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摘要：隨著(zhù)建筑鋼結構的廣泛應用和迅速發(fā)展，鋼結構的應用已經(jīng)不局限于骨架結構的應用，越來(lái)越多的建筑立面利用鋼結構進(jìn)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(yè)人員，一般都比較熟悉。但噴砂(拋丸)工藝在除銹的同時(shí)，還會(huì )給鋼材表面帶來(lái)一定的形狀改變，對截面剛度比較小的薄鋼板構件會(huì )連同構件本身也發(fā)生明顯的變形，這一點(diǎn)往往被大家忽略。本文就通過(guò)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(gè)構件的影響做一個(gè)淺析。

    關(guān)鍵詞：噴砂(拋丸)工藝：殘余壓應力：殘余變形

    中圖分類(lèi)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(guān)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(guān)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(huán)境”，為了達到該目的，在鋼結構加工制作時(shí)，其中有一項工序就是采用了噴砂工藝對鋼板表面進(jìn)行預處理。

    央視新址大樓“銹鋼板”的尺寸為3mm厚、3000mm長(cháng)、100mm寬。鋼板表面經(jīng)過(guò)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(shí)使表面獲得一定的粗糙度，使鋼板表面形成一個(gè)較為規則的紋理，之后再通過(guò)“銹蝕劑”的作用，達到“銹鋼板”所必須的景觀(guān)要求。但鋼板表面經(jīng)過(guò)噴砂后，整塊鋼板卻產(chǎn)生了彎曲變形，彎曲矢高達200mm左右。后來(lái)又采用拋丸工藝進(jìn)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(chǎn)生了變形?又如何來(lái)控制這些變形?噴砂(拋丸)工藝對鋼材表面又產(chǎn)生了怎樣的影響?通過(guò)對央視新址大樓“銹鋼板”的制作，對以上問(wèn)題進(jìn)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(dòng)能轉化為沖擊力和摩擦力來(lái)清除鐵銹。但二者產(chǎn)生運動(dòng)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(jìn)行清理的一種方法：拋丸是用電機帶動(dòng)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(jìn)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(mǎn)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(guò)噴砂(拋丸)工藝的原理的理解，我們知道在除銹的時(shí)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(shí)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(shuō)，砂?；蛲枇Ｔ跊_擊鋼材表面的時(shí)候，鋼材表面的纖維在沖擊力的作用下產(chǎn)生了變形，而這種變形在力撤消的時(shí)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(shí)油漆嵌固于這些凹坑內，大大提高了漆膜的附著(zhù)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(jiǎn)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(fā)生明顯的形狀的改變，但如果對薄鋼板進(jìn)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(gè)改變也出乎常規的意料，按照力學(xué)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(gè)面的方向拱起。在薄鋼板構件的制作中還發(fā)現磨料的材質(zhì)和顆粒的大小對構件的變形大小也有一定的關(guān)系，磨料材質(zhì)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(cháng)度均為220mm的正方形平鋼板做三個(gè)試件，將三個(gè)試件的一面用噴砂的方式除銹，結果是3mm厚的試件四個(gè)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(méi)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(chǎn)生一定的變形，剛度小的薄鋼板構件影響會(huì )大一些。

    圖13mm鋼板噴砂后自動(dòng)起拱示意圖

    5噴砂(拋丸)工藝使鋼構件產(chǎn)生變形的原因

    眾所周知，力是構件產(chǎn)生變形的原因，反過(guò)來(lái)說(shuō)有變形必有力的作用，噴砂(拋丸)工藝所產(chǎn)生的沖擊力沒(méi)有使試件產(chǎn)生向著(zhù)沖擊方向的變形，反而是逆著(zhù)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(chǎn)生變形的狀態(tài)下沖擊力已經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(huì )使鋼結構產(chǎn)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(chǎn)生殘余應力嗎?答案是肯定的，而且對作用面產(chǎn)生的是殘余壓應力。這也許會(huì )帶來(lái)更大的疑問(wèn)，殘余壓應力是怎樣產(chǎn)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(gè)復雜的課題，它往往會(huì )涉及到材料的微觀(guān)結構，下面用一些我們常規理解的力學(xué)知識對此現象做一個(gè)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(chǎn)生變形的直接原因，但卻是產(chǎn)生殘余應力的直接原因。當砂?；蛲枇Ｔ跊_擊鋼材表面的時(shí)候。在鋼材表面形成了密密麻麻的凹坑，使鋼材表面纖維產(chǎn)生了變形，而這種變形已經(jīng)超出彈性變形的范圍，達到甚至超過(guò)了鋼材的屈服極限，從而使鋼材表面纖維產(chǎn)生了一定的塑性變形，也就是原來(lái)的纖維被拉長(cháng)，當沖擊力消失后，鋼材表面纖維在反彈回縮的時(shí)候，不能夠恢復到原來(lái)的長(cháng)度，而是比原來(lái)的長(cháng)，產(chǎn)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(jīng)拉長(cháng)的纖維有著(zhù)強烈恢復到原來(lái)平面位置的趨勢，但原來(lái)的位置比它現在的長(cháng)度短，容不下，所以已經(jīng)拉長(cháng)的纖維為了回到原來(lái)的位置，只能對已經(jīng)拉長(cháng)的纖維產(chǎn)生壓縮的作用，這時(shí)在纖維中就產(chǎn)生了壓應力。

這種壓應力是在外荷載取消后產(chǎn)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(gè)比喻，鋼板表面的一個(gè)個(gè)凹坑，就象在鋼板表面安放了一個(gè)個(gè)被壓縮的彈簧，在這無(wú)數個(gè)被壓縮的彈簧的擴張作用下，帶動(dòng)鋼材表面纖維整體變長(cháng)，這是一個(gè)已經(jīng)變長(cháng)了的纖維要擠回原位置并將原位置擠壓擴大的過(guò)程，與我們平常的拉伸變長(cháng)不同。鋼板表面纖維變長(cháng)，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(guò)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(cháng)，這種拉長(cháng)的變形隨著(zhù)距表面越遠，變形越小，至鋼板截面中性層已減為零，過(guò)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(cháng)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(gè)受均布荷載作用的簡(jiǎn)支梁的變形有點(diǎn)相似，不同之處簡(jiǎn)支梁是在外荷載作用下產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生變形，控制這種變形可以從以下幾個(gè)方面入手：

    1)提高薄鋼板構件的剛度，通過(guò)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(chēng)進(jìn)行，可以使變形減??；

    3)采用輕質(zhì)和顆粒小的磨料，在減小對鋼板沖擊力的同時(shí)，也會(huì )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(shí)，就是通過(guò)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(guān)要求。

    7噴砂(拋丸)工藝對鋼構件產(chǎn)生的有利影響

    鋼構件的表面在經(jīng)過(guò)噴砂(拋丸)工藝處理后，在鋼材的表面會(huì )產(chǎn)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(chǎng)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(lái)除銹。但噴砂(拋丸)工藝在鋼材表面產(chǎn)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(guān)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(zhù)的提高材料的抗疲勞強度，很多機械零部件都會(huì )采用噴砂(拋丸)工藝來(lái)強化表面，例如我們日常乘坐的汽車(chē)的鋼板的工作面就是用噴丸來(lái)強化的。

    總的來(lái)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(huán)境的目的。

    參考文獻：

    [1]沈祖炎，黃文忠，沈德洪編著(zhù)，鋼結構制作安裝手冊。

    [2]武漢水利電力學(xué)院建筑力學(xué)教研室編著(zhù)，材料力學(xué)。

    [3]中國建筑工業(yè)出版社出版，鋼結構設計手冊。