Технологические схемы производства предварительно напряженных железобетонных изделий

14.02.2017



В промышленности сборного железобетона находят применение различные технологические схемы производства предварительно напряженных железобетонных конструкций. Особенно большое разнообразие технологических схем наблюдается при производстве крупных конструкций.
Технологическая схема оказывает большое влияние на использование производственных площадей и оборудования, на производительность труда, качество продукции и условия труда, а в конечном итоге на себестоимость продукции.
Известны попытки классификации различных технологических схем производства предварительно напряженных железобетонных конструкций. Такая классификация носит условный характер, но она необходима для сравнительного анализа.
Технологические схемы в зависимости от состояния форм в процессе производства можно условно разделить на две группы — стендовую и поточную (рис. 2.4).

Стендовые технологические схемы характеризуются неподвижностью формы в течение всего технологического процесса, включая ускоренное твердение бетона. При этом все операции — разборка форм, извлечение готового изделия, очистка и сборка форм, укладка и натяжение напрягаемой арматуры, установка и фиксация ненапрягаемой арматуры и закладных деталей, укладка и уплотнение бетонной смеси, ускоренное твердение бетона — производятся на одном месте.
Поточные технологические схемы характеризуются перемещением формы в процессе производства от одного рабочего поста к другому, причем на каждом из постов выполняются определенные технологические операции.
В свою очередь каждая из этих схем делится на несколько типов в зависимости от технологической компоновки и метода ускоренного твердения бетона.
К стендовой схеме относятся следующие технологические решения:
- длинные стенды, одноярусные и многоярусные;
- короткие стенды, одноярусные, пакетные и кассетные;
- стендовое использование силовых форм.
В каждом из этих решений ускоренное твердение бетона может происходить в камерах тепловой обработки или без камер с использованием паровых рубашек, термоформ, укрытий и пр.
В группу поточных технологических схем входят: поточно-агрегатная схема, характеризуемая главным образом использованием специализированных рабочих постов, обычно с камерами секционного типа для ускоренного твердения бетона; возможно также применение термоформ;
конвейерная схема, характеризуемая камерами непрерывного действия и принудительным технологическим ритмом; здесь также могут использоваться термоформы.
Стендами называют такие технологические установки, в которых усилия от натянутой арматуры во время ускоренного твердения бетона передаются на самостоятельные упорные конструкции, не связанные с формами и закрепляемые в фундаментах. В технологической линии с длинными стендами напрягаемая арматура натягивается одновременно для нескольких изделий подлине (рис. 2.5, а). Tакие стенды обычно имеют длину от 50 до 200 м и вдоль каждой нитки стенда размещается от 4 до 16 одинаковых изделий.


Собственно стенд выполняется в виде мощных железобетонных монолитных концевых фундаментов с заделанными в них стальными упорами. Между концевыми фундаментами находится распорная железобетонная плита. Известны длинные стенды, являющиеся в то же время пропарочными камерами.
Длинные стенды — одно из первых технологических решений, примененных для производства предварительно напряженных железобетонных изделий. Первые стенды длиной около 100 м для небольших балок и шпал с напрягаемой арматурой из тонкой проволоки были сконструированы в Германии. В дальнейшем длинные стенды применялись в Германии также для производства трехслойных плит-настилов с использованием так называемых бетонирующих комбайнов и формованием нескольких рядов плит по высоте (многоярусные длинные стенды, рис. 2.5, б). В первых длинных стендах пакеты высокопрочной проволоки заготовлялись рядом с формовочными полосами стенда и переносились на стенд готовыми. В многоярусных стендах с бетонирующими комбайнами проволока протягивается вдоль стенда при помощи тележки с проволочными бобинами. В зависимости от способа заготовки и укладки напрягаемой арматуры различают стенды пакетные и протяжные.
Короткими называют стенды, по длине которых размещается только одно или два изделия (рис. 2.5 в). Здесь также основной несущий элемент стенда, воспринимающий усилия от натянутой арматуры, выполняется в виде мощного железобетонного фундамента или же для этой цели используется одна или две стенки пропарочной камеры.
Если в коротком стенде формуют изделия в несколько рядов по высоте, то его называют пакетным. Такие стенды применяли, например, для изготовления стропильных и подстропильных ферм в положении «плашмя» (рис. 2.5, г).
Короткие стенды длиной на одно изделие применяют в отдельных случаях при производстве стропильных ферм в рабочем положении по нескольку штук рядом. Такие короткие стенды называют кассетными (рис. 2.5, д).
По стендовой схеме можно использовать и отдельные силовые формы, т. е. формы, воспринимающие усилия от натянутой арматуры. Такие формы могут быть снабжены паровыми рубашками или находиться постоянно в камерах ускоренного твердения бетона (рис. 2.5, ё).
В поточных технологических схемах во всех случаях применяют только силовые формы, так как формы с натянутой на них арматурой перемещаются с места на место в процессе производства.
Наибольшее распространение получила поточно-агрегатная схема производства предварительно напряженных железобетонных конструкций; по ней изготовляют многопустотные и ребристые панели перекрытий и покрытий размером в плане до 3х15 м. В ряде случаев поточно-агрегатная схема успешно используется для производства крупных балок длиной до 18 м и стропильных ферм длиной до 24 м. Обычно при организации производства по поточно-агрегатной схеме для формования используют вибромашины, а для твердения — секционные пропарочные камеры (рис. 2.6, а). При устройстве раздельного вибродна и специальных вибропостов можно применить формы с паровыми рубашками, что подробнее пояснено ниже.

Конвейерная схема отличается от поточно-агрегатной тем, что для ускоренного твердения бетона в ней используется обычно камера непрерывного действия и на конвейере одновременно перемещаются все силовые формы с одного поста на следующий (рис. 2.6, б). В последнее время для ускоренного твердения бетона применяют также термоформы, устанавливаемые в виде стопки так, чтобы можно было выдать форму с готовым изделием независимо от других форм, установленных позднее.
С точки зрения организации производства предпочтительна такая схема, при которой отдельные формы технологически не зависят одна от другой. Это значит, что извлечение готового изделия из одной формы не зависит от того, достаточна ли прочность бетона в другой форме, натяжение арматуры на одну из форм не мешает выполнению других технологических операций на линии и т. д.
При этом создаются условия для форсирования производства, а отдельные неполадки отражаются на длительности технологического процесса в меньшей степени. Технологическая независимость форм имеет место при одноярусных коротких стендах и при использовании силовых форм по стендовой (гибкой стендовой), поточноагрегатной и конвейерной схемам.
Существенные преимущества в общем случае имеют поточные схемы перед стендовыми. Заключаются эти преимущества прежде всего в специализации рабочих постов. При поточных схемах не приходится развозить бетон по всему пролету, как при стендовой технологии. То же относится, к арматуре и закладным деталям, к подаче смазки и сжатого воздуха для чистки форм. При стендовом производстве, т. е. когда на каждом посту выполняются все операции, площадь, занимаемая каждой формой, определяется технологической операцией, требующей наибольшей площади, например укладкой бетона бетоноукладчиком или натяжением арматуры с использованием трансформаторов или насосных станций с домкратами. При поточно-агрегатной схеме только отдельные посты будут иметь относительно большой габарит, например пост формования или зарядки форм, на участке же ускоренного твердения бетона формы можно ставить значительно чаще, а при сравнительно небольших изделиях — даже в несколько рядов по высоте.
При поточно-агрегатной схеме нужно поднимать и перемещать форму с изделием, в то время как при стендовой схеме изделие поднимается без формы. Поэтому при поточно-агрегатной схеме нужны краны большой грузоподъемности. При конвейерной схеме перемещение с поста на пост обычно осуществляется не краном, а по рельсам или рольгангам и не нужны краны повышенной грузоподъемности.
В отношении производства плит и настилов многие исследования и опыт не оставили сомнений в преимуществах поточно-агрегатной схемы с силовыми формами перед стендовой.
При производстве крупных конструкций выбор поточной или стендовой схемы должен быть сделан на основе анализа с учетом конкретных условий.
В пакетных и кассетных стендах нет возможности совместить технологические операции для отдельных изделий, и поэтому технологический цикл получается продолжительным. Значительное время теряется вследствие того, что после окончания работ по одному изделию нельзя сразу начать термическую обработку бетона, пока не будут закончены работы по всем изделиям, входящим в пакет или кассету. В результате этого полный технологический цикл на длинных пакетных стендах с бетонирующими комбайнами продолжается от 10 до 20 суток, а на пакетных и кассетных коротких стендах — от 3 до 10 суток.
На первый взгляд компактное расположение изделий в таких стендах может показаться экономным по использованию производственных площадей. Однако эта экономия только кажущаяся, так как большая длительность технологического цикла приводит к худшему использованию производственных площадей, а также к низкому использованию оборудования и к большим затратам труда.
Кассетный стенд для изготовления ферм в рабочем положении также имеет не большую производительность, чем одна силовая форма, но обладает большим весом и значительными неудобствами, связанными с большой высотой установки, а также с укладкой и уплотнением бетона в верхний пояс криволинейного или ломаного очертания.
Кассетные стенды на шесть стропильных ферм длиной 18 м применялись, в частности, на Полтавском заводе ЖБК № 1. По. проекту длительность технологического цикла составляет 3 суток. Кассетная установка, представляющая собой сложный агрегат с поворачивающимися высокими рассекателями, весит 28,3 т и на ней можно получить две фермы в сутки. При этом трудоемкость изготовления ферм составила 7 чел.-дней на 1 м3.
При изготовлении ферм в положении плашмя в парной силовой форме технологический цикл длится 1 сутки и производительность одной формы составит также две фермы в сутки. Весит такая форма 16 т.
В силовых одинарных формах, находящихся в камерах, изготовляют в положении плашмя стропильные фермы длиной по 24 м на Московском заводе ЖБИ № 18, где трудоемкость на 1 м3 не превышает 1 чел.-дня.
Короткие стенды на одно-два изделия технологически отличаются от стендовых силовых форм только тем, что на стендах начальные предварительные напряжения в арматуре снижаются вследствие перепада температур между арматурой и упорами, которого нет в силовых формах. Силовые формы можно легко передислоцировать, чего нельзя сделать с короткими стендами, имеющими массивные фундаменты или стенки.
Основной выбор технологической схемы производства крупных предварительно напряженных железобетонных конструкций должен быть сделан между длинными стендами с несиловыми формами и использованием силовых форм. Для этой цели рассмотрим производство по указанным схемам, размещенное в типовом унифицированном пролете УТП-1.
Длинные стенды с несиловыми формами применены в типовом проекте 04-09-4 «Стендовое производство предварительно напряженных линейных конструкций для промышленного строительства производительностью 10 тыс. м3 в год (по условной расчетной номенклатуре)», разработанном институтом Гипростройиндустрия совместно с Промстройпроектом и введенном в действие 27 июня 1963 г. По этому проекту предусмотрено размещение производства предварительно напряженных железобетонных балок для промышленных зданий в унифицированном типовом пролете. Унифицированный типовой пролет УТП-1 (рис. 2.7, а) в поперечном направлении имеет размер между осями колонн 18 м, а в продольном — 12 шагов по 12 м.
Таким образом, основная производственная часть пролета имеет длину около 120 м; здесь находятся размоточные приспособления и стенды с упорами для размещения несиловых форм. Полезная длина стенда, на которой размещаются формы, составляет 100 м, примерно 20 м занимают бухтодержатели и упоры стенда.

Стенд выполнен из двух полос шириной по 3,5 м с расстоянием между их осями 5,4 м.
На две полосы стенда расходуется 120 т стальных конструкций, главным образом упоров (94 т), 66 т стальной арматуры железобетона и примерно 1200 м3 бетона. Общий вес стенда свыше 3 тыс. т. С обеих сторон стенда заделано в бетон по девять упоров на полосе.
На каждой полосе стенда размещается по две линии несиловых форм для балок. Уплотнение бетона осуществляется вибраторами, прикрепляемыми к бортам форм. Таким образом, в пролете размещаются четыре линии форм и, следовательно, одновременно можно изготовлять до четырех типоразмеров балок.
Номенклатура балок, изготовляемых на заводе сборного железобетона для промышленного строительства, обычно состоит из семи основных позиций, не считая различий по несущей способности: подкрановые балки пролетом 12 и 6 ж, стропильные балки постоянной высоты 12 и 18 м, стропильные двускатные балки .12 и 18 м и подстропильные балки.
Так как эти конструкции имеют различный объем на 1 пог. м, то в зависимости от выбора расчетной номенклатуры балок можно получить различную расчетную годовую производительность пролета. Годовая производительность в проекте принята при условной расчетной номенклатуре с общим объемом бетона на четырех линиях 103,96 м3.
На каждой технологической линии размещается восемь форм для балок длиной 12 м или пять форм для балок длиной 18 м.
При составлении проекта длительность технологического цикла изготовления подкрановых и подстропильных балок длиной 12 м была принята равной 3 суткам, чему соответствуют 94 формовки в год при 282 рабочих днях, а для стропильных балок — 2,5 суток, т. е. 113 формовок в год. Подсчитанная таким образом годовая производительность пролета составила 10 тыс. м3.
Подавляющее большинство заводов не освоило даже указанной в проекте сравнительно небольшой производительности стендов. Однако на некоторых заводах с двумя или тремя технологическими линиями в пролете удалось освоить проектный технологический цикл и даже несколько превзойти его. Так, например, на одном заводе при расположении в пролете двух технологических линий для производства одинаковых подкрановых балок длиной по 12 м удалось получить длительность технологического цикла 2—3 суток. Можно предположить, что в дальнейшем цикл, равный 2 суткам, станет реальным. Учитывая это, можно принять что годовая производительность пролета при длительности технологического цикла на всех нитках по 2 суток составит 14,6 тыс. м3.
Полный вес технологического оборудования пролета равен 342 т, в том числе мостовые краны весят 50 т, комплект форм и прижимов для них — 211 т. При оценке расхода материалов на оборудование следует учесть также указанный выше расход металла и бетона на стенд, а также на запасные комплекты форм.
Для обеспечения нормальной работы на заводах имеется еще по крайней мере два комплекта форм общим весом около 100 т.
Если на заводе не один, а два стендовых пролета, то положение с запасными формами не изменится, так как в другом пролете нужно изготовлять другие изделия (стропильные фермы, а в некоторых случаях и подстропильные).
Условия, при которых не понадобятся запасные комплекты форм, могут быть созданы при трех и более стендовых пролетах, но такие предприятия почти не встречаются. Возможна также специализация заводов в определенном районе, позволяющая обойтись без запасных комплектов форм.
На рис. 2.7, б показан проект размещения в унифицированном типовом пролете УТП-1 производства предварительно напряженных железобетонных балок для промышленных зданий в силовых формах по стендовой технологии, разработанный Гипростройиндустрией с участием ВНИИЖелезобетона.
Силовые формы размещены свободно на гладком бетонном полу, не имеющем упоров, мощных фундаментов и пр. Силовые формы располагаются в три-четыре ряда по ширине пролета. В середине пролета между формами проходит колея для четырех консольных бетонораздатчиков. Уплотнение бетонной смеси осуществляется через отрезное дно формы, на котором укреплены вибраторы.
В таком пролете предполагается применять универсальные силовые формы, в которых можно изготовлять предварительно напряженные балки с различной напрягаемой арматурой — стержневой, проволочной или канатной (прядевой) с натяжением ее электротермическим методом или механическим.
В пролете с силовыми формами одновременно изготовляются балки шести типов. В расчете принят суточный технологический цикл, повсеместно достигнутый на предприятиях при использовании одиночных силовых форм.
Количество одновременно изготовляемых типов балок может быть увеличено путем замены одних силовых форм другими.
При принятой расчетной номенклатуре объем бетона на 1 м длины одновременно изготовляемых балок в пролете составляет 94,67/348=0,27 м3, т. е. такой же, как в описанном выше проекте с несиловыми формами на длинных стендах 103,96/378=0,27 м3. Следовательно, принятые расчетные номенклатуры сравнимы. В обоих проектах принята двусменная работа при круглосуточной тепловой обработке.

Как видно из табл. 2.5, использование силовых форм имеет большие преимущества перед несиловыми формами на длинных стендах.
Вес каждой силовой формы принят в 1,5 раза больше веса несиловой формы. В проекте с силовыми формами в оборудование включены агрегаты, необходимые для применения стержневой, проволочной или прядевой напрягаемой арматуры.
Однако и при этих условиях расход металла для оборудования на единицу выпускаемой продукции при силовых формах оказывается в 3,8 (2,6) раза меньше,чем при длинных стендах. Производительность пролета возрастает в 2,6 (1,8) раза с соответствующим снижением капиталовложений и амортизационных отчислений. К этому нужно добавить, что силовые формы в приведенном проекте размещены более свободно, чем несиловые, что улучшает условия труда. Для полноты сравнения следует еще учесть свыше 1000 м3 бетона в длинных стендах пролета, чего пет при силовых формах.
Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о нецелесообразности применения технологии длинных стендов с несиловыми формами. Даже при очень крупных предприятиях с несколькими пролетами для производства крупных железобетонных предварительно напряженных конструкций, т. е. при отсутствии резервных форм, гибкая стендовая технология с силовыми формами сохраняет явные преимущества.
Этот вывод подтверждается экономическими работами НИИЖБ, в которых, в частности, указывается, что «затраты на комплекс работ по заготовке и натяжению напрягаемой арматуры при изготовлении конструкций с проволочной арматурой на длинных стендах в 2—3 раза больше, чем конструкций со стержневой арматурой, изготовляемых в силовых формах».
Гибкую стендовую технологию целесообразно не только применять при строительстве новых заводов, но и переводить на нее действующие предприятия, оборудованные длинными стендами. В качестве примера приведем один из подмосковных заводов железобетонных изделий для промышленного строительства, построенный по типовому проекту. На этом заводе подкрановые балки и подстропильные фермы изготовляют на длинных стендах. В пролете размещены три технологические линии: две для балок длиной 6 и 12 ж и одна для ферм. Проектная годовая производительность пролета 6,8 тыс. м3, фактическая 3,45 тыс. м3.
При переходе на силовые формы вместо трех предусматривается одновременное изготовление четырех типов изделий. В расчете экономической эффективности принята стоимость новых силовых форм по 400 руб. за 1 т, при весе формы в 1,5 раза больше веса изделия. Расчеты показывают, что при установке силовых форм на трех технологических линиях годовая производительность пролета увеличивается до 16 тыс. м3; стоимость новых силовых форм составляет около 80 тыс. руб., или 5 руб/м3 железобетона, чему соответствуют амортизационные отчисления (при норме 30,3%) — 1,52 руб.
Так как с увеличением производительности предприятия снижается доля расходов на содержание и эксплуатацию оборудования, а также цеховых и общезаводских расходов в себестоимости 1 м3 изделия, то повышение производительности завода позволило существенно уменьшить себестоимость продукции.
С учетом амортизационных отчислений от стоимости вновь приобретаемых силовых форм затраты по статьям содержания и эксплуатация оборудования цеховым и общезаводским расходам равны 19,62 руб. Экономия на 1 м3 составляет 29,7—19,62 = 10 руб. Годовая экономия при выпуске 16 тыс. м3 равна 160 тыс. руб. Окупаемость затрат 80:160 = 0,5 года. Расчет экономии выполнен в предположении, что при существующей технологии можно без дополнительных затрат достичь годовой производительности 6,8 тыс. м3. Если же сравнить с фактически достигнутой производительностью (3,45 тыс. м3), то годовая экономия составит 380 тыс. руб.
Остановимся на одном из путей дальнейшего усовершенствования технологии производства крупных предварительно напряженных железобетонных балок в силовых формах.
На рис. 2.8 приведена технологическая компоновка производства балок в унифицированном типовом пролете УТП-1 по поточноагрегатной схеме в силовых формах, разработанная во ВНИИЖелезобетоне. Силовые формы снабжены паровыми рубашками и вибродном, в котором дно не имеет вибраторов, в отличие от отрезного дна с прикрепленными к нему вибраторами при вибропоршневом способе уплотнения бетона.

Бетонную смесь уплотняют на специальных вибропостах, где вибраторы на время формования прикрепляются к дну, передавая через него вибрацию бетону. Благодаря такому приему, описываемая технология производства крупных конструкций соединяет преимущества гибкой стендовой технологии (вибрация через отрезное дно, паровые рубашки) с преимуществами обычной поточно-агрегатной (специализация рабочих мест, хорошее использование производственной площади).
Используемая длина пролета в 120 м разделена на три зоны. В зоне формования длиной 25 м размещены три формовочных поста.
В зоне ускоренного твердения бетона располагается одновременно 26—28 форм по 6—7 шт. по ширине пролета с расстоянием между ними по осям всего 1,7—2 м. Такое малое расстояние между формами возможна благодаря отсутствию электродвигателей-вибраторов. Небольшое расстояние между формами допустимо и потому, что на них в этой зоне не выполняются работы, связанные с открыванием бортов. Между поперечными рядами форм предусмотрены проходы шириной но 2 м для строповки, подключения и отключения паро- и конденсатопроводов.
Длина зоны ускоренного твердения бетона около 70 м.
В зоне распалубки и зарядки размещены 4 поста, на каждом из которых выполняются следующие операции: освобождение подвижных частей формы, передача предварительных напряжений на бетон, извлечение готового изделия из формы и установка на контрольный пост или на выкатную тележку для отправки на склад готовой продукции, чистка и смазка формы, установка и натяжение напрягаемой арматуры, установка и фиксация ненапрягаемой арматуры и закладных деталей, сборка формы, строповка для доставки заряженной формы в зону формования.
Расстояние между осями постов зарядки около 3 м. В зоне зарядки размещается нагревательная установка для электротермического натяжения арматуры. Вдоль одной из торцовых сторон постов зарядки предусмотрены пути тележек с домкратами для натяжения проволочной или прядевой арматуры. Длина зоны зарядки около 25 м.
Одновременно в пролете находится 32—34 формы и при суточном технологическом цикле годовая производительность его составит около 30 тыс. м3.
Преимуществами описанной здесь поточно-агрегатной схемы по сравнению с использованием силовых форм по стендовой схеме являются не только лучшее использование производственной площадки, но и сокращение количества вибраторов для формования и оборудования для натяжения арматуры. По сравнению с обычной поточно-агрегатной схемой с виброплощадками требуется меньшая мощность вибропостов и имеется возможность применения паровых рубашек вместо пропарочных камер. Уменьшается шум при вибрировании.