第一章 绪论
1.1 复合材料的发展历史
纤维增强复合材料是复合材料（Composite materials）中的一种。古代人类就方向通过组合两种或多种材料，可以制成原始的复合材料，以获得某种特定功能。在中国，2千多年前的古代，植物茎杆混合泥土已经被当时人类用于制作住房墙体材料。这可以说是复合材料应用的起点。随着时代的发展，各种各样的复合材料在各个国家不断的得到研究和发展，如钢筋增强混凝土，木制复合板，纤维增强工程塑料等，都是复合材料的具体应用例子。在1947年，瑞典化学家Berzelius首次在实验室合成了饱和聚酯之后，一系列的饱和聚酯和不饱和聚酯树脂被研发出来。在1935年欧文斯科宁Owens Corning首次在市场上推出玻璃纤维。1942年美国橡胶公司开发出玻璃纤维增强聚酯树脂作为基体的复合材料，也称为玻璃钢。到了1946年，美国建造出首艘具有玻璃钢船身的游艇。所以，复合材料是一种有着悠久历史，但就不断向前发展的新型材料。
现代复合材料的研究，生产以及应用在20世纪40年代逐步展开。在玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后，纤维复合材料已经发展成为具有工程实用意义的材料，同时相应地开展了与之有关的研究设计工作。这是现代复合材料的工业化生产开始，也是对其理论研究的开始阶段。而复合材料中的纤维复合材料。将各种具有增强作用的纤维与基体材料复合而成。如纤维增强聚合物、纤维增强金属等。本文所需要探讨的复合材料，是纤维增强聚合物（Fiber Reinforcement Polymer）。
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1.2 纤维增强复合材料组成
1.2.1 玻璃纤维
玻璃纤维是以玻璃为原料经过在融熔后，通过白金筛板拉丝而成。其单丝直径最小可以达到从几微米。在实际加工应用上，玻璃纤维丝都是由几百根甚至上千根单丝组成一束来使用。玻璃纤维是一种硅酸盐材料，因此其无机物特有绝热和绝缘，耐酸蚀性质，使其可以在很多工业领域得到应用。
玻璃纤维可以从2000多年前古埃及的手工纪录里面就可以发现，当时已经采用玻璃纤维丝来作为装饰材料。到了20世纪30年代，美国发明的铂坩埚拉制工艺技术。到后面Owens Corning欧文斯康宁公司成立，他们建立了工业化的玻璃纤维丝生产工厂，主要用于绝缘材料。在20世纪40年后，世界上其他国家逐步发展出他们自有的玻璃纤维制造企业，如法国的Saint-Gobain圣戈班，日本的Nitto Boseki日东纺等企业。到1960年前后，欧文斯康宁和PPG公司相继建立了玻璃纤维池窑，进行玻璃纤维的生产，在20世纪60年代中期，我国成功研制出取代铂坩埚的生产工艺，到了90年代，池窑法开始在我国大量普及。山东玻纤，中国巨石以及重庆国际是目前我国主要的玻纤生产企业。在2018年，全国玻璃纤维产量为408万吨[1]。
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第二章 玻璃纤维增强聚合物
2.1 玻璃纤维增强聚合物（GFRP）的生产
玻璃纤维增强聚合物（GFRP）筋，是以玻璃纤维为增强材料、基体树脂（PE或 VE）及辅助剂等为树脂基体材料，经拉挤成型工艺生产的一种复合材料。拉挤成型技术始于二十世纪50年代美国。经过多年发展，现在拉挤复合材料成型技术呈现出原材料利用率高，生产速度快等特点。D工厂现有的生产拉挤速度最高可以达到4米/分钟。目前采用图2-1所示的拉挤成型生产线，生产的产品规格从直径3mm线材到60毫米的棒材。
① – 纱架,用于放置玻璃纤维纱卷
② – 树脂槽，用于浸渍玻璃纤维纱
③ – 缠绕纱转筒，采用高强纤维对浸渍后的纤维束进行缠绕
④ – 喷砂筒，通过高压气体把石英砂喷到纤维束表面
⑤ – 烘箱，对浸渍树脂后的纤维束进行热固化
⑥ – 牵引机，提供产线运行的牵引力
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2.2 玻纤增强筋的外观结构
拉挤法生产的纤维增强复合材料（GFRP）筋有多种外观形式。其外观的差异，来自于不同的拉挤工艺过程。而这种外观上的差异，将会对筋材的拉伸强度及其在混凝土中的黏结力有较大的影响。在目前，主流使用的玻纤增强筋材中，大部分的玻纤增强筋，采用缠绕纱加表面石英砂的方式，来实现拉伸性能和粘结力的平衡（图2-2中左一）。这种方式主要是应用于混凝土结构中代替钢筋使用。同时也有部份的产品采用尼龙线或可回收金属线，在未定型玻纤筋表面勒出螺旋的方式。（图2-2中左三）这种螺纹结构，在混凝土中的粘结力相对较高，但其纤维利用相对较低，在相同的等效截面下，其拉伸强度低于采用表面缠绕纱玻纤增强筋。这种筋材目前主要应用于，矿山锚杆等需要连接螺母等场合。
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3.1 玻纤增强筋与混凝土之间的黏结性能 ........................... 27
3.2 玻纤增强筋在混凝土的耐久性能 ............................. 31
第四章 玻纤增强筋在盾构收发洞门的应用 ............................ 42
4.1 玻纤增强筋在工程项目上的应用 ........................... 42
4.2 项目背景 .................................. 42
4.3 设计依据 ................................ 48
第四章 玻纤增强筋在盾构收发洞门的应用
4.1 玻纤增强筋在工程项目上的应用
随着社会经济水平的不断放权发展，人类居住城市在不断的扩大，那在城市扩大过程中，除了城市人口的自然增长外，居民迁入沿海大城市的趋势也使大城市人口急剧增加。同时人口的增加速度往往是会高于城市的平面扩张速度，同时由于城市在平面扩张的过程里面会产生大量交通，供水供电等公共问题，于是，在城市发展的过程里面，逐步就向立体化的城市发展。在建筑的发展历史上，立体化不但体现在高层建筑上，而且也在向地下发展。于是地下空间的有效利用，也成为城市发展的一个主要方向。目前来说，地下空间的成熟利用，主要是把地面的交通运输功能转移到地下。
截至 2012 年末，62 个国家建有城轨交通运营线路 32623 公里，其中地铁 10902 公里，占 33%；其他制式总共计 21721 公里，占 67%。其中，欧洲 29 国的地铁建筑线路为4229 公里；南北美洲 12 国的地铁建筑线路为 2371 公里；在亚洲，中国大陆以外 14 个国家和地区的地铁建筑线路为 2483 公里[ 32]。以我国近 10 年的发展统计来看，目前我国的地铁施工以每年 40km 的速度进行增加。除了通过地下隧道进行城市交通建设外，还有大量的地下管道用于城市给排水工程等。因此隧道工程的已经成为现代市政建设的重要组成部分。
有关隧道的建设，从早期的爆破开挖法(Drill and Blast)，到现在的盾构机掘进法(Tunnel Boring Machine-TBM)，已经发展了有 100 年。在具体不同的工作环境下，无论是爆破开挖法还是盾构机掘进法，都有其合适的应用区域，但是，由于盾构机掘进法在劳动力成本上，以及施工速度上有很大的，以及施工安全控制上有明显的优势，目前来说大部分的隧道工程，都是采用盾构机掘进法。城市地铁的建设会对城市交通有一定的影响，盾构法施工技术正是因为对地面交通和附近居民影响小而被广泛使用[33]。
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结论
本文以 D 公司近年生产的玻纤增强筋（GFRP）的生产实际数据，对玻纤增强筋的长期的，多批次的性能进行分析。并研究了玻纤增强筋在混凝土内地相互作用关系，提出了将玻纤增强筋在应用于混凝土结构中的关键性能。
通过一个具体的工程实践案例，基于美国混凝土协会（ACI）的纤维增强复合材料应用于混凝土结构的设计规范，对将玻纤增强筋应用于盾构机工作井收发洞门支护进行设计与验证。
本文提出以下结论：
(1)由于玻纤增强筋在实际应用中是与混凝土相互作用的，因此需要对玻纤增强筋在混凝土环境中的粘结力，耐久性和弯筋承载力进行检测。这是将玻纤增强筋应用在混凝土结构中的前提条件。D 公司生产的缠绕喷砂玻纤增强筋，粘结力可以满足 ACI 规定9.8MPa；对永久性结构使用的玻纤增强筋，需要对其在混凝土结构耐久性进行评估，现有 D 公司的耐久性玻纤增强筋可以在持荷工况下，经过 60 年，拉伸强度保持率在 70%以上；混凝土结构中使用到的弯筋，实际的承载力为 270MPa 以上，可以满足 ACI 设计所需的 180MPa 的要求。
(2)用玻纤增强筋在盾构机穿越部位的地下连续墙替代钢筋可以使盾构直接切削连续墙结构，从而实现盾构机的快速始发与接收，并且减小了安全风险，且加快了施工进度，社会效益、经济效益十分明显。但在结构设计时，简单地采用等截面替换的原则采用玻纤增强筋替代传统钢筋，并不符合玻纤增强筋的性能特点。实际工程应用项目中，应根据国际上广泛认可的玻纤增强筋设计原则 ACI440.1 进行设计。设计的方法采用试配筋材后，然后基于规范的要求对进行承载力验算。设计和验算的有效性，在实际工程中得到验证。
参考文献（略）