鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘要：隨著建筑鋼結構的廣泛應用和迅速發展，鋼結構的應用已經不局限于骨架結構的應用，越來越多的建筑立面利用鋼結構進行裝飾處理，作為鋼結構防腐涂裝前的表面預處理工藝一噴砂(拋丸)除銹工藝也得到了廣泛應用。噴砂(拋丸)工藝的除銹作用，作為鋼結構從業人員，一般都比較熟悉。但噴砂(拋丸)工藝在除銹的同時，還會給鋼材表面帶來一定的形狀改變，對截面剛度比較小的薄鋼板構件會連同構件本身也發生明顯的變形，這一點往往被大家忽略。本文就通過央視新址大樓墻面銹鋼板的噴砂(拋丸)工藝對鋼材表面乃至整個構件的影響做一個淺析。
關鍵詞：噴砂(拋丸)工藝：殘余壓應力：殘余變形
中圖分類號：TU391
文獻標識碼：B
文章編號：1008-0422(2009)05-0243-02
1前言
央視新址大樓根據建筑景觀要求，部分墻面裝飾采用“銹鋼板”。
“銹鋼板”作為新型鋼結構裝飾，要求其“鋼板表面銹蝕景觀性好、而鋼結構整體抗腐蝕能力又強、維護費用少、節約資源和保護環境”，為了達到該目的，在鋼結構加工制作時，其中有一項工序就是采用了噴砂工藝對鋼板表面進行預處理。
央視新址大樓“銹鋼板”的尺寸為3mm厚、3000mm長、100mm寬。鋼板表面經過噴砂處理后，可以比較徹底的清除鋼材表面的氧化皮、銹及污物等，同時使表面獲得一定的粗糙度，使鋼板表面形成一個較為規則的紋理，之后再通過“銹蝕劑”的作用，達到“銹鋼板”所必須的景觀要求。但鋼板表面經過噴砂后，整塊鋼板卻產生了彎曲變形，彎曲矢高達200mm左右。后來又采用拋丸工藝進行了試驗，和噴砂后的變形結果基本相同。然而鋼結構作為裝飾材料對鋼板表面的平整度要求很高，板面的平整度要達到1m靠尺偏差小于1.5mm，200mm的矢高和1.5mm的要求相差太大。究竟是什么原因使鋼板產生了變形?又如何來控制這些變形?噴砂(拋丸)工藝對鋼材表面又產生了怎樣的影響?通過對央視新址大樓“銹鋼板”的制作，對以上問題進行分析總結，下面就此作一些闡述。
2噴砂(拋丸)工藝的原理
噴砂和拋丸工藝的原理基本相同，都是用高速飛行的磨料沖擊鋼材表面，將磨料的動能轉化為沖擊力和摩擦力來清除鐵銹。但二者產生運動的方法不同，噴砂是利用壓縮空氣把石英砂高速吹出去對鋼材表面進行清理的一種方法：拋丸是用電機帶動葉輪體旋轉，靠離心力的作用，將直徑在0.2～3.0的丸子(有鑄丸＼切丸＼不銹鋼丸等)拋向鋼材的表面進行清理的一種方法。二者都能使鋼材表面達到一定的粗造度，滿足除銹的等級要求。
3噴砂(拋丸)工藝對鋼材表面形狀的改變
通過噴砂(拋丸)工藝的原理的理解，我們知道在除銹的時候，鋼材表面受到了沖擊力的作用，這種沖擊力不但清除了鋼材表面的氧化皮、銹及污物等，同時使表面獲得一定的粗糙度，而粗糙正是沖擊力作用下使鋼材表面變形所形成的，也就是說，砂粒或丸粒在沖擊鋼材表面的時候，鋼材表面的纖維在沖擊力的作用下產生了變形，而這種變形在力撤消的時候，不能復原，在鋼材表面留下了密密麻麻的凹坑，凹坑的深度大概在5～10μ左右，這些凹坑就是噴砂[拋丸)后在鋼板面上保留的殘余變形，在涂裝時油漆嵌固于這些凹坑內，大大提高了漆膜的附著力。
4噴砂(拋丸)工藝對鋼構件形狀的改變
噴砂(拋丸)工藝對鋼材表面形狀的改變很容易就能理解，因為用手觸摸表面這種簡單的方法我們就能感知到粗糙度，從而理解表面形狀的改變。而噴砂(拋丸)工藝對鋼構件形狀的改變則是我們平常不容易看到的，因為平常所看到的大部分鋼構件用噴砂(拋丸)工藝除銹后并未發生明顯的形狀的改變，但如果對薄鋼板進行噴砂(拋丸)工藝除銹后就可以明顯的看到形狀的改變，而且這個改變也出乎常規的意料，按照力學常識。變形肯定在力作用的方向，而這種變形恰恰相反，朝噴砂(拋丸)工藝除銹的那個面的方向拱起。在薄鋼板構件的制作中還發現磨料的材質和顆粒的大小對構件的變形大小也有一定的關系，磨料材質密度大對應的變形大，磨料顆粒大對應的變形也大一些。用3mm、6mm和12mm厚長度均為220mm的正方形平鋼板做三個試件，將三個試件的一面用噴砂的方式除銹，結果是3mm厚的試件四個邊全能看到明顯的起拱，供的矢高2～3mm；6mm厚的試件有略微的起拱；而12mm厚的試件幾乎沒有變形。根據截面慣性距公式1=bh3/12，可以推出3mm、6mm和12mm厚三種試件的抗彎截面剛度比為1:8:64，三種試件的最后變形值與截面剛度成反比，剛度越大，變形越小。至此可以得出這樣的結論，噴砂(拋丸)工藝能使鋼構件產生一定的變形，剛度小的薄鋼板構件影響會大一些。
圖13mm鋼板噴砂后自動起拱示意圖
5噴砂(拋丸)工藝使鋼構件產生變形的原因
眾所周知，力是構件產生變形的原因，反過來說有變形必有力的作用，噴砂(拋丸)工藝所產生的沖擊力沒有使試件產生向著沖擊方向的變形，反而是逆著沖擊方向起拱，這究竟是什么原因呢?很顯然，反向起拱的直接原因不是沖擊力，因為試件產生變形的狀態下沖擊力已經不存在了。既然不是外力的作用，那一定就是構件內部的作用了，那么是什么內力能使試件產生變形呢?答案就是殘余應力，正是因為殘余應力的作用，才使鋼板試件產生了變形。
在鋼結構制作和施工中，由于火焰切割和焊接等熱加工，會使鋼結構產生殘余應力，而且多數為殘余拉應力，直接影響構件的形狀和承載能力。那么噴砂(拋丸)工藝也能產生殘余應力嗎?答案是肯定的，而且對作用面產生的是殘余壓應力。這也許會帶來更大的疑問，殘余壓應力是怎樣產生的?殘余壓應力又如何使鋼板試件起拱呢?因為殘余應力是一個復雜的課題，它往往會涉及到材料的微觀結構，下面用一些我們常規理解的力學知識對此現象做一個解釋。
噴砂(拋丸)工藝作用在鋼板表面的沖擊力雖然不是鋼板試件產生變形的直接原因，但卻是產生殘余應力的直接原因。當砂粒或丸粒在沖擊鋼材表面的時候。在鋼材表面形成了密密麻麻的凹坑，使鋼材表面纖維產生了變形，而這種變形已經超出彈性變形的范圍，達到甚至超過了鋼材的屈服極限，從而使鋼材表面纖維產生了一定的塑性變形，也就是原來的纖維被拉長，當沖擊力消失后，鋼材表面纖維在反彈回縮的時候，不能夠恢復到原來的長度，而是比原來的長，產生了殘余變形。但在鋼材表面纖維的回縮力和鋼板厚度方向的反彈力的作用下，使得已經拉長的纖維有著強烈恢復到原來平面位置的趨勢，但原來的位置比它現在的長度短，容不下，所以已經拉長的纖維為了回到原來的位置，只能對已經拉長的纖維產生壓縮的作用，這時在纖維中就產生了壓應力。
這種壓應力是在外荷載取消后產生的，是殘留在鋼板表面的一種殘余壓應力。那么殘余壓應力是如何使鋼板變形的呢?可以做這樣一個比喻，鋼板表面的一個個凹坑，就象在鋼板表面安放了一個個被壓縮的彈簧，在這無數個被壓縮的彈簧的擴張作用下，帶動鋼材表面纖維整體變長，這是一個已經變長了的纖維要擠回原位置并將原位置擠壓擴大的過程，與我們平常的拉伸變長不同。鋼板表面纖維變長，必然受到其他層面纖維的阻止，離表面近的層面阻力大，遠的層面阻力逐漸減小，離表面近的層面受的拉力大，遠的層面受的拉力逐漸減小，至鋼板截面中性層已減為零，過了中性層以后，又轉為壓應力，而且距中性層越遠，壓應力也越大。這也使得表面以下的纖維在拉力的作用下被拉長，這種拉長的變形隨著距表面越遠，變形越小，至鋼板截面中性層已減為零，過了中性層以后，又轉為鋼纖維壓縮變短，而且距中性層越遠，壓縮變形越大。正是因為不同層面纖維的變形長度不同，才使得鋼板中間朝噴砂面球面狀拱起，直至達到新的內力平衡。這和一個受均布荷載作用的簡支梁的變形有點相似，不同之處簡支梁是在外荷載作用下產生了變形，而噴砂(拋丸)工藝所引起鋼板的變形則是殘余壓應力作用的結果。
6如何控制噴砂(拋丸)工藝對薄鋼板產生的變形
由于薄鋼板自身的剛度小，在鋼材表面殘余壓應力的作用下，容易產生變形，控制這種變形可以從以下幾個方面入手：
1)提高薄鋼板構件的剛度，通過增加加強肋的方式增加鋼板的剛度，提高抗變形能力：
2)采用相同的噴砂(拋丸)設備，相同的磨料和相同的力度，在鋼板兩面對稱進行，可以使變形減小；
3)采用輕質和顆粒小的磨料，在減小對鋼板沖擊力的同時，也會減小鋼板的變形：
4)噴砂(拋丸)前，先反變形，在除銹后鋼板基本恢復平面。
中央電視臺新址大樓的新型鋼結構墻面——“銹鋼板”加工時，就是通過反復試驗采用了上述措施，有效控制了鋼板的變形，達到了板面平整度的景觀要求。
7噴砂(拋丸)工藝對鋼構件產生的有利影響
鋼構件的表面在經過噴砂(拋丸)工藝處理后，在鋼材的表面會產生殘余壓應力，對于薄鋼板的制作很不利，例如輕型鋼結構廠房所用的c型或z型檁條一般就不應采用噴砂(拋丸)工藝來除銹。但噴砂(拋丸)工藝在鋼材表面產生的殘余壓應力，對鋼材表面還是很有作用的，據機械制造的有關研究資料表明，這種殘余壓應力能夠強化鋼材表面，消除鋼構件表面的殘余拉應力，增強鋼材表面的耐磨性、耐腐蝕性，可以顯著的提高材料的抗疲勞強度，很多機械零部件都會采用噴砂(拋丸)工藝來強化表面，例如我們日常乘坐的汽車的鋼板的工作面就是用噴丸來強化的。
總的來看，噴砂(拋丸)工藝對鋼結構影響利多弊少，因此在鋼材除銹方面，還是大力提倡使用這種工藝，以達到提高鋼結構抗腐蝕能力、減少維護費用、節約資源和保護環境的目的。
參考文獻：
[1]沈祖炎，黃文忠，沈德洪編著，鋼結構制作安裝手冊。
[2]武漢水利電力學院建筑力學教研室編著，材料力學。
[3]中國建筑工業出版社出版，鋼結構設計手冊。
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