大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用探究

羅超

（廣西壯族自治區(qū)建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，廣西 南寧 530005）

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用必要性

大跨度鋼結(jié)構(gòu)一般是指跨度等于或大于60m 的鋼結(jié)構(gòu)，可采用桁架、剛架或拱等平面結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)[1]。因鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合建造大跨度結(jié)構(gòu)的建筑物，如大會(huì)堂、體育館和大跨度廠房等[2]。但是，鋼結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性和耐久性等方面存在較大弊端，必須對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測(cè)以保障質(zhì)量和安全，大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)是保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量和安全性能的重要手段。

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)類型按檢測(cè)具體實(shí)施地點(diǎn)分為見證取樣檢測(cè)和施工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)兩類，見證取樣檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，主要包括鋼材力學(xué)性能檢測(cè)、鋼材化學(xué)成分分析、高強(qiáng)度螺栓檢測(cè)、鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)等。大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)包括鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何尺寸檢測(cè)、焊縫無損檢測(cè)、外觀質(zhì)量檢查、變形檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)涂裝檢測(cè)、應(yīng)力測(cè)試等主控項(xiàng)目的檢測(cè)內(nèi)容。

2.1 鋼材力學(xué)性能檢測(cè)

鋼材力學(xué)性能檢測(cè)是分析、評(píng)估鋼材或結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的技術(shù)手段，主要檢測(cè)包括鋼材拉伸性能、沖擊韌性能、硬度等關(guān)鍵指標(biāo)。

（1）拉伸試驗(yàn)是指把一定尺寸和形狀的鋼材試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后對(duì)試樣逐漸施加拉力載荷，直至把試樣拉斷為止。根據(jù)試樣在拉伸過程中承受的載荷和產(chǎn)生的變形量測(cè)算屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率3個(gè)技術(shù)參數(shù)。

（2）鋼材沖擊試驗(yàn)主要是為了評(píng)估鋼材在承受高速?zèng)_擊和震動(dòng)時(shí)表現(xiàn)的能力，從而為大跨度鋼結(jié)構(gòu)的鋼材選擇和使用提供依據(jù)。通過沖擊試驗(yàn)可以對(duì)鋼材的性能進(jìn)行分析和比較，選用符合使用需求的鋼材。實(shí)際應(yīng)用最廣泛的沖擊試驗(yàn)方法是沖擊韌性試驗(yàn)，該方法能確定鋼材樣品的韌性和抗沖擊性能，為設(shè)計(jì)和施工提供參考。

（3）鋼材硬度是指鋼材抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力。硬度與強(qiáng)度有一定關(guān)系，一般情況下，硬度較高的材料其強(qiáng)度也較高，所以可以通過測(cè)試硬度來估算材料強(qiáng)度。此外，硬度較高的材料耐磨性較好。鋼材硬度試驗(yàn)主要有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）、里氏硬度（HL）4 種方法。

2.2 鋼材化學(xué)成分分析

鋼材的化學(xué)成分是鋼材中各種元素的質(zhì)量百分比，鋼材的成分分析就是鑒定分析鋼材中所含元素的含量百分比。對(duì)于碳鋼，一般分析C、Si、Mn、P、S 元素，對(duì)合金鋼而言，除了以上五種元素外，還要分析一些特定的合金元素。光譜分析法是指采用光譜儀器分析鋼材的化學(xué)成分，因其操作簡(jiǎn)單、測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度高、能同時(shí)分析多種被測(cè)元素，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，應(yīng)用較為廣泛。

2.3 高強(qiáng)度螺栓檢測(cè)

高強(qiáng)螺栓連接是緊固件連接的主要形式，而緊固件連接又是最常用的鋼結(jié)構(gòu)的連接形式之一，因此高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)連接部位質(zhì)量控制至關(guān)重要。使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)、扭矩系數(shù)測(cè)定裝置、壓力傳感器和電阻應(yīng)變儀等測(cè)定高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)和高強(qiáng)度螺栓抗滑移摩擦系數(shù)兩項(xiàng)主要指標(biāo)，能直接判定高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量，保障構(gòu)件之間的高強(qiáng)度螺栓連接質(zhì)量和安全。

2.4 外觀質(zhì)量檢查

外觀質(zhì)量檢查是所有檢測(cè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)，外觀質(zhì)量檢查包括構(gòu)件布置是否與設(shè)計(jì)文件一致、構(gòu)件是否有變形或歪閃、連接處是否有缺陷等。如現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝的桿件規(guī)格及位置與設(shè)計(jì)圖紙基本一致，構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)明顯影響安全及使用性能的變形、傾斜等現(xiàn)象，對(duì)各連接處進(jìn)行目視檢查，未發(fā)現(xiàn)目視可見的缺陷，則判定外觀質(zhì)量檢查合格。

2.5 構(gòu)件幾何尺寸檢測(cè)

構(gòu)件幾何尺寸檢測(cè)主要使用鋼卷尺及游標(biāo)卡尺對(duì)具有代表性的抽取構(gòu)件進(jìn)行多次測(cè)量，取其代表值，通過代表值與設(shè)計(jì)值對(duì)比，在偏差允許范圍內(nèi)的判定為合格[3]。

2.6 焊縫無損檢測(cè)

焊接連接是大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要連接形式之一，而焊縫質(zhì)量是焊接連接質(zhì)量最關(guān)鍵指標(biāo)之一，焊縫無損檢測(cè)能有效控制焊縫的質(zhì)。所謂焊縫無損檢測(cè)是指在不損壞焊縫及母材的基礎(chǔ)上，利用超聲波、射線、激光等技術(shù)和專用設(shè)備器材，按照規(guī)定的技術(shù)要求，對(duì)焊縫及母材的內(nèi)部及表面的進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法[4]。下面介紹五大常規(guī)焊縫無損檢測(cè)技術(shù)。

2.6.1 目視檢測(cè)

目視檢測(cè)（VT）是指用人的眼睛或借助于光學(xué)儀器對(duì)焊縫表面作觀察或測(cè)量的一種檢測(cè)方法，是其他無損檢測(cè)的基礎(chǔ)[5]。目視檢測(cè)是最簡(jiǎn)單、最基礎(chǔ)的無損檢測(cè)方法，通過目視檢測(cè)主要能發(fā)現(xiàn)焊縫未焊透、焊縫夾渣、焊縫表面氣孔、焊瘤現(xiàn)象及目視可見的裂紋等缺陷，能直接判斷出缺陷的形狀大小、具體位置以及缺陷的性質(zhì)，但檢測(cè)的效果受人為因素影響較大。

2.6.2 超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)（UT）是利用高頻超聲波信號(hào)傳導(dǎo)和反射檢測(cè)物體內(nèi)部缺陷的一種常用無損檢測(cè)方法，因其檢測(cè)高效及時(shí)和成本較低，是檢測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷最主要和應(yīng)用最廣的無損檢測(cè)方法。超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)是對(duì)焊縫內(nèi)存在的面狀缺陷檢出率較高，但較難檢測(cè)粗晶材料焊縫中存在的缺陷和體積狀缺陷；能確定缺陷的位置和相對(duì)尺寸，但較難確定體積狀缺陷的具體性質(zhì)。

2.6.3 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)（RT）是指利用被檢構(gòu)件本身及缺陷對(duì)射線產(chǎn)生不同吸收和散射的特性，對(duì)被檢構(gòu)件內(nèi)部及表面質(zhì)量進(jìn)行判斷的一種無損檢測(cè)方法。射線檢測(cè)能夠比較準(zhǔn)確地判斷出焊縫缺陷的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸和位置，但對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷的具體深度和高度判斷不夠準(zhǔn)確。另外，因射線檢測(cè)有一定的輻射危險(xiǎn)，檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意人身安全和隔離周邊環(huán)境。

2.6.4 磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)（MT）是一種利用漏磁和磁粉相互作用以發(fā)現(xiàn)表面和近表面不連續(xù)性的無損檢測(cè)方法，能發(fā)現(xiàn)不連續(xù)性的位置、大小、形狀和嚴(yán)重程度[6]。與其他工程建設(shè)材料不同，大跨度鋼結(jié)構(gòu)采用鋼材是鐵磁性材料可以在一定條件下被磁化，而磁粉檢測(cè)能檢測(cè)出鋼結(jié)構(gòu)焊縫中的表面開口缺陷和近表面缺陷，但難以檢測(cè)幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件。又因磁粉檢測(cè)準(zhǔn)確高、檢測(cè)速度快和檢測(cè)費(fèi)用低，常被用于檢測(cè)焊縫表面缺陷。

2.6.5 滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)（PT）是先在構(gòu)件表面施涂含有熒光染料或著色染料的滲透液，一段時(shí)間后去除表面多余的滲透液，再施涂顯象劑，顯示出缺陷處的滲透液痕跡，以檢測(cè)出焊縫的表面缺陷的一種無損檢測(cè)方法。滲透檢測(cè)只能檢測(cè)出焊縫及母材的表面開口缺陷，無法檢測(cè)出焊縫及母材內(nèi)部缺陷和表面閉合型缺陷。因檢測(cè)程序煩瑣、檢測(cè)時(shí)間久、材料貴且易燃、有毒，檢測(cè)靈敏度比磁粉檢測(cè)低，因此焊縫表面檢測(cè)首選是磁粉檢測(cè)，其次才是滲透檢測(cè)。

由于每一種無損檢測(cè)方法本身都有其局限性，不能適用于所有焊縫檢測(cè)和所有缺陷，為了提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，開展檢測(cè)前，先根據(jù)焊縫的材質(zhì)、坡口型式、焊條類型、焊接條件等，初步判斷缺陷的種類、形狀、數(shù)量等，再根據(jù)各自無損檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)選擇最合適的檢測(cè)方法[7]。例如，檢測(cè)焊縫表面細(xì)小的裂紋就不應(yīng)選擇射線和超聲波檢測(cè)，而應(yīng)選擇磁粉和滲透檢測(cè)。而且任何一種無損檢測(cè)方法都不是萬能的，如果可能，應(yīng)同時(shí)采用多種方法，以便保證各種檢測(cè)方法互相取長(zhǎng)補(bǔ)短。

2.7 變形檢測(cè)

鋼結(jié)構(gòu)變形是影響結(jié)構(gòu)受力性能和結(jié)構(gòu)安全的重要因素，主要指標(biāo)包含：結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)撓度、桁架主平面彎曲變形，構(gòu)件截面扭曲變形等。檢測(cè)和控制這些變形，是控制鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和安全使用的首要任務(wù)。隨著鋼材性能的不斷強(qiáng)化和施工技術(shù)的大幅提升，為了節(jié)約成本，大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一直在向輕量化、薄壁化發(fā)展，導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象明顯增多。重視在施工過程中檢測(cè)并控制鋼結(jié)構(gòu)的各種初始變形，可以有效降低鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。大跨度鋼結(jié)構(gòu)變形檢測(cè)主要采用包括經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀、水平尺、鋼尺、電阻應(yīng)變儀、振弦式傳感器等儀器設(shè)備，檢測(cè)大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件跨中垂直度、彎曲矢高、垂直度、主體結(jié)構(gòu)的整體垂直度、主體結(jié)構(gòu)的整體平面彎曲、鋼網(wǎng)架撓度等主控內(nèi)容。

2.8 現(xiàn)場(chǎng)涂裝檢測(cè)

因鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性能差、耐火性能差，通常采取涂刷防腐、防火涂料來強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)耐久性能。大跨度鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)涂裝主要包括防火涂料和防腐漆兩部分，下文以防火涂料檢測(cè)為例進(jìn)行介紹。

通常是采取對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面噴或涂刷防火材料或包裹耐火材料等辦法保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)不被火焰直接燒烤而提高其抗火能力[8]。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料具有施工方便快捷、防火隔熱性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件涂刷防火涂料能極大強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)耐火性能，而防火涂料的產(chǎn)品質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)施工涂刷防火涂料厚度直接影響耐火性能的好壞。防火涂料涂層厚度檢測(cè)是指用涂層厚度測(cè)量?jī)x、測(cè)針和鋼尺對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行防火涂料涂層厚度檢測(cè)。

2.9 應(yīng)力測(cè)試

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的承載結(jié)構(gòu)件由于加工制造、焊接變形造成的殘余應(yīng)力以及在使用過程中動(dòng)、靜載荷的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中都會(huì)使其機(jī)械特性發(fā)生改變，會(huì)對(duì)承載結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能、耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度和形狀精度等產(chǎn)生較大的影響[9]。因此，對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，有利于控制關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化，并及時(shí)采取處理措施。應(yīng)力測(cè)試方法根據(jù)其原理主要分為電磁檢測(cè)法、機(jī)械檢測(cè)法、衍射檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法等。

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

某體育館屋面為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，地上三層，地下一層，建筑總面積21665.75m2，短向跨度為82.8m，長(zhǎng)向跨度97.2m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。采用正放四角錐雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼采用下弦周邊柱點(diǎn)加中間多點(diǎn)支撐，周邊支座采用剛接支座節(jié)點(diǎn)，中間支座采用橡膠板式支座節(jié)點(diǎn)。該網(wǎng)殼工程于2019 年10 月開工，于2022 年8 月完工。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，檢測(cè)單位對(duì)該工程的鋼材、螺栓球、高強(qiáng)度螺栓等進(jìn)行了見證取樣檢測(cè)，在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了構(gòu)件尺寸檢測(cè)、涂層厚度檢測(cè)、焊縫超聲波和磁粉檢測(cè)、變形檢測(cè)等。

（1）對(duì)該工程鋼網(wǎng)架桿件與端板、錐頭，加肋板與螺栓球、支座的連接焊縫合計(jì)抽檢1201.6m。本次檢測(cè)中1036.2m 焊縫首次檢測(cè)合格，140.3m 焊縫返修一次后檢測(cè)合格，20.4m 焊縫返修二次后檢測(cè)合格，4.7m 焊縫不合格，重新制作后檢測(cè)合格。

（2）本次共對(duì)9426 個(gè)構(gòu)件（弦桿、腹桿和螺栓球等）進(jìn)行防腐涂層厚度檢測(cè)。其中6356 個(gè)構(gòu)件首次檢測(cè)合格，2443 個(gè)構(gòu)件返修一次后檢測(cè)合格，627 個(gè)構(gòu)件返修兩次后檢測(cè)合格。

（3）本次共對(duì)9426 個(gè)構(gòu)件（弦桿、腹桿和螺栓球等）進(jìn)行防火涂料涂層厚度檢測(cè)，其中7632 個(gè)構(gòu)件首次檢測(cè)合格，1633 個(gè)構(gòu)件返修一次后檢測(cè)合格，161 個(gè)構(gòu)件返修兩次后檢測(cè)合格。

（4）總拼完成后對(duì)18 個(gè)撓度觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，18 個(gè)撓度觀測(cè)點(diǎn)均合格。屋面工程完工后再對(duì)18 個(gè)撓度觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，17 個(gè)撓度觀測(cè)點(diǎn)合格，1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)處理后檢測(cè)合格。

4 結(jié)語

綜上所述，大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際，為大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量和安全提供了重要的技術(shù)支撐，為推動(dòng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮了積極作用。大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程檢測(cè)技術(shù)正在不斷向數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展，從檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)處理等各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全過程數(shù)字化監(jiān)管，將會(huì)大大提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)工作效率和檢測(cè)精準(zhǔn)度。