高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場無損檢測試驗(yàn)教學(xué)改革探討

[摘 要] 鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場無損檢測是當(dāng)前已建鋼結(jié)構(gòu)鑒定的重要手段，現(xiàn)階段在高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程教學(xué)試驗(yàn)中還未涉及。文章針對課程教學(xué)存在的不足，改進(jìn)教學(xué)大綱和教學(xué)方法，根據(jù)已有檢測設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)工程常用檢測參數(shù)進(jìn)行教學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，把“現(xiàn)場”搬進(jìn)課堂和試驗(yàn)室，完善高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的課程和試驗(yàn)教學(xué)體系，促進(jìn)教學(xué)的發(fā)展，提高學(xué)生實(shí)踐能力。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)試驗(yàn);鋼結(jié)構(gòu)無損檢測;教學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì);教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 同濟(jì)大學(xué)第十三期實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革基金項(xiàng)目：鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場無損檢測試驗(yàn)教學(xué)（0200104411）

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

[中圖分類號] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)試驗(yàn)是土木工程專業(yè)的一門重要選修課程，課程的任務(wù)是通過課堂理論和試驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，使得學(xué)生掌握建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的基本知識和技能，并能根據(jù)設(shè)計(jì)、施工和科研任務(wù)的需要，完成一般建筑結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析工作[1]。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)場合分為試驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，學(xué)生教學(xué)試驗(yàn)多在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。近年來上海等特大型城市許多現(xiàn)存建筑結(jié)構(gòu)逐步增多，有的已到了老齡期，甚至進(jìn)入了危險(xiǎn)期，隨著產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級，大量老舊房屋也需要更新和改造，勢必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的可靠性鑒定，進(jìn)行大量現(xiàn)場無損檢測來采集數(shù)據(jù)評估房屋的現(xiàn)有技術(shù)狀況，預(yù)估建筑物的剩余壽命。

目前在高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程大綱中已安排理論學(xué)時(shí)講解了有關(guān)結(jié)構(gòu)無損檢測的原理及方法，但主要側(cè)重于混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的無損檢測，鋼結(jié)構(gòu)無損檢測內(nèi)容較為欠缺，這與近三十年來我國鋼結(jié)構(gòu)的蓬勃發(fā)展和實(shí)際工程中許多無損檢測新技術(shù)的運(yùn)用不相適應(yīng)。

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)，通過專業(yè)認(rèn)證，標(biāo)志著專業(yè)的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)國際實(shí)質(zhì)等效。我校土木工程專業(yè)也將申請工程教育專業(yè)認(rèn)證，作為工程教育，必須整合、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新教學(xué)方式方法，以培養(yǎng)解決問題能力、團(tuán)隊(duì)建設(shè)能力、創(chuàng)意設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力人才為導(dǎo)向，注重團(tuán)隊(duì)合作的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、案例分析、綜合練習(xí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)[2]。為了與時(shí)俱進(jìn)和課程教學(xué)的發(fā)展，本課程在今后教學(xué)中勢必要補(bǔ)充現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)無損檢測試驗(yàn)的理論教學(xué)內(nèi)容和納入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在不影響總學(xué)時(shí)的情況下，逐步調(diào)整教學(xué)大綱并推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場無損檢測試驗(yàn)的教學(xué)和實(shí)踐，系統(tǒng)梳理和構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測試驗(yàn)教學(xué)設(shè)備、試驗(yàn)平臺等教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)教學(xué)的發(fā)展，提高學(xué)生實(shí)踐能力。

二、教學(xué)大綱調(diào)整思路

本課程通常安排在大四第一學(xué)期，前修課程包括混凝土結(jié)構(gòu)基本原理、鋼結(jié)構(gòu)基本原理、混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等專業(yè)課程之后，教學(xué)分為兩部分：課堂理論和試驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)。課堂理論教學(xué)主要講授試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、試驗(yàn)荷載設(shè)備、試驗(yàn)量測儀器、試驗(yàn)實(shí)施方法、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等理論知識，要求學(xué)生掌握建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的基本理論和基本方法，掌握一般建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析，了解建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)現(xiàn)場檢測技術(shù)。試驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)則是指導(dǎo)學(xué)生量測與結(jié)構(gòu)工作性能有關(guān)的各種參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，要求學(xué)生了解結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載設(shè)備的特點(diǎn)及作用，了解結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中常用儀器設(shè)備的基本原理和使用方法，熟悉結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)的全部試驗(yàn)過程，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測試方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析整理[3]。

為了了解目前國內(nèi)各大高校開展關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測教學(xué)現(xiàn)狀，筆者進(jìn)行了國內(nèi)各高校土木工程專業(yè)本科生階段開設(shè)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容的調(diào)研，本次的抽樣學(xué)校調(diào)研范圍涵蓋了“985工程”大學(xué)和“211工程”以及其他重點(diǎn)和普通高等學(xué)校共17所，調(diào)查結(jié)果顯示，有2所學(xué)校本科和研究生階段均未開設(shè)此課程，有2所學(xué)校只在研究生階段開設(shè)此課程。除了未開設(shè)本科階段《結(jié)構(gòu)試驗(yàn)》課程的學(xué)校外，77.8%的學(xué)校開設(shè)了此課程，平均學(xué)時(shí)數(shù)達(dá)31.7學(xué)時(shí)（包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)）。其中57.1%開設(shè)該課程的學(xué)校有現(xiàn)場無損檢測試驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)課，但絕大多數(shù)僅為混凝土現(xiàn)場檢測試驗(yàn)。因此適當(dāng)調(diào)整現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和時(shí)數(shù)分配是必要的，在不增加總學(xué)時(shí)數(shù)的情況下，調(diào)整和修訂教學(xué)大綱，在課堂教學(xué)上增加鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場無損檢測試驗(yàn)的教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)課上增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測試驗(yàn)內(nèi)容。

目前本校建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室在鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場無損檢測設(shè)備方面已經(jīng)采購了里氏硬度計(jì)、數(shù)字式涂層測厚儀、超聲波測厚儀、磁粉探傷儀、焊縫檢驗(yàn)尺等儀器，已具備了進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)無損檢測教學(xué)試驗(yàn)的條件。

三、試件設(shè)計(jì)與教學(xué)方法改進(jìn)

鋼結(jié)構(gòu)工程檢測包括鋼結(jié)構(gòu)的原材料、焊材、焊接件、緊固件、焊縫、螺栓球節(jié)點(diǎn)、涂料等材料和工程的全部規(guī)定的試驗(yàn)檢測內(nèi)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(zhì)和數(shù)量等信息，進(jìn)而判定被檢對象所處技術(shù)狀態(tài)（如合格與否、剩余壽命等）的所有技術(shù)手段的總稱。

本次無損檢測教學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)總體設(shè)想就是盡量把“現(xiàn)場”搬到試驗(yàn)室和課堂，因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則是在還原現(xiàn)場檢測和滿足鋼結(jié)構(gòu)工程常用檢測參數(shù)的情況下，盡量做到試件的小而輕。并以高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程為依托，結(jié)合試驗(yàn)室現(xiàn)有教學(xué)和科研試驗(yàn)設(shè)備，并適當(dāng)補(bǔ)充相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備，開設(shè)鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場無損檢測演示試驗(yàn)，從而增強(qiáng)學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場無損檢測試驗(yàn)的認(rèn)識，完善建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

（一）超聲波測鋼材厚度試驗(yàn)

開口的鋼型材厚度一般可用鋼直尺或游標(biāo)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(yàn)法，其原理是超聲波測厚儀器探頭發(fā)射的超聲波脈沖到達(dá)被測物體并在物體中傳播，到達(dá)材料分界面時(shí)被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時(shí)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(shè)計(jì)均選擇便于攜帶的小試件，能滿足現(xiàn)場試驗(yàn)要求即可。測厚試件選取三組實(shí)際工程常用型鋼，材質(zhì)均為Q235。規(guī)格為Φ50×5、I10、[6.3，如圖1所示。由于試件是單根構(gòu)件，兩端是自由的（實(shí)際工程中兩端是連接的），測得的厚度可采用游標(biāo)卡尺復(fù)核或查閱型鋼表，從而可達(dá)到互相驗(yàn)證的目的。

（二）表面硬度法測鋼材強(qiáng)度試驗(yàn)

對已建鋼結(jié)構(gòu)鑒定時(shí)，檢測鋼材材質(zhì)是很重要的測定內(nèi)容，為了解鋼材的力學(xué)性能，最理想的方法是在結(jié)構(gòu)上截取試樣，由拉伸試驗(yàn)確定相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)，但這會損傷結(jié)構(gòu)，影響它的正常工作，并需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)?，F(xiàn)場無損方法會采用表面硬度法——里氏硬度試驗(yàn)法間接推斷鋼材強(qiáng)度，其原理是用規(guī)定質(zhì)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(jìn)而推算鋼材的抗拉強(qiáng)度。

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

（三）焊縫表面質(zhì)量檢驗(yàn)

焊接連接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方式，而焊縫質(zhì)量要通過多途徑的檢驗(yàn)來保證。此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用焊縫檢驗(yàn)尺，其由主尺、高度尺、咬邊深度尺和多用尺4個(gè)零件組成，利用線紋和游標(biāo)測量等原理，檢驗(yàn)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(zhì)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(yàn)

鋼材的耐腐蝕性較差是鋼結(jié)構(gòu)的一大弱點(diǎn)，防止鋼材腐蝕的主要措施是依靠涂料來加以保護(hù)，覆層厚度厚度必須滿足相應(yīng)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用磁性測厚試驗(yàn)法，其原理是當(dāng)測頭與覆蓋層接觸時(shí)，測頭和磁性金屬基體構(gòu)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(dǎo)出覆蓋層的厚度。

試件選取四組不同覆層厚度，材質(zhì)為Q235。鋼板規(guī)格均為-100×100×4，如圖4所示。

此外在教學(xué)中通過傳統(tǒng)方法和多媒體技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)方法加強(qiáng)學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場無損檢測的基礎(chǔ)認(rèn)知，通過理論教學(xué)和試驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，同時(shí)鞏固課程知識和前修課程知識，通過課堂教學(xué)和實(shí)際工程相結(jié)合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，通過課堂講解和互動問答相結(jié)合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的發(fā)散思維能力，通過本學(xué)期的試運(yùn)行，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和研究熱情，取得了良好的教學(xué)效果。

四、結(jié)語

梳理和構(gòu)建符合新階段土木工程專業(yè)工程教育認(rèn)證要求的課程大綱和教學(xué)內(nèi)容，建立試驗(yàn)和理論有機(jī)結(jié)合、虛擬和現(xiàn)實(shí)有機(jī)結(jié)合的土木工程專業(yè)高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)新方法，是本次課程教學(xué)改革的目的。但本課程建設(shè)任重道遠(yuǎn)，今后實(shí)驗(yàn)課可分成認(rèn)識實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)和自主實(shí)驗(yàn)三個(gè)部分，來滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。認(rèn)識實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一個(gè)層次，主要的教學(xué)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)成和主要設(shè)備及其使用方法;演示實(shí)驗(yàn)由教師演示講解，試驗(yàn)項(xiàng)目豐富多彩、緊扣教學(xué)大綱，加深了學(xué)生對理論知識的理解，彌補(bǔ)了課堂教學(xué)的不足;自主實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自主設(shè)計(jì)和實(shí)施，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)主動性，這些對學(xué)生以后的工作或繼續(xù)學(xué)習(xí)具有重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]姚振綱，劉祖華.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.

[2]吳啟迪.中國高等工程教育發(fā)展論壇報(bào)告集[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2015.

[3]沈之容.淺談建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2015，2（6）：83-84.