚度，通过乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙进行试验研究，能够更准确地确定乙烯裂解炉复合钢板剪力墙的抗震性能，对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙的设计提供参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一实施例的乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置；

图2为乙烯裂解炉复合钢板剪力墙内部局部支撑结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的钢板剪力墙试件示意图；

图4为本发明一实施例提供的钢板剪力墙试件分解状态立体结构示意图；

图5为乙烯裂解炉复合钢板剪力墙内部整体支撑结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的钢板剪力墙试件滞回曲线；

图7为本发明一实施例提供的钢板剪力墙试件骨架曲线；

图8为本发明一实施例提供的钢板剪力墙拉力带结构计算模型。

附图标记说明：101-地梁；102-压梁；103-反力支架；1031-横梁；1032-立柱；104-乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件；105-千斤顶；106-作动装置；1061-力传感器；1062-作动器；107-反力墙；302-框架柱柱脚；303-框架柱；304-钢板剪力墙钢板；305-吊耳；306-上框架梁；307-钢板平面外约束栓钉；308-下框架梁；309-栓钉约束钢板；310-钉约束钢板加劲肋。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本发明一实施例的乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置，如图1所示，本发明一实施例提供一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置，其包括：

一地梁(101)和两个压梁(102)，其中，两个压梁(102)设置于地梁(101)两端的上方，并且两个压梁(102)通过地锚螺栓将地梁(101)与地面固定；

一反力支架(103)，其包括：一横梁(1031)和两个立柱(1032)，其中，两个立柱(1032)的下端设置在地梁(101)两侧并通过地锚螺栓与地面固定，横梁(1031)固定于两个立柱(1032)的上方；

一乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件(104)，其通过螺栓固定在地梁上，乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件(104)为缩尺模型，图3为本发明一实施例提供的钢板剪力墙试件示意图，图4为本发明一实施例提供的钢板剪力墙试件分解状态立体结构示意图，如图3、图4所示，乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件(104)包括：两个框架柱柱脚(302)、两个框架柱(303)、一钢板剪力墙钢板(304)、一吊耳(305)、一上框架梁(306)、一下框架梁(308)、一栓钉约束钢板(309)、多个钢板平面外约束栓钉(307)以及多条钉约束钢板加劲肋(310)，其中，两个框架柱(303)通过两个框架柱柱脚(302)固定在地梁(101)上且位于两个两个压梁(102)之间，下框架梁(308)的两端分别固定在两个框架柱(303)的下端，上框架梁(306)的两端分别固定在两个框架柱(303)的上端，吊耳(305)设置在其中一个框架柱(303)的上端，钢板剪力墙钢板(304)的四边分别固定在上框架梁(306)、两个框架柱(303)与下框架梁(308)上，栓钉约束钢板(309)与钢板剪力墙钢板(304)平行设置，且栓钉约束钢板(309)的一个侧面通过多个钢板平面外约束栓钉(307)与钢板剪力墙钢板(304)连接固定，栓钉约束钢板(309)的另一侧面设置多条钉约束钢板加劲肋(310)，栓钉约束钢板(309)的底部通过螺栓固定在地梁(101)上；

两个千斤顶(105)，其中，两个千斤顶(105)的一端分别设置于乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件(104)的两个框架柱(303)的顶端，两个千斤顶(105)的另一端通过张力支撑到反力支架(103)的横梁(1031)上，用于通过横梁(1031)提供反力对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件(104)施加轴向荷载；

一作动装置(106)，其包括一力传感器(1061)、一球铰(图中未示)及一作动器(1062)，其中，作动器(1062)的一端通过球铰和力传感器(1061)与乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件(104)的吊耳(305)连接，作动器(1062)的另一端固定于一反力墙(107)上，用于实现对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件(104)的水平拉向加载。

图2为乙烯裂解炉复合钢板剪力墙内部局部支撑结构示意图，如图2所示，乙烯裂解炉结构中的钢板剪力墙外焊于框架梁柱，通过锚固钢钉与炉墙耐火材料或浇注料连接在一起，如图2所示，与通常意义上的钢板剪力墙在形式上有不同。有锚固钢钉钢板剪力墙与无锚固钢钉钢板剪力墙相比，由于钢钉对于墙板良好的支撑作用，其滞回曲线和饱满程度明显更好，整体刚度明显更高，延性和耗能能力远大于无钉钢板墙；同时，锚固钢钉的边界条件对于钢板墙在加载后期的抗震性能有较大影响。因此，在乙烯裂解炉复合钢板剪力墙低周反复加载试验中，必须考虑锚固钢钉及耐火砖或浇注料对锚固钢钉的约束作用，并对其设置合理的边界条件。

因此，在本发明一实施例中，考虑到试验室场地、试验设备和试验经费等因素，可采用缩尺模型进行试验，试件制作的主要难点是锚固钢钉及其边界条件的设置，结合工程实际情况，试件锚固钢钉的间距和直径的设置依据相似率进行折减，其中，缩尺模型要求满足严格的相似条件，在本实施例中，其中，缩尺模型与乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件(104)满足相似条件，相似条件包括：几何相似、力学相似和材料相似。

再如图3和图4所示，在本发明一实施例中，将锚固钢钉(钢板平面外约束栓钉307)的边界条件简化为由15mm厚钢板(栓钉约束钢板309)约束，钢板一侧设置横纵双向加劲肋(钉约束钢板加劲肋310)，底部用螺栓固定在地梁(101)上，这样在一定程度上可准确模拟锚固钢钉一端的边界条件。因此，在本实施例中，其中，栓钉约束钢板(309)为15mm厚钢板，多条钉约束钢板加劲肋(310)分别按照横向和纵向互相交错设置于栓钉约束钢板(309)的另一侧面，其中，横向的多条钉约束钢板加劲肋(310)平行于地面，纵向的多条钉约束钢板加劲肋(310)垂直于地面。

钢板剪力墙具有超高的延性、较大的初始刚度、饱和的滞回曲线和较强的能量吸收能力等特点，作为抗侧体系能有效经济地抵抗风荷载和地震作用。钢板剪力墙结构体系由内嵌钢板和周边框架的梁和柱组成，其中钢板有加劲与非加劲型式，梁和柱的连接有刚接连接和铰接连接。钢板剪力墙抵抗水平荷载主要通过钢板剪力墙钢板的拉力带和相邻的框架柱的抗倾覆力，整体受力特征类似于底板固结的竖向悬臂板梁：竖向边缘的构件相当于翼缘，内嵌的钢板剪力墙钢板相当于腹板；水平边缘构件则可近似等效为横向加劲肋。加劲钢板剪力墙是在内嵌钢板上加设加劲肋用以抑制平面外屈曲的钢板剪力墙，如同梁腹板一样，通过引入加劲肋的方式来减少腹板的高厚比从而提高强度。

乙烯裂解炉钢板剪力墙加劲肋的布置对保证裂解炉钢板剪力墙受力安全、保证钢板剪力墙平面的稳定性具有重要意义。图5为乙烯裂解炉复合钢板剪力墙内部整体支撑结构示意图，如图5所示，在乙烯裂解炉结构中，由于裂解炉对流段和辐射段炉内采用不同的耐火材料，在辐射段下部炉墙内是耐火隔热砖，辐射段上部炉墙内是几乎不提供刚度的纤维毯，对流段炉墙内采用浇注料，因此，在对钢板剪力墙布置加劲肋时，应该根据钢板剪力墙钢板平面外约束来对布置。本发明根据裂解炉炉墙板内侧衬里的刚度和约束情况不同，进行试验，进而进行炉墙板加劲肋的优化布置，形成合理的裂解炉炉墙加劲肋布置方案。

本发明的实施例通过研究不同约束边界的试验构件，分析钢板墙的抗侧性能，研究加劲肋的形式、肋板刚度比、高厚比、高宽比、柱刚度系数和柱轴压比对无钉钢板墙和有钉钢板墙抗侧承载力的影响，并结合有限元数值模拟分析结果，从滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力等方面对比分析不同加劲形式、是否设置锚固钉、锚固钉边条等对于钢板墙抗震性能的影响，得出乙烯裂解炉复合钢板剪力墙加劲肋和锚固钉的布置原则。

本发明的另一实施例还提供一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验方法，具体步骤为：

S1：获取所要试验的乙烯裂解炉的箱体尺寸和物理参数，并确定箱体所在区域的实际地震烈度，其中，箱体尺寸包括高度和跨度，物理参数包括材质、密度、弹性模量、泊松比等参数；

S2：根据箱体尺寸、物理参数及实际地震烈度，计算多层钢框架的尺寸，其中，多层钢框架的尺寸包括高度和跨度；

S3：根据获取的各尺寸和参数数据制作乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件；

S4：将制作好的乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件安装到试验装置中；

S5：通过实验装置对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件进行低周反复加载试验，得出循环荷载作用下钢板剪力墙的滞回曲线、骨架曲线，并计算钢板剪力墙的位移延性系数和等效粘滞阻尼系数，评估钢板剪力墙延性和耗能能力。

图6为本发明一实施例提供的钢板剪力墙试件滞回曲线，图7为本发明一实施例提供的钢板剪力墙试件骨架曲线，如图6和图7所示，其中，图6和图7的横坐标均为加载位移量，纵坐标均为荷载值，在本实施例中，针对乙烯裂解炉复合剪力墙结构进行抗震性能研究，研究炉内不同约束情况加劲肋的布置和锚固钢钉对钢板墙抗震性能的影响，根据滞回曲线和骨架曲线计算钢板剪力墙的位移延性系数和等效粘滞阻尼系数来评估其延性和耗能能力，其计算过程采用业内通常计算方法，此处不再赘述。根据试件破坏形态，总结钢板剪力墙的刚度和承载力退化规律，最后得到裂解炉炉墙板加劲肋布置原则。

在本发明又一实施例中，其中，步骤S5进行低周反复加载试验的具体加载过程为：

S501：首先对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件进行预加载，结束后采用位移控制的加载方式进行正式加载；

S502：分别使用不同的加载级对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件进行加载试验，并记录加载位移、荷载及层间侧移角的值，其中，使用的加载级包括2Δ_y、3Δ_y、5Δ_y、7Δ_y及8Δ_y，其中，Δ_y为乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件屈服时的最大位移量。

在本实施例中，当推向位移为6.5mm(层间侧移角约1/190)时，钢板剪力墙钢板开始出现面外变形，且伴有鼓声，但声音相比于其他试件较小，卸载后几乎无残余变形；

当加载级为2Δ_y时，钢板剪力墙钢板进一步鼓屈，但还未形成明显拉力带，约束栓钉无明显变化，此时位移为13.02mm，荷载为467.0kN，层间侧移角为1/95；

当加载级为3Δ_y时，在对角线约束栓钉的间隙中，拉力带初步形成，钢板剪力墙钢板上部的部分约束栓钉弯曲变形，此时位移为19.5mm，荷载为535.0kN，层间侧移角为1/60；

当加载级为5Δ_y时，钢板剪力墙钢板双向拉力带开始形成，上部三层约束栓钉发生明显弯曲变形，但还未与钢板脱开，卸荷后面外残余变形明显，此时位移为32.09mm，荷载为553.0kN，层间侧移角为1/40；

当加载级为7Δ_y时，形成明显的双向拉力带，部分钢钉与钢板脱开并伴有刺耳声响，加载端梁柱节点处焊缝出现撕裂裂缝，板中央出现局部裂缝；

继续加载，板中央裂缝越来越大，当加载级8Δ_y到第一圈循环的拉向加载时，加载端梁柱节点断裂，试验结束，最终加载位移为52.37mm，荷载为529.0kN，层间侧移角约为1/25。

钢板剪力墙结构及周边框架结构体系中,钢板剪力墙钢板的薄钢板屈曲并不意味整体承载力的丧失，由于薄钢板屈曲产生的系列拉力带类似斜撑作用，使钢板剪力墙结构屈曲后的强度高达数倍于屈曲强度。图8为本发明一实施例提供的钢板剪力墙拉力带结构计算模型，在本发明又一实施例中，步骤S5中还需要考虑利用钢板剪力墙钢板的薄钢板屈曲后的强度，得出非加劲钢板剪力墙拉力带模型SM(String Model)，如图8所示，其中，该拉力带模型的关键参数包括：

①拉力带截面积A_st：从物理概念分析，拉力带(只拉不压)的钢板剪力墙钢板的宽度s与钢板剪力墙钢板的厚度t_w的乘积等于截面积A_st；

拉力带根数：根据刚度收敛的原则，得出10根拉力带，为表征整块钢板剪力墙钢板的拉力带特征最准确的拉力带根数；

③拉力带倾角：为了使墙板的抗拉强度得到充分利用，钢板剪力墙钢板的两个框架柱、上框架梁和下框架梁需提供足够的刚度，抵抗以一定角度作用的墙板拉力，此角度由框架尺寸和构件截面性质决定。基于钢板剪力墙的变形模态是层剪力作用下势能最低时出现，因此，墙板的拉力带倾角α可由最小势能原理导出，

当上框架梁和下框架梁与两个框架柱的连接方式为铰接连接时，拉力带倾角的计算为式(1)，即

当上框架梁和下框架梁与两个框架柱的连接方式为刚接连接时，拉力带倾角的计算为式(2)，即

式中，h为上框架梁和下框架梁中心线间的距离；A_b为上框架梁或下框架梁的横截面积，其中上框架梁与下框架梁的横截面积相同；A_c框架柱的横截面积，其中，两个框架柱的横截面积相同；I_c为框架柱的抵抗矩；I_b为上框架梁或下框架梁的抵抗矩；L为两个框架柱中心线间的距离；t_w为钢板剪力墙钢板的厚度。

乙烯裂解炉复合钢板剪力墙结构体系中，周边梁底、梁顶一般都有钢板连接，梁底、梁顶拉力场的竖向分力能抵消平衡，可不考虑横梁弯曲刚度的影响，但周边柱一般仅有一侧有钢板连接，因此应考虑周边框架柱弯曲刚度的影响。

根据模型计算假定，将裂解炉的炉墙板假定为平面内刚度无限大，柱子承受裂解炉结构的竖向荷载，炉墙板承受裂解炉的水平荷载。通过裂解炉整体受力分析可以计算出主梁(包括上梁和下梁，为了便于计算两个主梁完全相同)、主柱(两个立柱完全相同)的截面；为了确保乙烯裂解炉复合钢板剪力墙的抗震安全性，保证炉墙板平面外的稳定性，确保炉墙板在平面外不会屈曲，需要结合墙体抗震性能和衬里刚度约束作用，通过低周反复加载试验，对其抗震性能进行研究，根据试验结果，在炉墙板外侧布置一定数量的加劲肋。

本发明通过研究炉体复合钢板剪力墙的破坏过程和破坏形态，观察试验过程中拉力带的变化规律，观察并记录试验过程中钢板墙面外鼓屈位移，定量研究其承载能力、刚度、延性等力学性能与耗能性能，与现有技术相比，本发明考虑了乙烯裂解炉内不同衬里刚度约束情况，对钢板侧面布置约束栓钉和加劲肋来模拟炉墙板内衬里的侧向约束刚度，通过乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙进行试验研究，能够更准确地确定乙烯裂解炉复合钢板剪力墙的抗震性能，对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙的设计提供参考。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验装置，其特征在于，包括：

一地梁和两个压梁，其中，所述两个压梁设置于所述地梁两端的上方，并且所述两个压梁通过地锚螺栓将所述地梁与地面固定；

一反力支架，其包括：一横梁和两个立柱，其中，所述两个立柱的下端设置在所述地梁的两侧并通过地锚螺栓与地面固定，所述横梁固定于所述两个立柱的上方；

一乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件，其通过螺栓固定在地梁上，所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件为缩尺模型，其包括：两个框架柱和设置在所述两个框架柱其中之一上的一吊耳；

两个千斤顶，其中，所述两个千斤顶的一端分别设置于所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件的所述两个框架柱的顶端，所述两个千斤顶的另一端通过张力支撑到所述反力支架的所述横梁上，用于通过所述横梁提供反力对所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件施加轴向荷载；

一作动装置，其包括一力传感器、一球铰及一作动器，其中，所述作动器的一端通过所述球铰和所述力传感器与所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件的所述吊耳连接，所述作动器的另一端固定于一反力墙上，用于实现对所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件的水平拉向加载。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述缩尺模型与所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件满足相似条件，其中，所述相似条件包括：几何相似、力学相似和材料相似。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件还包括：两个框架柱柱脚、一钢板剪力墙钢板、一上框架梁、一下框架梁、一栓钉约束钢板、多个钢板平面外约束栓钉以及多条钉约束钢板加劲肋，其中：

所述两个框架柱通过所述两个框架柱柱脚固定在所述地梁上，且位于所述两个压梁之间；

所述下框架梁的两端分别固定在所述两个框架柱的下端，所述上框架梁的两端分别固定在所述两个框架柱的上端，所述吊耳设置在其中一个框架柱的上端；

所述钢板剪力墙钢板的四边分别固定在所述上框架梁、所述两个框架柱与所述下框架梁上；

所述栓钉约束钢板与所述钢板剪力墙钢板平行设置，且所述栓钉约束钢板的一个侧面通过多个钢板平面外约束栓钉与所述钢板剪力墙钢板连接固定，多条钉约束钢板加劲肋设置于所述栓钉约束钢板的另一侧面，所述栓钉约束钢板的底部通过螺栓固定在所述地梁上。

4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于，所述上框架梁和所述下框架梁与所述两个框架柱的连接方式为刚接连接或铰接连接。

5.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于，所述栓钉约束钢板为15mm厚钢板，多条钉约束钢板加劲肋分别按照横向和纵向互相交错设置于所述栓钉约束钢板的另一侧面，其中，横向的多条钉约束钢板加劲肋平行于地面，纵向的多条钉约束钢板加劲肋垂直于地面。

6.一种乙烯裂解炉复合钢板剪力墙抗震性能试验方法，通过权利要求1～5任一项的试验装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取所要试验的乙烯裂解炉的箱体尺寸和物理参数，并确定箱体所在区域的实际地震烈度，其中，所述箱体尺寸包括高度和跨度，所述物理参数包括材质、密度、弹性模量、泊松比；

S2：根据所述箱体尺寸、所述物理参数及所述实际地震烈度，计算多层钢框架的尺寸，其中，所述多层钢框架的尺寸包括高度和跨度；

S3：根据获取到的各尺寸和参数数据制作乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件；

S4：将制作好的乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件安装到试验装置中；

S5：通过实验装置对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件进行低周反复加载试验，得出循环荷载作用下钢板剪力墙的滞回曲线和骨架曲线，并计算钢板剪力墙的位移延性系数和等效粘滞阻尼系数，用于评估钢板剪力墙延性和耗能能力。

7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，步骤S5进行低周反复加载试验的具体加载过程为：

S501：首先对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件进行预加载，结束后采用位移控制的加载方式进行正式加载；

S502：分别使用不同的加载级对乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件进行加载试验，并记录加载位移、荷载及层间侧移角的值，其中，使用的加载级包括2Δ_y、3Δ_y、5Δ_y、7Δ_y及8Δ_y，其中，Δ_y为乙烯裂解炉复合钢板剪力墙试件屈服时的最大位移量。

8.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，步骤S5中还包括利用钢板剪力墙钢板的薄钢板屈曲后的强度，得出非加劲钢板剪力墙拉力带模型，其中，所述拉力带模型的参数包括：

拉力带截面积A_st：截面积A_st等于钢板剪力墙钢板的宽度s与钢板剪力墙钢板的厚度t_w的乘积；

拉力带根数：根据刚度收敛的原则，得出10根拉力带，为表征整块钢板剪力墙钢板的拉力带特征最准确的拉力带根数；

拉力带倾角：拉力带倾角α可由最小势能原理导出，其中，

当上框架梁和下框架梁与两个框架柱的连接方式为铰接连接时，拉力带倾角的计算为式(1)，即

当上框架梁和下框架梁与两个框架柱的连接方式为刚接连接时，拉力带倾角的计算为式(2)，即

式中，h为上框架梁和下框架梁中心线间的距离；A_b为上框架梁或下框架梁的横截面积，其中上框架梁与下框架梁的横截面积相同；A_c框架柱的横截面积，其中，两个框架柱的横截面积相同；I_c为框架柱的抵抗矩；I_b为上框架梁或下框架梁的抵抗矩；L为两个框架柱中心线间的距离；t_w为钢板剪力墙钢板的厚度。

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