玻璃钢实用技术-玻璃钢结构设计基础-技术普及贴（一）

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写这个帖子的时候想了很多，虽然我是做拉挤业务的，但是一些基础性的东西必须要懂的，注册这个账号也是为了跟各位大虾们学习玻璃钢相关的知识，可是，在论坛里没有很多系统的技术贴，也许是我孤陋寡闻吧。几乎所有邓海岸大侠的帖子我都拜读过，对他也是非常之崇拜，网上找了几本相关的资料，就在此宝地献丑了，只是希望大家都能从中学习并交流，没有别的意思，如果版主看着我的帖子对业界有不好的影响的话就把它删除了，如果觉得有些用处的朋友就请跟帖吧，希望大家真心交流，共建和谐论坛，把咱这个论坛发扬光大。

一、材料的可设计性   
玻璃钢是由玻璃纤维、树脂和填料所组成，它兼有结构材料和功能材料的特性，其组分中的纤维、树脂和填料的性能、用最对玻璃钢的性能影响很大，因此，  我们可以根据玻璃钢使用条件对材料性能的要求，通过合理选材进行设计。
    玻璃钢性能设计分力学性能和物理化学性能两部分内容。前者是根据产品所承受荷载的大小和方向，去选择原材科的含量比例和纤维的铺层形式。不同的原材科及其台量比例和铺层形式，构成了具有不同力学性能的玻璃钢；后者则主要取决于原材树本身的物理化学性能。
    在力学性能方面，玻璃钢可以设计成如下三种典型形式。
    (一)准各向同性玻璃钢
    它可以由短切纤维的预混料和短纤维毡制成，也可以用玻璃布作0°，土45°，90°或0°，±60°，90°铺设而成，这类玻璃钢在铺层平面内的各个方向有大致相同的性能，因其数值较低，对于一些强度和刚度要求不高或载荷不准确的产品可以使用这类玻璃钢，如透明波形瓦，酸泵叶轮、汽车外壳等。
    (二)正交平衡型玻璃钢
这种类型玻璃钢是由1：1玻璃布或单向布作0°，90°铺设而成，在0°和90°两个垂直方向上有相同的强度和刚度，数值较高，但在士45°方向上较弱，对于方形或近似于方形的平板、薄壳构件，可以采用这类玻璃钢，但对于长宽比较大的板壳构件，还应该没置±45°铺层，这样可以充分发挥纤维的作用，也可以提供较大的抗剪能力。
用无始粗纱布成型正交平衡型玻璃钢极为方遍，目前中小型玻璃钢厂所生产的产品几乎都采用这类玻璃钢制成，但是应该指出，这是一种不正常的现象，因为对有些产品采用正交平衡型铺层不能很好地发挥纤维的作用，比如承受横向荷载的梁，主要应力发生在梁的轴向，那么大部分的纤维也应该放置在轴向，如果用1：1无捻粗纱布正交铺设成型  势必造成横向纤维的浪费，增加了粱的壁厚，这个问题呼吁过多年，应该引起人们的重视了。
    (三)单向玻璃钢
    单向玻璃钢是用单向布或股纱沿一个方向铺设而成，在纤维方向有很高的强度和刚度，但在垂宜纤维的方向却是很弱的，如单向挤拉棒，只有在载荷非常清楚的情况下才能使用这类材料，在设计这类构件时应特别谨慎小心，比如一根受弯的范壁圆管，由于弯矩的作用，主要应力发生在管轴方向，但是由于作用在轴向平面上的弯曲应力有压扁范壁管的趋势，产生了环向拉应力，如果圆管的横向强度不够时，就会使圆管沿轴向产生破裂，所以，在玻璃钢结构设计中，次应力的影响是不能忽略的，在纤维铺设不当时，次应力就有可能上升为主要矛盾。


   二、结构形状的选择
    如前所述，等代设计方法有时是可行的，有时不一定可行，例如用玻璃钢去取代一个金属的实心叶片，如果不改变原型就不可能到和金属叶片同等的刚度，因为玻璃钢的弹性模量比金属小得多。因此在设计玻璃钢叶片时，希望能选用较厚的叶型或空腹薄壁结构。在设计承压构件时，金属结构通常采用型钢或型钢的组合形式，如果用玻璃钢去取代金属承压构件，有时也可以用金属型材形式的玻璃钢型材，但它的断面要比金属型材大，因为它的抗扭转失稳能力差，因此用闭合截面的玻璃钢型材要比开口截面型材好得多。
金属构件的连接是很方便的，可以用焊接、铆接和螺栓连接，玻璃钢也可以采用铆接和螺栓连接方式，但比金属困难，因为它的剪切强度低，而且表现为脆性，打孔和敲击易引起局部分层和破损。但玻璃钢有成型材料的同时也成型了自身结构的特点，只要在设计时考虑周密一些，尽可能设计成整体结构，就可以减少连接上的困难，并同时减轻了结构的重量。再以轮渡码头用的跳板为例，木质跳板是实心板材，铝合金跳板是梳子形的，如果这种跳板用玻璃钢制成，它的断面形式就要变动，采用木质跳板形式，成本太昂贵，采用铝合金跳板的截面形式会产生根大的扭转摆动，采用多格箱型截面就合适得多。总之，在满足使用条件和用户的认可下，设计越璃钢产品时，不要受原来形状的约束，要尽可能使产品的形状有利于发挥这种玻璃钢材料的长处，避免其短处。与此同时，还应注意到玻璃钢的性能有强烈的方向性，即使结构形状选择是合理的，如果在产品成型时不注意控制纤维的方向，也可能导致产品的破坏。
  
三、材料的线弹性与强度的分散性
    试验表明，玻璃钢的拉伸应力—应变关系曲线直到断裂几乎是线性的，不象钢材那样有明显的塑性，因而它没有缓和缺陷处高应力的能力，所以它的冲击性能是较差的，给连接也带来了困难。
    由于纤维强度的分散性和成型工艺所致，玻璃钢的性能表现了较大的分散性，应该从两方面来对待这个问题，第—要承认分散性较大是客观事实，要尽量排除人为的因素，如改善原材料的生产工艺和严格控制成型工艺，第二不要因此而非难玻璃钢这种复合材料，材料性能的稳定与否与所选的指标有关，以3号钢为例，它的拉仲强变在167兆帕(1700公斤力／厘米¬2)到412兆帕(4200公斤力／厘米2)之间变化，最大值与最小值相差约2．5倍，  取235兆怕(2400公斤力／厘米2)为3号钢的屈服指标，  保证了99%以上的屈服极限是超过这个指标的，所以人们认为这个数值是可信的，如果把它的极限值定为294兆帕(3000公斤力／厘米2)，恐怕很多人也会认为3号钢的性能不稳定了，因此对玻璃钢这种材料，也需要根据不同的原材料及其含量和铺层方式订出一个性能指标来。但是玻璃钢的性能是上述三个因素的复杂函数，要想制定一个无所不包的性能表格来，是非常困难的，只能对少数常用的类型订出指标来，大多数的性能指标要根据特定材科的性能试验来评价。
    确定了极限值后，还需要选定一个安全系数，安全系数就是保险系数，用这个系数来保证结构正常安全工作，通常它有两种表达形式，一是用材料的极限值与工作应力的比值来表示：
K=σ极限/σ工作
也可以用结构的实际工作荷载和结构所能承受的极限荷载来表示：
K=P极限/P工作
从上述两个公式可以看出K总是一个大于1的数。对于纤维增强塑料的安全系数，英国标准包括有6项，K=3K1K2K3K4K5，3是基本安全因素；K1=1.4~1.3与生产方法有关；K2=1.2~2与时间有关；K3=1~1．25与工作温度有关；K4=1.1~2与交变荷载有关，K5=1~1.5与固化制度有关；连乘的结果是从6到40，这样大的安全系数，使纤维增强塑料轻质高强的优越性能接近消失，这说明研究工作还很不成熟，目前我国对玻璃钢结构设计如何选用安全系数，尚无统一规范，一般可按下列情况参照选取。
正常环境条件   K＝2
短期静载       K＝3
长期静载       K＝4
交变荷载       K＝4~6
置复冲击荷载   K＝10
根据县体的成型工艺和工作条件的严峻程度，可以在上述参考值的基础上稍许增大一点。如何正确地确定各种工作条件下玻璃钢结构物的安全系数，值得进一步探讨，需要所有从事玻璃钢研究、设计和生产的工作者认真总结经验，制定出我国的玻璃钢结构设计规范。    玻璃钢结构设计除等代设计方法外，还有网格理论设计方法和复合材料力学设计方法，复合材料力学方法要求有较深的数学和力学基础。

文章来源：青岛易利通复合材料有限公司http://www.yltfrp.com/knowledge/

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