玻璃钢水箱课程设计(二)(3)

4 玻璃钢水箱的结构设计

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。与钢板水箱和混凝土水箱相比它 具有自己的特色和新意。玻璃钢水箱虽然初期投资比传统水箱大，但因具有自重小，安装方便，保养清洗容易等优点，因此必将受到广大用户的欢迎，有较好的应用前景。 4.1水箱的形状尺寸及参数

玻璃钢水箱设计要求：玻璃钢圆筒形水箱设计，任务要求：水箱容积V=14m3，介质为生活用水，安装位置：建筑物上，离地面20m，（露天）。

圆筒形水箱的结构及各部分的尺寸见下图：

图4.1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；υ1—箱顶锥壳半顶角；r1—人孔半径

水箱容积V=14m3，箱体直径2R?286cm,水箱高度H?235cm，水面高度

h?218cm，参考立式贮罐壁厚计算，结果取最大值，板厚tr=t=0.64cm，tb=1.0cm，

333kgmkgmFRP单板结构，FRP材料密度γm=1.5×10，水的密度γ=1.0×10，安装

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位置为建筑物顶上，离地面约20m(露天)。 4.2 水箱荷载分析 4.2.1 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4.1取值。

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表4.1静水压取值

项 目 水箱高度/m 最高水位/m 静水压值/MPa

1.0 0.7 0.007

1.5 1.2 0.012

数 值

2.0 1.6 0.016

2.5 2.1 0.021

3.0 2.6 0.026

P=0.01y (4.1) 静水压 ：

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ps?0.0218MPa (2) 风压荷载

风压力按下式计算：

p=cqkgm2 (4.2) 式中c—风压系数，圆筒形水箱取0.6（参照立式贮罐风压体型系数)；

q—风速压，与水箱离地高度h有关。

h=0~30m时，q=6hMPa (4.3)

h>30m时，q=12hMPa (4.4)

即该水箱风压荷载计算如下：

q?12hMPa?1220MPa?53.67MPa

p?cq?0.6?53.67?106kgm2?32.20?106kgm2

(3) 雪荷载计算

雪荷载按表4.2取值。

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表4.2雪荷载取值

最大积雪深度/cm

每1cm厚雪质量/(kg/m)

30以内 50以内 100以内

1.0 1.5 2.0

30 75 200

2计算取值/(kg/m)

2

已知h=50m，雪载荷取值75kgm2 (4) 人荷载

人荷载以980N人计算 (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：

0F=2?0pwdy (4.5) hPw=3γβ

?y1?y?KHh0?h?2??h?0??0????2??3l???×10-1 (4.6) ?xtanh??h???0??sinh3x3Pb=γβKHh02cosh3l(()×10h)h00-1 (4.7) 式中pw—水箱侧壁发生的变动水压，MPa；

pb—水箱底发生的变动水压，MPa；

F—地震水平分力；

γ—水的密度，kgm3；

KH—水平震度，KH=0.3g（g为重力加速度，其值取9.8ms2）

h0—水位，cm； 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，cm；

β—水箱的反应系数（满水时一次固有周期T1在0.2s以下时β=2）。

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带入数据得：

sinh3x3Pb=γβKHh02cosh3lF=2?0pwdy=20.68MPa 4.2.2 安全系数

h0???×10=-2.98MPa h?h00-1安全系数的确定，可参照钢结构或混凝土结构设计标准。强度计算的安全系数参照表4.3取值[7]。

表4.3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 2

4.2.3 强度计算项目 (1) 水箱主体

水箱的强度计算项目见表4.4[8]。

表4.4水箱的强度计算项目

项目

检验内容

补强材料

侧壁 底板 顶盖 内部补强 外部补强

水箱安装处 配管部件

检验内容

静水压、变动水压、剪切、风压 静水压、变动水压、剪切、风压

雪荷载、人荷载

静水压、变动水压、雪荷载、人荷载

静水压、变动水压、风压

地震荷载、风压

地震荷载

(2) 水箱基础计算

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水箱基础按荷载条件对表4.5列项目进行强度和变形计算、校核。

表4.5水箱基础计算项目

项目 基座变形 基座梁应力 地脚的应力 支承的应力 底座、拉杆及其他

荷载条件 静水压、雪荷

静水压、雪荷、地震荷载、风压 静水压、雪荷、地震荷载、风压 静水压、雪荷、地震荷载、风压 静水压、雪荷、地震荷载、风压

标准 最大变形小于5mm 不超过许应应力 不超过许应应力 不超过许应应力 不超过许应应力

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σ

m,max

由下式计算:

?ms,max=??trRrm/2?tHrm?/t (4.8)

式中 γm为FRP材料的密度； R水箱半径； H水箱高度； t?箱顶厚度；

t箱底厚度。

带入数据得?ms,max???trRrm/2?tHrm?/t?0.0353Mpa 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:

Mx,max??Rht121??2???R??1??h??? (4.9) ??σb,max?Mx,maxZ?3?Rh?R? (4.10) ?1???212?t1???h????式中γ为水的密度；

H水位高度；

v为FRP材料的泊松比；

Z为截面系数，z=t26；η4=3(1-v2)(Rt)2 (4.11)

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