科研工作

耐火耐候高性能鋼材在可持續建築中的應用研究

█ 研究背景

隨國際環境保護理念普及,進而各國依其能力及條件,推動建築可持續化設計,以鋼結構為主體結構的道路橋樑建築已經發展過百年,建築應用的鋼結構體系中,以鋼和混凝土複合構成的鋼-混凝土組合結構,在過去數十年來已成為主要建築結構體系,其中的壓型鋼板樓承板,具有完全替代施工模板與及部分受拉鋼筋的優勢,採用壓型鋼板的組合樓板承載和抗災效率高、施工速度快而節省材料,已成為多高層建築樓板的主要結構形式,得到以英國與歐洲為主的設計規範認同,通過英歐標準而全球普及。

惟在建築可持續發展,建築設計使用壽命要求百年的趨勢下,傳統的壓型鋼板組合樓板由於以熱浸鍍鋅為基材,製造過程對環境造成惡劣污染,同時由於普通結構鋼材的耐火性能差,未能減低混凝土用量,嚴重制約了組合結構體系進一步的應用與發展。

在此形勢之下,本會聯合中國鋼鐵工業協會、中國建築金屬結構協會、清華大學、武鋼集團有限公司等共同啟動了“耐候耐火高性能鋼材在可持續建築中的組合式結構樓承板應用研究”的科研項目,促進耐候耐火高性能鋼材的應用與產業化,本會秘書長參與該項目。

█ 政策相關

工業和資訊化部印發《鋼鐵工業調整升級規劃(2016-2020年)》,明確提出“十三五”期間,鋼鐵工業要堅持創新驅動,即強化企業創新主體地位,完善產學研用協同創新體系,激發創新活力和創造力,以破解鋼鐵材料研發難題為突破點,全面引領行業轉型升級,同時堅持綠色發展。

 本會代表與香港理工大學鐘國輝教授一同拜訪中國鋼鐵工業協會副會長遲京東教授,探討關於耐候耐火鋼樓板之相關研究工作,大家都對該研究項目的重要性表示了一致認同。

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左起:彭耀光秘書長、遲京東副會長、鐘國輝教授

 

█ 項目概述

研究所需的420及550級別耐候耐火鋼原材料分別由武鋼集團及首鋼集團研發提供,特別是高合金體材料由熱軋後重新加熱冷軋成所需的薄板卷材,當中金相再結晶重組狀態為至關鍵要素,武鋼首鋼均已克服困擾,能在二次加熱時控制金相重組,能將所需的卷材冷軋製作完成,下步為量產時將以國際領先的一火成材軋煉技術保證原材料材質穩定性。

除基材研究工作無規範依據外,其餘的耐候、高溫拉伸、黏結強度、冷彎指標等均可依照國標或歐洲標準執行試驗,理論突破的重點在燃燒升溫狀態的分析,特別是不同組合樓板截面由於暴露在火災下的耐火性能不盡相同,分別為開口型,縮口型與閉口型三類,當中閉口中空型樓板的升溫隔阻特性已經由清華大學在前期研究中得到初步肯定,現需清華以學術研究方式切入,對三大類截面板型進行較大批量試驗測試,從而尋找其物理規律,通過規律分析,重新審視現行規範與設計守則,新編組合結構公式及檢測方法,完善現行國際上的設計守則。

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耐火耐候鋼等復合材料開發與推廣應用工作座談會

█ 試驗階段

樓板剪切-黏結性能試驗用於測試耐候鋼壓型鋼板組合樓板的剪切-粘結(縱向抗剪)性能,引用歐洲標準《Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures — Part 1-1: General rules and rules for buildings》(EN1994-1-1:2004 (E))。主要研究耐候鋼組合樓板在高溫下的試驗現象和破壞模式及影響組合樓板耐火性能的因素,通過對比耐候鋼組合樓板和普通鍍鋅鋼組合樓板高溫下的承載力,考察耐候鋼與普通鍍鋅鋼組合樓板耐火性能的差異。通過對試件分別進行動態加載和靜態加載測試,測試組合樓板極限承載力,通過數值處理得出計算耐候鋼組合樓板縱向剪切承載力的經驗係數。

耐火檢測是測試壓型鋼板組合樓板的耐火性能,依據歐洲標準《Fire resistance tests--Part1:General requirement》(EN1363-1:1999)和 Fire resistance tests for loadbearing elements-Part2: Floors and roofs》 (EN1365-2:2000)中對組合樓板的相關規定,在試驗爐內模擬真實受力情況,對試件進行耐火檢測,測試其耐火時間。

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高性能組合樓板剪切-黏結性能試驗

 

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經過檢測實驗的樓板

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清華大學、武鋼研究代表與本會代表于該項目實驗室合影

█ 項目進展

該研究項目第一期工作歷時24個月已經基本完成,待提交階段性結題報告。現在項目已進入第二階段,第二期工作主要為推進項目所研究之材料的真正落地,并逐步達成產業化,本階段聯合首鋼集團共同開展。項目亦獲得澳門科學技術發展基金的科研資助。項目通過開發採用耐候耐火鋼壓型鋼板的新型組合樓板體系,組合結構技術的創新,有望解決現行各國設計規範上組合樓承板的耐火耐候性能差的瓶頸。

項目的創新性在於國內外首創以高強高效的耐火耐候鋼材導入混凝土/鋼組合結構中的樓承板系統中,利用原材料的耐候耐腐蝕性能,代替了極度破壞環境而且應用壽命相對不確定的熱浸鍍鋅工藝,進而結合新開發的閉口型壓型鋼板組合樓板截面受火升溫曲線上的空腔溫阻特性,創造新型高性能組合結構樓板體系,不僅可保證其可靠的抗火性能和耐久性,同時有效降低樓板總厚度與鋼筋採用量,整體建築自重體量可望下降,同時提升建築的抗震抗風性能及安全度。

該項目研究不僅有助於發展新型組合結構體系,擴大高性能結構鋼材在建築工程中的應用,更有助於提升澳門地區在新型高性能結構體系研究與應用的技術實力和學術影響,促進澳門地區建築結構領域的技術進步和綠色可持續發展,將產生顯著的社會效益和經濟效益。

論文發表

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長期以來,澳門建築業協會獻力于建築鋼結構行業而開展多項工作,本會秘書長榮獲2017年度鋼結構行業突出貢獻專家。