钢筋冷加工的优点和应用

钢筋的冷加工，是在常温下以超过钢筋屈服强度的拉应力（但不超过抗拉极限）对钢筋进行拉、拔、轧等方式的工艺措施，借助加工后的强化和时效来提高强度，并利用其塑性变形，以达到节约钢材的目的。

图3.7　钢筋的应力-应变图

1.冷加工原理

从钢筋受拉的应力-应变图（图3.7）中可以看出，钢筋受拉可分为三个阶段：第一阶段为弹性阶段，曲线I中OA段为比例阶段，与A点对应的应力数值就是比例极限，以σp表示。OA′总称为弹性阶段，与A′点对应的应力数值就是弹性极限，以σe表示。第二阶段称为弹塑性阶段。在A′点以后，不仅应力应变间的正比关系破坏，而且开始产生残余变形，曲线出现水平或上下微微抖动，进入所谓屈服阶段（A′B段），此时应力不增加，但应变却迅速增加，说明材料暂时失去抵抗变形的能力，这种现象称为屈服。与B下点对应的应力值称为屈服极限，以σs表示，它是衡量承载能力和确定设计“计算强度”的重要指标。钢筋达到屈服时，试件内的晶格发生滑移，在光滑的试件表面上，出现与轴线成45°角的条纹线。当应力超过屈服阶段后，要使试件继续变形，就必须增加拉力，说明钢筋又恢复了对变形的抵抗能力，这种现象称为强化。此时又具有弹塑性特征，钢筋工作进入第三个阶段即强化阶段（BC段），与C点对应的应力数值称为强度极限，以σb表示。在应力达到σb后，试件局部截面逐渐收缩，出现颈缩现象，最后就在颈缩处拉断，与D点对应的应力已无实用意义。

钢筋冷加工主要在BC强化阶段。当应力拉至E点时，停止拉伸，并立即卸荷，则曲线沿EF（EF/AO）回降，此时，OF为塑性变形，FI为弹性变形，OI称为冷拉率。若将冷拉卸荷后的钢筋立即再作拉伸，则曲线沿FECD进行，此时的屈服点从原来的B下点上升到E点，此即冷拉强化。若卸荷后在常温下搁置相当长时间再张拉，则曲线将沿FEGH进行，屈服点提高到G点。钢筋经冷拉强化作用后，随着放置时间的延长而使钢筋的强度进一步提高，同时塑性和韧性继续下降，这种现象称作时效现象。常温下需要15～20 d才能自行完成时效过程，此为自然时效；若采用蒸气或电解法加热到100℃时，只要1～2 h就可完成时效，此为人工时效。

经冷加工处理后，钢筋的强度可以提高30%～100%，但也有其不能克服的缺点：

一是钢筋材质由于应力作用变硬，塑性显著降低，从而使钢的疲劳强度、冲击韧性大大降低。对于承受动荷载或重复荷载的结构是极不利的，故在这些结构中很少采用冷加工钢材。

二是冷加工钢筋有明显的“包兴格效应”。金属被拉伸（或受压）到超过弹性极限（一般钢材和屈服点很接近），并产生塑性变形后，虽然抗拉强度（或抗压强度）急剧提高，但其抗压（抗拉）的弹性极限却显著降低，屈服台阶消失，因这种现象是由包兴格等人发现，故称为“包兴格效应”。因而，冷加工后钢筋不宜做受压配筋使用（冷轧、冷扭钢筋除外）。

三是经冷加工强化的钢材受到高温作用时，会恢复弹性，降低机械强度，故对经冷加工强化的钢筋焊接或加热时，需要采取措施以防其机械性能的恢复。

2.冷拉

冷拉工艺是钢筋冷加工最常用的方法，设备简单，操作容易，常将调直、除锈、冷拉合成一道工序进行。

（1）冷拉原理

钢筋的冷拉是将钢筋的一端固定，在另一端用拉力机进行强力拉伸，使之超过钢筋的屈服点（但小于抗拉强度的某一应力值），并控制一定的延伸率，然后放松。由于钢筋的冷拉强化作用及塑性变形，其屈服点提高25%～30%，材料变脆，屈服阶段缩短，伸长率降低，抗拉强度略有提高。冷拉后的钢筋长度：Ⅰ级钢筋增加8%左右；Ⅱ，Ⅲ级增加3%～5%；Ⅳ级增加2%～4%。

（2）冷拉参数及其控制

冷拉应力和冷拉率是控制冷拉质量的两个参数。仅用冷拉率控制的方法称为单控，用冷拉率和冷拉应力同时控制的方法称为双控。冷拉参数的控制值见表3.12。

表3.12　钢筋冷拉参数

①单控冷拉

钢筋单控冷拉，只控制冷拉率。冷拉时钢筋的伸长值ΔL，可按式（3.5）计算。冷拉后钢筋的实际伸长，还应扣除弹性回缩值。

ΔL=r·L　(3.5)

式中　r——钢筋的冷拉率；

L——钢筋冷拉前的长度。

钢筋冷拉率应由试验确定。一般以来料批次为单位，同批取3根试样，混批取6根试样，以规定的冷拉控制应力为标准，测定其冷拉率。如所测得的冷拉率有一根超过上限位或最大差值较大（如Ⅱ级钢筋差值大于2%），则该批钢筋不得采用单控方法作为重要构件的预应力钢筋。Ⅰ级钢筋一般不作拉长率试验，采用8%冷拉率较合适。

在冷拉操作时，拉伸至规定长度后需持荷载2～3 min，再放松夹具，以避免钢筋弹性回缩值过大。冷拉速度一般控制在：大冷拉以每分钟1 m左右，小冷拉以每分钟6～10 m为宜（拉直细钢筋时可不受此限）。

②双控冷拉

钢筋双控冷拉，以应力控制为主，同时控制伸长上限。这种工艺易于保证冷拉钢筋质量，并节约钢材，在测力条件许可下应优先选用。双控冷拉时，其冷拉力N可按式（3.6）计算：

N=σg·Ag　(3.6)

式中　σg——钢筋冷拉的控制应力，MPa；

Ag——钢筋冷拉前的截面面积，mm2。

冷拉时钢筋已拉到控制应力，而冷拉率未超过允许值，则认为合格。若钢筋已达到允许冷拉率，而拉应力还小于控制应力，则该钢筋应降低强度使用。

（3）冷拉设备

冷拉设备由拉力装置、承力机构、钢筋夹具及测量装置组成。拉力装置一般由卷扬机，张拉小车及滑轮组等组成，也可用普通液压千斤顶、长行程千斤顶等代替。承力机构用钢筋混凝土压杆（两压杆组成冷拉槽）或地锚。冷拉长度测量可用标尺。测力计可采用电子传感器附有压力表的千斤顶、弹簧测力计，测力计一般装在张拉端的定滑轮处。

冷拉工艺布置方案可参考图3.8灵活选用。

图3.8　用卷扬机冷拉钢筋工艺布置方案(www.xing528.com)

1—卷扬机；2—滑轮组；3—冷拉小车；4—钢筋夹具；5—钢筋；6—地锚；7—防护壁；8—标尺；9—回程荷重架；10—连接杆；11—弹簧测力器；12—回程滑轮组；13—传力架；14—钢压柱；15—槽式台座；16—回程卷扬机；17—电子秤；18—液压千斤顶。

①设备拉力计算

若设备连接如图3.9所示，则卷扬冷拉设备的拉力Q可按式（3.7）计算：

图3.9　冷拉设备受力计算简图

1—卷扬机；2—滑轮组；3—电子秤传感器。

Q=T·m·η-F　(3.7)

式中　T——卷扬机牵引力，N；

m——滑轮组工作线数；

η——滑轮组总效率，查表3.13；

F——设备阻力，由冷拉小车与地面的摩擦阻力及回程装置阻力组成，一般取5～10 kN。

设备冷拉力Q≥（1.2～1.5）N（N为钢筋冷拉力），才算满足要求。

表3.13　滑轮组总效率η

注：本表根据单个滑轮效率0.96计算。

②冷拉速度计算

钢筋的冷拉速度V，可按式（3.8）计算：

式中　D——卷扬机卷筒直径，m；

n——卷扬机卷筒转速，r/min；

m——滑轮组工作线数。

3.冷拔

冷拔是将直径为6～10 mm的Ⅰ级光面钢筋，在常温下使其多次通过小于其直径0.5～1 mm的硬质合金拔丝模进行强力拉拔。钢筋经冷拔后，由于径向压缩，纵向伸长，内部晶体发生滑移，晶格因强迫变位产生内应力，抗拉强度提高，塑性降低。对截面减缩率要求较大的钢筋，需经多次冷拔。为了保持一定的塑性，有时需经中间退火处理。

冷拔工艺过程一般包括机械除锈（使钢筋通过3～6个上下交错排列的辊子）、酸洗、中和、烘干、轧头及拔丝。因工艺复杂，劳动消耗大，现多数混凝土构件厂已将工艺流程简化为机械除锈、轧头及拔丝。

拔丝机有立式、卧式和单筒、多筒之分，采用立式的较多。为了提高生产率，而将多个拔丝机联合作业，多模串联时，应注意冷拔次数（即分道压缩率），冷拔次数可参考表3.14。

表3.14　钢丝冷拔次数

冷拔总压缩率β（即由盘条拔至成品钢丝的横截面积缩减总率）可按式（3.9）计算：

式中　d0——盘条钢筋直径，mm；

d——成品钢丝直径，mm。

冷拔次数与每道压缩量除参考表3.14选择外，也可按式（3.10）计算：

d2=(0.85～0.6)d1　(3.10)

式中　d2——后道钢丝直径，mm；

d1——前道钢丝直径，mm。

冷拔低碳钢丝的伸长率随总压缩率的增大而降低60%～80%，最后冷拔至3 mm或4 mm直径时，伸长率只有原材料的10%～15%。冷拔钢丝强度与伸长率也有一定关系，一般强度高的伸长率少。故冷拔次数可根据钢材性质和工艺设备条件选择。