羅超

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

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測技術(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)強度高、變形能力強等優(yōu)點，特別適合建造大跨度結(jié)構(gòu)的建筑物，如大會堂、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，必須對這些薄弱環(huán)節(jié)進行檢測以保障質(zhì)量和安全，大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測技術(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)檢測技術(shù)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)類型按檢測具體實施地點分為見證取樣檢測和施工現(xiàn)場檢測兩類，見證取樣檢測在實驗室內(nèi)完成，主要包括鋼材力學性能檢測、鋼材化學成分分析、高強度螺栓檢測、鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝評定試驗等。大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場檢測包括鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何尺寸檢測、焊縫無損檢測、外觀質(zhì)量檢查、變形檢測、現(xiàn)場涂裝檢測、應(yīng)力測試等主控項目的檢測內(nèi)容。

2.1 鋼材力學性能檢測

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

（1）拉伸試驗是指把一定尺寸和形狀的鋼材試樣裝夾在試驗機上，然后對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)生的變形量測算屈服強度、抗壓強度和伸長率3個技術(shù)參數(shù)。

（2）鋼材沖擊試驗主要是為了評估鋼材在承受高速沖擊和震動時表現(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)。通過沖擊試驗可以對鋼材的性能進行分析和比較，選用符合使用需求的鋼材。實際應(yīng)用最廣泛的沖擊試驗方法是沖擊韌性試驗，該方法能確定鋼材樣品的韌性和抗沖擊性能，為設(shè)計和施工提供參考。

（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。硬度與強度有一定關(guān)系，一般情況下，硬度較高的材料其強度也較高，所以可以通過測試硬度來估算材料強度。此外，硬度較高的材料耐磨性較好。鋼材硬度試驗主要有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）、里氏硬度（HL）4 種方法。

2.2 鋼材化學成分分析

鋼材的化學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。對于碳鋼，一般分析C、Si、Mn、P、S 元素，對合金鋼而言，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成分，因其操作簡單、測定結(jié)果準確度高、能同時分析多種被測元素，易于實現(xiàn)自動檢測，應(yīng)用較為廣泛。

2.3 高強度螺栓檢測

高強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，因此高強度螺栓質(zhì)量對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)連接部位質(zhì)量控制至關(guān)重要。使用萬能材料試驗機、扭矩系數(shù)測定裝置、壓力傳感器和電阻應(yīng)變儀等測定高強度螺栓扭矩系數(shù)和高強度螺栓抗滑移摩擦系數(shù)兩項主要指標，能直接判定高強度螺栓質(zhì)量，保障構(gòu)件之間的高強度螺栓連接質(zhì)量和安全。

2.4 外觀質(zhì)量檢查

外觀質(zhì)量檢查是所有檢測項目的基礎(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)場實際安裝的桿件規(guī)格及位置與設(shè)計圖紙基本一致，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，對各連接處進行目視檢查，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

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

2.6 焊縫無損檢測

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)鍵指標之一，焊縫無損檢測能有效控制焊縫的質(zhì)。所謂焊縫無損檢測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，對焊縫及母材的內(nèi)部及表面的進行檢查和測試的方法[4]。下面介紹五大常規(guī)焊縫無損檢測技術(shù)。

2.6.1 目視檢測

目視檢測（VT）是指用人的眼睛或借助于光學儀器對焊縫表面作觀察或測量的一種檢測方法，是其他無損檢測的基礎(chǔ)[5]。目視檢測是最簡單、最基礎(chǔ)的無損檢測方法，通過目視檢測主要能發(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)，但檢測的效果受人為因素影響較大。

2.6.2 超聲波檢測

超聲波檢測（UT）是利用高頻超聲波信號傳導(dǎo)和反射檢測物體內(nèi)部缺陷的一種常用無損檢測方法，因其檢測高效及時和成本較低，是檢測焊縫內(nèi)部缺陷最主要和應(yīng)用最廣的無損檢測方法。超聲波檢測的特點是對焊縫內(nèi)存在的面狀缺陷檢出率較高，但較難檢測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

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

2.6.4 磁粉檢測

磁粉檢測（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)性的無損檢測方法，能發(fā)現(xiàn)不連續(xù)性的位置、大小、形狀和嚴重程度[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，而磁粉檢測能檢測出鋼結(jié)構(gòu)焊縫中的表面開口缺陷和近表面缺陷，但難以檢測幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件。又因磁粉檢測準確高、檢測速度快和檢測費用低，常被用于檢測焊縫表面缺陷。

2.6.5 滲透檢測

滲透檢測（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，以檢測出焊縫的表面缺陷的一種無損檢測方法。滲透檢測只能檢測出焊縫及母材的表面開口缺陷，無法檢測出焊縫及母材內(nèi)部缺陷和表面閉合型缺陷。因檢測程序煩瑣、檢測時間久、材料貴且易燃、有毒，檢測靈敏度比磁粉檢測低，因此焊縫表面檢測首選是磁粉檢測，其次才是滲透檢測。

由于每一種無損檢測方法本身都有其局限性，不能適用于所有焊縫檢測和所有缺陷，為了提高檢測結(jié)果的準確性，開展檢測前，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)各自無損檢測方法的優(yōu)缺點選擇最合適的檢測方法[7]。例如，檢測焊縫表面細小的裂紋就不應(yīng)選擇射線和超聲波檢測，而應(yīng)選擇磁粉和滲透檢測。而且任何一種無損檢測方法都不是萬能的，如果可能，應(yīng)同時采用多種方法，以便保證各種檢測方法互相取長補短。

2.7 變形檢測

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，主要指標包含：結(jié)構(gòu)節(jié)點撓度、桁架主平面彎曲變形，構(gòu)件截面扭曲變形等。檢測和控制這些變形，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)的風險。大跨度鋼結(jié)構(gòu)變形檢測主要采用包括經(jīng)緯儀、水準儀、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)場涂裝檢測

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、防火涂料來強化鋼結(jié)構(gòu)耐久性能。大跨度鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場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為例進行介紹。

通常是采取對鋼結(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，應(yīng)用最為廣泛。按標準規(guī)定對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件涂刷防火涂料能極大強化鋼結(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是指用涂層厚度測量儀、測針和鋼尺對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行防火涂料涂層厚度檢測。

2.9 應(yīng)力測試

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、靜載荷的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中都會使其機械特性發(fā)生改變，會對承載結(jié)構(gòu)件的力學性能、耐腐蝕性、疲勞強度和形狀精度等產(chǎn)生較大的影響[9]。因此，對大跨度鋼結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力測試，有利于控制關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化，并及時采取處理措施。應(yīng)力測試方法根據(jù)其原理主要分為電磁檢測法、機械檢測法、衍射檢測法、超聲波檢測法等。

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)應(yīng)用實例

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，長向跨度97.2m，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級。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加中間多點支撐，周邊支座采用剛接支座節(jié)點，中間支座采用橡膠板式支座節(jié)點。該網(wǎng)殼工程于2019 年10 月開工，于2022 年8 月完工。根據(jù)國家標準和現(xiàn)場實際，檢測單位對該工程的鋼材、螺栓球、高強度螺栓等進行了見證取樣檢測，在工程現(xiàn)場進行了構(gòu)件尺寸檢測、涂層厚度檢測、焊縫超聲波和磁粉檢測、變形檢測等。

（1）對該工程鋼網(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抽檢1201.6m。本次檢測中1036.2m 焊縫首次檢測合格，140.3m 焊縫返修一次后檢測合格，20.4m 焊縫返修二次后檢測合格，4.7m 焊縫不合格，重新制作后檢測合格。

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

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

（4）總拼完成后對18 個撓度觀測點進行觀測。經(jīng)檢測，18 個撓度觀測點均合格。屋面工程完工后再對18 個撓度觀測點進行觀測。經(jīng)檢測，17 個撓度觀測點合格，1 個觀測點經(jīng)處理后檢測合格。

4 結(jié)語

綜上所述，大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工程實際，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)工程檢測技術(shù)正在不斷向數(shù)字化、智能化和自動化方向發(fā)展，從檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)處理等各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)全過程數(shù)字化監(jiān)管，將會大大提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)檢測工作效率和檢測精準度。