梁韻婕 杜正偉 鄭義文

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、韌性高，具有很好的抗震能力，還便于加工。在最近半個(gè)世紀(jì)來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展勢(shì)頭很好，應(yīng)用范圍也從工廠轉(zhuǎn)向大型公共建筑、住宅和高層寫(xiě)字樓。但是很多鋼結(jié)構(gòu)建筑由于年久失修，需要對(duì)其鋼結(jié)構(gòu)鋼材強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證其能否繼續(xù)安全使用。鋼材強(qiáng)度是鋼材力學(xué)性能指標(biāo)最重要的一項(xiàng)，必須要檢測(cè)。而無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠保護(hù)鋼構(gòu)件，對(duì)其幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

2 常用檢測(cè)方法簡(jiǎn)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(jì)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(gòu)件的硬度大小。該方法是目前最常用的無(wú)損檢測(cè)方法，其具有所用儀器體積小，操作方便，適合隨時(shí)隨地檢測(cè)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(jì)算目前還沒(méi)有明確的規(guī)范，所以不同施工單位計(jì)算出來(lái)的結(jié)果可能不一致。同時(shí)對(duì)于火災(zāi)后的鋼材強(qiáng)度測(cè)定，里氏硬度法也是沒(méi)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(guò)金剛石材質(zhì)的壓頭施加一定的壓力壓入試件，測(cè)量壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，之后經(jīng)過(guò)相應(yīng)計(jì)算得到維氏硬度。由于創(chuàng)立時(shí)間較早，所以該方法使用較為廣泛、成熟，精度也比較準(zhǔn)確。但是該方法不能算是“無(wú)損檢測(cè)”，因?yàn)闀?huì)在構(gòu)件表面形成難以愈合的壓痕，對(duì)構(gòu)建造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，很可能導(dǎo)致檢測(cè)后的構(gòu)建強(qiáng)度大大降低，從而影響建筑質(zhì)量。

2.3 化學(xué)分析法

顧名思義化學(xué)分析法就是將構(gòu)件通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆取或是打磨，把小部分材料帶入實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行化學(xué)檢測(cè)。這種檢測(cè)方法往往效率低下，而且需要投入大量的人力物力財(cái)力，和企業(yè)追求經(jīng)濟(jì)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(gòu)件中的元素直接氣化，同時(shí)發(fā)射出各種元素的特征波長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)光柵分光就可以得到光譜。進(jìn)一步分析就可以得知構(gòu)件中各種元素的含量，進(jìn)而分析鋼構(gòu)件的強(qiáng)度是否符合規(guī)范。該方法雖然技術(shù)含量較高，尚未廣泛使用，但是由于成本低、時(shí)間短、適用范圍廣泛的特征，已經(jīng)被越來(lái)越多建筑施工企業(yè)所采納，而且這將是未來(lái)的趨勢(shì)。

3 鋼材硬度檢測(cè)方法和回歸分析

3.1 實(shí)驗(yàn)研究

選擇鋼結(jié)構(gòu)中最經(jīng)常使用的鋼材Q235和Q345進(jìn)行研究分析，同時(shí)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(shí)驗(yàn)步驟分為6步：

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

（2）對(duì)完成拉伸試驗(yàn)的鋼材表面進(jìn)行打磨和拋光，在打磨過(guò)程中注意表面的粗糙程度，要求在打磨過(guò)程中進(jìn)行不少于5次的粗糙度檢測(cè)，最后取平均值計(jì)算。

（3）對(duì)完成打磨過(guò)程的鋼材進(jìn)行化學(xué)成分分析，有條件的施工單位可以使用光譜儀來(lái)準(zhǔn)確得知鋼材中不同元素的含量。（4）使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的里氏硬度分析儀來(lái)對(duì)鋼材表面進(jìn)行硬度測(cè)試。（5）經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到試樣的里氏硬度和抗拉強(qiáng)度，其中抗拉強(qiáng)度可以通過(guò)拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試得到。

（6）使用各種各樣的數(shù)理統(tǒng)計(jì)手段，來(lái)分析鋼材表面硬度和鋼材強(qiáng)度之間呈現(xiàn)的關(guān)系，并且最后使用回歸分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合。

3.2 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

在實(shí)驗(yàn)中一般采用D型頭，對(duì)于D型頭在實(shí)驗(yàn)中要嚴(yán)格要求其和測(cè)試面保持垂直。同時(shí)在安排測(cè)試點(diǎn)時(shí)一定要間隔出恰當(dāng)?shù)拈g距。一般在同一時(shí)間設(shè)置8個(gè)測(cè)量位置，對(duì)這8個(gè)測(cè)量位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，去掉最大值和最小值，計(jì)算其他6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值，進(jìn)過(guò)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(yīng)該參照國(guó)家制定的“里氏硬度測(cè)量相關(guān)流程”進(jìn)行回彈結(jié)果修正。

3.3 回歸分析

回歸分析的前提條件就是實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生大量有效的數(shù)據(jù)，再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行集合匯總，一般采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，人們發(fā)現(xiàn)鋼材的抗拉強(qiáng)度和碳元素含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系、和硫元素含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是說(shuō)含碳量高的鋼材抗拉強(qiáng)度會(huì)高于含硫量高的鋼材，但是碳含量過(guò)高又影響到鋼材的延展性。此外，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸方程的建立，也能夠得到與之一致的結(jié)果，當(dāng)然還需要把回歸分析的結(jié)果運(yùn)用到實(shí)際工程中來(lái)。

回歸分析得到的另一個(gè)結(jié)果就是：鋼材的抗拉強(qiáng)度和里氏硬度值成正相關(guān)關(guān)系。不過(guò)在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，相同的里氏硬度值的鋼材的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度明顯高于后者。原因是生產(chǎn)工藝的不同，導(dǎo)致鋼材表面品質(zhì)雖然都能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)致非正規(guī)企業(yè)生產(chǎn)的鋼材內(nèi)部致密性不好，相應(yīng)地抗拉強(qiáng)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(jié)果比較

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

某小學(xué)的既有鋼結(jié)構(gòu)部件由于年代久遠(yuǎn)需要檢測(cè)，該鋼結(jié)構(gòu)主樓為2層鋼框架結(jié)構(gòu)的教學(xué)樓。房屋平面圖大致是正方形，總長(zhǎng)度72.0m。中間無(wú)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(gòu)架。在汶川地震之后國(guó)家組織對(duì)各類學(xué)校的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行安全性檢查，所以本次鋼結(jié)構(gòu)鋼材強(qiáng)度無(wú)損檢測(cè)分析目的就是為了保證該學(xué)校的安全性能。

4.2 檢測(cè)鑒定主要內(nèi)容

4.2.1 鋼結(jié)構(gòu)主樓外觀尺寸檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢查的值顯示該主樓外觀沒(méi)有明顯的傾斜、變形。同時(shí)沒(méi)有因?yàn)榈鼗牟痪鶆虺两祹?lái)的主體結(jié)構(gòu)失衡。主要鋼構(gòu)件的銹蝕程度也不高，完全可以符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。鋼結(jié)構(gòu)樓梯主要是螺栓連接，現(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)大部分螺栓連接處都保持良好，基本沒(méi)有松動(dòng)和脫落的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于有松動(dòng)的螺絲進(jìn)行加固操作。

4.2.2 鋼材強(qiáng)度檢測(cè)

運(yùn)用最常用的里氏硬度檢測(cè)方法，對(duì)鋼構(gòu)件的里氏硬度進(jìn)行抽查。此處里氏硬度檢測(cè)運(yùn)用D型沖擊頭，同時(shí)對(duì)抽查部位的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行拋光處理。最后的檢測(cè)結(jié)果顯示所有抽檢部位的鋼構(gòu)件強(qiáng)度厚度都滿足原設(shè)計(jì)的承載需求。所以該小學(xué)鋼構(gòu)件質(zhì)量合格，可以繼續(xù)使用。

5 結(jié)語(yǔ)

如何把無(wú)損檢測(cè)的方法精確地實(shí)際應(yīng)用在工程之中是我們面臨的難題，尤其是現(xiàn)在年代久遠(yuǎn)的建筑質(zhì)量問(wèn)題層出不窮。對(duì)于它們的檢測(cè)和加固迫在眉睫。

鋼材的無(wú)損檢測(cè)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(qiáng)度之間存在一定的關(guān)系。本文通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)方法和回歸分析數(shù)據(jù)總結(jié)得出了相應(yīng)的結(jié)論。希望廣大施工企業(yè)能夠嫻熟地運(yùn)用此法，在工程中運(yùn)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，保障建筑工程的質(zhì)量。