钢筋的冷加工

出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《建筑工程施工实用技术手册》第251页（7678字）

冷拉和冷拔是钢筋施工中常用的冷加工方法。钢筋的冷拉和冷拔，不仅可以提高钢筋的强度设计值，而且还能达到节省钢材、降低造价和满足预应力筋的目的。

(一)钢筋的冷拉

1．钢筋冷拉的基本原理

图5－26所示为普通热轧钢筋的拉伸应力－应变曲线。图中，oabde是其拉伸特征曲线。在常温下冷拉钢筋，使拉应力超过屈服点a，钢筋由弹性阶段，经过流幅，进入强化阶段，达到c点，然后卸载。由于钢筋产生了塑性变形，曲线沿着co₁下降至o₁点，co₁与oa平行，oo₁为塑性变形。如立即重新加载，这时应力－应变曲线则沿o₁cde变化，此时钢筋的屈服点上升至c点，并明显高于原来的屈服点a点。

图5－26 普通钢筋的拉伸应力－应变曲线

冷拉到强化阶段再卸载，用这种方法提高钢筋的屈服强度，称为“冷作硬化”。其基本原理是：在进行冷拉的过程中，钢筋内部结晶面产生滑移，晶格发生变化，内部组织改变，因而屈服强度提高，但塑性降低。

如经过一段时间后再次对钢筋进行拉伸，钢筋的拉伸特征曲线变化为o₁c′d′e′，其屈服点为c′，c′在c点的上方，屈服点又一次提高，这种现象称为“冷拉时效”。新屈服点c′并非保持不变，而是随时间的延长而有所提高。其原因是冷拉后的钢筋有内应力存在，内应力会促进钢筋内的晶体组织调整，使屈服强度进一步提高。这个晶体组织调整的过程称为“时效”，钢筋的“时效”又分为“自然时效”和“人工时效”。

“冷作硬化”和“冷拉时效”的结果是，由于热轧钢筋的强度标准值是根据其屈服强度确定的，所以它的强度标准值得到提高，从而强度设计值也得到提高，但其塑性有所降低。对于HPB235级、HRB335级和HRB400级钢筋，在常温下一般要经过15～20d才能完成“冷拉时效”；如果在100℃条件下，只需要2h就可以完成“冷拉时效”。

为了加速时效过程，必要时可利用蒸汽或电热对冷拉后的钢筋进行人工时效，尤其是对HRB400级冷拉钢筋，在自然时效难以达到时效效果的情况下，宜采用人工时效。将钢筋加热到150～200℃，经过5～20min，即可完成时效过程。

在进行人工时效的过程中，加热温度不宜过高，否则会得到相反的结果。如加热至450℃冷拉钢筋的强度反而会有所降低，塑性却有所增加；当加热至700℃时，冷拉钢筋会恢复到冷拉前的力学性能。因此，用作预应力的钢筋如需要焊接时，应在焊接后进行冷拉，以免因焊接产生高温使冷拉后的钢筋强度降低。

图5－26中的c点是钢筋冷拉中的关键技术数据，当c点的位置选择适当时，即成为冷拉钢筋的控制应力，oo₂即为相应的冷拉伸长。钢筋冷拉后，强度提高、塑性降低、脆性增大。钢筋屈服强度的提高与冷拉率有关，在一定限度内，冷拉率越大，则强度越高。但钢筋冷拉后应有一定的塑性，屈服强度与抗拉强度应保持一定的比值，这个比值称为“屈强比”，以使钢筋有一定的强度储备和软钢特性。所以，不同钢筋的冷拉应力和冷拉率应符合表5－24中的要求。

表5－24 冷拉控制应力及最大冷拉率

冷拉适用于HPB235级、HRB335级和HRB400级热轧钢筋。冷拉钢筋主要用于受拉钢筋，如冷拉HRB335级和HRB400级钢筋通常用于预应力筋，冷拉HPB235级钢筋用于非预应力的受拉钢筋。冷拉钢筋在一般情况下不用于受压钢筋，当用于受压钢筋时，也不利用冷拉后提高的强度。在有冲击荷载的动力设备基础、制作构件吊环及负温条件下，不得使用冷拉钢筋。

冷拉钢筋是钢筋施工中常用的加工方法，不仅能提高钢筋的强度设计值，而且还因长度伸长会节省钢材10%～15%，同时也会完成钢筋的调直和除锈等工作。

2．钢筋冷拉的控制方法

在钢筋进行冷拉的施工过程中，冷拉控制的基本方法，主要有控制冷拉率和控制冷拉应力两种。

(1)控制冷拉率的方法

冷拉率是指钢筋冷拉伸长值与钢筋冷拉前长度的比值，这是钢筋冷拉非常重要的技术指标。控制冷拉率的方法操作非常简单，只需要按照规定的冷拉率控制值，将钢筋拉伸到一定的长度即可。

钢筋冷拉率控制值需通过试验确定。在确定同炉批钢筋冷拉率控制值时，其试样不得少于4个，在万能试验机上按表5－25中规定的冷拉应力对每个试件进行张拉，记录其相应的伸长率，并取其平均值作为该批钢筋实际采用的冷拉率控制值。如果用这种试验求出的冷拉率控制值低于1%，则取1%作为其冷拉率控制值。HPB235级钢筋的冷拉率控制值一般不通过试验确定，可直接选用8%作为其冷拉率控制值。

表5－25 测定冷拉率时钢筋的冷拉应力

当为多根连接的钢筋也用控制冷拉率的方法冷拉时，仍用冷拉率控制值计算总长度值，但冷拉后多根钢筋中的每根钢筋的冷拉率均不得超过表5－25中的规定。

不同炉批的钢筋，不宜采用控制冷拉率的方法进行冷拉。

当冷拉率控制值确定后，则可根据需冷拉钢筋的长度求出冷拉时的伸长值。当钢筋冷拉到规定的伸长值后，应当停车2～3min，待钢筋变形充分发展后，方可放松钢筋，结束冷拉。

控制冷拉率法冷拉钢筋，施工非常简单，但当钢筋质量不均匀时，冷拉后钢筋的力学性能也不一致。有时，冷拉率虽然满足设计要求，但强度可能达不到要求，这样就出现钢筋强度或高或低。当用于预应力筋时，就会出现在张拉过程中或张拉完成后发生断裂，接头偏离规定的位置，锚具无法使用等缺陷。因此，作预应力用的钢筋冷拉时，多采用控制冷拉应力的方法。

(2)控制冷拉应力的方法

在采用控制冷拉应力的方法冷拉钢筋时，应按表5－24中的数值取用冷拉应力，并在冷拉后检查其冷拉率。如果钢筋已达到表5－24中的控制应力，而冷拉率未超过表中的最大冷拉率，则认为合格；如果钢筋已达到表5－24中的最大冷拉率，而冷拉应力未达到表中的控制应力值，则认为不合格。

多根连接的钢筋用控制冷拉应力的方法冷拉时，其控制应力和每根钢筋的冷拉率，也应都符合表5－24中的规定。

3．冷拉钢筋的质量检验

冷拉钢筋应按施工规范要求进行检验，每批冷拉钢筋(钢筋直径小于12mm的同钢号和同直径每100kN为一批，直径大于14mm的每200kN为一批)中，在任选的两根钢筋上，各取两个试件分别进行拉伸试验和冷弯试验，其质量应符合表5－26中的各项指标。如果有一项达不到规定的标准值，则要加倍取样重新试验，如果仍有一项指标达不到规定值，则判定该批冷拉钢筋不合格。在进行冷弯试验时，不得出现裂纹、鳞落和断裂现象；在进行拉伸试验时，应将冷拉后的钢筋放置24h以上再进行。

表5－26 冷拉钢筋的力学性能

注：1．表中d为钢筋直径(mm)。

2．钢筋直径大于25mm的冷拉HRB335级和HRB400级钢筋，冷弯弯心直径增加1d。

4．钢筋冷拉的设备

钢筋冷拉设备主要由拉力设备、承力结构、钢筋夹具及测量装置等部分组成。在建筑工程施工中的冷拉钢筋，最常用的冷拉设备是卷扬机冷拉系统。

采用卷扬机冷拉设备进行钢筋冷拉时，主要是控制卷扬机的拉力Q和钢筋冷拉的速度v。

(1)卷扬机的拉力Q

卷扬机的拉力Q可按式(5－5)进行计算，即

式中 Q——卷扬机冷拉设备的拉力(kN)；

T——卷扬机的牵引力(kN)；

m——滑轮组的工作线数；

η——滑轮组的总效率，见表5－27；

F——设备阻力，由冷拉小车与地面摩擦力及回程装置阻力组成，一般可取5～10kN。

设备拉力Q应大于或等于钢筋冷拉时所需最大拉力N=σ_csA_s的1．2～1．5倍(σ_cs：冷拉控制应力；A_s：钢筋截面面积)。

表5－27 滑轮组的总效率η

(2)钢筋冷拉的速度v

钢筋冷拉的速度v可按式(5－6)进行计算，即

式中 v——钢筋冷拉的速度(m／min)；

D——卷扬机卷筒直径(m)；

n——卷扬机的转速(r／min)；

m——滑轮组的工作线数。

为使钢筋在冷拉中充分均匀变形，确保冷拉的质量均匀性，钢筋冷拉的速度不宜过快，一般以不大于1．0m／min为宜。

5．钢筋冷拉的实例

【例5－1】现拟采用控制冷拉应力的方法冷拉HRB400级、直径为32mm的钢筋，如果采用电动慢速卷扬机冷拉，试选用冷拉设备。

【解】冷拉设备可根据钢筋冷拉时所需最大拉力确定。

(1)计算钢筋所需最大拉力

直径32mm的钢筋，查表可得钢筋截面面积A_s=804．2mm²；查表可知HRB400级钢筋的冷拉控制应力σ_cs=500N／mm²。

则此钢筋所需的最大拉力N=σ_csA_s=500×804．2=402100N=402．1kN。

(2)选择卷扬机和滑轮组

如果选用50kN的慢速电动卷扬机，查表可得卷直径为400mm，转速为8．7r／min；选用6门滑轮组，查表5－27可知6门滑轮组的工作线数m=13，滑轮组的总效率η=0．80，设备阻力取为10kN。

则设备拉力Q=Tmη－F=50×13×0．80－10=510kN＞402．1kN。

且Q／N=510／402．1=1．27＞1．2，满足要求，选用的卷扬机和滑轮组合适。

(3)钢筋冷拉速度计算

钢筋冷拉速度v=πDn／m=3．14×0．40×8．7／13=0．84m／min＜1．0m／min，满足要求。

(二)钢筋的冷拔

钢筋的冷拔是用强力使直径为6～8mm的HPB235级光圆钢筋，在常温下通过特制的钨合金拔丝孔，由于拔丝模孔的直径比钢筋直径小0．5～1．0mm，所以经过多次拉拔，拔制成比原钢筋直径小的钢丝，称之为冷拔低碳钢丝。

1．冷拔低碳钢丝的性质和用途

冷拔钢筋通过拔丝模(图5－27)时，钢筋受到拉力和钨合金模孔挤压力的双向作用，使钢筋产生塑性变形以改变其物理力学性能。冷拉与冷拔的主要区别是：冷拉是纯拉伸的线应力，而冷拔是纵向拉伸与横向压缩共同作用的立体应力。

图5－27 拔丝模的构造与装法

(a)拔丝模构造；(b)拔丝模装在喇叭管内

冷拔低碳钢丝的强度显着增加，抗拉强度标准值可提高40%～90%，所以能大量节约钢材。冷拔低碳钢丝具有硬钢的特征，其塑性大幅度降低，没有明显的屈服阶段。

冷拔低碳钢丝分为甲级和乙级两种。甲级冷拔低碳钢丝主要用于预应力混凝土构件的预应力筋，乙级冷拔低碳钢丝用于焊接网、焊接骨架、架立筋、箍筋、构造钢筋和预应力混凝土构件中的非预应力筋。

2．冷拔低碳钢丝的工艺过程

钢筋冷拔的工艺过程比较简单，主要是：轧头→剥壳→润滑→拔丝。

(1)轧头

由于拔丝模孔的直径小于钢筋直径，在开始通过拔丝模孔时，钢筋的端头必须经轧头机压细，才能穿过模孔至卷扬机。

(2)剥壳

未经过处理的钢筋，其表面有一层较硬的氧化铁渣壳，不仅容易损伤拔丝模孔的内壁，而且会使钢筋表面产生沟纹，严重影响冷拔钢丝的质量，有时甚至会被拔断。因此，在进入拔丝模孔之前，要用除锈剥壳机对钢筋进行剥壳处理。

(3)润滑

由于钢筋在拔丝模孔内要受到很大的挤压力和摩阻力，很容易造成对拔丝模孔内壁的损伤，在钢筋进入拔丝模孔前通过润滑剂箱，使钢筋表面涂一层润滑剂，这样可大大降低摩阻力，避免对拔丝模孔的损伤。

(4)拔丝

拔丝是利用一定的拉力将钢筋从拔丝模中缩径拔出。在工程上一般常采用慢速电动卷扬机，其冷拔的速度要适当，速度过快易造成断丝。

3．冷拔低碳钢丝的冷拔控制

在冷拔钢筋施工中，冷拔总压缩率和冷拔次数是主要控制指标，它们对钢丝质量和生产效率有很大影响。

(1)冷拔次数的影响

钢筋的冷拔次数应适宜，冷拔次数过多，易使钢筋变脆，且降低冷拔机的生产率；冷拔次数过少，每次压缩过大，不仅使拔丝模的损耗增加，而且易产生回丝和事故。所以冷拔次数主要取决于拔丝机拉力的大小及钢筋是否被拉断。

(2)总压缩率的影响

冷拔后钢筋的抗拉强度，随着冷拔总压缩率的增大而成比例地提高，与冷拔的次数关系不大。但压缩率越大，冷拔次数越多，钢材的塑性越低。为了保证冷拔低碳钢丝强度和塑性的相对稳定，必须控制总压缩率。

在进行钢筋冷拔的过程中，钢丝的总压缩率和冷拔次数，可参考表5－28中的数值。

表5－28 钢丝的总压缩率和冷拔次数参考值

注：总压缩率=(－d²)／×100%。

4．冷拔低碳钢丝的质量检查

冷拔低碳钢丝应进行质量检查，主要有外观检查和力学性能测定。

(1)外观检查

冷拔低碳钢丝的外观检查，要求表面无锈蚀、无伤痕、无裂纹和油污。甲级冷拔低碳钢丝直径的允许偏差，应符合表5－29中的要求。

表5－29 甲级冷拔低碳钢丝直径的允许偏差

(2)力学性能

外观检查合格后，应进行有关力学性能和冷弯性能测定，力学性能主要包括抗拉强度和伸长率两项。甲级冷拔低碳钢丝应逐盘取样检验；乙级冷拔低碳钢丝可采用同直径钢丝每50kN为一个批次，分批抽样检验，其力学性能要求见表5－30。冷弯时不得有裂纹、鳞落或断裂现象。

表5－30 冷拔低碳钢丝力学性能要求

注：1．甲级钢丝采用符合Ⅰ级热轧钢标准的盘圆条钢筋进行拔制。

2．甲级钢丝主要用于预应力筋，乙级钢丝主要用于焊接网、焊接骨架、箍筋和构造钢筋。

3．预应力冷拔低碳钢丝经机械调直后，其抗拉强度标准值应降低50N／mm²。