1 工程概况

　　国家速滑馆是第24届冬季奥林匹克运动会的标志性场馆，其建筑面积约9.7万m²，建筑高度为33.800m，整体结构投影尺寸为240m(南北)×174m(东西)。国家速滑馆主体结构为钢筋混凝土框架结构，围护结构由单元板块式屋面和天坛轮廓曲面玻璃幕墙组成。

　　屋盖由外环向钢桁架与单层双向正交马鞍形索网结构组成，其索网布置如图1所示。屋盖南北向最大跨度200m，东西向最大跨度130m。索网规格及数量如表1所示。

　　所有拉索采用国产高钒密闭索。常规屋面拉索采用UU形式，两端均采用调节式锚具，幕墙索上端为U形叉耳，下端为螺杆加索力限制器。

　　

　　图1 国家速滑馆索网平面布置   

　　 

　　  

　　表1 屋盖索网规格及数量  

　　 

　　 

　　

　　表1 屋盖索网规格及数量

　　2 索体制作工艺

　　2.1 盘条和半成品拉拔

　　密闭索常以钢丝为内芯，外层逐次包捻1层或数层Z形、梯形或其他形状的异形钢丝^[1]。本工程索体采用圆形内芯钢丝和Z形外层钢丝，其截面如图2所示。

　　

　　图2 密闭索截面   

　　 

　　密闭索体的钢丝原材料为钢丝盘条。盘条应符合GB/T 24242.1—2009《制丝用非合金钢盘条第1部分:一般要求》^[2]和GB/T 4354—2008《优质碳素钢热轧盘条》^[3]的要求。

　　半成品拉拔是对盘条进行初次拉拔，其目的是获得适宜尺寸的半成品钢丝，同时也可对盘条的内部缺陷进行筛选，防止有缺陷的材料进入下道工序。所有半成品拉拔全部采用直径1 250mm工字轮进行半成品卷取，并保证钢丝长度及通条均匀性指标符合设计要求。

　　2.2 热处理及Z形钢丝的二次拉拔

　　密闭索体外围的Z形钢丝需进行二次拉拔，热处理能为二次拉拔做好组织和力学性能准备。热处理采用铅浴淬火工艺，首先将钢丝加热至AC3温度(即钢的奥氏体临界温度)以上形成均匀的奥氏体组织，随后在熔融的铅液中冷却，以获得均匀一致的索氏体组织，保证钢丝的索氏体化率达到95%以上。

　　Z形钢丝采用整体模拉法生产，拉丝模的设计采用三维软件模拟圆形钢丝拉拔到Z形钢丝的实际拉拔过程，最终形成各道次孔型图。Z形钢丝的二次拉拔采用多道连续直线式拉丝机进行，因拉丝机只能进行单根拉拔，本工程共安排3台拉丝机同时生产，以加快工程进度。钢丝拉拔过程中无附加扭转，同时包含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。

　　2.3 热镀锌铝

　　高钒索钢丝表面具有1层锌-铝混合镀层，镀层采用热浸镀锌方式进行表面处理，生产过程中4根钢丝一起进入锌合金锅，形成锌铝合金镀层。镀锌不会对钢丝拉拔过程中的应力产生影响，但会降低钢丝的强度和韧性。钢丝强度和韧性的损失已考虑进拉拔工艺设计中，最终镀锌铝后钢丝的韧性和强度均满足YB/T 5295—2010《密封钢丝绳》^[4]的相应要求。

　　检验合格的镀锌钢丝将被卷绕在适用于捻绳的工字轮上，每个工字轮上的钢丝长度应适应钢丝绳的长度，确保外层钢丝无接头;钢丝在工字轮的卷绕方向要与其在钢丝绳中的捻向保持一致。

　　2.4 合绳

　　合绳指在合绳机上将绳股围绕绳芯中心线做螺旋线排列生产钢丝绳的工艺过程。合绳时应注意索体的密封钢丝绳中同一层钢丝的种类和抗拉强度相同。按企业标准J&L 20405—2017《密封钢丝绳生产工艺技术操作规程》中规定捻绳采用筐篮式合绳机生产(见图3)。按生产工艺，选择相应数量的圆形钢丝或合适卷绕方向的Z形钢丝装到合绳机的篮架中，采用专用的分线装置合绳，表面平整，各层钢丝松紧一致地贴在内层钢丝上，异形钢丝形成连锁封闭。

　　

　　图3 筐篮式合绳机   

　　 

　　加工好的密闭索体采用专用钢绳轮进行包装，由于密封绳的刚度大，绳轮的腰径不小于30倍绳径，避免钢丝绳出现弯曲变形。

　　3 锚具制作工艺

　　屋面拉索两端均采用调节式锚具，如图4所示。锚具由螺纹杆、销轴、U形接头、浇铸接头构成，其中螺纹杆和销轴材质相同，U形接头和浇铸接头材质相同。

　　

　　图4 锚具构造   

　　 

　　3.1 螺纹杆、销轴的制造工艺

　　螺纹杆及销轴材质为合金结构钢，选择化学及力学性能均符合相应规范的备料。根据图纸规定的尺寸进行下料或锻造。锻造完成后进行粗车毛坯，并为精加工留余量。在粗加工后进行热处理，热处理完成后进行硬度检测及超声波探伤，符合图纸和规定要求后方可进入下道工序。

　　精加工要严格按图纸所标尺寸、精度执行。普通螺纹的公差等级应符合GB/T 197—2018《普通螺纹公差》^[5]的要求，梯形螺纹公差等级应符合GB/T 5796.4—2005《梯形螺纹第4部分:公差》^[6]的要求。加工的螺纹采用通止规进行检测，保证同一种规格的锚具相同部件具有互换性。

　　对精加工后的锚具进行钳作，特别是螺纹入口部分，要打磨修整螺纹扣头。精加工后逐件进行磁粉探伤，根据NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测第4部分:磁粉检测》^[7]中规定的Ⅱ要求执行，合格后方可进入下道工序。螺纹杆、销轴表面按设计图纸要求进行处理，表面电镀锌处理，镀锌厚度10～30μm，镀锌后脱氢处理，各尺寸按工艺要求检验无误后方可入库。制造完成的螺纹杆如图5所示。

　　

　　图5 电镀锌螺纹杆   

　　 

　　3.2 U形接头、浇铸接头制造工艺

　　U形接头、浇铸接头均采用铸件，材料采用ZG35Cr1Mo。首先按铸造工艺铸造模型，考虑铸件的收缩量。铸造用砂须采用优质砂，以保证铸件表面光洁、不粘砂。应采用干燥或自硬型砂型。浇铸完成的铸件应缓慢冷却，避免由于铸造应力或局部冷却产生的热应力使铸件产生变形或开裂，拆箱后应全面清砂，去除冒口、飞翅等附属物。铸件清砂后，应对铸件进行尺寸和形状检查。铸件的几何形状和尺寸应符合图纸规定，尺寸公差和加工余量应符合GB/T 6414—2017《铸件尺寸公差、几何公差与机械加工余量》^[8]中的规定，尺寸应符合CT11级。对规定部位取样检验，确定铸造质量。

　　铸件清砂后，应进行时效处理，同时对随炉试棒进行机械性能测试及化学成分分析。粗车外形及内孔，并为精加工留余量。每个零件按GB/T 7233.1—2009《铸钢件超声检测第1部分:一般用途铸钢件》^[9]的要求进行超声波探伤，达到2级合格。探伤合格后对零件进行精加工，锚具尺寸、机械加工精度应严格满足图纸要求。精加工后对每个零件的表面进行磁粉探伤，按GB/T 9444—2007《铸钢件磁粉检测》^[10]的规定，达到2级合格。U形接头及浇铸接头表面按设计图纸要求进行处理，表面涂装环氧富锌底漆，厚度≥70μm。

　　4 成品密闭索制作工艺

　　4.1 索体粗下料

　　索体下料前必须进行检验，内容包括:产品标准号、结构、公称直径、抗拉强度、最小破断力、长度、质量等，并保证表面镀层光洁、无污物，结构无散丝及变形。下料时根据生产工艺文件规定的下料长度进行放绳，一般将几根索同时下料。下料前对索体进行捆扎，采用钢丝捆绑、夹紧模具及特制扁担梁工装。按工艺要求长度进行下料，下料时采用无齿锯切断，禁止采用气割，要求切割端面整齐、无毛刺，同时在下料过程中严禁损伤钢丝镀层。

　　4.2 制锚

　　在制作锚具前按图纸与技术文件要求备齐各锚具部件及工装、夹具;对选用的锚具进行清理，去除污物;对密闭索体进行外观清理，去除污物;选用合格的锌铜合金，锌含量为98%±0.2%，铜含量为2%±0.2%。

　　前期准备工作完成后开始制锚，根据工艺要求将锚具组件依次穿过索体，穿锚具前，确认锚具已清洗干净，无杂质及油污。在距离端头1m处做标记，同时将端头索体进行拆股，保证钢丝均匀分散。将索体架好，清洗钢丝，钢丝无任何油迹及污物。

　　待钢丝干燥后从1m标记处反测浇铸位置进行标记，将锚具退至浇铸位置，采用浇铸定位工装进行固定，采用耐高温材料将索体与浇铸接头锥体小端处的配合间隙进行密封，防止合金流出。通过定位工装保证锚具及散丝后索体中心线重合，保证索体与锚具垂直。将浇铸接头部分均匀加热至(90±0.5)℃，并保证内外温度平衡。

　　熔化锌铜合金，浇铸锚具预热至(200±20)℃，浇铸容器应预热至200℃以上，以保证锌铜合金浇铸温度为(460±10)℃。将熔解好的锌铜合金均匀一次性倒入锚具，浇铸时应避免振动，浇铸应一次完成。浇铸后合金应密实、无内气孔，浇铸量为锚具实际容量的92%以上。

　　由于合金的冷却收缩，在注入表面的中央会出现下凹，未凝固前在下凹处应补浇合金，至浇铸表面平整。浇铸好的拉索应完全冷却，保证锚具内部金属完全凝固。

　　4.3 预拉伸

　　将浇铸完成的钢索与拉力试验机相连接，试验机槽内铺设防护材料，防止索体划伤。索力加载至0.1倍索体最小破断荷载，在浇铸接头小头端部合金铸体上取点，用钢板尺测其距小头端面的距离，做好记录和油漆标记。逐级张拉，加载至0.55倍的公称破断索力，测量此时所取点与小头端面的距离，并做好记录，两次距离之差即为最终回缩值，该回缩值不应超过铸体长度的2%。按索体最小破断荷载的55%张力进行预张拉，拉伸2次，每次持荷60min。预张拉完成后，卸载至测长荷载。

　　按图纸尺寸再考虑铸体回缩值、温度修正及锚具修正等因素，然后在每根钢索的切断处做明确的切断标记，为防止散丝及退扭，在标记处装卡工装。将钢索逐根切断，切断方式同上。将切断后的单根索体逐一进行浇铸，形成成品密闭索，制锚工艺同上。

　　4.4 超张拉检测

　　每根钢索出厂前均需进行超张拉检测，张拉时做好标记用以测量回缩值。每根钢索进行长度复测。钢索超张拉后，卸载至测长荷载时测量长度，索长误差满足以下要求:(1)钢索索长L≤50m时，误差≤12mm;(2)50m<L≤80m时，误差≤16mm;(3)L>80m时，误差≤(L/5 000)mm。

　　将荷载卸载至设计荷载状态下进行索夹位置点的标记，索夹位置的标记线满足设计及施工要求。索长测量时为消除温度变化影响，将设计温度下长度转换成20℃下长度，测量索长用钢卷尺标定温度为20℃，钢卷尺与索体均为钢材，其热膨胀系数相同，从而消除测量索长时温度变化的影响。

　　4.5 包装存储方案

　　成品钢索采用3层包装:(1)最内层采用薄膜包装，索体清理干净后立即用薄膜搭茬包装，不允许错茬;(2)第2层采用气泡纸包装;(3)第3层采用编织布包装，包装结实、紧密。

　　钢索以成圈的形式包装，其成圈内径不小于30倍索体直径，最大外形尺寸应满足相应的运输条件。每盘成品钢索应采用不损伤索体表面质量的可靠材料捆扎结实，周围捆扎≥6道。锚具用塑料薄膜+气泡纸+编织布包装，以防潮、防水。包装后的成品密闭索应在仓库内平稳整齐堆垛。

　　5 索夹制作工艺

　　索夹是正交索网的重要组成部分，承重索和稳定索通过索夹交叉连接形成屋面马鞍形索网，索网索夹节点如图6所示。

　　

　　图6 索夹节点   

　　 

　　索夹应具备精度尺寸和表面光洁度，且孔壁较薄。应确定合理的收缩率、机加工量、拔模斜度、反变形量等工艺参数，合理布置浇铸系统，内设冷铁、冒口，半块索夹模型采用整体模型，以保证相关部位尺寸准确，型砂采用石英砂、树脂黏结剂，面砂选用铬铁矿砂。芯子进炉烘干，型腔表面刷锆英粉快干涂料，以防粘砂。毛坯精整后非加工面进行磁粉探伤检查，不允许存在龟裂状缺陷和密集的夹砂气孔及表面疏松。

　　5.1 备料和铸造

　　索夹主体材料为ZG20Mn，索夹盖板材料为ZG35Mn。铸造过程如下。

　　5.1.1 模型制作

　　根据设计的模型图纸进行模型制作。模型设计时考虑1%～2.5%的收缩量。选用干燥优质杉木做模型材料，保证材料不变形、不开裂。制造中采用专用木工机床加工和手工制作相结合的方式，模型尺寸精度等级按工厂《木模工艺手册》1级要求执行，木模型制作完毕按图纸和工艺进行检查，检查合格后用砂纸打磨，表面粗糙度达Ra100，表面涂漆。

　　5.1.2 造型

　　所有造型原材料在使用前必须按相关标准进行检测，合格方能使用。采用铬铁矿砂做造型面砂材料，型砂采用石英砂、树脂黏结剂，芯子烘干，型腔表面刷锆英粉快干涂料，以防粘砂。下芯使用高强度耐火釉砖做浇口系统以防止浇铸系统中型砂剥落而出现夹砂，仔细检查型腔尺寸，造型完毕准备浇铸。

　　5.1.3 钢水冶炼

　　精选废钢、生铁、合金等原料，严格按料单配料，计算准确。按工艺进行原料炉前使用烘烤，严格按冶炼工艺要求进行冶炼，钢水须吹氩精炼，控制好精炼温度。严格控制钢水化学成分，浇铸前先取试样，通过风动送样至炉前化验室，用直读光谱仪对试样进行理化分析，化验结果通过电视传输通知炉前。

　　5.1.4 浇铸

　　平稳快速浇铸，使钢液始终充满浇口杯，直至浇铸完毕，按工艺严格控制浇铸温度，浇铸后进行保温缓冷，以避免由于铸造应力或局部冷却产生的热应力使铸件变形或开裂。

　　5.1.5 开箱落砂

　　铸件温度在200℃左右时开箱落砂，局部预热250℃左右割去浇冒口。

　　5.2 热处理与加工

　　清理铸件的落砂后，必须经整体退火处理，以消除铸造应力。割除浇冒口，再经正火加回火处理。同时，应对随炉试棒进行机械性能测试及化学成分分析，确保铸件达到要求的力学性能。由于表面缺陷对受力构件十分危险，因此热处理后应对铸造边角易产生应力集中部位进行一次磁粉探伤，其结果应符合《铸钢件磁粉检测》中的2级要求。

　　加工分为划线和钻孔2步。划线前检查毛坯尺寸，合理分布余量，划螺栓孔端面加工线。然后按线钻索夹螺栓孔，组合成套，按已钻孔套钻索夹片上螺栓孔。为保证铸件质量，每个索夹主体进行100%超声波探伤，按《铸钢件超声检测第1部分:一般用途铸钢件》的2级合格。探伤合格方可进入下道工序。

　　5.3 表面处理及装配包装

　　索夹内壁槽须进行喷锌处理，锌层厚度≥1mm，其余表面≥120μm，喷锌前进行抛丸处理。处理后按索夹的要求进行试装配、编号。按图纸要求进行检查，包装入库。索夹需根据项目要求做索夹抗滑移试验，为施工时索夹螺栓预紧力提供参考数据。

　　6 结语

　　国家速滑馆单层双向正交索网屋面采用的高钒密闭索是一种新型的建筑结构用索，具有高防腐性、防火性、防退扭性、摩擦系数大、高强度等特性。国家速滑馆屋面索结构首次将国产高钒密闭索用于房建工程。本工程索网结构的成功实施为国产高钒密闭索的应用起到推广示范作用。