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是Q460 说起“Q460”钢材,大多数人可能都不了解。但就是这种不为人知的钢材,成为北京奥运会主体育场“鸟巢”钢结构的主要用材。为“鸟巢”量身定做的Q460,在国内从未生产,更没有应用在建筑结构上。我国科研人员经过攻关,终于研制出Q460来。
2008年奥运会主体育场“鸟巢”结构设计奇特新颖,而这次搭建它钢结构的Q460也有很多独到之处:这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材;而这次使用的钢板厚度达到110毫米,是以前绝无仅有的,在国家标准中,Q460的最大厚度也只是100毫米……
那么,Q460到底是一种怎样的钢材?为什么以前国内建筑没有使用过?在种类繁多的钢材中,“鸟巢”为什么单单选中它作钢结构的材料?它的科研过程又怎样的?带着诸多问题,记者来到为“鸟巢”研发生产Q460的河南舞阳钢铁公司一探究竟。
什么是Q460
舞阳钢铁公司位于河南省舞钢市,前临水库,背靠大山,风景宜人。如果事前不了解的话,很难把大名鼎鼎的“鸟巢”的建筑结构用钢和这样一个山清水秀的地方联系在一起。
舞阳钢铁公司科技部主任工程师韦明介绍说,在建筑用钢方面,舞阳钢铁厂在国内处于领先地位,起草过行业标准和国家标准。奥运工程的建设者希望能实现用钢国产化,舞钢也希望通过奥运用钢来提高产品的档次和质量等级,所以双方都有携手的意愿,并最终达成了这次合作。
舞钢科技部的李玉谦工程师解释说,Q460是一种低合金高强度钢。Q代表钢材的强度,460代表460兆帕,兆是10的6次方,帕是压强单位帕斯卡。Q460就是钢材受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形,也就是当外力泄掉后,钢材只能保持受力的形状而无法回复原形,这个强度要比一般钢材大。
这次“鸟巢”使用的Q460厚达110毫米,以前在国内从来没有过,生产难度很大。以前我国在工程机械方面使用Q460的比较多,比如制造挖掘机等,而在建筑结构用钢上还没有使用过Q460这个级别的钢材。这是因为,在设计时主要考虑到强度比较低的钢材延伸率高,能像弹簧一样在受到强大外力比如地震时,通过变形吸收地震的能量、防止断裂,更有利于提高抗震性能。
既然如此,那么 “鸟巢”为何青睐Q460
任何事情都有两面性。
李玉谦说,钢材在要求强度大的同时,用低合金冶炼也很重要,这主要是考虑钢材的可焊性。高合金的钢材虽然强度大,但可焊性差,并且在低温下对压力的承受力不如低合金钢材。
“鸟巢”的跨度很大,如果使用低强度的钢材,将使钢材的断面增大,在受力比较复杂的情况下,会带来一系列的问题。比如,110毫米厚的高强度钢材,如果换成低强度钢材,厚度至少要达到220毫米,而钢板越厚,焊接越难。而且,钢材在焊接的部位很容易出现问题,尤其是断面增大之后,在焊接过程中容易产生缺陷。
除了焊接不便,低强度钢材体积和负重大是另外一个不足之处。韦明介绍说,钢材出厂后并不是直接使用到建筑上,而是要焊成方形柱或矩形柱来使用,如果用低强度的钢,需要把柱子焊的很大,大尺寸的钢结构不利于加工制作,如果用高强度钢,柱子就可以焊得很小,重量和占地面积都要小,更加方便加工制作。
鉴于这些情况,“鸟巢”的建设者们最终选择了高强度的Q460。那么以前只在机械结构上使用过的Q460,能否承担建筑结构的重任?
韦明说,建筑结构用钢和工程机械用钢不尽相同。建筑结构用钢应该具有几个特点:首先它要具有良好的抗震性;另外还要求具有防止钢材焊接后一层层裂开的性能;还有就是好的抗低温性能,因为钢材在低温情况下会变脆,温度越低、钢材越碎,越容易断裂,具有很好的抗低温性的钢材就不容易发生脆化;因为“鸟巢”的钢结构最后要进行焊接,所以还要求钢材具有良好的可焊性。
既然Q460增添了这些功能,而且钢材厚度和使用范围都是前所未有的,人们不禁想了解这专为“鸟巢”定制的钢材的研发过程。
Q460是怎样炼成的
为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460,从2004年9月开始,舞钢的科研人员开始了长达半年多的攻关之路,前后3次试制方获成功。由于以前就有很好科研基础,所以李玉谦认为,这次攻关比较顺利。
2004年9月,第一次试制开始进行。首次试制的结果是除了强度不尽如人意外,其他各项指标全都合格。
如何提高强度,成了摆在科研人员面前的一道关。
科研人员通过改进工艺,在保证低碳当量的基础上,适当的增加了微合金元素的含量。良好的焊接性能要求钢材碳当量低,而微合金元素的增加在增加钢材强度的同时,也会增加钢材的碳当量。但好在增加的碳当量很少,所以不会影响钢材的可焊性。
改进工艺后,2005年的3、4月间,科研人员进行了第二次试制。这次试制,强度和其他指标达到了要求,但冲击韧性实验的结果却不能令人满意。
冲击韧性实验是用一块样品钢板,打开一个小缺口,放置在低温的环境下,用摆锤撞击钢板,看它能够吸收多少能量。做这个实验的目的是试验钢材在低温的环境能够承受多大外力的打击。如果钢材在低温的环境下没有问题,高温就更没问题。这次实验Q460,是在零下40摄氏度的环境下进行的冲击韧性并不理想。
2005年的5月份,第三次试制实验开始,主攻方向是解决低温冲击韧性的问题。研究人员采取的办法是改进工艺、细化晶粒。
晶粒是钢材的组织或者成分,晶粒越细,钢材的韧性越好。细化的手段一个是降低轧制温度,另一个是增加压下量。
降低轧制温度对细化晶粒非常有益。比如,原先晶粒是一个球状,经过轧制,钢板变长,晶粒也会随之相应变长并且表面积增大,在适宜的温度条件下,晶粒表面会再结晶,形成许多新的晶粒,这样就将晶粒细化了。
而增加压下量可以使晶粒进一步细化。压下量就是将钢坯压薄时压下的尺寸,比如钢坯开始的厚度是100毫米,用机器将它压到80毫米,那压下量就是20毫米。通过增加压下量这个参数,在其他条件不变的情况下,可以使晶粒的表面积更大,这样可以形成更多的结晶,使晶粒更加细化。
通过改进工艺,终于使Q460达到了“鸟巢”的使用要求。2005年7月,为“鸟巢”准备的Q460开始批量生产,为奥运工程服务。
现在,“鸟巢”已经完成混凝土施工,开始进行钢结构施工。它使用的几百吨自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材,将为它撑起骄傲的铁骨钢筋。当2008年北京奥运会举办时,“鸟巢”向全世界展示的不仅是宝贵的奥运建筑遗产,还有中国人民的创新成果。
由于设计理念的先进以至“超前”,奥运场馆在施工中有很多难题是独一无二的,在国际上没有现成的参考答案,只有依靠自己的科技创新独立解决。
“鸟巢”的外罩由不规则的钢结构构件编织而成,里面的混凝土结构与钢结构相互独立,建筑师在混凝土看台和钢结构外罩之间的空间里,设计了很多倾斜的混凝土柱子来支撑建筑。如何既保证这些混凝土柱子的结构要求,又能不影响“鸟巢”的整体美观?
国内工程师几经论证,一个两全其美的方案诞生了。先像其他混凝土结构一样绑扎好钢筋笼,然后再从上面一节一节套上方钢管,钢管连接好后再在钢管里浇筑混凝土,形成与钢管一体的混凝土柱。这样一来看不到混凝土柱,既安全又美观,却加大了施工难度。
边长一米的方钢管被连接成120多根长短不同、倾斜角度多样的钢柱,70%以上都是双斜柱——一根柱子在垂直面上扭转两次。最高的钢柱全长21米,横跨体育场一至四层;最倾斜的钢柱和地面的夹角达到59度,钢柱的最大自转角度超过45度……
要在这些高大倾斜看似杂乱的异型钢管里浇筑混凝土,已经是个不小的挑战。何况钢管内部还密布着钢筋网格——纵向排列着32根钢筋,横向每十厘米一排密集的钢筋。这样密密麻麻的钢筋网,最多只能伸进三根手指。要在里面瓷瓷实实地灌满混凝土并使之与钢管贴密,谈何容易?
起初,施工单位只能试着从上口往钢管里浇筑,每天从早到晚只能浇筑四五米。国家体育场工程总承包部经过自主研究,提出了一个新方案:混凝土顶升、从钢管底部注入混凝土,由底向上逐步填充。
这是一个从来没有人用过的方法,结果却非常理想。顶升混凝土不仅进度快,而且质量好,不分层。完工时,比预定的工期缩短了两个月零两天。
2006年1月20日,这项工艺被命名为“超高矩形钢管永久模板钢筋混凝土斜扭柱施工工艺”,正式向国家知识产权局申请发明专利。这是奥运工程结出的一颗自主创新的成熟果实。
不可以。中华攀雀(学名:Remizconsobrinus)是山雀科攀雀属的小型鸟类。根据查询资料显示,该鸟窝没有任何医用价值,不含有任何可以治病的成分,不可以治病。生病请大家前往医院,采用科学的治疗,来换取自己的身心健康。
“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成,共有24根桁架柱,现已完成20根桁架柱整柱及2根下柱吊装。国家体育场建筑顶面呈鞍形,长轴为3323米,短轴为2964米,最高点高度为685米,最低点高度为428米。
设计方案的改变
在保持“鸟巢”建筑风格不变的前提下,新设计方案对结构布局、构建截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。原设计方案中的可开启屋顶被取消,屋顶开口扩大,并通过钢结构的优化大大减少了用钢量。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上,柱距为3796米。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置,有22榀主桁架直通或接近直通。为了避免出现过于复杂的节点,少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件,交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系,与大跨度钢结构完全脱开。
Q460钢材的运用
说起Q460钢材,大多数人可能都不了解。“鸟巢”结构设计奇特新颖,而这次搭建它的钢结构的Q460也有很多独到之处:Q460是一种低合金高强度钢,它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形,这个强度要比一般钢材大,因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材;而这次使用的钢板厚度达到110毫米,是以前绝无仅有的,在国家标准中,Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460,从2004年9月开始,河南舞阳特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关,前后3次试制终于获得成功。如今,为“鸟巢”准备的Q460钢材已经开始批量生产。2008年,400吨自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材,将撑起“鸟巢”的铁骨钢筋。
特殊结构
此外,屋顶内环主桁架吊装和立面次结构安装已全面展开。“鸟巢”钢结构所使用的钢材厚度可达11厘米,以前从未在国内生产过。另外,在“鸟巢”顶部的网架结构外表面还将贴上一层半透明的膜。使用这种膜后,体育场内的光线不是直射进来的,而是通过漫反射,使光线更柔和,由此形成的漫射光还可解决场内草坪的维护问题,同时也有为座席遮风挡雨的功能。滑动式的可开启屋顶是体育场结构中必可少的一部分。当它合上时,体育场将成为一个室内的赛场。如同一个容器的盖子,不管屋顶是闭合还是开启,它都是建筑物的基本组成部分。除了一些特定的结构需要外,可开启屋顶的结构基本上也是一个网络状的架构,装上充气垫后,成为一个防水的壳体。
更为匠心独具的是,“鸟巢”把整个体育场室外地形微微隆起,将很多附属设施置于地形下面,这样既避免了下挖土方所耗的巨大投资,而隆起的坡地在室外广场的边缘缓缓降落,依势筑成热身场地的2000个露天座席,与周围环境有机融合,并再次节省了投资。
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