新机场钢结构骨架。
▲对新机场钢结构进行安全检测。
下穿高铁，上落飞机，能把鸟巢全装下。北京新机场，被称为“首都的新名片，国家的新大门”，预计明年10月正式投入使用。在这座规模宏伟的工程内部，钢结构极为复杂——整体由6万多根钢架、1万多个连接球以及10万多吨用钢量、国内首创的8个C型支撑柱组成。大量的钢结构，就如同是新机场的骨架。而在每个连接钢结构的焊接点上，都会产生一种威胁结构安全的内在因素叫“残余应力”，会使机场的“骨骼”变形，甚至断裂，相当于人体骨骼关节上出现的变形与开裂。因此，在新机场建设过程中，配备“骨科大夫”进行“体检”，确认整个机场的“骨骼强度”和“结构安全”显得尤为重要。
北京理工大学检测与控制研究所的徐春广教授团队，就担当起了新机场的“骨科大夫”。他们利用自主研发的“残余应力超声无损检测系统”，对庞大的主承载钢结构进行了“焊接残余应”和“装配应力”的“骨科检查”，并根据“体检报告”分析新机场主承力结构的载荷状态，确保了其受力状态和安全性完全符合设计及建造的要求。
新机场建设中发现隐患
去年年初，北京新机场钢结构主体工程建设正按部就班地进行着。在设计和施工环节，工程方发现了机场建设的潜在隐患：焊接过程中会产生残余应力，由此还可能引起变形，这些变形到了一定程度会引起“骨骼断裂”。新机场钢结构承载量巨大，如果骨架出现变形和开裂的情况，就会引起重大事故，造成巨大损失。每一位机场建设者都清楚，“在机场，掉下任何东西都是绝对禁止的。”而想要避免隐患的发生，就需要为新机场找到一个资深的“骨科大夫”。
当时，负责对新机场的焊接节点进行探伤检测的是一家来自外地的检测公司，但他们只能检测钢结构焊接缺陷等“皮外伤”，而无法对新机场内部的“骨骼强度”进行检测。考虑到新机场钢结构建设和未来服役安全性的迫切需要，这家公司将徐春广团队及其技术推荐给了工程现场钢结构建设项目负责人。听说有人能担此大任，建设方负责人立刻亲自带队到北理工检测与控制研究所，找到了徐春广。
“当时他是不大相信的，他搞了这么多年工程建设，从没听说过有人能测金属构件内部的残余应力。”在了解了对方的疑惑后，徐春广给建设方负责人详细介绍了检测技术原理，并讲述了之前对国防军工装备、航空航天、西气东输管道工程和厦门金砖会议主会场工程等进行检测的成功案例。在实验室，建设方负责人详细观看了实际检测和操作过程，经过反复考证和确认后，肯定了徐春广团队自主研发的“残余应力超声无损检测与调控系统”。此后，这一技术也得到了新机场工程设计方和监理方的认可。
最终，去年5月，新机场建设各方在机场建设指挥部召开了联合会议，经过技术答辩、现场质疑、学术和技术研讨等环节，一致认可并通过了徐春广团队的检测技术，同意将其应用到新机场骨架的安全性检测中。
“骨骼强度”一测便知
那么，徐春广团队自主研发的“残余应力超声无损检测系统”到底如何对新机场进行“骨科检查”呢？徐春广解释，整套检测系统被设计安装在一台电脑中。从外观上看，搭载检测系统的设备就像一个“黑匣子”，打开后有显示屏和键盘，屏幕右侧有一些特殊的按钮；“黑匣子”外部连接着两根电线，电线的另一端是超声探头。实际检测时，操作人员需要手持探头，让探头与钢结构骨架的表面贴合好，此时屏幕上会显示超声波在钢结构内部的波形与传播速度等，根据数据可以计算出残余应力的大小、方向和数值，确定被测位置的“骨骼强度”，分析是否存在“健康隐患”。操作人员需要围绕骨架的每个焊接位置进行多点检测，整个过程就相当于给新机场的骨架做了个“B超”。
去年冬天，徐春广团队开始对新机场钢结构主体工程进行检测。当时新机场的地基刚刚打好，一共有8组C型柱用于支撑机场上顶。经机场建设各方确认，选择了承受力最大的一组支柱进行检测。“这组支柱是整个机场承重最大、也是最核心比较重要的支撑，关系到机场钢结构整体安全。”徐春广介绍，“如果它出现了问题，整个机场就会出现重大质量事故，所以我们选择从这一‘致命要害’入手。”
据了解，他们选择的这组C型柱一共有几百个焊接位置，每个焊接位置附近，又需要做多次的检测，总共算下来，需要对近千个点进行检测。检测的时候，操作人员需要从骨架与地面接触的节点开始，逐渐往高处攀登，在每一焊接位置附近停留、检测。
随着检测的位置越来越高，检测的难度也逐渐递增。由于设备的超声技术先进，对精度要求极高，所以操作人员在测量时，需要将超声探头与钢结构表面完好贴合。在很高的状态下，人的精神本来就紧张，既要注意安全，又要集中精神使探头与钢结构表面紧密贴合，再加上“骨骼”本身是圆柱形的，弧形的表面使得检测过程更加艰难。“一边贴合，一边要看着屏幕的信号，需要同时兼顾两边，这对操作人员来说，难度是非常大的。”徐春广解释道，“较高点距地面有五六十米，操作人员最后都是坐起重车上去的。”
新机场“骨架”安全可靠
据徐春广介绍，现场的实际操作人员中，不少是研究所里的研究生和青年教师，他们与检测公司的检测人员一起，不畏严寒、克服高空作业反应，在极其严酷的环境下，顺利完成了检测任务。“记得当时有名学生恐高，再加上冬天天气冷，他站在起重机上发晕，我们立马把他叫了下来，换了其他人上去。”徐春广说，“他们要测量近千个焊接节点，这样的工作量对从事科研的他们来说根本不在话下，但工程现场毕竟不是实验室，尤其是严寒高空的作业环境，还是会出现一些意想不到的状况。”对于这种实际操作中出现的问题，团队都会在问题解决后进行反思和技术升级。
今年3月底，徐春广团队顺利完成了对新机场主承力钢结构的安全性检测任务。检测结果显示，在新机场的钢结构内部，不存在威胁安全性的残余应力，机场骨架能够承受住整体结构的载荷。不论是受力状态还是结构安全性，都完全符合设计之初的构思与要求。
在成功为新机场内部骨架排除了“健康隐患”后，团队又对封顶后的一些位置进行了检测与排查。如今，整个团队已将工作重点转移到新机场的“健康监测”上，工作内容包括对新机场的“定期体检”、特殊天气时的“抽样检查”、关键节点安全服役状态的“长期连续体检”等。徐春广解释说，在大风和暴雪等天气时，外界的作用会给机场施加外力，增加钢结构的载荷，进而会导致钢结构内部发生变化，使钢结构发生变形和开裂等问题。这时，新机场的“骨科大夫”需要及时上场，为“骨骼健康”提前预警，确保新机场骨架的结构安全，为首都经济建设、人民出行安全保驾护航。
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