國產鋼索如何爲本屆球迷撐起“一片天”

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導語：在外形酷似“大金碗”的世界盃盧賽爾體育場下，由中國設計製造並施工的3000條國產鋼索則爲數萬球迷撐起了“一片天”。

一、 世界盃球場“無處不在”的索材

盧賽爾體育場採用的建築結構，該結構又被稱爲魚腹式索網結構。它以鋼索和鋼構件形成的索網爲主承重結構，並在索網結構外鋪上以PVC等膜材料作爲外屋面覆蓋、以索網傳遞膜面外界荷載，這種建築結構也被稱爲索膜結構。典型的國內工程實例如：海南博鰲亞洲論壇主會場、北京冬奧會速滑館等。

因其6.7萬平米的超大面積、又被建築業公認爲世界上同類型索網體系中跨度最大、懸挑距離最大、結構最複雜、設計標準最高的索網屋面單體建築。而撐起盧賽爾體育場300米跨度的屋頂的，就是這近3000根的國產鋼索。

二、入圍世界盃，這屆國產鋼索“不貧釩”

索材作爲索膜結構的重要構件，其材料性能必然關係到場館的安危。鋼索的製造以一股鋼絲爲中心,其餘數股繞其編織纏成一股，根據鋼索的功能所需有着不同程度的彈性和強度而擰製成不同層數、直徑的鋼索。一般工業設備與建築結構上採用的鋼索多由碳素結構鋼絲製成。

隨着建築的跨度越來越大、涉及到的索結構越來越長，對鋼索的強度、硬度、韌性、塑性、耐磨性以及其他各種物理化學性能的要求愈來愈高。碳素鋼絲因爲碳鋼的淬透性不夠而不能滿足超大跨度索膜結構對強度與塑性、韌性的要求。

要完成“大金碗”的超大跨度索膜結構，就需要給鋼索“加點料”以改善其性能。而盧賽爾體育場等場館內，中國承建方首次在海外大型場館建設中採用了一種高釩密閉索的材料。

與普通碳素鋼絲相比，高釩鋼絲在製造中以釩爲主要添加元素、輔以鉻鉬等合金元素，充分利用釩碳化物(VC)硬度高、形態好的特點來提高材料韌性及耐磨性。

因此，高釩鋼絲比傳統的碳鋼鎖具相比防腐性、防火性更高，摩擦因數大、也不易旋轉，也不必像碳鋼鎖具一樣在索體表麪包覆PE等材料，免去了施工過程中的PE剝除及防護等工序，且不用進行二次防腐處理。加上索體本身的金屬光澤，易與建築結構融爲一體更加美觀。

這些優點使近年來國內外的建築結構、特別是索膜結構愈發“不貧釩”，北京冬奧會中國產高釩索即首次應用於國家級場館建設之中，並在此次卡塔爾之行中距離地面66米的空中，以傳統鋼結構1/4的重量（2300噸）爲“大金碗”編織起一道天幕。

三、 半個世紀“成型”？國產鋼索長壽秘方在這裡

一條細細的鋼絲想變成比碗還粗的鋼索，首先是對半成品盤條進行初次拉拔，以獲得適宜尺寸的半成品鋼絲，緊接着便是對半成品鋼絲進行熱處理和二次拔拉。由於合金元素組成多且複雜，高釩鋼絲的熱處理工藝明顯不同於普通鋼絲。比如熱處理：爲使材料具有較高的硬度及良好的耐磨性對淬火與回火的溫度與同步性都更爲嚴苛，且要求一次回火到位。此次國產鋼索爲征戰“世界盃”，國內供應方從產品元素配比、熱處理工藝、鑄造工藝等多個環節嚴格把控，保證用於加工的鋼絲的索氏體化率達到９５％以上。

在完成熱處理後，便對鋼絲進行二次撥拉，在這一過程水冷和風冷的雙冷卻系統充分保證拉拔過程的冷卻，確保成品鋼絲的質量水平，用於製作鋼索的鋼絲也初步成型。

到這一步還不算完。建築物鋼索由於裸露在外，爲避免鏽蝕對結構產生隱患，通常需要一定的防腐措施。而較爲廣泛採用的金屬耐腐蝕塗層有電鍍鋅這種工藝，雖然較爲成熟、簡便、生產成本低，但存在防腐年限短、或返修成本高等缺點。對於盧賽爾體育場這樣建設於卡塔爾高溫、高溼、高鹽環境下的大跨度索膜結構建築，工程設計年限長達50年，無論對鋼索的一致性還是耐腐蝕都有極高要求。

爲此，國內供應方採用了以熱浸鋅工藝製成的鋼絲-鋅一5％鋁混合稀土合金鍍層代替傳統的電鍍鋅鍍層。與電鍍鋅層相比，電鍍鋅層接近表面區域是純鋅組織結構，而熱浸鋅層完全是不同比例的鋅一鐵合金組織結構，因此耐腐蝕性比熱電鍍鋅的耐腐蝕性高10％一30％。到此刻，細細的鋼絲也爲最終爲即將編織“大金碗”索膜結構所需的鋼索做好了準備。

四、製作“鋼鐵麻花”，不僅是大力出奇跡

在制索的工藝過程中，通常需要將鋼絲繩股圍繞繩芯中心線做螺旋線排列，而“大金碗”的超大的跨度與複雜程度讓“天幕”建設所需鋼索異常粗壯，因此編製成鋼索所需的鋼絲也會更多。

以盧賽爾體育場的索網結構，所需鋼索的直徑多爲160 mm的超大規格索體，160 mm的高釩索體按5.5mm鋼絲規格設計，鋼絲層數至少達到14層並分層捻制，如何保證這麼多層鋼絲捻制保持緊密不散絲在技術上有相當的難度。這也使國產高釩索在過去相當一段時間的尺寸限制在100mm直徑內，更大尺寸的生產技術則被英、德、意等國掌控。

但在此前通過北京冬奧會的有關場館建設，國內超大規格索體生產取得了進一步突破：通過優化調整外層鋼絲捻距、增大捻角讓鋼絲“擰”的更緊緻，對現有技術、設備與工藝的改進使高釩索在生產過程鋼絲根數較多時仍排列緊密，繩體表面均勻、成繩後也不易變形。

當若干鋼絲捻制後，用於編制“天幕”的鋼索出具成型，但此時捻制的鋼絲會產生彈性應力和殘餘應力，這兩者內應力會讓鋼索時刻緊繃而影響鋼索疲勞性能，而這也是即腐蝕後影響鋼索使用壽命的另一大因素。

想要鋼絲繩進一步長壽就需要讓鋼索在打包發貨前採用預變形裝置使股按一定的曲率充分預變形，讓鋼絲繩即便沒有外部的約束仍可保證不會鬆散，與普通的不預變形鬆散鋼絲繩相比，其疲勞性能可提高40％左右。傳統的預變形工藝往往採取手工作業進行。但面對“大金碗”所需更粗的鋼索，大直徑、多層數帶來摩擦力的增長使得鋼索抗拉強度超過2000MPa、手工作業會面臨扳不動的尷尬，爲了有效給大直徑鋼索“卸”力，國內也開始採用電控減速機式變形器代替人力，也實現鋼索下線最後環節的自動化流水生產。

結語：

在諸多新技術、新工藝加持下，此次遠征卡塔爾的國產鋼索各項技術指標均不遜於歐洲同等水平。最終助力國產鋼索從一衆國際同行之中突圍拿下了卡塔爾世界盃相關訂單，在萬千球迷歡呼中靜靜地見證着本屆世界盃的精彩賽事。相信在未來歲月中，也將同其他“中國方案”一道在黃金之城中作爲“國家名片”繼續閃耀。

參考文獻：

[1] 馬俊 李俊浩，對話世界盃主場館餐建中企：近3000根鋼索出自中國工廠，一毫米不能錯.http://www.ce.cn/cysc/newmain/yc/jsxw/202211/27/t20221127_38253872.shtml.2022.11.27

[2]劉偉 陳麗紅，大直徑高釩索研製 [J].金屬製品.2015，（4）