砼泵車高強輕量化的實用性和材料選擇

肖根先

（江蘇建筑職業技術學院，江蘇徐州221116）

砼泵車高強輕量化的實用性和材料選擇

肖根先

（江蘇建筑職業技術學院，江蘇徐州221116）

結合砼泵車施工環境和我國樓房建設現狀，對比了砼泵車與其它混凝土設備的適用性，對砼泵車高強輕量化的臂架主流長度范圍提出了建議；結合設計中的高強輕量化要求，從材料的角度出發，分析了輕質合金、高強度鋼、碳纖維材料的應用現狀和存在的問題，探討了采用新材料的可行性。

砼泵車；高強輕量；碳纖維；材料；實用性

砼泵車作為一種現代化混凝土設備，具有機動靈活，效率高，現場澆筑質量好等優點，在各類建筑中的應用非常普遍。當前砼泵車的臂架高度可以達到101 m[1]，也不乏70、80 m以上的臂架高度[2]。但是，這僅限于中聯重科、三一重工等實力雄厚的大型裝備制造公司。由于在材料使用，設計水平上的局限以及市場的需求現狀，也存在20~30 m等的臂架長度。而材料的使用則從低到高依次為高強度鋼、超高強度鋼和碳纖維材料等。

目前，砼泵車高強輕量化的研究是一個熱點，以增加泵車的泵送高度，也就是提高輸送臂架的長度，同時盡量降低結構重量。結合材料特性和有限元軟件等進行結構分析。一般來講，鋼結構砼泵車，其設計的潛力已經不大[3]。對于同等輸送規格的砼泵車，一方面，其結構設計上的區別并不突出，對比各個企業的砼泵車產品，可以發現其臂架細節設計基本上大同小異。另一方面，臂架結構設計的研究已經經歷了較長的時間，單純從結構上進行臂架的設計基本上發掘潛力有限，大多只能夠進行小修小補的細節優化。因此，有必要結合砼泵車的實用作業高度，在材料選擇上進行研究。

1從實用的角度看砼泵車的高強輕量化

我國城市建設中，現階段雖然小高層和高層建筑成為較大城市住宅樓房的主流。但是一般在30層以下，已有研究指出7~9層更加符合我國的國情[4]。而且樓間距不大，其間還有建筑材料和其它建筑機械等的放置，現場也比較高低不平，鮮有超大樓間距的住宅小區。尤其以老城區施工時，通過性的局限更為明顯。而砼泵車施工時，穩定性[5]要求高，必然要求底盤支腿占據足夠面積，泵送高度越大，支撐面積也就越大。

對于101 m的泵車，理論上雖然可以實現30層以下樓房的全澆筑，但是其靈活性在應對這類施工環境時顯得應對不足，難以移動到所需工位，性能施展困難。也由于臂架高度大，對泵車操作者和現場指揮人員的配合要求也就更高。事實上，由于該類臂架節數多，臂架長，伸展和轉動時占據空間大，有較大可能造成臂架與施工環境之間的刮擦碰撞。這是很難改觀的一個現實。而對于高智能化避障的解決方案實施較為困難，容易造成泵車成本的上升。因此適合施工的場所很少，同時該類設備在日常維護保養上看，需要投入的人力物力更大，經濟性很難保障。

當前，針對高層和超高層建筑，拖泵和混凝土輸送泵的使用廣泛而實用，雖然泵送效率相對較低（一般50~80m3/h），但是因占用空間小，輸料管布放可沿樓體上下和水平方向鋪開，在針對高樓層時顯得更為靈活機動，方便布設，因而適應能力更強。例如2005年開工的香港環球貿易廣場，總高490 m，采用4臺拖泵和2臺32 m布料桿配合施工，承擔全部的C90混凝土30多萬立方米泵送任務。而目前30層左右住宅商住等樓房，例如江蘇銅山萬達廣場，主體建筑28層，也基本上采用拖泵完成作業。而且拖泵因不需要臂架結構，輸料管固定在建筑主體上，體積小，如圖1所示，維護和購置成本相對低廉的優勢更為明顯。

圖1 徐工集團拖泵

2015年9月22日，北京BIGES展會上，中聯重科集團重點展示的就是一款擎天系列斯堪尼亞底盤四橋60 m碳纖維臂架泵車，并獲得廣泛好評。這也從一個側面印證了當前40～60 m的一個主流使用高度，如圖2所示。

圖2 某型泵車焊接拼接結構及該處應力集中

2從材料的角度看砼泵車的高強輕量化

2.1 輕質合金

砼泵車在使用中需要結構的高強度和環境適應性。因環境一般不很理想，輕質金屬如鋁合金等在臂架使用上未見使用。雖然該類材料比強度高于鋼材[6]，但設計體積大。同時，該類金屬一般耐磨性等較差，也不很適合在泵車臂架上使用，一般可以作為底盤等處的輕質化替代材料。如能將該類材料和耐磨損的鋼材復合在一起，或許會有更好的應用空間，比如，臂架整體采用鋁合金，增加厚度提高強度，依靠小比重減輕重量，鉸點處則采用鋼制內襯提高其耐磨性。

2.2 鋼材

鋼材方面，砼泵車設計制造中，多采用超高強度鋼。國內泵車生產企業依次經歷了依靠進口高強度鋼到上海寶鋼等可以提供超高強度鋼的經歷[7，8]。目前超高強度鋼的屈服強度可以達到900 MPa的水平[9]，遠遠超出了其它機械部件中常用材料Q235、40Cr等的強度水平，在砼泵車、挖掘機等設備中應用較多。因其材料價格較之碳纖維材料低廉很多，已經國產化，獲得較為容易，占據泵車臂架材料的主流地位。

從泵車制造工藝上看，目前泵車各節臂架基本上采用鋼板切割然后拼接施焊的工藝制造。在焊接的同時需要考慮材料的變形和矯正處理。由于鋼板板材厚度一般均在數毫米（2 mm，4 mm，6 mm等），長度一般都在數米至十幾米，因此一般只能采用等厚度高強鋼板疊加，過渡不可能較為圓滑，如圖2.這就造成了泵車臂架在拼接時，必然不可能完全根據臂架應力分布特征進行截面設計，因而造成一定的結構重量浪費。同時，也容易在臂架的鋼板拼接處形成一定的應力集中[10]（如圖2），造成臂架的實際使用強度降低，壽命發生折扣。

在使用中，該類鋼結構臂架主要問題是疲勞斷裂，但是容易分段焊接修復。同時，該類臂架在泵送商品砼時，在沖擊作用下容易造成振動，這是一個非常不利的因素，影響泵送穩定性，同時也不利于臂架的結構穩定。

可見在40～60 m主流臂架長度上，鋼結構設計依賴于板材和成型工藝的發展。在結構設計上，應注重減振設計。

2.3 碳纖維材料

碳纖維是一種高強輕質材料。在建筑工程和各種高強度機械設計和體育用品如羽毛球拍中應用較多。主要出產國為日本，占世界產量的75%左右。

中聯重科集團在2011年采用碳纖維材料進行臂架的設計和建造，成功突破了80 m的高度，2012年又達到了101m新高，備受世人的關注。碳纖維材料的高強度得以充分發揮，碳纖維材料密度底，比強度約為鋼材的8倍。利用碳纖維制造的臂架，剛性好，振動小，有利于施工作業。

但是，碳纖維材料性能出眾的同時也應看到其局限性：

（1）碳纖維臂架制造工藝復雜，應力計算復雜，設計難度高，加工困難，不同加工方法得到的性能品相差異巨大，且一般只能整體成型。

（2）適合砼泵車的工業級碳纖維材料仍然昂貴，暫時還不能夠大量使用，較難普及[11]。

（3）由于材料特性，該類臂架一旦發生刮擦碰撞，如繼續使用可能整節臂架開裂失穩變形，又沒有辦法像鋼材那樣焊接修補，因此，只能整體更換，代價高昂。

（4）碳纖維材料目前多是和樹脂復合固化，碳纖維在陽光等環境下容易老化[12，13]，戶外高溫作業，更加不利。

（5）與金屬材料比，基本沒有回收再利用的價值，制造時環境不友善，報廢后處理困難。

綜合以上，砼泵車高強輕量化，需要根據企業自身情況因地制宜，結合實用高度和材料特性，創造新的增強形式，如采用碳纖維復合材料來增強鋼結構[14]等。

3結束語

在對比考查砼泵車和其他混凝土專用設備的應用基礎上，結合砼泵車自身的機動性、通過性和使用方式的要求，砼泵車高強輕量化的研究應結合其實用性，建議主要針對主流的40~60 m臂長砼泵車進行高強輕量化設計，設計中應著重突出臂架的剛性，以降低使用中的振動等不利影響?；谝陨峡紤]，在材料方面，進行泵車臂架設計時，應系統對比分析輕合金、（超）高強鋼、碳纖維等材料的特點和局限性并探討新的材料及其組合形式，為企業決策提供參考。

[1]紀鵬飛.全球最長的混凝土臂架泵車[J].專用汽車，2013（08）：74-75.

[2]薛學偉，王金利.80 m全球最長碳纖維臂架泵車實戰創佳績[J].建設機械技術與管理，2012（07）：52-54，13.

[3]郭崗，吳斌興，王佳茜，等.混凝土泵車碳纖維臂架固化工藝參數研究[J].建筑機械，2015（01）：107-110.

[4]劉佳.中國城市住宅高度的合理選擇研究[D].重慶：重慶大學，2015.

[5]鄺昊，周海霞.混凝土泵車的穩定性研究[J].建設機械技術與管理，2009（01）：98-101.

[6]朱則鋼.鋁合金復合材料在汽車輕量化上的應用[J].輕金屬，2011（10）：3-6.

[7]鄭磊，張愛文，唐文軍.寶鋼熱軋超高強度鋼的研究開發[J].寶鋼技術，2009（03）：36-41.

[8]孫浩源.低合金超高強度工程機械用鋼試制研究[D].鞍山：遼寧科技大學，2013.

[9]曹永錄，王文忠，付培茂.超高強度鋼TS900QC氣體保護焊接工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2015（16）：41-43.

[10]肖根先，吳虎城.砼泵車臂架受力特點及其有限元分析[J].機械工程師，2016（09）：113-114.

[11]鄧桂芳.碳纖維行業發展趨勢分析[J].化學工業，2015（09）：13-18.

[12]杜慷慨，林志勇.碳纖維表面氧化的研究[J].華僑大學學報（自然科學版），1999（02）：32-37.

[13]夏克東，呂春祥，楊禹.炭纖維表面SiC/SiO2抗氧化涂層的溶膠凝膠法制備[J].新型炭材料，2013（03）：208-214.

[14]曹靖.碳纖維增強復合材料加固鋼結構理論分析和實驗研究[D].合肥：合肥工業大學，2011.

Practicality and MaterialSelection of High Strength LightweightConcrete Pum p Truck Design

XIAO Gen-xian
（Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China）

Combined with the concrete pump’s work environment and China’s building construction situation，applicability comparison of concrete pump and other concrete equipment is displayed and main boom length range of lightweight high strength concrete pump is proposed.Combined with the design demands for high strength and lightweight，from the point of materials analysis，both application of light alloy，high strength steel and carbon fiber material as well as the existing problems are displayed，while the feasibility of using new materials is explored.

concrete pump；high strength lightweight；carbon fiber；material；practicality

TU646

A

1672-545X（2016）12-0173-03

2016-09-27

肖根先（1981-），男，江蘇徐州人，講師，碩士，研究方向：工程機械設計。