噴砂（拋丸）工藝對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)表面的影響

摘要：隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)不局限于骨架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，越來(lái)越多的建筑立面利用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝飾處理，作為鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝前的表面預(yù)處理工藝一噴砂(拋丸)除銹工藝也得到了廣泛應(yīng)用。噴砂(拋丸)工藝的除銹作用，作為鋼結(jié)構(gòu)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(duì)截面剛度比較小的薄鋼板構(gòu)件會(huì)連同構(gòu)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(duì)鋼材表面乃至整個(gè)構(gòu)件的影響做一個(gè)淺析。

關(guān)鍵詞：噴砂(拋丸)工藝：殘余壓應(yīng)力：殘余變形

中圖分類號(hào)：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0422(2009)05-0243-02

1 前言

央視新址大樓根據(jù)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(jié)構(gòu)裝飾，要求其“鋼板表面銹蝕景觀性好、而鋼結(jié)構(gòu)整體抗腐蝕能力又強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用少、節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境”，為了達(dá)到該目的，在鋼結(jié)構(gòu)加工制作時(shí)，其中有一項(xiàng)工序就是采用了噴砂工藝對(duì)鋼板表面進(jìn)行預(yù)處理。

央視新址大樓“銹鋼板”的尺寸為3mm厚、3000mm長(zhǎng)、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(guī)則的紋理，之后再通過(guò)“銹蝕劑”的作用，達(dá)到“銹鋼板”所必須的景觀要求。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(dá)200mm左右。后來(lái)又采用拋丸工藝進(jìn)行了試驗(yàn)，和噴砂后的變形結(jié)果基本相同。然而鋼結(jié)構(gòu)作為裝飾材料對(duì)鋼板表面的平整度要求很高，板面的平整度要達(dá)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(duì)鋼材表面又產(chǎn)生了怎樣的影響?通過(guò)對(duì)央視新址大樓“銹鋼板”的制作，對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)，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(zhuǎn)化為沖擊力和摩擦力來(lái)清除鐵銹。但二者產(chǎn)生運(yùn)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(duì)鋼材表面進(jìn)行清理的一種方法：拋丸是用電機(jī)帶動(dòng)葉輪體旋轉(zhuǎn)，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(dá)到一定的粗造度，滿足除銹的等級(jí)要求。

3 噴砂(拋丸)工藝對(duì)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(fù)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(nèi)，大大提高了漆膜的附著力。

4 噴砂(拋丸)工藝對(duì)鋼構(gòu)件形狀的改變

噴砂(拋丸)工藝對(duì)鋼材表面形狀的改變很容易就能理解，因?yàn)橛檬钟|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(duì)鋼構(gòu)件形狀的改變則是我們平常不容易看到的，因?yàn)槠匠Ｋ吹降拇蟛糠咒摌?gòu)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(duì)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(guī)的意料，按照力學(xué)常識(shí)。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(gòu)件的制作中還發(fā)現(xiàn)磨料的材質(zhì)和顆粒的大小對(duì)構(gòu)件的變形大小也有一定的關(guān)系，磨料材質(zhì)密度大對(duì)應(yīng)的變形大，磨料顆粒大對(duì)應(yīng)的變形也大一些。用3mm、6mm和12mm厚長(zhǎng)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(jié)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厚的試件幾乎沒有變形。根據(jù)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(jié)論，噴砂(拋丸)工藝能使鋼構(gòu)件產(chǎn)生一定的變形，剛度小的薄鋼板構(gòu)件影響會(huì)大一些。

5 噴砂(拋丸)工藝使鋼構(gòu)件產(chǎn)生變形的原因

眾所周知，力是構(gòu)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)生的沖擊力沒有使試件產(chǎn)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?yàn)樵嚰a(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(gòu)件內(nèi)部的作用了，那么是什么內(nèi)力能使試件產(chǎn)生變形呢?答案就是殘余應(yīng)力，正是因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的作用，才使鋼板試件產(chǎn)生了變形。

在鋼結(jié)構(gòu)制作和施工中，由于火焰切割和焊接等熱加工，會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而且多數(shù)為殘余拉應(yīng)力，直接影響構(gòu)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(yīng)力嗎?答案是肯定的，而且對(duì)作用面產(chǎn)生的是殘余壓應(yīng)力。這也許會(huì)帶來(lái)更大的疑問(wèn)，殘余壓應(yīng)力是怎樣產(chǎn)生的?殘余壓應(yīng)力又如何使鋼板試件起拱呢?因?yàn)闅堄鄳?yīng)力是一個(gè)復(fù)雜的課題，它往往會(huì)涉及到材料的微觀結(jié)構(gòu)，下面用一些我們常規(guī)理解的力學(xué)知識(shí)對(duì)此現(xiàn)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(yīng)力的直接原因。當(dāng)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(dá)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(zhǎng)，當(dāng)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(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度，而是比原來(lái)的長(zhǎng)，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(zhǎng)的纖維有著強(qiáng)烈恢復(fù)到原來(lái)平面位置的趨勢(shì)，但原來(lái)的位置比它現(xiàn)在的長(zhǎng)度短，容不下，所以已經(jīng)拉長(zhǎng)的纖維為了回到原來(lái)的位置，只能對(duì)已經(jīng)拉長(zhǎng)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(yīng)力。這種壓應(yīng)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(yīng)力。那么殘余壓應(yīng)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(shù)個(gè)被壓縮的彈簧的擴(kuò)張作用下，帶動(dòng)鋼材表面纖維整體變長(zhǎng)，這是一個(gè)已經(jīng)變長(zhǎng)了的纖維要擠回原位置并將原位置擠壓擴(kuò)大的過(guò)程，與我們平常的拉伸變長(zhǎng)不同。鋼板表面纖維變長(zhǎng)，必然受到其他層面纖維的阻止，離表面近的層面阻力大，遠(yuǎn)的層面阻力逐漸減小，離表面近的層面受的拉力大，遠(yuǎn)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(zhuǎn)為壓應(yīng)力，而且距中性層越遠(yuǎn)，壓應(yīng)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(zhǎng)，這種拉長(zhǎng)的變形隨著距表面越遠(yuǎn)，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(zhuǎn)為鋼纖維壓縮變短，而且距中性層越遠(yuǎn)，壓縮變形越大。正是因?yàn)椴煌瑢用胬w維的變形長(zhǎng)度不同，才使得鋼板中間朝噴砂面球面狀拱起，直至達(dá)到新的內(nèi)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(yīng)力作用的結(jié)果。

6 如何控制噴砂(拋丸)工藝對(duì)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(yīng)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(gòu)件的剛度，通過(guò)增加加強(qiáng)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(shè)備，相同的磨料和相同的力度，在鋼板兩面對(duì)稱進(jìn)行，可以使變形減小；

3)采用輕質(zhì)和顆粒小的磨料，在減小對(duì)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(fù)平面。

中央電視臺(tái)新址大樓的新型鋼結(jié)構(gòu)墻面——“銹鋼板”加工時(shí)，就是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)采用了上述措施，有效控制了鋼板的變形，達(dá)到了板面平整度的景觀要求。

7 噴砂(拋丸)工藝對(duì)鋼構(gòu)件產(chǎn)生的有利影響

鋼構(gòu)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(yīng)力，對(duì)于薄鋼板的制作很不利，例如輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房所用的c型或z型檁條一般就不應(yīng)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(yīng)力，對(duì)鋼材表面還是很有作用的，據(jù)機(jī)械制造的有關(guān)研究資料表明，這種殘余壓應(yīng)力能夠強(qiáng)化鋼材表面，消除鋼構(gòu)件表面的殘余拉應(yīng)力，增強(qiáng)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(qiáng)度，很多機(jī)械零部件都會(huì)采用噴砂(拋丸)工藝來(lái)強(qiáng)化表面，例如我們?nèi)粘３俗钠嚨匿摪宓墓ぷ髅婢褪怯脟娡鑱?lái)強(qiáng)化的。

總的來(lái)看，噴砂(拋丸)工藝對(duì)鋼結(jié)構(gòu)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(dá)到提高鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕能力、減少維護(hù)費(fèi)用、節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈祖炎，黃文忠，沈德洪編著，鋼結(jié)構(gòu)制作安裝手冊(cè)。

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

[3]中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)。