鋼結構鋼材強度無損檢測分析

梁韻婕 杜正偉 鄭義文

1 引言

鋼結構強度高、韌性高，具有很好的抗震能力，還便于加工。在最近半個世紀來，鋼結構建筑的發(fā)展勢頭很好，應用范圍也從工廠轉向大型公共建筑、住宅和高層寫字樓。但是很多鋼結構建筑由于年久失修，需要對其鋼結構鋼材強度進行檢測，驗證其能否繼續(xù)安全使用。鋼材強度是鋼材力學性能指標最重要的一項，必須要檢測。而無損檢測技術能夠保護鋼構件，對其幾乎不會產(chǎn)生任何影響。

2 常用檢測方法簡介與比較分析

2.1 里氏硬度法

里氏硬度法在1978年被發(fā)明，原理是用一定質(zhì)量的沖擊物體在彈力的作用下以一定速度垂直沖擊試樣表面，計算回彈速度和沖擊速度的比值，由此套入公式可以得到鋼構件的硬度大小。該方法是目前最常用的無損檢測方法，其具有所用儀器體積小，操作方便，適合隨時隨地檢測的特性，可以提高工作的效率。但是由于里氏硬度法的后續(xù)計算目前還沒有明確的規(guī)范，所以不同施工單位計算出來的結果可能不一致。同時對于火災后的鋼材強度測定，里氏硬度法也是沒有用武之地的。

2.2 維氏硬度法

維氏硬度法創(chuàng)立于1924年，通過金剛石材質(zhì)的壓頭施加一定的壓力壓入試件，測量壓痕的對角線長度等數(shù)據(jù)，之后經(jīng)過相應計算得到維氏硬度。由于創(chuàng)立時間較早，所以該方法使用較為廣泛、成熟，精度也比較準確。但是該方法不能算是“無損檢測”，因為會在構件表面形成難以愈合的壓痕，對構建造成不可逆轉的損害，很可能導致檢測后的構建強度大大降低，從而影響建筑質(zhì)量。

2.3 化學分析法

顧名思義化學分析法就是將構件通過現(xiàn)場鉆取或是打磨，把小部分材料帶入實驗室中進行化學檢測。這種檢測方法往往效率低下，而且需要投入大量的人力物力財力，和企業(yè)追求經(jīng)濟效益最大化產(chǎn)生矛盾，所以一般很少采用。

2.4 光譜分析法

光譜分析法的原理是：利用電火花的高溫讓鋼構件中的元素直接氣化，同時發(fā)射出各種元素的特征波長，經(jīng)過光柵分光就可以得到光譜。進一步分析就可以得知構件中各種元素的含量，進而分析鋼構件的強度是否符合規(guī)范。該方法雖然技術含量較高，尚未廣泛使用，但是由于成本低、時間短、適用范圍廣泛的特征，已經(jīng)被越來越多建筑施工企業(yè)所采納，而且這將是未來的趨勢。

3 鋼材硬度檢測方法和回歸分析

3.1 實驗研究

選擇鋼結構中最經(jīng)常使用的鋼材Q235和Q345進行研究分析，同時試料的厚度也是在建筑施工中最常使用的6、8、10等。主要的實驗步驟分為6步：

（1）把所選用的鋼材按照拉伸試驗的要求來加工，使得剛才的長度和寬幅分別達到50cm和3cm。

（2）對完成拉伸試驗的鋼材表面進行打磨和拋光，在打磨過程中注意表面的粗糙程度，要求在打磨過程中進行不少于5次的粗糙度檢測，最后取平均值計算。

（3）對完成打磨過程的鋼材進行化學成分分析，有條件的施工單位可以使用光譜儀來準確得知鋼材中不同元素的含量。（4）使用經(jīng)過校準的里氏硬度分析儀來對鋼材表面進行硬度測試。（5）經(jīng)過多次測量得到試樣的里氏硬度和抗拉強度，其中抗拉強度可以通過拉力試驗機進行測試得到。

（6）使用各種各樣的數(shù)理統(tǒng)計手段，來分析鋼材表面硬度和鋼材強度之間呈現(xiàn)的關系，并且最后使用回歸分析法進行數(shù)據(jù)的擬合。

3.2 實驗注意事項

在實驗中一般采用D型頭，對于D型頭在實驗中要嚴格要求其和測試面保持垂直。同時在安排測試點時一定要間隔出恰當?shù)拈g距。一般在同一時間設置8個測量位置，對這8個測量位置的數(shù)據(jù)進行分析，去掉最大值和最小值，計算其他6個測試點的平均值，進過后續(xù)分析就可以得到該試樣鋼材的硬度值。此外，得到硬度值之后還應該參照國家制定的“里氏硬度測量相關流程”進行回彈結果修正。

3.3 回歸分析

回歸分析的前提條件就是實驗產(chǎn)生大量有效的數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進行集合匯總，一般采用統(tǒng)計學的方法。在實驗過程當中，人們發(fā)現(xiàn)鋼材的抗拉強度和碳元素含量呈現(xiàn)正相關關系、和硫元素含量呈現(xiàn)負相關關系，也就是說含碳量高的鋼材抗拉強度會高于含硫量高的鋼材，但是碳含量過高又影響到鋼材的延展性。此外，根據(jù)相關數(shù)據(jù)進行回歸方程的建立，也能夠得到與之一致的結果，當然還需要把回歸分析的結果運用到實際工程中來。

回歸分析得到的另一個結果就是：鋼材的抗拉強度和里氏硬度值成正相關關系。不過在相同的實驗條件下，相同的里氏硬度值的鋼材的抗拉強度也有所差別。這是企業(yè)的生產(chǎn)原因造成的，大企業(yè)生產(chǎn)的鋼材與小企業(yè)生產(chǎn)的相比，二者相同里氏硬度值，但是前者抗拉強度明顯高于后者。原因是生產(chǎn)工藝的不同，導致鋼材表面品質(zhì)雖然都能符合國家標準，但是鋼材內(nèi)部的品質(zhì)差異極大。小企業(yè)生產(chǎn)的鋼材內(nèi)部各層面硬度分布不均，導致非正規(guī)企業(yè)生產(chǎn)的鋼材內(nèi)部致密性不好，相應地抗拉強度也很低。以下是擬合的線性回歸曲線和指數(shù)回歸曲線示意圖如圖1所示。

表1

圖1 回歸分析結果比較

4 實例分析

4.1 工程概況

某小學的既有鋼結構部件由于年代久遠需要檢測，該鋼結構主樓為2層鋼框架結構的教學樓。房屋平面圖大致是正方形，總長度72.0m。中間無分縫，樓蓋采用壓型鋼板現(xiàn)澆筑鋼筋混凝土上組合鋼樓板，樓頂采用的是輕質(zhì)鋼構架。在汶川地震之后國家組織對各類學校的基礎設施進行安全性檢查，所以本次鋼結構鋼材強度無損檢測分析目的就是為了保證該學校的安全性能。

4.2 檢測鑒定主要內(nèi)容

4.2.1 鋼結構主樓外觀尺寸檢測

現(xiàn)場檢查的值顯示該主樓外觀沒有明顯的傾斜、變形。同時沒有因為地基的不均勻沉降帶來的主體結構失衡。主要鋼構件的銹蝕程度也不高，完全可以符合國家安全標準。鋼結構樓梯主要是螺栓連接，現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)大部分螺栓連接處都保持良好，基本沒有松動和脫落的問題，同時對于有松動的螺絲進行加固操作。

4.2.2 鋼材強度檢測

運用最常用的里氏硬度檢測方法，對鋼構件的里氏硬度進行抽查。此處里氏硬度檢測運用D型沖擊頭，同時對抽查部位的鋼結構構件進行拋光處理。最后的檢測結果顯示所有抽檢部位的鋼構件強度厚度都滿足原設計的承載需求。所以該小學鋼構件質(zhì)量合格，可以繼續(xù)使用。

5 結語

如何把無損檢測的方法精確地實際應用在工程之中是我們面臨的難題，尤其是現(xiàn)在年代久遠的建筑質(zhì)量問題層出不窮。對于它們的檢測和加固迫在眉睫。

鋼材的無損檢測方法有很多種，目前最常用的是里氏硬度法，鋼材的里氏硬度和強度之間存在一定的關系。本文通過具體的實驗方法和回歸分析數(shù)據(jù)總結得出了相應的結論。希望廣大施工企業(yè)能夠嫻熟地運用此法，在工程中運用無損檢測技術，保障建筑工程的質(zhì)量。