2010年二级专业结构工程师辅导资料：喷砂抛丸工艺对建筑钢结构表面的影响

    5喷砂（抛丸）工艺使钢构件产生变形的原因
    众所周知，力是构件产生变形的原因，反过来说有变形必有力的作用，喷砂（抛丸）工艺所产生的冲击力没有使试件产生向着冲击方向的变形，反而是逆着冲击方向起拱，这究竟是什么原因呢？很显然，反向起拱的直接原因不是冲击力，因为试件产生变形的状态下冲击力已经不存在了。既然不是外力的作用，那一定就是构件内部的作用了，那么是什么内力能使试件产生变形呢？答案就是残余应力，正是因为残余应力的作用，才使钢板试件产生了变形。
    在钢结构制作和施工中，由于火焰切割和焊接等热加工，会使钢结构产生残余应力，而且多数为残余拉应力，直接影响构件的形状和承载能力。那么喷砂（抛丸）工艺也能产生残余应力吗？答案是肯定的，而且对作用面产生的是残余压应力。这也许会带来更大的疑问，残余压应力是怎样产生的？残余压应力又如何使钢板试件起拱呢？因为残余应力是一个复杂的课题，它往往会涉及到材料的微观结构，下面用一些我们常规理解的力学知识对此现象做一个解释。
    喷砂（抛丸）工艺作用在钢板表面的冲击力虽然不是钢板试件产生变形的直接原因，但却是产生残余应力的直接原因。当砂粒或丸粒在冲击钢材表面的时候。在钢材表面形成了密密麻麻的凹坑，使钢材表面纤维产生了变形，而这种变形已经超出弹性变形的范围，达到甚至超过了钢材的屈服极限，从而使钢材表面纤维产生了一定的塑性变形，也就是原来的纤维被拉长，当冲击力消失后，钢材表面纤维在反弹回缩的时候，不能够恢复到原来的长度，而是比原来的长，产生了残余变形。但在钢材表面纤维的回缩力和钢板厚度方向的反弹力的作用下，使得已经拉长的纤维有着强烈恢复到原来平面位置的趋势，但原来的位置比它现在的长度短，容不下，所以已经拉长的纤维为了回到原来的位置，只能对已经拉长的纤维产生压缩的作用，这时在纤维中就产生了压应力。
    这种压应力是在外荷载取消后产生的，是残留在钢板表面的一种残余压应力。那么残余压应力是如何使钢板变形的呢？可以做这样一个比喻，钢板表面的一个个凹坑，就象在钢板表面安放了一个个被压缩的弹簧，在这无数个被压缩的弹簧的扩张作用下，带动钢材表面纤维整体变长，这是一个已经变长了的纤维要挤回原位置并将原位置挤压扩大的过程，与我们平常的拉伸变长不同。钢板表面纤维变长，必然受到其他层面纤维的阻止，离表面近的层面阻力大，远的层面阻力逐渐减小，离表面近的层面受的拉力大，远的层面受的拉力逐渐减小，至钢板截面中性层已减为零，过了中性层以后，又转为压应力，而且距中性层越远，压应力也越大。这也使得表面以下的纤维在拉力的作用下被拉长，这种拉长的变形随着距表面越远，变形越小，至钢板截面中性层已减为零，过了中性层以后，又转为钢纤维压缩变短，而且距中性层越远，压缩变形越大。正是因为不同层面纤维的变形长度不同，才使得钢板中间朝喷砂面球面状拱起，直至达到新的内力平衡。这和一个受均布荷载作用的简支梁的变形有点相似，不同之处简支梁是在外荷载作用下产生了变形，而喷砂（抛丸）工艺所引起钢板的变形则是残余压应力作用的结果。

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