毕业设计（论文）-高层住宅复合材料水箱设计.docx

高层住宅复合材料水箱设计目录摘要IAbstractII前言1第一章绪论21.1 课题的研究背景与意义21.2 复合材料水箱的研究现状21.2.1 复合材料水箱概述21.2.2 国内外研究进展31.2.3 复合材料水箱的应用41.3 高层住宅水箱的研究现状51.3.1 高层住宅水箱的的概念51.3.2 高层住宅水箱的研究进展及发展方向51.4 高层住宅水箱的结构设计61.4.1 高层住宅水箱的设计方法71.4.2 高层住宅水箱的结构分析81.4.3 高层住宅水箱的成型方法91.5 本论文思路与主要内容10第二章结构设计112.1 设计要求112.2复合材料水箱基本尺寸的确定112.2.1 水箱容积的确定112.2.2 水箱形状及基本尺寸的确定122.2.3 孔位的确定122.2.4 水箱底标高及水箱支撑台的设计132.3 复合材料水箱原材料的选择152.3.1 原材料的选择原则152.3.2 树脂基体的选择152.3.3 增强材料的选择162.3.4 密封材料及其他配件与配料17第三章设计计算193.1 设计原则193.2 复合材料水箱壁板材料性能193.3复合材料水箱箱体载荷计算203.3.1 静水压Ps203.3.2 风压载荷Pf203.3.3 雪载荷计算Px213.3.4 人载荷Pr213.3.5 地震载荷PD213.3.6 水箱自重载荷PG223.3.7 安全系数的选择233.4复合材料水箱箱壁厚度计算233.4.1复合材料水箱侧壁厚度计算233.4.2复合材料水箱底板厚度计算243.4.3复合材料水箱顶盖厚度计算253.5 复合材料水箱补强措施的计算263.5.1 板法兰连接处宽度对水箱应变的影响263.5.2 复合材料水箱的拉杆263.5 应力、挠度的计算及安全评价283.5.1 水箱的形状尺寸及参数283.5.2 FRP材料的许用应力283.5.3 应力、挠度的计算及安全评价28第四章结束语32参考文献33谢辞3536高层住宅复合材料水箱设计前言第一章绪论1.1课题的研究背景与意义随着中国城市化发展，城镇人口越来越多，城市土地昂贵，建筑单位为了实现更大的容积率，住宅楼逐渐从十三到十七层的次高层住宅过渡到三十层以上的高层住宅。然而，高层建筑的增多导致用水量加大，水压要求高，特别是用水高峰时期供水不足的问题愈发明显，普通供水难以保障高层住宅居民全天候供水。因此，使用复合材料水箱在晚间或其它用水低峰期将水用水泵储存到水箱中，当白天用水高峰期高层住户感到供水不足时，利用复合材料水箱置于楼顶而产生的水压提供住户足够水压的供水，实现高层住宅的全天不间断供水，解决了城市供水不足的问题1。1.2复合材料水箱的研究现状1.2.1复合材料水箱概述复合材料是由不同材料（包括金属、无机非金属、和有机高分子材料）互为基体或增强材料，通过界面效应相互粘结成新的材料，它除保留原组份材料的主要性能外，还通过复合效应获得原组分材料不具备的性能2。定义在好好确定下，不太精确和好理解水箱制造常使用的材质有钢筋混凝土、复合材料（玻璃钢）、不锈钢、陶瓷或搪瓷类。复合材料水箱可使用不饱和聚酯树脂做基体，中碱无捻粗纱方格布或玻璃纤维毡做增强体3，达到强度高，重量轻，耐腐蚀等特点，盛装生活、工业、消防等用水。其中，玻璃纤维强度很高，纤维间是松散的，只能承受拉力，不能承受弯曲、剪切和压应力，还不易做成固定的几何形状，属于松软体结构。采用合成树脂把它们粘合在一起，通过适宜的成型工艺，可以加工成各种固定形状的坚硬的玻璃纤维增强的塑料基复合材料制品，既能承受拉应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力。由于其强度相当于钢材，又含有玻璃成分，也具有玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能，因此也俗称“玻璃钢”4。水箱的使用过程中，污染储水的主要因素是微生物的生长繁殖和水箱体有机物的析出。微生物的生长的代谢产物会产生有毒有害物质，使水质恶化；而析出的有机物本身往往就是致癌物质。不同材质水箱溶出有机物的种类由少到多依次为：不锈钢水箱、SMC复合材料水箱、陶瓷或搪瓷类类水箱、钢筋混凝土水箱。钢筋混凝土水箱是最易滋生细菌的，因此有机物的污染也很严重，其次玻璃钢、不锈钢、陶瓷或搪瓷类水箱对细菌的生长最不利5。对多种材质水箱进行比较后可知，SMC复合材料水箱质量最稳定，陶瓷或搪瓷类水箱第二，不锈钢水箱第三，钢筋混凝土水箱最差。综合考虑各种材质水箱的水质、质量、强度、施工安装、耐久度等诸多因数，SMC复合材料水箱应最优先考虑使用和发展。1.2.2国内外研究进展目前国际上流行的水箱是复合材料（玻璃钢）水箱，玻璃钢水箱在玻璃钢工业生产中占有较大份额，而作为增强材料的玻璃纤维70%用于制造玻璃钢。世界化上第一个玻璃钢水箱在1962年由日本生产，并且发展迅速。隔年日本制定了玻璃钢水箱的建造标准，1975年日本制定了禁止使用钢筋混凝土建造水箱的法律规定。1985年玻璃钢水箱的产量已达到35700t，占当年玻璃钢产品总产量的13%。1986年，日本90%的高层建筑使用玻璃钢高位水箱。目前日本玻璃钢水箱产品产量仍在逐年增加。美国在1964年就有玻璃钢水箱结构设计的专利，在1984年制定了玻璃钢水箱生产国家标准。目前在东南亚、中东、非洲等地区已经认可了玻璃钢水箱并广泛应用6。有没有更新的资料，再查一查？我国玻璃钢水箱早在20世纪70年代就有出现，作为生活用水的储存器，应使用无毒材料，比如食品级的不饱和聚酯树脂7。但当时国内还没有食品级不饱和聚酯树脂，因此玻璃钢水箱的毒性问题不能得到解决，也得不到国家卫生部门的生产批准，限制了玻璃钢水箱的发展。直到1990年，国内可以自主生产食品级不饱和聚酯树脂，国家开始立项并着重对玻璃钢作为食品容器的物理性能、化学性能以及生产技术的研究。食品级不饱和聚酯树脂解决了玻璃钢的毒性问题，卫生部门经安全评价和检测并批准了玻璃钢水箱生产许可。中国于1996年颁布了玻璃钢水箱生产标准，之后发展迅速，产品逐年增加。并在国家“七.五”规划中列为重点科技攻关项目，在国家“八五”规划期间列为重点推广的新产品8。1.2.3复合材料水箱的应用复合材料水箱因其优越的性能，合理的价格，广泛应用于普通住宅、次高层建筑和高层住宅、写字楼、居民小区、机关、学校、酒店等的生活用水、消防用水。也广泛用于工业、矿业、第三产业的生产用水、生活用水、消防用水。还在各类型的循环水、冷却水、热水供应系统用水广泛应用。利用复合材料水箱的可设计性，也可以设计出耐酸碱的储存设施，来做酸碱的储备。1.3高层住宅水箱的研究现状1.3.1高层住宅水箱的的概念高层住宅在白天居民用水高峰供水时，三十层以下住户可以用阶梯式高压泵增压供水，但供水管线中水压过大，容易引起供水管线爆裂，给住户带来停水、漏水、跑水等麻烦，因此高层住宅水箱的概念被提出，并应用于高层住宅供水系统中。高层住宅水箱利用水泵及高位水箱联合供水方式，即通过输水泵将供水提升至高位水箱内，再利用水箱的高度差产生的静水压供水至各住户用水点。水箱做中间传输水箱安全性高不会引起输水管线因水压过大而爆裂，而且水压稳定。水箱内补水通过箱内的水位高度控制传输水泵控制，是供水始终保持在高效段运行，因此能耗小、后期运行费用低9。1.3.2高层住宅水箱的研究进展及发展方向在1990年之前，我国还没有食品及不饱和聚酯树脂，高层住宅储水设备常使用钢筋混凝土水箱和钢板材质的水箱。钢筋混凝土水箱质量大，对高层建筑物的载荷要求高，而且易渗漏，滋生微生物，污染储水。钢板材质水箱重量虽然不渗漏，但防锈涂层脱落导致钢板锈蚀和污染储水。而且，钢筋混凝土水箱和钢板水箱易滋生微生物，清洁频率高，清洁费用高，导致高层住宅物业疲于清洁水箱，便不经常清洁水箱10。1990年以后，我国有了食品级不饱和聚酯树脂，根本上解决了玻璃钢复合材料水箱的有机物毒性问题，国内开始大力发展复合材料水箱作为生活用水储水设施的研究。复合材料水箱使用食品级不饱和聚酯树脂做基体材料，玻璃纤维做增强材料，具有质量轻，对建筑的载荷要求小、强度高、不渗漏、防震性高，而且运输安装方便、节省施工成本，水箱后期维护简单易行、维护成本低。国内高层储水水箱污染严重的情况根本问题就在于没有使用这种水箱。然而复合材料水箱在中国没有像其他发达国家一样全面推广，就是因为即使使用食品级不饱和聚酯树脂为原料，用户也会考虑到有机材质可能会有致癌有机物质溶解在水中。为此中国多家科学研究院包括很多地区卫生防疫站都在进行复合材料水箱与其他种类水箱的研究与水质检测。研究结果表明：玻璃钢复合材料水箱储水相比较其它水箱储水有机物质种类较少，溶解量也较少，溶出的有机物质多数为无毒物质，远远优于国家饮水卫生标准，因此，复合材料水箱不存在高层供水污染问题11。因为复合材料制作的水箱具有优异的性能，而且作为高层住宅生活用水的储水设施时，采用食品级不饱和聚酯树脂为原料，具备无毒、无污染的安全性能，所以中国高层住宅水箱将会着重发展复合材料制作的水箱。1.4高层住宅水箱的结构设计玻璃钢复合材料水箱按结构构造可分为整体式、组装整体式和组合式三种12；按造型可分为球形、圆筒形和方形三种，为了制品在施工安装时方便，常将整体水箱分成二到三个部件，大吨位水箱则可能会分成更多单元部件。按制造工艺分为手糊成型和SMC模压成型两种。高层住宅要求水压较高，水箱的安置由于其土地昂贵的特点要求尽量高的空间使用率，而且北方城市冬天寒冷，不允许把水箱放置在楼顶天台处以反之水结成冰，另外还要尽量减少高层建筑楼体的载荷，并选择合适的复合材料水箱成型方法。考虑以上诸多因素，我们需要分析哪一类结构的水箱比较适合北方高层住宅使用，并对其进行设计。1.4.1高层住宅水箱的设计方法1）球形水箱设计球形水箱一般分成上下两部分进行设计、制造。并且要求在接口处（包括上下单元部件接口以及管道接口）设置法兰盘，使用螺丝和无毒、高弹橡胶进行固定与密封。小型球形水箱可直接在制造工厂组装，然后运到目的地进行安装。大型球形水箱需要将制好的上下单元部件运到使用现场进行组装然后安装13。2）圆柱形水箱设计（立式圆筒形水箱）圆柱形水箱通常分成三个部件进行制造，分别是箱底、箱桶、箱盖但各部分。箱底一般设计成平底，箱盖设计成弧形断面，箱体设计成圆筒形。有时在为了增加水箱刚度，需要在桶体外高度方向进行加筋处理。水箱整体接缝处有法兰盘设计，使用螺丝和无毒高弹橡胶进行固定与密封。3）方形水箱设计方形水箱大多也设计成箱底、箱桶、箱盖三个部件。方形水箱的箱底是平底的；小吨位水箱的箱盖考虑到人体重量，需要在短边拱起，大吨位级的矩形水箱需要靠短边一角留人孔；方形水箱的桶壁是四个平面，受到水压后极易变形，所以可以在法兰处进行加强，可以在箱壁高度方向进行拉筋增强处理，也可以在水箱内增加拉杆阻止水箱因水压变形。去掉后面的分页符1.4.2高层住宅水箱的结构分析1）球形水箱的结构分析球形水箱由于对称性好，面壁所受应力比其他水箱小，因此同一容积下其壁较薄，用料就省。一般，球形水箱主要有承力的球壳和支脚两大部件组成。进行球形水箱的结构分析，通常利用沿圆周间隔分布的支脚开始进行壳体的应力分析，分析出球壳的经、纬向应力，球壳厚度，以及球壳强度（发生曲面弯曲即球形水箱的强度）是否符合使用要求，如果符合，球形水箱结构分析结束；如果不符合再进行球形水箱的增强计算，计算出达到要求强度后的变形量。2）圆柱形水箱的结构分析（立式圆筒形）圆柱形水箱的结构分析较简单。圆柱形水箱在容水时，沿纵轴向的应力为零，仅有的应力是圆周向的拉应力，此拉应力可测，根据测得的拉应力及水箱各处的水的压力计算出箱体壁厚。最后还需要进行圆筒形水箱桶壁变形量的校核。3）方形水箱的结构分析方形水箱因占地位置小，制作容易，故市面上用的较多。方形水箱设计在满足了强度要求的水箱壁厚之后，还必须考虑因水压而产生的水箱壁形变量的大小是否会影响使用，即需要进行水箱型变量的校核，特别是对热水箱和保温水水箱（不过本论文仅讨论高层建筑二次供水用的储水水箱，不涉及较高水温的情况，因此不进行热水箱和保温水箱的讨论）。为使方形水箱的水箱壁变形减小，还经常在水箱壁板的两筋之间进行加筋处理，但是加强筋自身作为承载骨架也有挠度产生，会向外凸。为此可以在对立面的筋间采用拉杆连接起来。拉杆可以选用玻璃钢、碳钢或不锈钢，根据壁面需要承受的总压力可计算出每根拉杆的直径大小。另外水压在垂直方向沿水深增加而增大，各拉杆在水箱纵向方向上的距离并不相等，越到水深处拉杆排列越紧密。拉杆两端伸出水箱用螺母拧紧，将两对立面加强筋连接起来，一般水会沿着螺杆的螺纹向外流出，造成漏水。采用橡胶垫密封方法可以彻底克服漏水现象14。1.4.3高层住宅水箱的成型方法1）手糊成型：手糊玻璃钢水箱的体积比较小，以圆形为主，方形较少，因为球形水箱美观、省工省料，而且容易清洗。手糊成型的水箱为保证其不渗漏，在模具制造、脱模剂、箱体防渗层糊制等环节都靠人工控制质量。2）SMC模压成型：SMC模压成型一般为组合式玻璃钢水箱，由SMC模压单板、密封材料、金属结构件及配管系统组合拼装而成。可以根据用户需要组装11000cm3的水箱，若原有水箱需要更新，不需要改造房屋，由门运入模压单板，即可组装，适应性强，利于设计施工。水箱密封采用无毒高弹的橡胶条，使用期限在三十年以上15。综上所述，球形水箱多适用于工厂、游乐园等对空间使用率没有要求可将储水箱放置在空旷的地面上的地区，冬天加以保温措施即可；圆筒形水箱多作为水塔使用，与球形水箱的使用地点大致相同，但都不适用于高层住宅。而方形水箱在高层住宅楼顶房间内，对房间空间的使用率要求高，加筋处理和拉杆处理使其可以有更高的强度承受更高的水压，而且方形复合材料水箱相比钢筋混凝土水箱和钢板水箱即有着相同的强度，也有着更轻的重量。所以选择方形水箱更为适合。成型方法中，与手糊成型相比较，SMC模压成型具有制品质量控制简单，重现性好，制品表面光洁，生产效率高，易于实现机械化生产16。1.5本论文思路与主要内容本论文针对三十层或更高的高层住宅使用的复合材料水箱的设计进行研究。由于东北地区高层住宅水箱安放的位置比较特殊，居民生活用水质量的硬性要求等条件，本论文将从复合材料水箱制造的选材、结构设计、强度载荷计算、安全性能以及制造复合材料水箱的低成本适用性等方面进行细致的讨论，综合分析高层住宅使用的复合材料水箱在制造过程中的安全性能、材料性能、载荷分析及经济适用性等问题。获得理想、简单易行、无毒无污染、高强度、成本与能耗为最小、性能优良的高层住宅复合材料水箱设计结果。第二章复合材料水箱的结构设计2.1 设计要求不饱和聚酯树脂为基体的复合材料（UPR-FRP）具有轻质高强、可设计性强和耐水性优良等特点，这正是高位水箱所要求的。采用玻璃钢制作水箱，可省去像钢板水箱那样每年涂刷防锈层的工序，减少维修费用。而且不饱和聚酯树脂为基体的玻璃钢复合材料（UPR-FRP）可以根据水箱不同部位受力情况设计出相应的壁厚以减少材料的浪费，这一点也是钢板水箱难以做到的；另外，复合材料产品结构形状设计的任意性，能为设计者提供方便。本文以不饱和聚酯树脂为基体的复合材料（UPR-FRP）的特性为基点，对高位水箱进行的结构设计。设计要求为水箱设置在三十层或更高层的住宅楼楼顶平台上，能容纳约200t水，结构形式为矩形组合式。2.2复合材料水箱基本尺寸的确定2.2.1 水箱容积的确定水箱有效容积(V)的大小与每人每日用水标准(q0)及居住户数f有关。目前我国住宅设计采用室内设有给水排水卫生器具及淋浴设备的2类住宅居多。对2类住宅，用水标准可采用220L人d每户平均可按4人计算，以三十层住宅，一到二层市区管网直供，三到三十层每层居住8户为例。则水箱有效容积:VS=4fq0=4830-2220=197120L。设水箱的有效容积为85，则水箱的容积V=VS/0.85=197120/85%=2319.0588L232m3。为了方便结构设计的计算，这里取整数240m3进行本论文的水箱结构设计。2.2.2 水箱形状及基本尺寸的确定a图2.1 水箱结构简图hLbtG因为采用SMC成型方法制造的1m1m层压板，方便生产、运输、组装，所以整个箱体取整数设计。FRP水箱的简单结构如图2.1所示：水箱长度a=10m；水箱宽度b=8m；水箱高度h=3m3；最大水深L=2.55mt为水箱壁厚（经计算确定厚度）；G为内部横梁钢管拉筋；水箱总容积：240m3；公称容积：240m385%=204m3200m3；2.2.3 孔位的确定根据使用要求，水箱一般设有进水管、出水管、溢流管、放空管、通气管、人孔等。(1)进水口：是水进入水箱的人口。一般开在水箱侧壁略高于溢流孔的部分。(2)出水口：是水流出水箱的出口。为防止沉渣排出，大型水箱出水口应高出水箱内底，且不少于200mm，在此取500mm。(3)溢流管：作用是控制水箱的最高水位，开在水箱侧壁，因此通常溢流管口高于最高水位20mm，同时溢流管管径应比进水管大一到二号，至少要与进水管相同，使当水箱进水管液位控制阀失灵时超过最高水位的水能有效地排放，溢流管上不设阀门。(4)通气口：开在水箱顶部，为防止污染应装上丝网罩。(5)放空管：屋顶水箱水质易受污染，故应设置放空管，定期放空清洗与检修。放空管开在水箱底部的最低部位，以便排出沉渣等；大型水箱孔径一般取70mm-100mm，在此取100mm。(6)人孔是为了人进出水箱方便后期水箱维护而设的开口，孔径一般为500600mm，在此取600mm。2.2.4 水箱底标高及水箱支撑台的设计（1）水箱底标高的确定住宅屋顶水箱供水，最不利的供水管线为顶层住宅的用水点，因此水箱底标高须根据顶层用户的供水要求压力进行确定。给水管道设计秒流量公式：HH1H2HBH3表2.1每户设置的卫生器具卫生器具名称当量额定流量所需流出水头厨房水龙头0.72.0m座便器水箱0.52.0m淋浴器0.52.5m洗脸盆0.81.5m洗衣机水龙头1.22.0m式中：H1不利点卫生器具安装高度；H2不利点卫生器具流出水头；HB水流通过水表的水头损失，我们取0.62；H3计算管路的水头损失。根据卫生器具布置，管路长短有所区别，但相差有限。这里假定为0.8米。表单独放成一行，不要随便放。由于住户不可能同时使用多种卫生器具，我们选取洗脸盆、洗衣机水龙头和厨房水龙头三者进行计算。由于三者安装高度相同，均离露面1米左右，不利点选取三者之中流出水头最大值（厨房和洗衣机水龙头最大，假设厨房水龙头为不利点）。则：HH1H2HBH3=1+2+0.62+0.8=4.42m如住宅顶层层高为3米，则水箱底高出层面为4.42-3=1.42m，比较合理。但淋浴器的额定流量所需流出水头较高。屋顶水箱存水很少会用空，当有1m高调节水头时：h1+H-H1-HB-H3=4.42-2.2-0.62-0.8=1.8m即在水箱底标高为1.42m时，额定流量所需流出水头最高的淋浴器有1.8m的水头，能满足住户的使用要求。所以本论文水箱底标高可取1.42米17。（2）水箱支撑台的设计水箱的支撑基座有二种形式：水平连续弹性支承即FRP水箱底部直接放置在一排整齐排列的水泥台上。在放置前，水泥台应进行水平清洁处理后刮一层厚约5mm的树脂胶泥层。在未固化而凝胶时，将水箱底板放上。固化后进行侧板的安装。水泥台间隔一般与水箱加强筋间距相当。桁架支承即FRP水箱先放置在用镀锌槽钢制成的井字形桁架上。再将桁架放置在混凝土基础上，条形混凝土基础高度一般为450cm，最大间距为2米。所有条形混凝土基础必须在同一水平，水平误差3mm。单位要统一，用简化的。井字形桁架台需要柱脚时，必须考虑用支承托板、拉杆、盒子板等补强。架台应有足够强度数量的地脚螺栓与水泥基础连接，用于固定水箱的结构3。水箱支撑台可根据楼体结构进行设计，将支撑台的支脚设计在楼体承重梁上防止楼板塌裂。2.3 复合材料水箱原材料的选择2.3.1 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2.3.2 树脂基体的选择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、酚醛树脂和聚酯树脂。另一类为热塑性树脂，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。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。下面表格上下距离太近表2.2四种复合材料（玻璃钢）常用树脂性能比较特性环氧树脂聚酯树脂酚醛树脂呋喃树脂耐酸性较好一般好好耐碱性较好差差好耐水性最好很好很好好耐溶剂性一般差好好耐热性较低125低60120较高150高200机械性能好好较好较好电气性能最好好好好固化时挥发物无无有有固化收缩率小大较大较大成型压力低中低中低高低高最大优点机械性能好工艺性好耐酸耐酸耐碱最大弱点不易脱模收缩大性脆工艺性差价格高低较低较低2.3.3 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。在复合材料水箱的生产中一般以玻璃纤维为主。表2.3 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/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1.7100004829.7中碱玻璃纤维0.13720000.1高碱玻璃纤维1125006.212.015.0表2.4 几种常见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密度/（g/cm3）2.542.492.5单丝拉伸强度/MPa2137176712862.3.4密封材料及其他配件与配料（1）密封材料密封材料由具有长期耐水、耐老化、密封性好的橡胶材料制作密封材料必须是无毒的，并且必须是经过卫生部门检验合格的，颁发生产许可证的才能使用。通常采用三元乙丙橡胶制作成发泡密封材料。密封材料的物理机械性能见表2.5。表2.5密封材料物理机械性能项目硬度（邵氏）断裂强度/MPa伸长率/%永久变形/%密度/gcm-3老化系数指标2520.75.0220.460.9（2）其他配件配管附件主要包括进、出水孔、溢流孔、排污孔（放空孔）、通气孔、人孔、水位控制器、水标等。金属结构的配件包括混凝土基础、钢架底座、加强筋、拉筋板、拉筋、内外人梯及装配螺钉螺母等。这些部件是保证水箱功能，满足水箱不同用途要求所必需的。（3）其他配料下面的内容要具体写选择的材料？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。采用引发剂固化树脂时，在配以适当的促进剂后可有效地控制反应速度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。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。选择什么？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。第三章水箱的强度校核与结构优化3.1 设计原则（1）按强度准则设计，即以构建不被破坏为原则。（2）按最大允许应变准则设计：对于贮存液体的容器，应变过大，树脂表面开裂，介质浸蚀纤维，久而久之使容器破坏。表面开裂允许应变作为设计准则的。其板中心处最大允许应变max更具材料性能，用声发射技术规定如下：短期载荷: max=L6/1000；长期载荷max=L5/1000；加强筋作用挠度：max=L2/1000；式中：L板的最大边长度。（3）板与板之间有90o直角转角处，均应有圆弧过渡或补强成圆弧。侧板之间R=100mm过渡，侧板与底板之间R=80mm过渡，并用450g/m2短切毡作圆滑补强处理消除应力集中。3.2 复合材料水箱壁板材料性能水箱壁板采用复合结构，接触水的内层及防渗漏的词内层用耐水性优良并且无毒的食品级树脂和纤维布，如189#食品级不饱和聚酯树脂和无碱表面毡或短切毡。强度层用通用性不饱和聚酯树脂如191#、196#等，中碱纤维粗纱方格布增强。这样的SMC层合板的特性如下：数据来源要有文献参考拉伸强度p=210MPa拉伸模量 Ep=12500MPa弯曲强度b=240MPa弯曲模量Eb=25000MPa吸水率1.0%泊松比=0.223.3复合材料水箱箱体载荷计算对于设置在高度为90m以上的建筑物内部及屋顶上，有效容积在200m3以内，水深在3m以内的组合式矩形复合材料水箱，其设计用载荷由静水压、风压载荷、雪载荷、人载荷、地震载荷和水箱自重载荷组成。3.3.1 静水压Ps静水压由水箱内盛装水产生，作为长期载荷来处理。按水箱内最高水位计算，水箱中各点静水压由下式计算：Ps=001y式中Ps静水压,MPa；y最高水面至所求压力部位的距离,m。水箱的最高水位是从水箱底部到溢流孔的高度，本论文设计水箱最高水位ymax=2.55m。则Psmax=001y=0.012.55=0.0255 MPa。3.3.2 风压载荷Pf对于矩形水箱，标准设计用风载荷按下式计算：Pf=D/AD=3850A（N）式中A受风压的投影面积,m2；D受风面所受风压力，N；Pf风载荷，MPa。则风载荷Pf=0.00385MPa。3.3.3 雪载荷计算Px雪载荷按表3.1取值。表3.1雪荷取值最大积雪深度/cm每1cm厚雪质量/（kg/m2）计算取值/（kg/m2）301.030501.5751002.0200由于设计水箱使用在中国北方地区，属于多雪地区，最大积雪深度略大于50cm，计算取值取Px=100kg/m2=0.000980MPa进行计算。近几年南方地区冬天也贫有降雪天气，也可以使用此类水箱设计，防止雨雪天气水箱承受不住雪的重量而损坏。3.3.4 人载荷Pr由人身重量和所背工具组成，按每人100kg、水箱盖上同时最多站4人计算则人载取Pr=400/（810）=5kg/m2=0.000049MPa。3.3.5 地震载荷PD设计只考虑水平方向震波的影响，设水箱内满水,地震引起的水品分力计算公式如下：F=20h0pwdypw=3KHh0yh0-12yh02xtanhl3h010-1式中pw水箱侧壁发生的变动水压，MPa；F地震水平分力；水的密度，kgcm-3；KH水平震度，KH=0.3g=0.39.8ms-2=2.94 ms-2;h0水位，cm，满水255cm；l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，这里取长边一侧，cm；水箱的反应系数（满水时的一次固有周期T1在0.2s以下时=2）。带入数据得：pw=3KHh0yh0-12yh02xtanhl3h010-116.7MPaPD=F/S=20h0pwdy/(Lh)=1.4195MPa3.3.6 水箱自重载荷PG水箱自重产生的固定载荷PG，按整体式进行计算。水箱设计壁厚大约20mm，加上加强筋以及其他水箱配件的重量，简化成水箱壁厚的增加量，大约增加至相当于25mm厚的玻璃钢。玻璃钢密度是0.00140.00175kgcm-3，计算为了安全考虑玻璃钢的密度取最大值0.00175kgcm-3（实际没有0.00175kgcm-3）。玻璃钢水箱玻璃钢的总体积V=2.5(8001000+3001000+800300) 2=6.7106cm3。水箱的重量M=V玻璃钢=5360000cm30.00175kgcm-3=11725kg。则PG=M/S底=11725/（108）=146.5625kg/m21.4710-3MPa。即本论文设计的复合材料水箱自重载荷和可取值为1.4710-3MPa。3.3.7安全系数的选择依据00选择安全系数（1）短期载荷（入积雪、行人、风压等）取2.5；（2）短期交变载荷（如地震载荷等）取3.0；（3）长期重复动载荷（如水压变化等）取6.0；（4）冲击载荷（如水对水箱壁冲击）取10.0。3.4复合材料水箱箱壁厚度计算3.4.1复合材料水箱侧壁厚度计算设水箱侧板为受均匀静水压（PS）和风速压（Pf）作用的四边简支正交各向异性板，最大挠度公式：max=pb4D=121-2pb4Ebt3式中p=Ps+Pfp水箱壁所受压力载荷，MPa；b水箱短边长度，cm是参数a/b的函数，其值由表3.2选取；FRP材料的泊松比，取值0.22；EbFRP材料的弯曲弹性模量，MPa；t箱体厚度，cm表3.2 等分布压力作用下周边固定支撑长方形板的、值a/ba/b1.00.00126-0.05131.60.00230-0.07801.10.00150-0.05811.70.00238-0.07991.20.00172-0.06391.80.00245-0.08121.30.00191-0.06871.90.00249-0.08221.40.00207-0.07262.00.00254-0.08291.50.00220-0.07570.00260-0.0833本论文采用100100cm的SMC复合材料板材组装水箱，按照水箱整体尺寸进行计算侧板壁厚，算出的侧板壁厚有6cm厚，显然不切实际。有加强筋的加强措施可以按照单板100100cm的尺寸进行计算水箱侧板壁厚。导出厚度t的公式为：t=312pb41-2Ebmax式中Ps=0.0255MPa，Pf=0.00385MPa，b=100cm，=0.00126，=0.22，Eb=8.5103MPa，max=1004/1000，p=Ps+Pf=0.0255+0.00385=0.02935MPa，max=1005/1000，带入厚度t公式中得：公式好好编辑下t=312pb41-2Ebmax=33.3731.4997cm则约减后t=1.5cm。3.4.2复合材料水箱底板厚度计算水箱底板同样采用100100cm的SMC复合材料四边简支正交各向异性板板材组装水箱箱底。中国北方冬季多雪，可以将雪载荷归为长期载荷，而人载荷相对于200T的水箱很小也做长期载荷进行计算。即水箱底板受静水压载荷Ps、雪载荷Px、人载荷Pr以及自重载荷PG。根据最大挠度的公式导出箱底厚度tb:tb=312pb41-2Ebmax式中tb箱底厚度p=Ps+Px+Pr+PG=0.0255+0.00098+0.000049+0.00147=0.027999MPa，b=100cm，=0.00126，=0.22，Eb=8.5103MPa，max=1005/1000。带入箱底厚度tb的公式得：tb=312pb41-2Ebmax=33.2171.48cm则约减后采用tb=1.5cm的尺寸设计会更安全一些。3.4.3复合材料水箱顶盖厚度计算使用100100cm尺寸的SMC复合材料四边简支正交各向异性板板材组装水箱顶盖，水箱顶盖厚度的计算方法同水箱侧壁厚度和箱底厚度的计算方法，顶盖仅受人载荷Pr和自重载荷PG以及积雪载荷Px。因为水箱顶盖所受人载荷是集中载荷。假设人重加所带工具重量的和胃100kg，集中在一块SMC板上，则人载荷Pr=100kg/m2=0.000980MPa；顶盖的厚度较薄自重较轻，设顶盖厚为1cm（实际比1cm薄，这里面考虑自重最大情况），则顶盖自重载荷：PG=V=0.00175（1001001）/1=17.5kg/m2=1.7510-4MPa；积雪载荷Px=0.000980MPa。因顶盖不接触液体介质，其许变形可大些，现取长期载荷的允许挠度max，1=L9/1000；短期载荷的允许挠度max，2=L12/1000将以上载荷的和p带入到由最大挠度的公式导出的壁厚tr的公式得：p1= PG+Px=1.7510-4+9.810-4=1.15510-3MPa，p2=Pr=9.810-4MPatr=312pb41-2Ebmax=312p1b41-2Ebmax，1+12p2b41-2Ebmax，2=30.12065760.4941则约减后采用tr=0.5cm的尺寸设计会更安全一些。3.5复合材料水箱补强措施的计算3.5.1 板法兰连接处宽度对水箱应变的影响表3.3给出了不同法兰翻遍宽度时，水箱的箱体及拉杆的应力位移数值。表放成单独一行的，不要插图形式表3.3 水箱箱体及拉杆盈利与位移对比翻遍宽度/cm项目箱体应力max(MPa)拉杆应力max(MPa)箱体位移max(MPa)874.98167.5023.06115.60176.9041.3从表3.3中可以看出翻遍宽度由6cm变为8cm能较大地提高水箱结构的刚度，其最大位移由41.3mm变为23.0mm；也可以显著地降低箱体的应力，最大应力由115.6MPa降为74.98MPa18。3.5.2 复合材料水箱的拉杆加强筋使水箱壁板在两筋之间的变形减小，但加强筋也有挠度产生，会向外凸起，为此在两对立侧壁面设置拉杆，由于采用横截面积相同的与水箱同材料的复合材料拉杆，所以要对拉杆直径d、拉杆到箱底距离X进行计算。(1)拉杆的直径d的计算设水箱某一壁面的长、高为L、H，壁面积HL；在水平和深度方向设置n、m根拉杆，水平方向间隔100cm设一个拉杆，深度方向设两个拉杆，拉杆总数为mn=92=18；水对壁面的平均压力p=H/2，壁面总压力为LH2/2每根拉杆所受拉力为LH2/2mn拉杆许用拉力F公式为：F=pS=pd24式中p箱体同材料复合材料的拉伸强度，p=1200kgfcm-2d拉杆直径，cm水的比重，1gcm-3。数据带入导出公式：d2LH2mnp可得：d1.91649cm则采用进一法约减后d=2.0cm的拉杆直径设计会更安全一些。(2)拉杆在竖直方向上的距离x表3.4 拉杆的层间距一层拉杆二层拉杆X1=22HX1=33HX2=2-22HX2=32-13HX3=3-63H因为使用的拉杆都是同一型号，起截面积相等，按照拉杆受等应力原则可以求出各层拉杆到箱底的距离，表3.4列出m=1、2层时各层拉杆到箱底的距离。表3.4中H=300cm，带入表3.4中二层拉杆de 公式得：拉杆下上X3HX1X2图3.5水箱拉杆层间距示意X1173.2cm,X271.8cm,X355.0cm13。另外，箱内需在SMC层压板接缝处设杆，并与水平设置的拉杆焊接固定，用于支撑顶盖，防止顶盖因自重凹陷，造成水箱结构损坏。3.5应力、挠度的计算及安全评价3.5.1 水箱的形状尺寸及参数水箱体积V=240m3；箱体长度a=1000cm；箱体宽度b=800cm；水箱高度H=300cm，水位高度h=255cm；板厚tr=0.8cm,t=2.4,tb=2.3cm；FRP材料密度m=1.7510-3kgm-3；水的密度=1.010-3kgm-3。安装位置：30层高层住宅建筑物楼顶，离地面约90m(露天)。3.5.2 FRP材料的许用应力考虑到长期载荷下使用l5年以上及蠕变的影响取安全系数n=5，由此FRP材料的许用应力为m=p/ 5=42MPa，b=b/ 5=48MPa，t=t/5=20/5=4MPa。3.5.3 应力、挠度的计算及安全评价（1）箱体部位由自重产生的最大压缩应力由下式计算：m,max=p,max=-trabm2a+bt+Hmt式中tr箱顶厚度，cm；t箱体厚度，cm；a,b,H水箱的长，宽，高；mFRP材料密度，kgm-3。由箱体所受载荷产生的最大弯矩及对应的最大弯曲盈利由下式计算：Mmax=pb2=-0.0513pb2b,max=MmaxZb=6pb2t2式中p箱体所受载荷和，MPa；与a/b有关，查表3.2得-0.0513；b加强筋间的距离，也是SMC单板的边长，100cm；Zb截面系数。由箱体所受载荷产生的最大剪力及对应的剪应力由下式计算：Qmax=0.4pbt，max=Qmaxt由箱体所受载荷产生最大挠度由下式计算：max=pb4D=121-2pb4Ebt3对箱体承受的长期载荷，按上式计算各部应力值及挠度值，并与对应的许用应力值及许用挠度值进行比较，来评价其安全性。计算结果如下：m,max=p,max=-trabm2a+bt+Hmt0.48MPaMmax=pb2=-0.0513Ps+Pfb2=-15.05655kgcmcm-1b,max=MmaxZb=6pb2t2-40.2MPaQmax=0.4pb=0.4Ps+Pfb=1.174kgcmt，max=Qmaxt0.783MPamax=pb4D=121-2pb4Ebt3=0.4996544cm0.500cm所以：m，max=0.48MPa42MPab，max=40.2MPa48MPat，max= 0.783MPa 4MPamax=0.500cm0.005H=0.5cm（这里H曲单板长度100cm）（2）箱底部位由箱底所受载荷产生最大弯矩、最大弯曲应力和最大挠度值分别由下式计算：Mmax=pb2=-0.0513pbb2b,max=MmaxZb=6pbb2tb2max=pbb4Db=121-2pbb4Ebtb3式中pb箱底所受载荷，MPa箱底的支撑台设置位置与水箱SMC复合材料组合板的接缝位置相对应，因此对箱底承受的长期载荷，可同水箱箱体的应力、挠度的计算方法一样，按上式计算各部应力值及挠度值，并与对应的许用应力值及许用挠度值进行比较，来评价其安全性。计算结果如下：pb=Ps+Px+Pr+PG=0.0255+0.00098+0.000049+0.00147=0.027999MPab,max=MmaxZb=6pbb2tb2-38.30MPamax=pbb4Db=121-2pbb4Ebtb30.477cm所以b，max=38.30MPa48MPamax=0.477cm0.005b=0.5cm（3）箱顶盖部位箱顶盖由箱内支撑杆支撑，因此顶盖受自身重力的载荷、积雪载荷和人载荷，与箱体和箱底的应力、挠度的计算方式相同，并与对应的许用应力值及许用挠度值进行比较，来评价箱顶盖的安全性。最大弯矩、最大弯曲应力和最大挠度值分别由下式计算：Mmax=prb2=-0.0513prb2b,max=MmaxZb=6prb2tr2max=prb4Db=121-2prb4Ebtr3式中pr箱底所受载荷，MPa计算结果如下：p1= PG+Px=1.7510-4+9.810-4=1.15510-3MPa，p2=Pr=9.810-4MPapr=p1+ p2=2.13510-3MPab,max=MmaxZb=6prb2tb2-26.29MPamax=prb4Db=121-2prbb4Ebtr30.981cm所以b，max=26