FRP圆筒形水箱结构分析与计算

　　用玻璃钢制作水箱,具有强度高、重量轻、安装容易、外形美观、不锈蚀、清洁卫生等优点。日本在70年代就已经大量推广使用,我国近年来也在逐步推广使用,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结构设计分析方法与计算实例。

　　1　外力基准

　　对于设置在高度为60 m以下的建筑物内部及屋顶上、容积在50 m3以内,水深在4 m以内的圆筒形玻璃钢水箱,其设计用外力由以下部分组成:(1)由水箱内盛装水产生的静水压力,作为长期载荷来处理。静水压由下式计算:

式中Ps为静水压(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。(2)由水箱自重产生的固定载荷G,作长期载荷处理。(3)由水箱顶部载人的重量产生的集中载荷P,作为短期载荷处理,按表1取值。(4)水箱顶上的积雪载荷S,作为短期载荷处理。一般地区设置的水箱(多雪地区除外),取S=60 kg/m2。(5)风载荷D。对于圆筒形水箱，标准设计用风载荷按下式计算

式中A为受风压面的投影面积(m2) .

　　2结构模型

　　圆筒形FRP水箱的结构如图1所示。

　　3结构分析及计算

　　3. 1箱体部位应力及变形的分析与计算

　　箱体在水箱白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白重产生的最大压缩应力由下式计算:

(1)

式中γ_m为FRP材料的密度。

　　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:

式中γ为水的密度;v为FRP材料的泊松比;Z为截面系数,。由静水压产生的最大剪力及对应的剪应力由下式计算:

　　由静水压产生的最大周向应力及最大挠度由下式计算:

式中Et为FRP材料的拉伸弹性模量。

　　3.2　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α，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:

式中Ps一箱底的静水压力;α，β是参数a/b的函数，其值由表2选取;Zb为截面系数，材料的弯曲弹性模量。

　　3. 3稳定性的计算

　　当水箱承受的应力达到某一临界值时，水箱虽不致破坏，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，需先计算出屈曲临界应力，再进行比较，以确定水箱结构的稳定性。由弯矩产生的箱部的屈曲临界应力按下式计算:

式中γ₁为(R/t)的函数,其值由图2选取。