玻璃钢水箱课程设计(一)

1 概述玻璃钢水箱是目前国际上流行的新型水箱，也是玻璃钢工业中产量较大的一种产品，适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、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。

自1962年在日本问世以后，逐渐在建筑工程中取代了传统材料水箱占领了市场我国在玻璃钢水箱方面起步较晚，但发展迅速，且国内市场庞大，发展前景十分广阔。

１.1 玻璃钢水箱的特点玻璃钢水箱与钢板水箱和钢筋混凝土水箱相比，有以下优点:(1) 质量轻制造相同容积的高位水箱，玻璃钢水箱的质量仅为钢板水箱质量的1/4，为钢筋混凝土水箱的1/15。

减少水箱的自重，以减轻建筑结构的荷载及对降低工程造价有利。

(2) 制造方便玻璃钢水箱可以整体成型、制成板块现场拼装和现场制造。

水箱的接管处、排水凹板等，都可以在制造水箱时完成，不需要像传统水箱制造时增加费用，也不需要像钢板水箱那样，增加油漆防腐工序。

(3) 耐腐蚀性好玻璃钢水箱防水、防腐蚀性能好，不像钢筋混凝土水箱那样易渗透，也不像钢板水箱那样需要经常注意维修、涂漆防腐。

(4) 卫生玻璃钢水箱选用食品级树脂制造，能够保证达到国家规定的水质卫生标准，不污染储水。

而钢板水箱长期使用后，钢板易生锈，给生活用水造成二次污染。

钢筋混凝土水箱不易清洗，易长青苔。

(5) 强度高、抗震性好玻璃钢水箱能经受8级地震而不坏；而钢板水箱和钢筋混凝土水箱则不防震。

(6) 美观玻璃钢水箱表面光泽、颜色鲜艳、造型独特，可以根据用户需求选型、着色，设计成有装饰效果的水箱，美化城市。

(7) 技术经济效益好玻璃钢水箱的综合经济效益优于钢板水箱和钢筋混凝土水箱。

[1]１.2 玻璃钢水箱的种类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[1]。

(1) 手糊玻璃钢水箱手糊玻璃钢水箱根据容积大小又可分为整体式水箱和组装整体式两种。

一般容积在30m3以内的玻璃钢水箱，采用整体式水箱，而以球形水箱最受用户欢迎。

因为球形水箱美观、省工省料，而且容易清洗，30m3容积以内的玻璃钢水箱，可采用组装整体式水箱。

(2) 模压玻璃钢板块组装水箱这种水箱是采用热固性片状模塑料热压成型为1m×0.5m，1m×1m和1m×2m等标准板块，然后根据设计需要组装成0.5 m3～500 m3玻璃钢水箱。

本设计为圆筒形玻璃钢水箱设计，体积32m3，存储介质为生活用水，露天安装于10m高的建筑物顶部，使用温度为常温，采用组合式手糊工艺。

主要设计步骤为：造型设计、性能设计、结构设计、工艺设计、零部件设计、安装连接设计，制品完成后需进行质量检验。

2 玻璃钢水箱的造型设计玻璃钢圆筒形水箱设计包括水箱体、气孔、人孔、进水孔、排污孔、溢流孔等。

圆柱形水箱通常设计成三个部分箱体、箱底和箱盖，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；箱体设计成圆柱形，为了美观和增强筒体刚度，有时在沿筒体高度方向有加强肋；加强肋一般都设计在水箱筒体的外面。

水箱各部件的连接，主要靠各部件上的法兰翻边，采用胶接与用螺栓固定，并注意密封。

具体箱体尺寸设计参见表2.1.表2.1圆筒形水箱设计标准型号RXY- 容积m3外形尺寸（mm）入孔口直径（mm）重量（kg）接管预留孔孔径（mm）直径d高度h溢流管孔排污管孔进出水管孔1 2 3 4 5 6 7 8 9 103457.51012152025301500167018002090222025102860286034003400173019002100236025902250250732372857340757057074074074074070070070070015819322627334045658082010461334DN65DN65DN50DN65由订货单位根据给排水图纸提供，也可水箱到位后开孔洞，但合同中需注明根据设计要求，水箱容积V=32m3；，水箱设计为平底锥形顶，参照表2.1确定水箱构造尺寸，箱体直径2R=340cm；水箱高度H=365cm；水面高度h=352.45cm；人孔直径r1=70cm；箱顶锥壳半顶角ø=70°，如图2.1所示图2.1为玻璃钢水箱结构模型R—水箱半径；H—水箱高度；h—水位高度；t—箱体厚度；t b —箱底厚度；tr—箱顶厚度；φ1—箱顶锥壳半顶角；r1—人孔半径箱体与箱盖、箱盖连接采用法兰翻边连接，参照表6.3经计算得出法兰直径为356cm，法兰厚度1.2cm，螺孔直径2.1cm.螺栓数为100，螺孔环向均布于箱体、箱盖和箱底翻遍，螺孔分布圆直径350cm。

3 玻璃钢水箱的性能设计3.1 树脂的选择根据制品的使用条件，对复合材料的物理性能、抗老化性能及力学性能进行设计，水箱中储存介质为生活用水，使用温度为常温，安装高度为100m，露天，由此可知，所选择的树脂必须保证卫生和耐水性，还要有一定的力学承载能力和抗老化性能；考虑到工艺要求，树脂必须能在室温下凝胶、固化，固化不产生低分子物质，对玻璃纤维具有良好的浸润性，粘度适中，不产生流胶现象[2]。

水箱设计中常用树脂主要是不饱和聚酯树脂[3]，由于不饱和聚酯树脂价格便宜，可以满足水箱的使用要求，不饱和聚酯树脂的性能特点及应用见表3.1：表3.1不饱和聚酯树脂的性能特点及应用树脂基体代号产品性能适用场所邻苯型OP具有一般的耐腐蚀性能，可耐海水、弱酸及大气老化环境，长期使用温度-50℃～ 60℃，最高使用温度达100℃，这是一种较经济的树脂类型，耐腐蚀性一般，阻燃氧指数约为26。

常用于一般的腐蚀环境，海水腐蚀、弱酸腐蚀及大气老化腐蚀。

间苯型IP 具有优异的耐腐蚀性能, 可耐中等浓度无机酸、碱、各种盐类等环境，长期使用温度-50℃～ 90℃，最高使用温度达 105℃，阻燃氧指数约为26。

常用于酸性腐蚀较强或碱性腐蚀一般的环境。

乙烯基型VE具有优异的耐腐蚀性能，可耐酸、碱、盐溶剂或酸碱交替等恶劣的腐蚀环境，长期使用温度-50℃～ 110℃，阻燃氧指数约为28。

常用于酸、碱、盐溶剂等腐蚀严重的环境。

阻燃型FI 具有优异的耐腐蚀性能，可耐酸、碱、盐溶剂或酸碱交替等恶劣的腐蚀环境，长期使用温度-50℃～ 110℃，其阻燃性能高于一般树脂，氧指数为28～35。

常用于有阻燃要求的使用环境。

食品级型FO间苯型食品级树脂同间苯树脂一样具有优良的耐腐蚀性能，长期使用温度-50℃～ 90℃，最高使用温度达105℃，阻燃氧指数约为26。

常用于肉制品、食品加工厂及自来水厂。

玻璃钢水箱可分为三层结构，即内衬层、结构层和外表层。

根据水箱的使用条件对三层材料进行不同的设计：[4](1) 内衬层（防腐、防渗作用）；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。

因为水箱所储水为生活用水，不得有任何污染，水箱内表富树脂层需选择高反应活性的间苯型食品级不饱和聚酯树脂，该树脂固化后残留苯乙烯少，能够满足卫生要求，且耐水性好，长期使用后仍能保持足够的力学性能。

(2) 结构层（承担荷载引起的各种应力）为降低成本，可选用通用不饱和聚酯树脂191#、189#等外保护层(3) 外保护层（防自然老化和摩擦碰撞）选用196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，水箱在离地面100m的建筑物顶露天安装，在外表层树脂中需要加入紫外线吸收剂UV-9，以增加水箱的抗老化性能。

[5] 3.2 固化体系的选择引发剂采用过氧化环己酮糊，过氧化甲乙酮液；促进剂采用萘酸钴苯乙烯溶液；脱模剂采用聚乙烯醇溶液、脱模蜡等3.3 增强材料的选择所选增强材料必须易被树脂浸润，有足够的形变性，能满足制品复制形状的要求，气泡容易排出，能够满足制品使用条件的物理、化学性能的要求，价格合理来源丰富。

玻璃纤维价格便宜，性能优异，可以满足水箱的使用要求，增强材料选择玻璃纤维，常用的玻璃增强材料主要有无捻粗纱布、加捻布、短切毡、表面毡、玻璃纤维无捻粗纱和短切玻璃纤维。

玻璃纤维按其使用要求分为: [6]E-玻璃纤维，无碱纤维，具有优良的、耐老化性和耐水性。

C-玻璃纤维，耐酸性好，耐碱性不如无碱纤维，成本低。

A-玻璃纤维，有碱纤维，含碱量大于12%S-玻璃纤维，高强度玻璃纤维，拉伸强度较大。

中碱玻璃纤维，耐酸性好，成本低。

耐碱玻璃纤维，抗碱性较好，主要用于增强水泥制品。

空心玻璃纤维，纤维中空，弹性模量较高。

玻璃钢制品常用的增强材料为无碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维，二者性能比较见表3.2[2]。

表3.2 中碱和无碱玻璃纤维的性能比较种类耐酸性耐水性机械强度防老化性电绝缘性成本浸润性适合条件无碱玻璃纤维一般好高较好好较高树脂易浸润用于强度高的场合中碱玻璃纤维好差较低较差低低树脂浸润性差用于强度低的场合水箱存储介质为生活用水，因此增强材料可选用0.2mm厚中碱无捻粗砂方格布、玻璃纤维毡等4 玻璃航水箱的结构设计4.1 水箱壁厚的确定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σ[5]如图图4.1所示：图4.1 立式圆筒形水箱σtpRt pD ==2 公式（4.1） 式中D —圆筒的直径，cm ；R —圆筒的半径，cm ；p —筒体z 处的压力（h p γ=)，MPa ； t —筒体h 处厚度，cm ；σ—筒体轴向的拉应力,MPa ；γ为水的密度，kg /m 3。

于是圆筒形水箱在z 处的箱体厚度为：][σγRhh t == 公式（4.2） 按一般手糊玻璃钢力学性能取MPa E t 7200=，MPa E b 9600=,3.0=ν，MPa t m 100==σσ ,MPa b 150=σ,MPa t 20=τ,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][][t m σσ==20 MPa ,][b σ =30 MPa ,][t τ=4 MPa 。

计算的圆筒型水箱的壁厚t=3.0mm圆筒形水箱壁厚设计参照立式储罐的壁厚设计表，见图 4.1，确定水箱的壁厚t=r t =8.0mm , b t =14mm表4.1立式水箱及箱顶一定距离外侧面和底面的最小厚度/mm水箱顶的侧 壁距离/m水箱直径/m1.5 1.6 1.82.13.3 3.60.6 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 1.2 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 1.8 4.8 4.8 4.8 4.8 6.4 6.4 2.4 4.8 4.8 4.8 6.4 6.4 8.0 3.0 4.8 6.4 6.4 6.4 8.0 8.0由表确定水箱的壁厚t=r t =0.8cm , b t =1.4cm 。