王 玲 杨建平 郭小华
(1.中冶检测认证有限公司，北京 100088；
2.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)
钢结构检测是钢结构质量和安全控制的重要手段，其中，钢材强度或种类检测是钢结构检测的一项重要指标，为工程质量评价、安全评估及加固改造提供了重要依据。对于既有钢结构建筑的钢材牌号、强度等检测，目前主要采用局部破损实验法和无损检测方法。
局部破损实验法是指现场取样后进行钢材力学性能试验和化学成分分析的方法[1-3]。这种检测方法存在一定的缺点。首先，会对原有结构造成局部损伤，影响构件的承载性能，如承受动荷载的钢吊车梁等构件，局部损伤严重影响钢构件的承载能力；
其次，受现场通风、空调、供水、热力等管道影响，或遇到钢网架等结构时，取样操作非常复杂，有时甚至根本无法取样；
最后，少量取样不能说明问题，因不清楚工程所用钢材是否为同一型号、批号的钢材，少量取样不能代表整个工程。同时，在化学分析方面[4]，对照1988年以后的国家标准GB/T 700—88《碳素结构钢》和GB/T 1591—88《低合金高强度结构钢》，Q235和Q345中碳和锰的含量接近，无法通过C和Mn的含量判别钢材牌号[4]。因此，采用现场取样检测钢材的方法具有局限性。
无损检测，主要采用表面硬度法[5]，主要有里氏硬度计体积小，使用方便，适用面广，读数快捷，有极高的检测效率，且里氏硬度计弹痕小，对测试物体表面几乎无损伤等优点。同时，里氏硬度法是应用过程中也发现如下的缺点：1)里氏硬度计检测结果受试件的质量、厚度、表面粗糙度、表面硬化层厚度、冲击方向和表面曲率半径等因素影响[6]，如GB/T 17394.1—2014《金属材料里氏硬度试验》[7]规定冲击设备类型为D探头时，最小质量为5 kg，未耦合最小厚度为25 mm，耦合最小厚度为3 mm。2)在里氏硬度换算钢材抗拉强度方面[8]，我国GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》[9]和国际标准ISO/TR 10108[10]给出不同硬度与抗拉强度之间的换算关系，为工程应用提供依据，以防出现误判。3)GB/T 50344—2019《建筑结构检测技术标准》[11]附录N给出了通过里氏硬度推定钢材强度的方法，实际工程中发现推定的强度和实验室拉伸试验所得的强度值偏差很大。GB/T 33362—2016《金属材料 硬度值的换算》[12]规定：硬度试验和拉伸试验至今存在差异，难以用一种模型在两个参数之间建立可靠的函数关系，也就是硬度和强度之间无精确的函数关系。总之，不能通过里氏硬度较准确推算钢材抗拉强度。
实际工程中常见的建筑用钢材牌号主要为Q235和Q345两种钢材，钢材与混凝土不同，混凝土强度受现场施工质量影响，而钢材属于成品产品，通常在工厂检验合格后才能出厂。实际工程中主要问题是，图纸缺失无法获知钢材牌号，或者构件厂加工或者施工中用错钢材牌号，甚至原设计钢材牌号为Q345，实际工程用的是Q235，给结构安全埋下隐患。因此，本文通过对622个不同规格的两种牌号Q235和Q345进行里氏硬度测试，并进行力学性能拉伸试验，通过数理统计分析方法给出采用里氏硬度法判别钢材牌号的方法。
钢材的硬度试验需要结合金属材料实验室的送检钢材拉伸试验进行。送检的钢材从不同施工现场取样得来，来自全国不同钢材生产商，选取Q235和Q345两种牌号的钢材，钢材厚度不小于12 mm。试验时间从2018—2020年，总共进行了122根Q235和500根Q345钢板的硬度试验和钢材拉伸试验。
为了能在现场对既有钢结构钢材进行测试，本文选用便携式里氏硬度计测试钢材的硬度。里氏硬度法的原理是，用规定质量的冲击体，在弹力作用下以一定速度垂直冲击试样表面，其影响因素主要包括试件的质量和厚度、表由粗糙度、表面硬化层度、冲击方向、表由曲率半径等。为了尽可能接近实际工程情况，将试件固定在卡具上进行测试，以保证实验室测试结果与实际工程一致。具体试验步骤如下：
1)用送检的不同厚度的钢材样坯作为硬度测试试样，经加工试件长度为500 mm，宽度为25 mm。
2)对钢材表面进行打磨处理，用粗糙度仪测定打磨面粗糙度，测量不应少于 5 次，取其平均值，测试表面粗糙度应不大于1.6 μm。
3)将试样固定在卡具上，采用校准过的D型探头里氏硬度计进行钢材表面硬度测试，每个试样上取9个里氏硬度值，取平均值作为该试样的里氏硬度。
4)在试验机上进行拉伸试验，从而得到试样的屈服强度、抗拉强度值。本次试件拉伸试验是委托我公司钢材实验室进行的，钢材屈服前加载速率为30 MPa/s，钢材屈服后通过控制平行长度与需要的应变速率相乘得到横梁位移速率来控制加载速度。典型钢板的拉伸试验力-位移曲线如图1所示。
a—Q235;b—Q345。图1 拉伸试验力-位移曲线Fig.1 Force-displacement curves of tensile tests
试验主要数据为钢材的里氏硬度值、屈服强度和抗拉强度，Q235钢共有122组数据，Q345钢500组数据，两种钢材的试验数据如图2所示。图中横坐标为里氏硬度值，纵坐标为抗拉强度和屈服强度。
2.1 钢材强度分布规律
对强度数据进行统计，得到屈服强度和抗拉强度的分布情况。由图3可见，Q235钢的屈服强度均值为320 MPa，标准差为39.4 MPa；
Q345钢的屈服强度均值为408 MPa，标准差为37.0 MPa；
在95%保证率下，Q235钢屈服强度上限值和Q345钢的下限值分别为385，347 MPa。由图4可见，Q235钢的抗拉强度均值为447 MPa，标准差为30 MPa；
Q345钢的抗拉强度均值为547 MPa，标准差为26.8 MPa；
在95%保证率下，Q235钢抗拉强度上限值和Q345钢的下限值分别为496,503 MPa。根据试验分析得出:当利用现场取样实验室拉伸试验的强度确定钢材牌号时，抗拉强度大于496 MPa、屈服强度大于385 MPa时，可判断为Q345钢；
抗拉强度值小于503 MPa、屈服强度小于348 MPa时，可判断为Q235钢。如有怀疑时，应增加现场取样数量，根据钢材力学性能试验结果判定钢材牌号。
a—Q235;b—Q345。-屈服强度；
-抗拉强度。图2 试验得到的Q235钢和Q345钢的里氏硬度与钢材抗拉强度和屈服强度Fig.2 Relations of scatter plots between Leeb hardness and steel strength of Q235 and Q345
图3 钢材屈服强度分布Fig.3 Distribution for yield strength of steel
图4 钢材抗拉强度分布Fig.4 Distribution for tensile strength of steel
2.2 钢材强度与硬度相关性
为了确定Q235和Q345这两种钢材强度与里氏硬度之间的关系，本文采用了线性、指数、对数、多项式和乘幂五种常见的函数形式，对所测试的试验数据进行了回归分析，以确定能否找到一种适合里氏硬度与屈服强度或抗拉强度的曲线，分析结果如表1所示。
表1 回归分析的决定系数Table 1 Coefficients of determination in regression analysis
分析结果表明，决定系数R2均小于0.1，说明相关性很差，表明钢材里氏硬度与强度无对应的函数关系。因此，对于特定的Q235钢或Q345钢，不能通过硬度法检验钢材强度是否满足质量要求，也不能得到可供结构计算分析所需的强度推定值。
2.3 钢材硬度分布规律
为了找到Q235和Q345的里氏硬度值分布规律，对其进行了统计分析，分别得出两种钢材硬度的分布，如图5所示。
图5 Q235和Q345里氏硬度分布Fig.5 Leeb hardness distribution of Q235 and Q345
由图5可见:Q235和Q345里氏硬度值服从正态分布。Q235钢的硬度均值为384，标准差为41；
Q345钢的硬度均值为430，标准差为22.7。在95%保证率下，Q235硬度值的置信区间为[317，451]，Q345的置信区间为[393，467]。分析结果表明，两种钢材的硬度存在较大的重合区域，从而得知，在大多数的情况下，用一个测区的硬度值无法判别钢材的种类。
值得指出的是:目前有些钢结构检测采用一个测区的里氏硬度推算抗拉强度，然后用推算的抗拉强度和钢材标准的下限值对比来评价钢材质量和确定钢材牌号。按照前述钢材强度与硬度相关性检验，决定系数R2均小于0.1，钢材里氏硬度与强度无对应的函数关系，说明采用一个测区检测钢材强度的检测结果的可信度很低。
2.4 多个测区硬度平均值的分布规律
在EXCEL中利用rand随机函数和row函数，对Q235钢的122个测区硬度值和Q345钢的500个测区硬度值，分别每次随机抽10个和20个硬度值，抽取100次，取每次随机抽取数组的平均值，硬度平均值分布见图6。
a—随机抽取10个测区;b—随机抽取20个测区。图6 抽取100次硬度平均值分布Fig.6 Mean value distribution of random samples of 100 times
随机抽取10个测区时，Q235里氏硬度10个测区平均值的100次均值为378，标准差为10.1；
Q345里氏硬度10个测区平均值的100次均值为430，标准差为6.7。具有95%保证率的Q235钢上限值和Q345钢的下限值分别为394和419。
随机抽取20个测区时，Q235里氏硬度20个测区平均值的100次均值为378，标准差为3.9；
Q345里氏硬度20个测区平均值的100次均值为430，标准差为4.2。具有95%保证率的Q235钢上限值和Q345钢的下限值分别为389和423。
由图6可以看出:不论随机抽10个测区还是20个测区，Q235和Q345的硬度值均存在明显差异。这个结果表明，既有钢结构现场检测同批次随机进行10个以上测区的里氏硬度测试就能判别钢材牌号。
根据试验数据分析，对于既有钢结构，在排除其他更高或更低强度级别的钢材牌号，只限于Q235和Q345这两个强度级别的情况下，可以采用如下方法判别Q235和Q345钢。
1)当图纸齐全，可获知原设计钢材牌号时：
若原设计为Q345，检验批硬度平均值不小于419，评定为Q345钢；
若原设计为Q345，检验批硬度平均值小于419，应抽取少量试样进行拉伸试验(屈服强度、抗拉强度和伸长率)。
当钢材的抗拉强度值大于496 MPa、屈服强度大于385 MPa时，评定为Q345钢。当抗拉强度值小于503 MPa、屈服强度小于348 MPa时，评定为Q235钢。
若原设计为Q235，无需进行硬度和钢材强度检验。
2)当图纸缺失无法获知原设计钢材牌号时：
若检验批硬度平均值不小于419，评定为Q345钢；
若检验批硬度平均值不大于394，评定为Q235钢；
若检验批硬度平均值介于394和419，应抽取少量试样进行拉伸试验(屈服强度、抗拉强度和伸长率)。
当钢材的抗拉强度值大于496 MPa、屈服强度大于385 MPa时，评定为Q345钢；
当抗拉强度值小于503 MPa、屈服强度小于348 MPa时，评定为Q235钢。
为了验证上述试验方法，对7个工程同批次的钢结构硬度测试值进行统计，测区数不少于20个，结果见表2。
表2 验证结果Table 2 Validation results
根据GB/T 700—2006《碳素结构钢》规定，Q235钢材抗拉强度为370～500 MPa；
根据GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》规定，Q345的抗拉强度为470～630 MPa。可见，采用试验判别结果和采用里氏硬度法判别结果符合良好，且用该方法也检验出了现场用错钢材的现象，如某棒线主厂房原设计Q345钢，采用本文的方法检测推断为Q235钢，通过现场取样拉伸试验，钢材强度为458 MPa，进一步验证了本方法的可靠性。
通过大量里氏硬度和钢材拉伸强度试验及数据分析，可以得出如下结论：
1)Q235钢材的抗拉强度上限值为496 MPa，Q345钢材的抗拉强度下限值为503 MPa。当利用现场取样、实验室拉伸试验的强度确定钢材牌号时，抗拉强度值大于496 MPa、屈服强度大于385 MPa时，可判断为Q345钢；
抗拉强度值小于503 MPa、屈服强度小于348 MPa时，可判断为Q235钢。如有怀疑时，应增加现场取样数量，根据钢材力学性能试验结果判定钢材牌号。
2)钢材里氏硬度与钢材的屈服强度和抗拉强度无对应的函数关系，对于特定的Q235钢或Q345钢，不能通过硬度法检验钢材强度是否满足质量要求，也不能得到可供结构计算分析所需的强度推定值。
3)采用一个测区检测钢材强度的检测结果可信度很低，既有钢结构现场检测同批次随机抽取10个以上测区进行里氏硬度测试可判别钢材牌号，每个构件划定为一个测区，打磨3处，每处测3个硬度值。
4)确定了一种采用里氏硬度法判别钢材牌号的方法，给出了里氏硬度判别Q235的上限值为394，判别Q345下限值为419，并经工程验证，该方法能够满足现场检测的要求，且减少对原结构的损伤，建议作为钢材牌号检验的一种有效方法，予以推广应用。
5)本文方法适用于Q235和Q345钢材，对于厚度小于12 mm的构件，应选择合理的检测位置，如工字型钢可选择在翼缘与腹部交接处，但应避开热影响区；
同时，对于厚度小于12 mm的构件，应进行足够的耦合处理，再进行检测。
6)本文试验数据有限，希望今后得到更多的试验数据和现场检测数据，通过数据的积累，进一步对本方法进行验证和修正，为钢结构检测评估提供更加可靠的依据。
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