鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

方文龍 （安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)是一種以鋼材加工而成的建筑結(jié)構(gòu)類型，該結(jié)構(gòu)所組成的鋼材包含諸多優(yōu)點(diǎn)，如強(qiáng)度高、自重輕、剛度優(yōu)、抗剪強(qiáng)等，故在一些重要、復(fù)雜的建筑工程項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛。建筑工程發(fā)展到21世紀(jì)，鋼結(jié)構(gòu)以其諸多優(yōu)勢(shì)逐漸取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，成為建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。而其施工質(zhì)量也關(guān)乎著建筑的整體質(zhì)量與安全性。為保證施工質(zhì)量與效果符合設(shè)計(jì)要求，施工過程安全可靠，需要利用鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)[1]。目前鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)主要由模擬實(shí)驗(yàn)、破壞性實(shí)驗(yàn)、無損檢測(cè)這三類組成[2]。其中模擬實(shí)驗(yàn)具有可檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)的整體性的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是成本較高、檢測(cè)周期較長(zhǎng)；破壞性實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)Τ闄z樣品進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)試，缺點(diǎn)是無法評(píng)估鋼結(jié)構(gòu)的整體性，具有一定的局限性；無損檢測(cè)可對(duì)原材料和工件進(jìn)行較全面的檢測(cè)，同時(shí)具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

1 鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)的方法

大多數(shù)建筑工程項(xiàng)目采用鋼結(jié)構(gòu)作為其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，為保證鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需合理運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外致力于研究的鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)主要由磁粉探傷檢測(cè)技術(shù)、射線探傷檢測(cè)技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)技術(shù)、滲透探傷技術(shù)以及三維激光掃描技術(shù)這六種組成。

1.1 磁粉探傷檢測(cè)技術(shù)

磁粉探傷檢測(cè)技術(shù)是一種對(duì)鋼制材料或工件施以磁場(chǎng)，致使其發(fā)生磁化，此時(shí)在工件表面加上磁粉，由于鋼制材料或工件的缺陷處會(huì)因?yàn)榇帕€逸出，形成一個(gè)漏磁場(chǎng)，磁粉會(huì)在漏磁場(chǎng)作用下匯集而產(chǎn)生磁痕，據(jù)此判斷表面缺陷的一種探傷方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以高效檢測(cè)出鋼制材料或工件表面存在的缺陷，且具備操作簡(jiǎn)單，適用范圍廣等特點(diǎn)，可運(yùn)用到大型設(shè)備和工件上。牛乾等[3]提出將機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)應(yīng)用于磁痕圖像缺陷的智能識(shí)別上。

1.2 射線探傷檢測(cè)技術(shù)

射線探傷檢測(cè)是利用射線可穿透物體以及在不同介質(zhì)傳播過程中的衰減特性差異來檢查焊縫內(nèi)部缺陷的一種方法。根據(jù)所用射線的不同可以分為X射線檢測(cè)、γ射線檢測(cè)以及高能射線檢測(cè)三種類型。根據(jù)不同射線穿透材料的能力不同，且照相膠片具有感光特性的原理，在對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于焊縫中的缺陷對(duì)射線的吸收能力有所不同，導(dǎo)致落在膠片上的射線強(qiáng)度有差異，而膠片的感光能力也有所不同，據(jù)此可直觀、準(zhǔn)確且無損地顯示出缺陷的位置及形態(tài)。該方法測(cè)試結(jié)果直觀，適用于各種材料的檢測(cè)。

1.3 超聲波檢測(cè)技術(shù)

超聲波探傷是一種利用超聲波對(duì)材料的穿透力以及在截面分界處的反射特性來檢查工件缺陷的方法，發(fā)射端發(fā)射超聲波束進(jìn)入金屬內(nèi)，會(huì)在缺陷與工件底面處形成兩種反射波，并在接收端熒光屏幕上顯示脈沖波形，缺陷處會(huì)顯示出特定的脈沖波形，且根據(jù)波形特征可判斷出缺陷的位置和形態(tài)。該種方法可用于檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部缺陷，操作簡(jiǎn)單，可提高檢測(cè)效率。根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理的差異，超聲波探傷技術(shù)又細(xì)分為脈沖反射法、穿透法和共振法，目前通常使用手提式探測(cè)儀來進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)工作[4]。

1.4 渦流檢測(cè)技術(shù)

渦流檢測(cè)技術(shù)是一種通過電磁感應(yīng)來檢測(cè)金屬材料和工件所存在的表面缺陷的方法。該檢測(cè)技術(shù)可全面判斷鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷，但其局限性在于僅能對(duì)可導(dǎo)電的金屬構(gòu)件以及能感生渦流的非金屬構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)；且由于鋼磁和結(jié)構(gòu)的不均勻性以及被檢測(cè)表面的幾何不規(guī)則性會(huì)產(chǎn)生一定的附加噪聲，渦流法在檢測(cè)黑色鋼結(jié)構(gòu)和部件裂紋時(shí)比較困難，Valentyn Uchain等[5]提出了雙差分型渦流探頭，可實(shí)現(xiàn)特定檢測(cè)應(yīng)用。

1.5 滲透探傷技術(shù)

滲透探傷技術(shù)是將一種具有顯色性能的滲透劑刷涂在工件表面，滲透劑在毛細(xì)力作用下，通過工件表面裂紋缺陷滲入內(nèi)部，一段時(shí)間后，抹除掉工件表面余下的滲透劑，最后在工件表面涂上一層薄的顯像劑。此時(shí)裂紋缺陷中的滲透劑會(huì)在顯像劑提供的毛細(xì)力下，再次吸附到工件表面，并且會(huì)形成一個(gè)放大的缺陷顯示圖像，在黑光或白光下能夠觀察到缺陷的位置及形狀。

以上五種鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)都屬于無損傷檢測(cè)技術(shù)，都可在不損壞鋼結(jié)構(gòu)外觀表面的同時(shí)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效且全面的檢測(cè)。

1.6 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是通過設(shè)備的激光脈沖發(fā)射器，向待檢測(cè)的工件上發(fā)射一束激光脈沖，在反光鏡的旋轉(zhuǎn)作用下，對(duì)待測(cè)工件進(jìn)行掃描，激光脈沖經(jīng)過反射作用后能夠被信號(hào)接收器所接收，同時(shí)會(huì)記錄下信號(hào)數(shù)據(jù)；對(duì)所獲取的大量云數(shù)據(jù)再進(jìn)行分割、構(gòu)建等處理，可獲得大型鋼結(jié)構(gòu)的建筑物在力的作用下各點(diǎn)的精確變形值[6]。

除上述五種主要檢測(cè)技術(shù)外，還可以結(jié)合信息化技術(shù)來判斷鋼結(jié)構(gòu)的缺陷，利用系列工程建模軟件，可直觀展示鋼結(jié)構(gòu)的缺陷部位[7]。馬中軍等[8]利用BIM結(jié)合表面圖像處理分析，提出了一種鋼結(jié)構(gòu)的無損探傷方法，構(gòu)建了基于BIM的建筑鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)以及后期管理的全面掌控，該方法有效檢測(cè)率為100%。

2 鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)的技術(shù)應(yīng)用

在各式各樣的建筑施工項(xiàng)目中，鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)已成為建筑工程中一項(xiàng)相對(duì)重要的技術(shù)，通過運(yùn)用相關(guān)技術(shù)手段，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)各個(gè)施工環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量把控，能及時(shí)止損、減短施工周期。鑒于種種優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)也得到極大程度的應(yīng)用。本文主要從鋼結(jié)構(gòu)的表面檢測(cè)、鋼結(jié)構(gòu)的涂裝檢測(cè)、焊接質(zhì)量、構(gòu)件連接檢測(cè)以及結(jié)構(gòu)變形檢測(cè)四個(gè)方面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行綜述。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)表面檢測(cè)

外觀缺陷檢測(cè)是鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)的基礎(chǔ)項(xiàng)目[9]。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行肉眼檢測(cè)，可以觀察出鋼結(jié)構(gòu)表面存在的氣泡、裂縫、咬邊、融合等常見缺陷。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)表面腐蝕損害的評(píng)估，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是目視檢查，但是對(duì)區(qū)域范圍大的地區(qū)或難以進(jìn)入的地區(qū)來說是耗時(shí)耗力、較難進(jìn)行的，且檢測(cè)結(jié)果具有主觀性。為了解決上述問題，M.Khayatazad等[10]開發(fā)了用于量化和組合兩個(gè)視覺方面的算法-粗糙度和顏色，該算法已應(yīng)用于腐蝕和非腐蝕組件和結(jié)構(gòu)照片的大數(shù)據(jù)集，可以有效地定位腐蝕區(qū)域。張華[11]提出將滲透探傷技術(shù)運(yùn)用到地鐵軌道檢測(cè)中，通過處理可使軌道質(zhì)量缺陷的位置與類型得以明確，針對(duì)缺陷即可采取有效措施進(jìn)行解決。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的涂裝檢測(cè)

鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，還需要對(duì)其進(jìn)行涂裝，可選擇防腐或防火材料作為涂裝材料，材料的選擇決定著鋼結(jié)構(gòu)的使用時(shí)間。防腐材料可預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)在濕度較大的環(huán)境下腐蝕生銹，導(dǎo)致承載力降低。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的涂裝材料進(jìn)行檢測(cè)，可根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的材料厚度來反映，檢測(cè)時(shí)可以通過超聲波在鋼結(jié)構(gòu)中的理論傳播速度來獲取超聲波的實(shí)際波速與傳播時(shí)間，可以檢測(cè)出鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際厚度和寬度，同時(shí)可獲取鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性參數(shù)[11]。

2.3 焊接質(zhì)量和構(gòu)件連接檢測(cè)

鋼結(jié)構(gòu)主要是通過螺栓和螺絲進(jìn)行連接的。首先需要對(duì)螺栓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)焊接熔化后將金屬進(jìn)行連接形成焊縫，此時(shí)，進(jìn)行焊接處檢測(cè)，利用射線探測(cè)儀裝置針對(duì)焊縫的開裂現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)用來保證焊接完整性；在焊接過程中也可用超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)樵摷夹g(shù)不會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的外觀進(jìn)行破壞。對(duì)于螺栓連接處，常用捶打的方式來檢測(cè)螺栓的緊固性[12]。對(duì)焊縫的檢測(cè)，Muthukumaran Malarvel等[13]提出了一種在X射線圖像中使用多類支持向量機(jī)(MSVM)進(jìn)行焊接缺陷檢測(cè)和分類的自主技術(shù)，該技術(shù)考慮了多種焊接缺陷，有效提高了檢測(cè)工作效率。

2.4 結(jié)構(gòu)變形檢測(cè)

智能化信息技術(shù)與人工相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的更好檢測(cè)。Ming Guo等[14]對(duì)極大型、復(fù)雜建筑物鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度檢測(cè)，采用激光雷達(dá)和無人機(jī)近距離攝影測(cè)量可以直接收集各種大型復(fù)雜環(huán)境中的數(shù)據(jù)、注冊(cè)站點(diǎn)和適合的節(jié)點(diǎn)來監(jiān)控和分析其結(jié)構(gòu)，該種檢測(cè)方法使得變形監(jiān)測(cè)更加詳細(xì)、全面。除此以外，將全站儀運(yùn)用到鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，也可以很好檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)的垂直度和撓度[15]。

3 結(jié)論與展望

鋼結(jié)構(gòu)作為建筑工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，直接影響著建筑物的整體安全質(zhì)量。通過合理運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)，可以保證施工質(zhì)量，提高施工效率。目前國(guó)內(nèi)外最常見的鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)主要由磁粉探傷檢測(cè)技術(shù)、射線探傷檢測(cè)技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)技術(shù)、滲透探傷技術(shù)以及三維激光掃描技術(shù)這六種組成，另外結(jié)合信息化技術(shù)和智能科技也可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的缺陷進(jìn)行判斷。對(duì)于不同類型的建筑工程，應(yīng)結(jié)合實(shí)際選擇合適的鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法。在實(shí)際建筑工程項(xiàng)目中，鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)也應(yīng)用廣泛，可在鋼結(jié)構(gòu)表面、涂裝材料、焊接質(zhì)量和構(gòu)件連接、結(jié)構(gòu)變形等方面進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)應(yīng)用，保證了施工效果，節(jié)約了施工周期。如今建筑工程項(xiàng)目在社會(huì)市場(chǎng)的比重越來越大，建筑物結(jié)構(gòu)的安全標(biāo)準(zhǔn)也愈加嚴(yán)格，目前常用的鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)無法完全滿足實(shí)際工程中的檢測(cè)需要。因此，在科技高速發(fā)展的未來，鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)會(huì)與新興科技相結(jié)合得到更好的發(fā)展與應(yīng)用。