玻璃鋼實(shí)用技術(shù)-玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)-技術(shù)普及貼（一）

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寫(xiě)這個(gè)帖子的時(shí)候想了很多，雖然我是做拉擠業(yè)務(wù)的，但是一些基礎(chǔ)性的東西必須要懂的，注冊(cè)這個(gè)賬號(hào)也是為了跟各位大蝦們學(xué)習(xí)玻璃鋼相關(guān)的知識(shí)，可是，在論壇里沒(méi)有很多系統(tǒng)的技術(shù)貼，也許是我孤陋寡聞吧。幾乎所有鄧海岸大俠的帖子我都拜讀過(guò)，對(duì)他也是非常之崇拜，網(wǎng)上找了幾本相關(guān)的資料，就在此寶地獻(xiàn)丑了，只是希望大家都能從中學(xué)習(xí)并交流，沒(méi)有別的意思，如果版主看著我的帖子對(duì)業(yè)界有不好的影響的話就把它刪除了，如果覺(jué)得有些用處的朋友就請(qǐng)跟帖吧，希望大家真心交流，共建和諧論壇，把咱這個(gè)論壇發(fā)揚(yáng)光大。

一、材料的可設(shè)計(jì)性   
玻璃鋼是由玻璃纖維、樹(shù)脂和填料所組成，它兼有結(jié)構(gòu)材料和功能材料的特性，其組分中的纖維、樹(shù)脂和填料的性能、用最對(duì)玻璃鋼的性能影響很大，因此，  我們可以根據(jù)玻璃鋼使用條件對(duì)材料性能的要求，通過(guò)合理選材進(jìn)行設(shè)計(jì)。
    玻璃鋼性能設(shè)計(jì)分力學(xué)性能和物理化學(xué)性能兩部分內(nèi)容。前者是根據(jù)產(chǎn)品所承受荷載的大小和方向，去選擇原材科的含量比例和纖維的鋪層形式。不同的原材科及其臺(tái)量比例和鋪層形式，構(gòu)成了具有不同力學(xué)性能的玻璃鋼；后者則主要取決于原材樹(shù)本身的物理化學(xué)性能。
    在力學(xué)性能方面，玻璃鋼可以設(shè)計(jì)成如下三種典型形式。
    (一)準(zhǔn)各向同性玻璃鋼
    它可以由短切纖維的預(yù)混料和短纖維氈制成，也可以用玻璃布作0°，土45°，90°或0°，±60°，90°鋪設(shè)而成，這類(lèi)玻璃鋼在鋪層平面內(nèi)的各個(gè)方向有大致相同的性能，因其數(shù)值較低，對(duì)于一些強(qiáng)度和剛度要求不高或載荷不準(zhǔn)確的產(chǎn)品可以使用這類(lèi)玻璃鋼，如透明波形瓦，酸泵葉輪、汽車(chē)外殼等。
    (二)正交平衡型玻璃鋼
這種類(lèi)型玻璃鋼是由1：1玻璃布或單向布作0°，90°鋪設(shè)而成，在0°和90°兩個(gè)垂直方向上有相同的強(qiáng)度和剛度，數(shù)值較高，但在士45°方向上較弱，對(duì)于方形或近似于方形的平板、薄殼構(gòu)件，可以采用這類(lèi)玻璃鋼，但對(duì)于長(zhǎng)寬比較大的板殼構(gòu)件，還應(yīng)該沒(méi)置±45°鋪層，這樣可以充分發(fā)揮纖維的作用，也可以提供較大的抗剪能力。
用無(wú)始粗紗布成型正交平衡型玻璃鋼極為方遍，目前中小型玻璃鋼廠所生產(chǎn)的產(chǎn)品幾乎都采用這類(lèi)玻璃鋼制成，但是應(yīng)該指出，這是一種不正常的現(xiàn)象，因?yàn)閷?duì)有些產(chǎn)品采用正交平衡型鋪層不能很好地發(fā)揮纖維的作用，比如承受橫向荷載的梁，主要應(yīng)力發(fā)生在梁的軸向，那么大部分的纖維也應(yīng)該放置在軸向，如果用1：1無(wú)捻粗紗布正交鋪設(shè)成型  勢(shì)必造成橫向纖維的浪費(fèi)，增加了粱的壁厚，這個(gè)問(wèn)題呼吁過(guò)多年，應(yīng)該引起人們的重視了。
    (三)單向玻璃鋼
    單向玻璃鋼是用單向布或股紗沿一個(gè)方向鋪設(shè)而成，在纖維方向有很高的強(qiáng)度和剛度，但在垂宜纖維的方向卻是很弱的，如單向擠拉棒，只有在載荷非常清楚的情況下才能使用這類(lèi)材料，在設(shè)計(jì)這類(lèi)構(gòu)件時(shí)應(yīng)特別謹(jǐn)慎小心，比如一根受彎的范壁圓管，由于彎矩的作用，主要應(yīng)力發(fā)生在管軸方向，但是由于作用在軸向平面上的彎曲應(yīng)力有壓扁范壁管的趨勢(shì)，產(chǎn)生了環(huán)向拉應(yīng)力，如果圓管的橫向強(qiáng)度不夠時(shí)，就會(huì)使圓管沿軸向產(chǎn)生破裂，所以，在玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，次應(yīng)力的影響是不能忽略的，在纖維鋪設(shè)不當(dāng)時(shí)，次應(yīng)力就有可能上升為主要矛盾。


   二、結(jié)構(gòu)形狀的選擇
    如前所述，等代設(shè)計(jì)方法有時(shí)是可行的，有時(shí)不一定可行，例如用玻璃鋼去取代一個(gè)金屬的實(shí)心葉片，如果不改變?cè)途筒豢赡艿胶徒饘偃~片同等的剛度，因?yàn)椴Ａт摰膹椥阅Ａ勘冉饘傩〉枚唷Ｒ虼嗽谠O(shè)計(jì)玻璃鋼葉片時(shí)，希望能選用較厚的葉型或空腹薄壁結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)承壓構(gòu)件時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)通常采用型鋼或型鋼的組合形式，如果用玻璃鋼去取代金屬承壓構(gòu)件，有時(shí)也可以用金屬型材形式的玻璃鋼型材，但它的斷面要比金屬型材大，因?yàn)樗目古まD(zhuǎn)失穩(wěn)能力差，因此用閉合截面的玻璃鋼型材要比開(kāi)口截面型材好得多。
金屬構(gòu)件的連接是很方便的，可以用焊接、鉚接和螺栓連接，玻璃鋼也可以采用鉚接和螺栓連接方式，但比金屬困難，因?yàn)樗募羟袕?qiáng)度低，而且表現(xiàn)為脆性，打孔和敲擊易引起局部分層和破損。但玻璃鋼有成型材料的同時(shí)也成型了自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，只要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮周密一些，盡可能設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)，就可以減少連接上的困難，并同時(shí)減輕了結(jié)構(gòu)的重量。再以輪渡碼頭用的跳板為例，木質(zhì)跳板是實(shí)心板材，鋁合金跳板是梳子形的，如果這種跳板用玻璃鋼制成，它的斷面形式就要變動(dòng)，采用木質(zhì)跳板形式，成本太昂貴，采用鋁合金跳板的截面形式會(huì)產(chǎn)生根大的扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)，采用多格箱型截面就合適得多。總之，在滿足使用條件和用戶(hù)的認(rèn)可下，設(shè)計(jì)越璃鋼產(chǎn)品時(shí)，不要受原來(lái)形狀的約束，要盡可能使產(chǎn)品的形狀有利于發(fā)揮這種玻璃鋼材料的長(zhǎng)處，避免其短處。與此同時(shí)，還應(yīng)注意到玻璃鋼的性能有強(qiáng)烈的方向性，即使結(jié)構(gòu)形狀選擇是合理的，如果在產(chǎn)品成型時(shí)不注意控制纖維的方向，也可能導(dǎo)致產(chǎn)品的破壞。
  
三、材料的線彈性與強(qiáng)度的分散性
    試驗(yàn)表明，玻璃鋼的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線直到斷裂幾乎是線性的，不象鋼材那樣有明顯的塑性，因而它沒(méi)有緩和缺陷處高應(yīng)力的能力，所以它的沖擊性能是較差的，給連接也帶來(lái)了困難。
    由于纖維強(qiáng)度的分散性和成型工藝所致，玻璃鋼的性能表現(xiàn)了較大的分散性，應(yīng)該從兩方面來(lái)對(duì)待這個(gè)問(wèn)題，第—要承認(rèn)分散性較大是客觀事實(shí)，要盡量排除人為的因素，如改善原材料的生產(chǎn)工藝和嚴(yán)格控制成型工藝，第二不要因此而非難玻璃鋼這種復(fù)合材料，材料性能的穩(wěn)定與否與所選的指標(biāo)有關(guān)，以3號(hào)鋼為例，它的拉仲?gòu)?qiáng)變?cè)?67兆帕(1700公斤力／厘米¬2)到412兆帕(4200公斤力／厘米2)之間變化，最大值與最小值相差約2．5倍，  取235兆怕(2400公斤力／厘米2)為3號(hào)鋼的屈服指標(biāo)，  保證了99%以上的屈服極限是超過(guò)這個(gè)指標(biāo)的，所以人們認(rèn)為這個(gè)數(shù)值是可信的，如果把它的極限值定為294兆帕(3000公斤力／厘米2)，恐怕很多人也會(huì)認(rèn)為3號(hào)鋼的性能不穩(wěn)定了，因此對(duì)玻璃鋼這種材料，也需要根據(jù)不同的原材料及其含量和鋪層方式訂出一個(gè)性能指標(biāo)來(lái)。但是玻璃鋼的性能是上述三個(gè)因素的復(fù)雜函數(shù)，要想制定一個(gè)無(wú)所不包的性能表格來(lái)，是非常困難的，只能對(duì)少數(shù)常用的類(lèi)型訂出指標(biāo)來(lái)，大多數(shù)的性能指標(biāo)要根據(jù)特定材科的性能試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)。
    確定了極限值后，還需要選定一個(gè)安全系數(shù)，安全系數(shù)就是保險(xiǎn)系數(shù)，用這個(gè)系數(shù)來(lái)保證結(jié)構(gòu)正常安全工作，通常它有兩種表達(dá)形式，一是用材料的極限值與工作應(yīng)力的比值來(lái)表示：
K=σ極限/σ工作
也可以用結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作荷載和結(jié)構(gòu)所能承受的極限荷載來(lái)表示：
K=P極限/P工作
從上述兩個(gè)公式可以看出K總是一個(gè)大于1的數(shù)。對(duì)于纖維增強(qiáng)塑料的安全系數(shù)，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)包括有6項(xiàng)，K=3K1K2K3K4K5，3是基本安全因素；K1=1.4~1.3與生產(chǎn)方法有關(guān)；K2=1.2~2與時(shí)間有關(guān)；K3=1~1．25與工作溫度有關(guān)；K4=1.1~2與交變荷載有關(guān)，K5=1~1.5與固化制度有關(guān)；連乘的結(jié)果是從6到40，這樣大的安全系數(shù)，使纖維增強(qiáng)塑料輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)越性能接近消失，這說(shuō)明研究工作還很不成熟，目前我國(guó)對(duì)玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何選用安全系數(shù)，尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)范，一般可按下列情況參照選取。
正常環(huán)境條件   K＝2
短期靜載       K＝3
長(zhǎng)期靜載       K＝4
交變荷載       K＝4~6
置復(fù)沖擊荷載   K＝10
根據(jù)縣體的成型工藝和工作條件的嚴(yán)峻程度，可以在上述參考值的基礎(chǔ)上稍許增大一點(diǎn)。如何正確地確定各種工作條件下玻璃鋼結(jié)構(gòu)物的安全系數(shù)，值得進(jìn)一步探討，需要所有從事玻璃鋼研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的工作者認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，制定出我國(guó)的玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。    玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除等代設(shè)計(jì)方法外，還有網(wǎng)格理論設(shè)計(jì)方法和復(fù)合材料力學(xué)設(shè)計(jì)方法，復(fù)合材料力學(xué)方法要求有較深的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)。

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