“鸟巢”何以成为“中国制造”？

今年9月，北京冬奥组委宣布，国家体育场（鸟巢）将作为2022年北京冬奥会开闭幕式的举办地。 这座2008年北京奥运会的标志性建筑再次赢得了世界的关注。

作为世界上最大的钢结构体育场馆和世界上最大的单体钢结构工程，“鸟巢”的建设共使用了各类钢材11万吨，其中不得不提的是它被称为“鸟巢”。整个“鸟巢”使用的Q460E-Z35钢材只有400多吨，占比可以忽略不计。 然而，正是400多吨钢材的国产化，才让“鸟巢”真正做到了100%中国制造。

（一）不可替代的“鸟巢钢”过去主要依赖进口

“鸟巢”的设计独特、新颖。 看似杂乱无章的“钢枝”，却是由钢桁架编织而成。 外部钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米。 所有这些重量最终由 24 根呈 V 形的垂直柱支撑。 每根柱子都必须承受来自多个角度的拉力。 整个钢结构就像一个有24条腿的钢铁巨人，完全依靠自己的力量站起来，实现了世界建筑业的一项重大壮举。

24根桁架柱是“鸟巢”的核心支撑材料

鸟巢钢结构门式桁架示意图

“鸟巢”设计之初，就曾讨论过桁架柱采用何种钢材。 由于结构设计和大跨度等因素，如果采用低强度钢材，厚度必须至少为220毫米。 钢板越厚，焊接就越困难。 特别是截面增大后，焊接过程中容易出现缺陷。 当受力更加复杂时，就会出现一系列的问题。

另外，钢材出厂后并不是直接用于建筑，而是焊接成方形或矩形柱。 如果采用低强度钢材，立柱需要焊接很大，不利于加工。 在高强度钢中，高合金钢虽然强度高，但焊接性较差，在低温下耐压能力不如低合金钢。

最终，Q460E-Z35这种厚度为110毫米、强度是普通钢材两倍的低合金高强度钢材成为了不可替代的选择。

Q460E-Z35“鸟巢”样品

“鸟巢”是我国第一座采用Q460级高强钢材的建筑。 此前，Q460钢仅用于机械，例如大型挖掘机。 这是因为建筑结构用钢和工程机械用钢是不同的。 建筑结构用钢材首先必须具有良好的抗震性能。 低强度钢材的伸长率较高，在受到较强外力作用时，可以像弹簧一样通过变形吸收外力的能量，防止断裂，更有利于提高抗震性能。

Q460钢材被公认为建筑结构钢的顶级产品。 曾经只有韩国、日本等少数国家生产。 当时，在“鸟巢”建设过程中，如果从国外进口Q460钢材，不仅交货时间长、价格高，还可能导致“鸟巢”建设再次延期。鸟巢”。 更重要的是，所有奥运项目都是“中国制造”的梦想将破灭。

那么，生产这种Q460钢的难度在哪里呢？

（二）生产“鸟巢钢”的难点是什么？将所有最高要求融为一体

中国建造了数千万座高层建筑，使用了无数的钢铁材料。 为什么Q460E-Z35无法生产？

简单来说，因为这种钢板的技术要求已经达到了低合金高强钢的最高水平，所以厚度、强度、韧性、焊接性等各种性能都是最高的要求。

桁架柱使用的Q460E-Z35钢材具有严格的性能要求

Q460E-Z35中的“Q”代表钢的屈服强度，“460”代表屈服强度460MPa。 普通钢的屈服强度仅为235MPa，比Q460低近一半。 “E”代表最高质量等级，“Z35”代表厚度方向（Z方向）的性能等级。 这种钢材兼具强度和柔韧性，从而保证了“鸟巢”在承受460兆帕的外力后仍能恢复原状，这意味着它可以承受像唐山地震这样的地震波。

Q460E-Z35最大厚度达到110毫米，超过《国家低合金高强度结构钢标准》（GB/T1591）中Q460钢板最大厚度100毫米； 所需强度为460MPa，是低合金高强度结构钢中强度最高的。 等级; 要求保证-40℃的低温韧性，这是该类钢冲击试验温度的最低水平； 要求层状撕裂强度达到Z35，为国家标准中的最高级别。

同时，为了保证钢结构的抗震性能，还要求这种钢材具有极低的屈服比和高的延伸率：屈服比≤0.83，延伸率≥20%。 无论国内还是国外，460万亿帕级钢板的延伸率要求≥17%。

当时国家标准中Q460钢的性能要求

光是这些要求就已经是很高的标准了，更何况一块钢板必须满足所有的要求，而且这些要求也超过了当时最先进钢铁企业的生产要求和产品标准。

例如，符合ENl0113标准的德国生产的DILLI-MAX460，其最大厚度为80毫米，屈强比只能保证≤0.88，伸长率只能保证≥17%； 日本产的BT-HT440，屈强比和伸长率只能得到保证。 虽然长度可以满足要求，但层状撕裂性能只能保证Z25的要求。

因此，为了实现Q460E-Z35钢材的国产化，北京奥组委忧心忡忡。

（3）国内研究：精料、精炼、精轧、精整

为了实现“鸟巢”100%中国制造的夙愿，北京奥组委专门召集国内大型钢铁企业进行讨论，征求意见。 最终，拥有“共和国功勋轧机”——4200毫米特厚板热连轧机的舞阳钢铁公司承担了研发生产Q460E-Z35钢板的任务。

被誉为“共和国功勋轧机”的4200毫米轧机

为确保重点攻关任务按时高质量完成，舞钢贯彻“精、细、精、精”方针，采用微合金化成分设计、洁净钢冶炼、无缺陷铸造大钢锭的生产，严格的轧制控制。 冷、热处理等一系列工艺技术保障措施，确保钢板各项性能满足“鸟巢”的设计规范。

增加微合金元素的含量会提高钢的强度，但同时会降低钢的焊接性，给后期使用带来巨大的困难。 为此，科研人员不断改进工艺，在保证低碳当量的基础上，找到了微合金元素的合理含量，解决了高强度与易于焊接的矛盾。

为了保证一定的压缩比，Q460E-Z35钢板全部采用钢锭制成。 当钢锭厚度增加时，凝固过程中容易出现偏析、气孔、气孔等质量缺陷。 舞钢专门研发了大钢锭无缺陷铸造工艺，大大提高了大钢锭的内在质量。

大型钢锭铸造

作为钢的结构成分，晶粒越细，钢的韧性越好。 但随着钢板厚度的增加，轧后冷却速度降低，不利于晶粒细化。 针对这一问题，研究人员降低轧制温度，增大压下量，使晶粒表面积变大，并在表面发生再结晶，从而保证钢板的低温韧性。

2004年9月，Q460钢首次试生产开始。 除钢板强度外，其他指标均合格。 2005年3月进行第二次试生产。 强度等指标符合要求，但低温冲击韧性试验不合格。 但结果达不到要求； 2005年5月，第三次试制完成，低温冲击韧性问题得到解决，产品最终满足“鸟巢”的使用要求； 2005年7月，为“鸟巢”定制的Q460E-Z35开始量产，全面实现100%中国制造的目标。

“鸟巢”建设完成后，建造“鸟巢”所用的剩余钢材全部被制作成“鸟巢第一钢雕”藏品，以纪念中国奥运历史上的这一壮举。 奥运会结束后，武钢因其贡献荣获北京奥运会特别贡献奖。

“鸟巢首座钢雕”完全由“鸟巢”建设剩余钢材按1：100的标准比例建造而成。

结论

完整钢结构的“鸟巢”从设计转变为现实，堪称建筑界的奇迹。 在我国科研人员的努力下，“鸟巢钢”Q460钢从无到有，是金属材料行业的壮举。