高等結構試驗課程鋼結構現場無損檢測試驗教學改革探討

[摘 要] 鋼結構現場無損檢測是當前已建鋼結構鑒定的重要手段，現階段在高等結構試驗課程教學試驗中還未涉及。文章針對課程教學存在的不足，改進教學大綱和教學方法，根據已有檢測設備和鋼結構工程常用檢測參數進行教學試驗設計，把“現場”搬進課堂和試驗室，完善高等結構試驗的課程和試驗教學體系，促進教學的發展，提高學生實踐能力。

[關鍵詞] 結構試驗;鋼結構無損檢測;教學試驗設計;教學改革

[基金項目] 同濟大學第十三期實驗教學改革基金項目：鋼結構現場無損檢測試驗教學（0200104411）

[作者簡介] 沈之容（1970—），男，浙江寧波人，工學博士，土木工程學院建筑工程系副教授，主要從事鋼結構教學與科研工作。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0135-03? ? [收稿日期] 2019-12-13

一、引言

高等結構試驗是土木工程專業的一門重要選修課程，課程的任務是通過課堂理論和試驗實踐教學，使得學生掌握建筑結構試驗的基本知識和技能，并能根據設計、施工和科研任務的需要，完成一般建筑結構的試驗設計和分析工作[1]。結構試驗根據試驗場合分為試驗室試驗和現場試驗，學生教學試驗多在實驗室進行。近年來上海等特大型城市許多現存建筑結構逐步增多，有的已到了老齡期，甚至進入了危險期，隨著產業的轉型和升級，大量老舊房屋也需要更新和改造，勢必要進行結構的可靠性鑒定，進行大量現場無損檢測來采集數據評估房屋的現有技術狀況，預估建筑物的剩余壽命。

目前在高等結構試驗課程大綱中已安排理論學時講解了有關結構無損檢測的原理及方法，但主要側重于混凝土結構和砌體結構的無損檢測，鋼結構無損檢測內容較為欠缺，這與近三十年來我國鋼結構的蓬勃發展和實際工程中許多無損檢測新技術的運用不相適應。

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保證制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎，通過專業認證，標志著專業的質量實現國際實質等效。我校土木工程專業也將申請工程教育專業認證，作為工程教育，必須整合、設計和創新教學方式方法，以培養解決問題能力、團隊建設能力、創意設計能力、創新能力人才為導向，注重團隊合作的項目設計、案例分析、綜合練習、實驗設計，促進學生主動學習[2]。為了與時俱進和課程教學的發展，本課程在今后教學中勢必要補充現場鋼結構無損檢測試驗的理論教學內容和納入實踐教學環節。在不影響總學時的情況下，逐步調整教學大綱并推進鋼結構現場無損檢測試驗的教學和實踐，系統梳理和構建建筑結構現場檢測試驗教學設備、試驗平臺等教學內容，促進教學的發展，提高學生實踐能力。

二、教學大綱調整思路

本課程通常安排在大四第一學期，前修課程包括混凝土結構基本原理、鋼結構基本原理、混凝土結構和砌體結構設計、建筑鋼結構設計等專業課程之后，教學分為兩部分：課堂理論和試驗實踐教學。課堂理論教學主要講授試驗設計方法、試驗荷載設備、試驗量測儀器、試驗實施方法、試驗數據處理等理論知識，要求學生掌握建筑結構試驗的基本理論和基本方法，掌握一般建筑結構試驗的設計與分析，了解建筑結構試驗現場檢測技術。試驗實踐教學則是指導學生量測與結構工作性能有關的各種參數，進行數據處理和分析，要求學生了解結構試驗加載設備的特點及作用，了解結構試驗中常用儀器設備的基本原理和使用方法，熟悉結構靜載試驗的全部試驗過程，學習結構試驗測試方法和實驗結果的分析整理[3]。

為了了解目前國內各大高校開展關于鋼結構現場檢測教學現狀，筆者進行了國內各高校土木工程專業本科生階段開設結構試驗課程的教學大綱和教學內容的調研，本次的抽樣學校調研范圍涵蓋了“985工程”大學和“211工程”以及其他重點和普通高等學校共17所，調查結果顯示，有2所學校本科和研究生階段均未開設此課程，有2所學校只在研究生階段開設此課程。除了未開設本科階段《結構試驗》課程的學校外，77.8%的學校開設了此課程，平均學時數達31.7學時（包括理論教學和實驗教學）。其中57.1%開設該課程的學校有現場無損檢測試驗實踐教學課，但絕大多數僅為混凝土現場檢測試驗。因此適當調整現有教學內容和時數分配是必要的，在不增加總學時數的情況下，調整和修訂教學大綱，在課堂教學上增加鋼結構現場無損檢測試驗的教學，在實驗課上增設鋼結構現場檢測試驗內容。

目前本校建筑結構試驗室在鋼結構現場無損檢測設備方面已經采購了里氏硬度計、數字式涂層測厚儀、超聲波測厚儀、磁粉探傷儀、焊縫檢驗尺等儀器，已具備了進行鋼結構無損檢測教學試驗的條件。

三、試件設計與教學方法改進

鋼結構工程檢測包括鋼結構的原材料、焊材、焊接件、緊固件、焊縫、螺栓球節點、涂料等材料和工程的全部規定的試驗檢測內容。而無損檢測NDT（Non-destructive testing），就是利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質和數量等信息，進而判定被檢對象所處技術狀態（如合格與否、剩余壽命等）的所有技術手段的總稱。

本次無損檢測教學試驗設計總體設想就是盡量把“現場”搬到試驗室和課堂，因此試驗設計原則是在還原現場檢測和滿足鋼結構工程常用檢測參數的情況下，盡量做到試件的小而輕。并以高等結構試驗課程為依托，結合試驗室現有教學和科研試驗設備，并適當補充相關試驗設備，開設鋼結構現場無損檢測演示試驗，從而增強學生對鋼結構現場無損檢測試驗的認識，完善建筑結構試驗的實驗教學體系。

（一）超聲波測鋼材厚度試驗

開口的鋼型材厚度一般可用鋼直尺或游標卡尺測得，但對閉口截面的厚度則無法用上述方式測得，就會用到超聲測厚試驗法，其原理是超聲波測厚儀器探頭發射的超聲波脈沖到達被測物體并在物體中傳播，到達材料分界面時被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。

考慮到試件拿取的便利性，本次試件設計均選擇便于攜帶的小試件，能滿足現場試驗要求即可。測厚試件選取三組實際工程常用型鋼，材質均為Q235。規格為Φ50×5、I10、[6.3，如圖1所示。由于試件是單根構件，兩端是自由的（實際工程中兩端是連接的），測得的厚度可采用游標卡尺復核或查閱型鋼表，從而可達到互相驗證的目的。

（二）表面硬度法測鋼材強度試驗

對已建鋼結構鑒定時，檢測鋼材材質是很重要的測定內容，為了解鋼材的力學性能，最理想的方法是在結構上截取試樣，由拉伸試驗確定相應的強度指標，但這會損傷結構，影響它的正常工作，并需要進行補強。現場無損方法會采用表面硬度法——里氏硬度試驗法間接推斷鋼材強度，其原理是用規定質量的沖擊體在彈簧力作用下以一定速度垂直沖擊試樣表面，以沖擊體在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值來表示材料的里氏硬度，進而推算鋼材的抗拉強度。

試件選取三種材質，即Q235，Q345和鑄鐵，從外觀是看不出其材質的，但通過表面硬度法可推斷其材質。鋼板規格均為-100×100×12，如圖2所示。

（三）焊縫表面質量檢驗

焊接連接是現代鋼結構最主要的連接方式，而焊縫質量要通過多途徑的檢驗來保證。此次試驗設計采用焊縫檢驗尺，其由主尺、高度尺、咬邊深度尺和多用尺4個零件組成，利用線紋和游標測量等原理，檢驗焊接件的焊縫寬度、高度、焊接間隙、坡口角度、咬邊深度等焊縫尺寸和表面質量。

試件選取兩組工程中主要兩種不同焊接形式的焊件——對接焊縫和角焊縫焊件。試件如圖3所示。

（四）鋼材防腐覆層厚度檢驗

鋼材的耐腐蝕性較差是鋼結構的一大弱點，防止鋼材腐蝕的主要措施是依靠涂料來加以保護，覆層厚度厚度必須滿足相應規范和設計要求。試驗設計采用磁性測厚試驗法，其原理是當測頭與覆蓋層接觸時，測頭和磁性金屬基體構成一閉合磁路，由于非磁性覆蓋層的存在，使磁路磁阻變化，通過測量其變化可導出覆蓋層的厚度。

試件選取四組不同覆層厚度，材質為Q235。鋼板規格均為-100×100×4，如圖4所示。

此外在教學中通過傳統方法和多媒體技術相結合的教學方法加強學生對鋼結構現場無損檢測的基礎認知，通過理論教學和試驗教學相結合的教學方式培養學生的動手能力，同時鞏固課程知識和前修課程知識，通過課堂教學和實際工程相結合的教學方式培養學生的抽象思維能力，通過課堂講解和互動問答相結合的教學方式培養學生舉一反三的發散思維能力，通過本學期的試運行，激發了學生的學習熱情和研究熱情，取得了良好的教學效果。

四、結語

梳理和構建符合新階段土木工程專業工程教育認證要求的課程大綱和教學內容，建立試驗和理論有機結合、虛擬和現實有機結合的土木工程專業高等結構試驗教學新方法，是本次課程教學改革的目的。但本課程建設任重道遠，今后實驗課可分成認識實驗、演示實驗和自主實驗三個部分，來滿足不同層次學生的學習需求。認識實驗是實驗教學的第一個層次，主要的教學內容包括實驗平臺的構成和主要設備及其使用方法;演示實驗由教師演示講解，試驗項目豐富多彩、緊扣教學大綱，加深了學生對理論知識的理解，彌補了課堂教學的不足;自主實驗由學生自主設計和實施，培養了學生的動手能力和學習主動性，這些對學生以后的工作或繼續學習具有重要的作用。

參考文獻

[1]姚振綱，劉祖華.建筑結構試驗[M].上海：同濟大學出版社，1996.

[2]吳啟迪.中國高等工程教育發展論壇報告集[M].上海：同濟大學出版社，2015.

[3]沈之容.淺談建筑結構試驗課程教學改革[J].教育教學論壇，2015，2（6）：83-84.