玻璃钢水箱的设计

1前言玻璃钢水箱是指用玻璃钢做为原材料加工而成的水箱。玻璃钢具有轻质高强、可设计性强和耐水性优良等特点，所以被广泛应用于工矿企事业单位、民用住宅、宾馆、饭店等公共建筑，作为生活用水、消防用水以及水质要求较高的食品、医药、卫生等行业必备的贮水设施。玻璃钢水箱成为玻璃钢工业产量中较大的一种产品。玻璃钢水箱解决了混凝土水箱重量大、易渗漏、易长青苔和钢板水箱易锈蚀、防锈涂层脱落污染水质等问题，具有水质好、无渗漏、重量轻、外形美观、使用寿命长和安装方便等优点。用FRP复合材料制造水箱，有如下优点：①耐水的腐蚀，不会生锈；②无金属离子，不会污染水质，特别适用于贮存去离子洁净水；③不会生青苔及其它微生物；④自重轻、可提高贮存水效率；⑤成型制造方便可在工厂预先制成板块，在现场快速安装，在长期使用过程中无需定期停产维修。因此特别受到制药、电子、半导体行业欢迎并广泛使用。它的唯一缺点是首次投资较水泥、钢材贵。玻璃钢水箱按造型可分为球形、圆筒形和方形三种；按结构构造可分为整体式、组装整体式和组合式三种；按制造工艺分为手糊成型和SMC模压成型两种。由于社会的发展和玻璃钢水箱的性能的优越性，玻璃钢水箱得到越来越多的应用。我国早在20世纪70年代就有玻璃钢水箱出现。近年来，由于玻璃钢技术上的突破，玻璃钢水箱已经在我国大部分地方推广利用。根据目前的实用情况,本文着重讨论了整体式圆筒形玻璃钢水箱的造型设计、性能设计、结构设计、工艺设计、安装、及检验等各方面[1]。本课程设计的题目为玻璃钢圆筒形水箱，水箱容积V=6.5m3，介质为生活用水，安装位置为建筑物顶上，离地面50m（露天），设计过程可分为造型设计、性能设计、结构设计、零部件设计、工艺设计、安装连接及检验方法。21造型设计玻璃钢圆柱形水箱通常会设计成三部分：箱底、箱体及箱盖。从使用和受力角度考虑，箱底一般设计成平底。考虑到上人和雪荷载，箱盖要设计成锥形断面，并留有人孔。水箱筒形设计成圆柱形，为了美观和增强筒体刚度，有时在沿高度方向有加强肋；加强肋一般都设计在水箱筒体的外面。图1.1为玻璃钢圆柱形水箱的结构及其零部件，包括进水孔、出水孔、人孔、排污孔、气孔、溢流孔、人梯等。图1.1玻璃钢圆柱形水箱的结构及其零部件玻璃钢圆柱形水箱的结构及各部分的尺寸如下图1.23图1.2圆筒形水箱结构模型R—水箱半径；H水箱高度；h水位高度；t箱体厚度；tb箱底厚度；tr箱顶厚度。根据设计任务要求：水箱容积V=6.5m3，介质为生活用水，安装位置：建筑物顶上，离地面50m（露天）。箱体直径2R=200cm，高H=220cm，水位高h=207cm，箱体厚度t，箱底厚度tb，箱顶厚度tr，水的密度γ=1.0×3103k/gcm，人孔半径r1=250mm，箱顶锥壳半顶角ø=75°。42性能设计2.1原材料的选择原则(1)比强度，比刚度高的原则(2)材料与结构的使用环境相适应的原则(3)满足结构特殊性能的原则(4)满足工艺要求的原则(5)成本低效益高的原则2.2树脂基体的选择树脂的选择按如下要求选取[2]：(1)要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作；(2)要求基体材料具有一定的力学性能；(3)要求基体材料的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率；(4)要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能；(5)要求基体材料具有一定的公益性。玻璃钢制品所用的树脂原料有：聚酯、环氧、酚醛、呋喃树脂及改性树脂等。目前可供选择的的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺是指、酚醛树脂和聚酯树脂。连一类为热塑性树脂，如聚醚醚酮、尼龙、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺等。目前树脂基复合材料中用得较多的基体是热固性树脂，它们有较高的力学性能，但工作温度低。对于需耐高温的复合材料，主要是用聚酰亚胺作为基体材料，目前较新的树脂基体有双马来酰胺、聚醚醚酮等，能满足一般高温的要求，且韧性好，有较大的复合材料强度许用值。5表2.1四种玻璃钢常用树脂特性比较特性环氧树脂聚酯树脂酚醛树脂呋喃树脂耐酸性耐碱性耐水性耐溶剂性耐热性机械性能电气性能固化时挥发物固化收缩率成型压力最大优点最大弱点价格较好较好最好一般较低（125℃）好最好无小低→中机械性能好不易脱模高一般差很好差低（60～120℃）好好无大低→中工艺性好收缩大低好差很好好较高(150℃)较好好有较大低→高耐酸性脆较低好好好好高(200℃)较好好有较大低→高耐酸耐碱工艺性差较低2.3增强材料的选择目前已有多种纤维可作为复合材料的增强材料，如加各种玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维等，有些纤维已经有多种不同性能的品种。选择纤维类别，是根据结构的功能选取能满足一定的力学、物理和化学性能的纤维。工程上通常选用玻璃纤维、凯夫拉纤维或者碳纤维作为增强材料[3]。对于硼纤维，由于它的刚度大和直径粗，弯曲半径大，成型困难，所以应用范围收到很大的限制。所以，在生产中一般以玻璃纤维为主。表2.2几种常用典型玻璃纤维的性能比较玻璃纤维种类耐水性耐酸性耐碱性沸水煮1h后失重/%试验后水的电阻/Ω在硫酸沸液煮1h失重/%在氢氧化钠煮沸1h失重/%无碱玻璃纤维中间玻璃纤维高碱玻璃纤维1.70.13111000072000250048.20.16.29.7—12.0～15.06表2.3几种常用玻璃纤维力学性能玻璃纤维种类无碱玻璃纤维中碱玻璃纤维高碱玻璃纤维耐碱玻璃纤维高强玻璃纤维密度/(g/3cm)单丝拉伸温度/MPa2.5421372.4917672.512862.7819002.4927642.4水箱结构的材料性能玻璃钢水箱可分为三层结构，即内衬层、结构层和外表层。其功能各为：内衬层主要起防腐、防渗作用；结构层承受荷载引起的各种应力；外保护层则用于防自然老化和摩擦碰撞。根据上述介绍的基体材料和增强材料的选择原则及表格中性能比较对三层材料进行不同的设计，如下：（1）内衬层水箱内表面为富树脂层，其厚度为1.5mm，表面应光滑平整，不允许有明显的伤痕，色调均匀，水箱边缘整齐、厚度均匀、无分层、加工断面应加封树脂。增强材料选用无碱玻璃纤维毡和短切毡，因为水箱所储水为生活用水，不得有任何污染，故选用耐水性能优良的食品级不饱和树脂，并且还要保证完全固化。（2）结构层结构层选用无碱玻璃纤维无捻粗纱、通用型191不饱和树脂聚酯，为提高刚度和强度，加入适量绢云母粉（细度为1000目）、石英砂（粒径0.3～1.2mm）和兜砂，其厚度由设计决定。（3）外保护层选用196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，水箱要放在离地面50m的建筑物顶上，会受到阳光的照射，所以水箱的外表层所用树脂中需要加入紫外线吸收剂如UV-9等，以增加水箱的抗老化性能。2.5辅助材料的选择（1）引发剂：是指在聚合反应中能使单体分子或线型分子链中含有双键的低分子活化而成为游离基，并进行连锁反应的物质。不饱和聚酯树脂一般可以通过引发剂(或光或其它引发方式等)与交联剂分子中的双键发生自由基共聚反应，使线型分子交联或具有网状结构的体型分子。采用引发剂固化7树脂时，在配以适当的促进剂后可有效地控制反应速度（2）固化剂是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变化过程，固化是通过添加固化（交联）剂来完成的。可以选用环氧固化剂。（3）促进剂与催化剂或固定剂并用时，可以提高反应速率的一种用量较少的物质。性质：本品为白色粉末，加热至200℃即升华并分解，常温时能用明火点燃，难溶于乙醚、芳香烃等。83结构设计水箱结构设计主要通过结构强度、刚度计算来确定结构尺寸。设计要求是外形美观、施工方便、整体组装拆卸容易。根据造型设计已经确定了水箱容积V=6.5m3，箱体直径2R=200cm，高H=220cm，水位高h=207cm，箱体厚度t，箱底厚度tb，箱顶厚度tr，水的密度γ=1.0×3103k/gcm，人孔半径r1=250mm，箱顶锥壳半顶角ø=75°。3.1水箱荷载分析3.1.1设计载荷(1)静水压：设计静水压，按水箱内的最高水位决定。静水压参照表3.1取值[4]。表3.1静水压取值项目数值水箱高度/m1.01.52.02.53.0最高水位/m0.71.21.62.12.6静水压值/MPa0.0070.0120.0160.0210.026静水压：y010P.=（3.1）p是静水压（MPa）；y为水面高度（m）；水箱的最高水位是从水箱底部到溢流孔的高度。即该水箱静水压MPaps0207.0(2)风压荷载风压力按下式计算：2=mkgcqp（3.2）式中c—风压系数，矩形水箱取1.4；q—风速压，与水箱离地高度h有关。0h=~m30时，MPah6q=（3.3）hm30时，MPah12q=（3.4）9即该水箱风压荷载计算如下：MPa8584MPa5012MPah12q.===2626mkg1079118mkg10858441cqp×.=×.×.==(3)雪荷载计算雪荷载按表3.2取值。表3.2雪荷载取值最大积雪深度/cm每1cm厚雪质量/(kg/m2)计算取值/(kg/m2)30以内1.03050以内1.575100以内2.0200已知m50h=，雪载荷取值2mkg75。(4)人荷载人荷载以人N980计算。(5)地震荷载设计只考虑水平方向地震波的影响，所以引起的地震水平分力计算公式如下：F=200hwdyp（3.5）Pw=3γβKHh020021hyhyxtanh03hl×10-1（3.6）Pb=23γβKHh0()()00hl3hx3coshsinh×10-1（3.7）式中wp—水箱侧壁发生的变动水压，MPa；bp—水箱底发生的变动水压，MPa；F—地震水平分力；γ—水的密度，3mkg；HK—水平震度，g30KH.=（g为重力加速度，其值取28.9sm）0h—水位，cm；10l—水箱长的1/2，cm；y—到水面的深度，cm；x—水箱底板边缘到水箱中心线的距离，cm；β—水箱的反应系数（满水时一次固有周期1T在s20.以下时2β=）。带入数据得：Pb=23γβKHh0003cosh3sinhhlhx×10-1=-2.75MPaF=200hwdyp=22.67MPa3.1.2荷载组合荷载组合按建筑规范最不利情况计算[5]。3.1.3安全系数安全系数的确定，可参照钢结构或混凝土结构设计标准[5]。强度计算的安全系数参照表3.3取值。表3.3强度计算的安全系数名称长期荷载短期荷载水压84挡板应力42.5其他玻璃钢32补强零件聚氯乙烯32聚乙烯4.523.1.4强度计算项目(1)水箱主体水箱的强度计算项目见表3.411表3.4水箱的强度计算项目项目检验内容侧壁静水压、变动水压、剪切、风压挡板底板静水压、变动水压、剪切、风压顶板雪荷载、人荷载补强材料内部补强静水压、变动水压、雪荷载、人荷载外部补强静水压、变动水压、风压水箱安装处地震荷载、风压配管部件地震荷载(2)水箱基础计算水箱基础按荷载条件对表3.5所列项目进行强度和变形计算、校核。表3.5水箱基础计算项目项目荷载条件标准基座变形静水压、雪荷最大变形小于5mm基座梁应力静水压、雪荷、地震荷载、风压不超过许应应力地脚的应力静水压、雪荷、地震荷载、风压不超过许应应力支承的应力静水压、雪荷、地震荷载、风压不超过许应应力底座、拉杆及其他静水压、雪荷、地震荷载、风压不超过许应应力3.2水箱壁厚设计由理论值来确定壁厚[6]：立式圆筒形水箱在容水时，z轴向应力为零仅有圆周向拉应力б：бhpRhpD2（3.8）式中，D、R分别为圆筒的直径、半径，p为圆筒z处的压力（p=ρz)ρ为介质的密度，h为筒体z处厚度，б为筒体轴向的拉应力，于是圆筒形水箱在z处的箱体厚度为：12][Rzht（3.9）图3.1立式圆筒形水箱按一般手糊玻璃钢力学性能取Et=200MPa，bE=960MPav=0.3，бm=бt=100MPa，бb=150MPa，t=20MPa。考虑到长期载荷下使用15年以上及蠕变的影响，取安