大跨度鋼結構檢測技術發展應用探究

羅超

（廣西壯族自治區建筑工程質量檢測中心有限公司，廣西 南寧 530005）

1 大跨度鋼結構檢測技術應用必要性

大跨度鋼結構一般是指跨度等于或大于60m 的鋼結構，可采用桁架、剛架或拱等平面結構或網架、網殼、懸索結構和索膜結構等空間結構[1]。因鋼結構強度高、變形能力強等優點，特別適合建造大跨度結構的建筑物，如大會堂、體育館和大跨度廠房等[2]。但是，鋼結構在穩定性和耐久性等方面存在較大弊端，必須對這些薄弱環節進行檢測以保障質量和安全，大跨度鋼結構檢測技術是保證大跨度鋼結構工程施工質量和安全性能的重要手段。

2 大跨度鋼結構檢測技術

大跨度鋼結構檢測技術類型按檢測具體實施地點分為見證取樣檢測和施工現場檢測兩類，見證取樣檢測在實驗室內完成，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、鋼結構焊接工藝評定試驗等。大跨度鋼結構施工現場檢測包括鋼結構構件幾何尺寸檢測、焊縫無損檢測、外觀質量檢查、變形檢測、現場涂裝檢測、應力測試等主控項目的檢測內容。

2.1 鋼材力學性能檢測

鋼材力學性能檢測是分析、評估鋼材或結構力學性能的技術手段，主要檢測包括鋼材拉伸性能、沖擊韌性能、硬度等關鍵指標。

（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。根據試樣在拉伸過程中承受的載荷和產生的變形量測算屈服強度、抗壓強度和伸長率3個技術參數。

（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的能力，從而為大跨度鋼結構的鋼材選擇和使用提供依據。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、測定結果準確度高、能同時分析多種被測元素，易于實現自動檢測，應用較為廣泛。

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構的連接形式之一，因此高強度螺栓質量對于大跨度鋼結構連接部位質量控制至關重要。使用萬能材料試驗機、扭矩系數測定裝置、壓力傳感器和電阻應變儀等測定高強度螺栓扭矩系數和高強度螺栓抗滑移摩擦系數兩項主要指標，能直接判定高強度螺栓質量，保障構件之間的高強度螺栓連接質量和安全。

2.4 外觀質量檢查

外觀質量檢查是所有檢測項目的基礎，外觀質量檢查包括構件布置是否與設計文件一致、構件是否有變形或歪閃、連接處是否有缺陷等。如現場實際安裝的桿件規格及位置與設計圖紙基本一致，構件未發現明顯影響安全及使用性能的變形、傾斜等現象，對各連接處進行目視檢查，未發現目視可見的缺陷，則判定外觀質量檢查合格。

2.5 構件幾何尺寸檢測

構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件進行多次測量，取其代表值，通過代表值與設計值對比，在偏差允許范圍內的判定為合格[3]。

2.6 焊縫無損檢測

焊接連接是大跨度鋼結構構件的主要連接形式之一，而焊縫質量是焊接連接質量最關鍵指標之一，焊縫無損檢測能有效控制焊縫的質。所謂焊縫無損檢測是指在不損壞焊縫及母材的基礎上，利用超聲波、射線、激光等技術和專用設備器材，按照規定的技術要求，對焊縫及母材的內部及表面的進行檢查和測試的方法[4]。下面介紹五大常規焊縫無損檢測技術。

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[5]。目視檢測是最簡單、最基礎的無損檢測方法，通過目視檢測主要能發現焊縫未焊透、焊縫夾渣、焊縫表面氣孔、焊瘤現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，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和反射檢測物體內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，是檢測焊縫內部缺陷最主要和應用最廣的無損檢測方法。超聲波檢測的特點是對焊縫內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。

2.6.3 射線檢測

射線檢測（RT）是指利用被檢構件本身及缺陷對射線產生不同吸收和散射的特性，對被檢構件內部及表面質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、數量、尺寸和位置，但對焊縫內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，檢測時應注意人身安全和隔離周邊環境。

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現表面和近表面不連續性的無損檢測方法，能發現不連續性的位置、大小、形狀和嚴重程度[6]。與其他工程建設材料不同，大跨度鋼結構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構焊縫中的表面開口缺陷和近表面缺陷，但難以檢測幾何結構復雜的構件。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，為了提高檢測結果的準確性，開展檢測前，先根據焊縫的材質、坡口型式、焊條類型、焊接條件等，初步判斷缺陷的種類、形狀、數量等，再根據各自無損檢測方法的優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選擇射線和超聲波檢測，而應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

鋼結構變形是影響結構受力性能和結構安全的重要因素，主要指標包含：結構節點撓度、桁架主平面彎曲變形，構件截面扭曲變形等。檢測和控制這些變形，是控制鋼結構施工質量和安全使用的首要任務。隨著鋼材性能的不斷強化和施工技術的大幅提升，為了節約成本，大跨度鋼結構構件一直在向輕量化、薄壁化發展，導致失穩現象明顯增多。重視在施工過程中檢測并控制鋼結構的各種初始變形，可以有效降低鋼結構發生失穩的風險。大跨度鋼結構變形檢測主要采用包括經緯儀、水準儀、全站儀、水平尺、鋼尺、電阻應變儀、振弦式傳感器等儀器設備，檢測大跨度鋼結構構件跨中垂直度、彎曲矢高、垂直度、主體結構的整體垂直度、主體結構的整體平面彎曲、鋼網架撓度等主控內容。

2.8 現場涂裝檢測

因鋼結構耐腐蝕性能差、耐火性能差，通常采取涂刷防腐、防火涂料來強化鋼結構耐久性能。大跨度鋼結構現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。

通常是采取對鋼結構表面噴或涂刷防火材料或包裹耐火材料等辦法保護鋼結構不被火焰直接燒烤而提高其抗火能力[8]。鋼結構防火涂料具有施工方便快捷、防火隔熱性能優良等優點，應用最為廣泛。按標準規定對鋼結構構件涂刷防火涂料能極大強化鋼結構耐火性能，而防火涂料的產品質量和現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、測針和鋼尺對鋼結構構件進行防火涂料涂層厚度檢測。

2.9 應力測試

大跨度鋼結構的承載結構件由于加工制造、焊接變形造成的殘余應力以及在使用過程中動、靜載荷的作用下產生應力集中都會使其機械特性發生改變，會對承載結構件的力學性能、耐腐蝕性、疲勞強度和形狀精度等產生較大的影響[9]。因此，對大跨度鋼結構進行應力測試，有利于控制關鍵部位的應力變化，并及時采取處理措施。應力測試方法根據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 大跨度鋼結構檢測技術應用實例

某體育館屋面為網殼結構，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，結構設計使用年限為50 年，結構安全等級為一級。采用正放四角錐雙層網殼結構，網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點，中間支座采用橡膠板式支座節點。該網殼工程于2019 年10 月開工，于2022 年8 月完工。根據國家標準和現場實際，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，在工程現場進行了構件尺寸檢測、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 個構件首次檢測合格，2443 個構件返修一次后檢測合格，627 個構件返修兩次后檢測合格。

（3）本次共對9426 個構件（弦桿、腹桿和螺栓球等）進行防火涂料涂層厚度檢測，其中7632 個構件首次檢測合格，1633 個構件返修一次后檢測合格，161 個構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。經檢測，17 個撓度觀測點合格，1 個觀測點經處理后檢測合格。

4 結語

綜上所述，大跨度鋼結構工程檢測技術已被廣泛應用于工程實際，為大跨度鋼結構工程質量和安全提供了重要的技術支撐，為推動大跨度鋼結構工程事業高質量發展發揮了積極作用。大跨度鋼結構工程檢測技術正在不斷向數字化、智能化和自動化方向發展，從檢測數據產生、數據采集、數據存取、數據處理等各個環節實現全過程數字化監管，將會大大提高大跨度鋼結構檢測工作效率和檢測精準度。