玻璃钢水箱3 结构设计.doc

3 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t，箱顶厚度t，水的密度=1.0，人孔半径r=250mm，箱顶锥壳半顶角=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 ： （3.1）是静水压（MPa）；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(2)风压荷载风压力按下式计算： （3.2）式中风压系数，矩形水箱取1.4；风速压，与水箱离地高度有关。时， （3.3）时， （3.4）即该水箱风压荷载计算如下：(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，雪载荷取值。(4)人荷载 人荷载以计算。(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 （3.5）Pw=KHh0xtanh10-1 （3.6）Pb=KHh010-1 （3.7）式中水箱侧壁发生的变动水压，；水箱底发生的变动水压，；地震水平分力；水的密度，；水平震度，（为重力加速度，其值取）水位，；水箱长的1/2，cm；到水面的深度，cm；水箱底板边缘到水箱中心线的距离，cm；水箱的反应系数（满水时一次固有周期在以下时）。带入数据得：Pb=KHh010-1=-2.75MPaF=2=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 8 4挡板 应力 4 2.5 其他玻璃钢 3 2补强零件 聚氯乙烯 3 2 聚乙烯 4.5 23.1.4强度计算项目(1) 水箱主体 水箱的强度计算项目见表3.4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： （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=z)为介质的密度，h为筒体z处厚度，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： （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，=960MPa v=0.3，m=t=100MPa，b=150MPa，=20MPa。考虑到长期载荷下使用15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=t=20MPa，b=30MPa，=40MPa。计算的圆筒型水箱的壁厚t=1.25mm表3.6 立式储罐及罐顶一定距离外侧面和底面的最小厚度/mm距罐顶的侧壁外距离/m储罐直径/m1.82.12.42.70.61.21.82.43.03.64.84.84.84.86.46.44.84.84.86.46.46.44.84.84.86.46.46.44.84.84.86.46.88.0根据表4.6，确定水箱的壁厚t=0.6cm，=1.0cm。4.3箱体部位应力及变形的分析与计算箱体在水箱自重及静水压力作用下,受到压缩应力、弯曲应力及剪应力。该应力值在箱体与箱底联接处最大。由自重产生的最大压缩应力由下式计算7: （3.10）式子中为FRP材料的密度R为水箱半径H为水箱高度tm为箱顶厚度t为箱体厚度 代入数据得 =-0.0512MPa 安全由静水压产生的最大弯矩及对应的最大弯曲应力由下式计算: （3.11）式子中 为水的密度；水位高度；为FRP材料的泊松比；为截面系数，； （3.12）代入数据 安全由静水压产生的最大剪力及对应的剪应力由下式计算: （3.13）代入数据得-0.28MPa0.28MPa40MPa由静水压产生的最大周向应力及最大挠度由下式计算: （3.14）代入数据 5.4MPa20MPa 0.0742cm0.005H=1.1cm 安全3.4箱底部位应力及变形的计算设支撑台架长方形部分长边的长度为a，短边的长度为b，x-y坐标的原点在长方形的中心位置。由静水压产生的最大弯矩、最大弯曲应力和最大挠度值，可分别由下式计算： （3.15） （3.16） （3.17）式中为箱底的静水压力；，是参数a/b的函数，其值可由表4.7选取；截面系数，FRP材料的弯曲弹性模量；箱底厚度；表3.7 等分布压力作用下周边固定支撑长方形板的，值8a/ba/b1.01.11.21.31.41.50.001260.001500.001720.001910.002070.00220-0.0513-0.0581-0.0639-0.0683-0.0726-0.07571.61.71.81.92.00.002300.002380.002450.002490.002540.00260-0.0780-0.0799-0.0812-0.0822-0.0829-0.0833对箱底部分支撑台架的尺寸参数为r1=25cm，r2=R=100cm，a=80cm，b=40cm，a/b=2，由表4.7查得=0.00254，=-0.0829，ps=0.016MPa，将以上参数代入箱底部的应力和挠度值，并与需用值比较，进行安全性评价。 安全3.5稳定性的计算当水箱承受的压力达到某一临界值时，水箱虽不至破坏，但会失稳该应力值就是屈曲临界应力。对水箱进行结构设计时，需要计算屈曲临界应力，再进行比较，以确定水箱结构的稳定性，由弯距产生的箱体部的屈曲临界应力按以下公式计算9： （3.18）式中1(R/t)的函数,其值由图选取。图3.2 1-R/t曲线图对于箱体的剪切屈曲，其临界剪应力，而根据Z值的不同，有不同的计算公式，这里Z= （3.19） 当100Z78时 （3.21）式中Cs为参数(R/t)的函数，由图4.3选取10。图3.3 曲线图由箱顶部集中荷载产生的屈曲，其临界应力与临界荷载由下面公式计算： （3.22）式