[摘 要] 钢结构现场无损检测是当前已建钢结构鉴定的重要手段，现阶段在高等结构试验课程教学试验中还未涉及。文章针对课程教学存在的不足，改进教学大纲和教学方法，根据已有检测设备和钢结构工程常用检测参数进行教学试验设计，把“现场”搬进课堂和试验室，完善高等结构试验的课程和试验教学体系，促进教学的发展，提高学生实践能力。

[关键词] 结构试验;钢结构无损检测;教学试验设计;教学改革

[基金项目] 同济大学第十三期实验教学改革基金项目：钢结构现场无损检测试验教学（0200104411）

[作者简介] 沈之容（1970—），男，浙江宁波人，工学博士，土木工程学院建筑工程系副教授，主要从事钢结构教学与科研工作。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）37-0135-03    [收稿日期] 2019-12-13

一、引言

高等结构试验是土木工程专业的一门重要选修课程，课程的任务是通过课堂理论和试验实践教学，使得学生掌握建筑结构试验的基本知识和技能，并能根据设计、施工和科研任务的需要，完成一般建筑结构的试验设计和分析工作[1]。结构试验根据试验场合分为试验室试验和现场试验，学生教学试验多在实验室进行。近年来上海等特大型城市许多现存建筑结构逐步增多，有的已到了老龄期，甚至进入了危险期，随着产业的转型和升级，大量老旧房屋也需要更新和改造，势必要进行结构的可靠性鉴定，进行大量现场无损检测来采集数据评估房屋的现有技术状况，预估建筑物的剩余寿命。

目前在高等结构试验课程大纲中已安排理论学时讲解了有关结构无损检测的原理及方法，但主要侧重于混凝土结构和砌体结构的无损检测，钢结构无损检测内容较为欠缺，这与近三十年来我国钢结构的蓬勃发展和实际工程中许多无损检测新技术的运用不相适应。

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保证制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础，通过专业认证，标志着专业的质量实现国际实质等效。我校土木工程专业也将申请工程教育专业认证，作为工程教育，必须整合、设计和创新教学方式方法，以培养解决问题能力、团队建设能力、创意设计能力、创新能力人才为导向，注重团队合作的項目设计、案例分析、综合练习、实验设计，促进学生主动学习[2]。为了与时俱进和课程教学的发展，本课程在今后教学中势必要补充现场钢结构无损检测试验的理论教学内容和纳入实践教学环节。在不影响总学时的情况下，逐步调整教学大纲并推进钢结构现场无损检测试验的教学和实践，系统梳理和构建建筑结构现场检测试验教学设备、试验平台等教学内容，促进教学的发展，提高学生实践能力。

二、教学大纲调整思路

本课程通常安排在大四第一学期，前修课程包括混凝土结构基本原理、钢结构基本原理、混凝土结构和砌体结构设计、建筑钢结构设计等专业课程之后，教学分为两部分：课堂理论和试验实践教学。课堂理论教学主要讲授试验设计方法、试验荷载设备、试验量测仪器、试验实施方法、试验数据处理等理论知识，要求学生掌握建筑结构试验的基本理论和基本方法，掌握一般建筑结构试验的设计与分析，了解建筑结构试验现场检测技术。试验实践教学则是指导学生量测与结构工作性能有关的各种参数，进行数据处理和分析，要求学生了解结构试验加载设备的特点及作用，了解结构试验中常用仪器设备的基本原理和使用方法，熟悉结构静载试验的全部试验过程，学习结构试验测试方法和实验结果的分析整理[3]。

为了了解目前国内各大高校开展关于钢结构现场检测教学现状，笔者进行了国内各高校土木工程专业本科生阶段开设结构试验课程的教学大纲和教学内容的调研，本次的抽样学校调研范围涵盖了“985工程”大学和“211工程”以及其他重点和普通高等学校共17所，调查结果显示，有2所学校本科和研究生阶段均未开设此课程，有2所学校只在研究生阶段开设此课程。除了未开设本科阶段《结构试验》课程的学校外，77.8%的学校开设了此课程，平均学时数达31.7学时（包括理论教学和实验教学）。其中57.1%开设该课程的学校有现场无损检测试验实践教学课，但绝大多数仅为混凝土现场检测试验。因此适当调整现有教学内容和时数分配是必要的，在不增加总学时数的情况下，调整和修订教学大纲，在课堂教学上增加钢结构现场无损检测试验的教学，在实验课上增设钢结构现场检测试验内容。

目前本校建筑结构试验室在钢结构现场无损检测设备方面已经采购了里氏硬度计、数字式涂层测厚仪、超声波测厚仪、磁粉探伤仪、焊缝检验尺等仪器，已具备了进行钢结构无损检测教学试验的条件。

三、试件设计与教学方法改进

钢结构工程检测包括钢结构的原材料、焊材、焊接件、紧固件、焊缝、螺栓球节点、涂料等材料和工程的全部规定的试验检测内容。而无损检测NDT（Non-destructive testing），就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。

本次无损检测教学试验设计总体设想就是尽量把“现场”搬到试验室和课堂，因此试验设计原则是在还原现场检测和满足钢结构工程常用检测参数的情况下，尽量做到试件的小而轻。并以高等结构试验课程为依托，结合试验室现有教学和科研试验设备，并适当补充相关试验设备，开设钢结构现场无损检测演示试验，从而增强学生对钢结构现场无损检测试验的认识，完善建筑结构试验的实验教学体系。

（一）超声波测钢材厚度试验

开口的钢型材厚度一般可用钢直尺或游标卡尺测得，但对闭口截面的厚度则无法用上述方式测得，就会用到超声测厚试验法，其原理是超声波测厚仪器探头发射的超声波脉冲到达被测物体并在物体中传播，到达材料分界面时被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

考虑到试件拿取的便利性，本次试件设计均选择便于携带的小试件，能满足现场试验要求即可。测厚试件选取三组实际工程常用型钢，材质均为Q235。规格为Φ50×5、I10、[6.3，如图1所示。由于试件是单根构件，两端是自由的（实际工程中两端是连接的），测得的厚度可采用游标卡尺复核或查阅型钢表，从而可达到互相验证的目的。

（二）表面硬度法测钢材强度试验

对已建钢结构鉴定时，检测钢材材质是很重要的测定内容，为了解钢材的力学性能，最理想的方法是在结构上截取试样，由拉伸试验确定相应的强度指标，但这会损伤结构，影响它的正常工作，并需要进行补强。现场无损方法会采用表面硬度法——里氏硬度试验法间接推断钢材强度，其原理是用规定质量的冲击体在弹簧力作用下以一定速度垂直冲击试样表面，以冲击体在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值来表示材料的里氏硬度，进而推算钢材的抗拉强度。

试件选取三种材质，即Q235，Q345和铸铁，从外观是看不出其材质的，但通过表面硬度法可推断其材质。钢板规格均为-100×100×12，如图2所示。

（三）焊缝表面质量检验

焊接连接是现代钢结构最主要的连接方式，而焊缝质量要通过多途径的检验来保证。此次试验设计采用焊缝检验尺，其由主尺、高度尺、咬边深度尺和多用尺4个零件组成，利用线纹和游标测量等原理，检验焊接件的焊缝宽度、高度、焊接间隙、坡口角度、咬边深度等焊缝尺寸和表面质量。

试件选取两组工程中主要两种不同焊接形式的焊件——对接焊缝和角焊缝焊件。试件如图3所示。

（四）钢材防腐覆层厚度检验

钢材的耐腐蚀性较差是钢结构的一大弱点，防止钢材腐蚀的主要措施是依靠涂料来加以保护，覆层厚度厚度必须满足相应规范和设计要求。试验设计采用磁性测厚试验法，其原理是当测头与覆盖层接触时，测头和磁性金属基体构成一闭合磁路，由于非磁性覆盖层的存在，使磁路磁阻变化，通过测量其变化可导出覆盖层的厚度。

试件选取四组不同覆层厚度，材质为Q235。钢板规格均为-100×100×4，如图4所示。

此外在教学中通过传统方法和多媒体技术相结合的教学方法加强学生对钢结构现场无损检测的基础认知，通过理论教学和试验教学相结合的教学方式培养学生的动手能力，同时巩固课程知识和前修课程知识，通过课堂教学和实际工程相结合的教学方式培养学生的抽象思维能力，通过课堂讲解和互动问答相结合的教学方式培养学生举一反三的发散思维能力，通过本学期的试运行，激发了学生的学习热情和研究热情，取得了良好的教学效果。

四、结语

梳理和构建符合新阶段土木工程专业工程教育认证要求的课程大纲和教学内容，建立试验和理论有机结合、虚拟和现实有机结合的土木工程专业高等结構试验教学新方法，是本次课程教学改革的目的。但本课程建设任重道远，今后实验课可分成认识实验、演示实验和自主实验三个部分，来满足不同层次学生的学习需求。认识实验是实验教学的第一个层次，主要的教学内容包括实验平台的构成和主要设备及其使用方法;演示实验由教师演示讲解，试验项目丰富多彩、紧扣教学大纲，加深了学生对理论知识的理解，弥补了课堂教学的不足;自主实验由学生自主设计和实施，培养了学生的动手能力和学习主动性，这些对学生以后的工作或继续学习具有重要的作用。

参考文献

[1]姚振纲，刘祖华.建筑结构试验[M].上海：同济大学出版社，1996.

[2]吴启迪.中国高等工程教育发展论坛报告集[M].上海：同济大学出版社，2015.

[3]沈之容.浅谈建筑结构试验课程教学改革[J].教育教学论坛，2015，2（6）：83-84.