国产钢索如何为本届球迷撑起“一片天”

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导语：在外形酷似“大金碗”的世界杯卢赛尔体育场下，由中国设计制造并施工的3000条国产钢索则为数万球迷撑起了“一片天”。

一、 世界杯球场“无处不在”的索材

卢赛尔体育场采用的建筑结构，该结构又被称为鱼腹式索网结构。它以钢索和钢构件形成的索网为主承重结构，并在索网结构外铺上以PVC等膜材料作为外屋面覆盖、以索网传递膜面外界荷载，这种建筑结构也被称为索膜结构。典型的国内工程实例如：海南博鳌亚洲论坛主会场、北京冬奥会速滑馆等。

因其6.7万平米的超大面积、又被建筑业公认为世界上同类型索网体系中跨度最大、悬挑距离最大、结构最复杂、设计标准最高的索网屋面单体建筑。而撑起卢赛尔体育场300米跨度的屋顶的，就是这近3000根的国产钢索。

二、入围世界杯，这届国产钢索“不贫钒”

索材作为索膜结构的重要构件，其材料性能必然关系到场馆的安危。钢索的制造以一股钢丝为中心,其余数股绕其编织缠成一股，根据钢索的功能所需有着不同程度的弹性和强度而拧制成不同层数、直径的钢索。一般工业设备与建筑结构上采用的钢索多由碳素结构钢丝制成。

随着建筑的跨度越来越大、涉及到的索结构越来越长，对钢索的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及其他各种物理化学性能的要求愈来愈高。碳素钢丝因为碳钢的淬透性不够而不能满足超大跨度索膜结构对强度与塑性、韧性的要求。

要完成“大金碗”的超大跨度索膜结构，就需要给钢索“加点料”以改善其性能。而卢赛尔体育场等场馆内，中国承建方首次在海外大型场馆建设中采用了一种高钒密闭索的材料。

与普通碳素钢丝相比，高钒钢丝在制造中以钒为主要添加元素、辅以铬钼等合金元素，充分利用钒碳化物(VC)硬度高、形态好的特点来提高材料韧性及耐磨性。

因此，高钒钢丝比传统的碳钢锁具相比防腐性、防火性更高，摩擦因数大、也不易旋转，也不必像碳钢锁具一样在索体表面包覆PE等材料，免去了施工过程中的PE剥除及防护等工序，且不用进行二次防腐处理。加上索体本身的金属光泽，易与建筑结构融为一体更加美观。

这些优点使近年来国内外的建筑结构、特别是索膜结构愈发“不贫钒”，北京冬奥会中国产高钒索即首次应用于国家级场馆建设之中，并在此次卡塔尔之行中距离地面66米的空中，以传统钢结构1/4的重量（2300吨）为“大金碗”编织起一道天幕。

三、 半个世纪“成型”？国产钢索长寿秘方在这里

一条细细的钢丝想变成比碗还粗的钢索，首先是对半成品盘条进行初次拉拔，以获得适宜尺寸的半成品钢丝，紧接着便是对半成品钢丝进行热处理和二次拔拉。由于合金元素组成多且复杂，高钒钢丝的热处理工艺明显不同于普通钢丝。比如热处理：为使材料具有较高的硬度及良好的耐磨性对淬火与回火的温度与同步性都更为严苛，且要求一次回火到位。此次国产钢索为征战“世界杯”，国内供应方从产品元素配比、热处理工艺、铸造工艺等多个环节严格把控，保证用于加工的钢丝的索氏体化率达到９５％以上。

在完成热处理后，便对钢丝进行二次拨拉，在这一过程水冷和风冷的双冷却系统充分保证拉拔过程的冷却，确保成品钢丝的质量水平，用于制作钢索的钢丝也初步成型。

到这一步还不算完。建筑物钢索由于裸露在外，为避免锈蚀对结构产生隐患，通常需要一定的防腐措施。而较为广泛采用的金属耐腐蚀涂层有电镀锌这种工艺，虽然较为成熟、简便、生产成本低，但存在防腐年限短、或返修成本高等缺点。对于卢赛尔体育场这样建设于卡塔尔高温、高湿、高盐环境下的大跨度索膜结构建筑，工程设计年限长达50年，无论对钢索的一致性还是耐腐蚀都有极高要求。

为此，国内供应方采用了以热浸锌工艺制成的钢丝-锌一5％铝混合稀土合金镀层代替传统的电镀锌镀层。与电镀锌层相比，电镀锌层接近表面区域是纯锌组织结构，而热浸锌层完全是不同比例的锌一铁合金组织结构，因此耐腐蚀性比热电镀锌的耐腐蚀性高10％一30％。到此刻，细细的钢丝也为最终为即将编织“大金碗”索膜结构所需的钢索做好了准备。

四、制作“钢铁麻花”，不仅是大力出奇迹

在制索的工艺过程中，通常需要将钢丝绳股围绕绳芯中心线做螺旋线排列，而“大金碗”的超大的跨度与复杂程度让“天幕”建设所需钢索异常粗壮，因此编制成钢索所需的钢丝也会更多。

以卢赛尔体育场的索网结构，所需钢索的直径多为160 mm的超大规格索体，160 mm的高钒索体按5.5mm钢丝规格设计，钢丝层数至少达到14层并分层捻制，如何保证这么多层钢丝捻制保持紧密不散丝在技术上有相当的难度。这也使国产高钒索在过去相当一段时间的尺寸限制在100mm直径内，更大尺寸的生产技术则被英、德、意等国掌控。

但在此前通过北京冬奥会的有关场馆建设，国内超大规格索体生产取得了进一步突破：通过优化调整外层钢丝捻距、增大捻角让钢丝“拧”的更紧致，对现有技术、设备与工艺的改进使高钒索在生产过程钢丝根数较多时仍排列紧密，绳体表面均匀、成绳后也不易变形。

当若干钢丝捻制后，用于编制“天幕”的钢索出具成型，但此时捻制的钢丝会产生弹性应力和残余应力，这两者内应力会让钢索时刻紧绷而影响钢索疲劳性能，而这也是即腐蚀后影响钢索使用寿命的另一大因素。

想要钢丝绳进一步长寿就需要让钢索在打包发货前采用预变形装置使股按一定的曲率充分预变形，让钢丝绳即便没有外部的约束仍可保证不会松散，与普通的不预变形松散钢丝绳相比，其疲劳性能可提高40％左右。传统的预变形工艺往往采取手工作业进行。但面对“大金碗”所需更粗的钢索，大直径、多层数带来摩擦力的增长使得钢索抗拉强度超过2000MPa、手工作业会面临扳不动的尴尬，为了有效给大直径钢索“卸”力，国内也开始采用电控减速机式变形器代替人力，也实现钢索下线最后环节的自动化流水生产。

结语：

在诸多新技术、新工艺加持下，此次远征卡塔尔的国产钢索各项技术指标均不逊于欧洲同等水平。最终助力国产钢索从一众国际同行之中突围拿下了卡塔尔世界杯相关订单，在万千球迷欢呼中静静地见证着本届世界杯的精彩赛事。相信在未来岁月中，也将同其他“中国方案”一道在黄金之城中作为“国家名片”继续闪耀。

参考文献：

[1] 马俊 李俊浩，对话世界杯主场馆餐建中企：近3000根钢索出自中国工厂，一毫米不能错.http://www.ce.cn/cysc/newmain/yc/jsxw/202211/27/t20221127_38253872.shtml.2022.11.27

[2]刘伟 陈丽红，大直径高钒索研制 [J].金属制品.2015，（4）