砼泵车高强轻量化的实用性和材料选择

肖根先

（江苏建筑职业技术学院，江苏徐州221116）

砼泵车高强轻量化的实用性和材料选择

肖根先

（江苏建筑职业技术学院，江苏徐州221116）

结合砼泵车施工环境和我国楼房建设现状，对比了砼泵车与其它混凝土设备的适用性，对砼泵车高强轻量化的臂架主流长度范围提出了建议；结合设计中的高强轻量化要求，从材料的角度出发，分析了轻质合金、高强度钢、碳纤维材料的应用现状和存在的问题，探讨了采用新材料的可行性。

砼泵车；高强轻量；碳纤维；材料；实用性

砼泵车作为一种现代化混凝土设备，具有机动灵活，效率高，现场浇筑质量好等优点，在各类建筑中的应用非常普遍。当前砼泵车的臂架高度可以达到101 m[1]，也不乏70、80 m以上的臂架高度[2]。但是，这仅限于中联重科、三一重工等实力雄厚的大型装备制造公司。由于在材料使用，设计水平上的局限以及市场的需求现状，也存在20~30 m等的臂架长度。而材料的使用则从低到高依次为高强度钢、超高强度钢和碳纤维材料等。

目前，砼泵车高强轻量化的研究是一个热点，以增加泵车的泵送高度，也就是提高输送臂架的长度，同时尽量降低结构重量。结合材料特性和有限元软件等进行结构分析。一般来讲，钢结构砼泵车，其设计的潜力已经不大[3]。对于同等输送规格的砼泵车，一方面，其结构设计上的区别并不突出，对比各个企业的砼泵车产品，可以发现其臂架细节设计基本上大同小异。另一方面，臂架结构设计的研究已经经历了较长的时间，单纯从结构上进行臂架的设计基本上发掘潜力有限，大多只能够进行小修小补的细节优化。因此，有必要结合砼泵车的实用作业高度，在材料选择上进行研究。

1从实用的角度看砼泵车的高强轻量化

我国城市建设中，现阶段虽然小高层和高层建筑成为较大城市住宅楼房的主流。但是一般在30层以下，已有研究指出7~9层更加符合我国的国情[4]。而且楼间距不大，其间还有建筑材料和其它建筑机械等的放置，现场也比较高低不平，鲜有超大楼间距的住宅小区。尤其以老城区施工时，通过性的局限更为明显。而砼泵车施工时，稳定性[5]要求高，必然要求底盘支腿占据足够面积，泵送高度越大，支撑面积也就越大。

对于101 m的泵车，理论上虽然可以实现30层以下楼房的全浇筑，但是其灵活性在应对这类施工环境时显得应对不足，难以移动到所需工位，性能施展困难。也由于臂架高度大，对泵车操作者和现场指挥人员的配合要求也就更高。事实上，由于该类臂架节数多，臂架长，伸展和转动时占据空间大，有较大可能造成臂架与施工环境之间的刮擦碰撞。这是很难改观的一个现实。而对于高智能化避障的解决方案实施较为困难，容易造成泵车成本的上升。因此适合施工的场所很少，同时该类设备在日常维护保养上看，需要投入的人力物力更大，经济性很难保障。

当前，针对高层和超高层建筑，拖泵和混凝土输送泵的使用广泛而实用，虽然泵送效率相对较低（一般50~80m3/h），但是因占用空间小，输料管布放可沿楼体上下和水平方向铺开，在针对高楼层时显得更为灵活机动，方便布设，因而适应能力更强。例如2005年开工的香港环球贸易广场，总高490 m，采用4台拖泵和2台32 m布料杆配合施工，承担全部的C90混凝土30多万立方米泵送任务。而目前30层左右住宅商住等楼房，例如江苏铜山万达广场，主体建筑28层，也基本上采用拖泵完成作业。而且拖泵因不需要臂架结构，输料管固定在建筑主体上，体积小，如图1所示，维护和购置成本相对低廉的优势更为明显。

图1 徐工集团拖泵

2015年9月22日，北京BIGES展会上，中联重科集团重点展示的就是一款擎天系列斯堪尼亚底盘四桥60 m碳纤维臂架泵车，并获得广泛好评。这也从一个侧面印证了当前40～60 m的一个主流使用高度，如图2所示。

图2 某型泵车焊接拼接结构及该处应力集中

2从材料的角度看砼泵车的高强轻量化

2.1 轻质合金

砼泵车在使用中需要结构的高强度和环境适应性。因环境一般不很理想，轻质金属如铝合金等在臂架使用上未见使用。虽然该类材料比强度高于钢材[6]，但设计体积大。同时，该类金属一般耐磨性等较差，也不很适合在泵车臂架上使用，一般可以作为底盘等处的轻质化替代材料。如能将该类材料和耐磨损的钢材复合在一起，或许会有更好的应用空间，比如，臂架整体采用铝合金，增加厚度提高强度，依靠小比重减轻重量，铰点处则采用钢制内衬提高其耐磨性。

2.2 钢材

钢材方面，砼泵车设计制造中，多采用超高强度钢。国内泵车生产企业依次经历了依靠进口高强度钢到上海宝钢等可以提供超高强度钢的经历[7，8]。目前超高强度钢的屈服强度可以达到900 MPa的水平[9]，远远超出了其它机械部件中常用材料Q235、40Cr等的强度水平，在砼泵车、挖掘机等设备中应用较多。因其材料价格较之碳纤维材料低廉很多，已经国产化，获得较为容易，占据泵车臂架材料的主流地位。

从泵车制造工艺上看，目前泵车各节臂架基本上采用钢板切割然后拼接施焊的工艺制造。在焊接的同时需要考虑材料的变形和矫正处理。由于钢板板材厚度一般均在数毫米（2 mm，4 mm，6 mm等），长度一般都在数米至十几米，因此一般只能采用等厚度高强钢板叠加，过渡不可能较为圆滑，如图2.这就造成了泵车臂架在拼接时，必然不可能完全根据臂架应力分布特征进行截面设计，因而造成一定的结构重量浪费。同时，也容易在臂架的钢板拼接处形成一定的应力集中[10]（如图2），造成臂架的实际使用强度降低，寿命发生折扣。

在使用中，该类钢结构臂架主要问题是疲劳断裂，但是容易分段焊接修复。同时，该类臂架在泵送商品砼时，在冲击作用下容易造成振动，这是一个非常不利的因素，影响泵送稳定性，同时也不利于臂架的结构稳定。

可见在40～60 m主流臂架长度上，钢结构设计依赖于板材和成型工艺的发展。在结构设计上，应注重减振设计。

2.3 碳纤维材料

碳纤维是一种高强轻质材料。在建筑工程和各种高强度机械设计和体育用品如羽毛球拍中应用较多。主要出产国为日本，占世界产量的75%左右。

中联重科集团在2011年采用碳纤维材料进行臂架的设计和建造，成功突破了80 m的高度，2012年又达到了101m新高，备受世人的关注。碳纤维材料的高强度得以充分发挥，碳纤维材料密度底，比强度约为钢材的8倍。利用碳纤维制造的臂架，刚性好，振动小，有利于施工作业。

但是，碳纤维材料性能出众的同时也应看到其局限性：

（1）碳纤维臂架制造工艺复杂，应力计算复杂，设计难度高，加工困难，不同加工方法得到的性能品相差异巨大，且一般只能整体成型。

（2）适合砼泵车的工业级碳纤维材料仍然昂贵，暂时还不能够大量使用，较难普及[11]。

（3）由于材料特性，该类臂架一旦发生刮擦碰撞，如继续使用可能整节臂架开裂失稳变形，又没有办法像钢材那样焊接修补，因此，只能整体更换，代价高昂。

（4）碳纤维材料目前多是和树脂复合固化，碳纤维在阳光等环境下容易老化[12，13]，户外高温作业，更加不利。

（5）与金属材料比，基本没有回收再利用的价值，制造时环境不友善，报废后处理困难。

综合以上，砼泵车高强轻量化，需要根据企业自身情况因地制宜，结合实用高度和材料特性，创造新的增强形式，如采用碳纤维复合材料来增强钢结构[14]等。

3结束语

在对比考查砼泵车和其他混凝土专用设备的应用基础上，结合砼泵车自身的机动性、通过性和使用方式的要求，砼泵车高强轻量化的研究应结合其实用性，建议主要针对主流的40~60 m臂长砼泵车进行高强轻量化设计，设计中应着重突出臂架的刚性，以降低使用中的振动等不利影响。基于以上考虑，在材料方面，进行泵车臂架设计时，应系统对比分析轻合金、（超）高强钢、碳纤维等材料的特点和局限性并探讨新的材料及其组合形式，为企业决策提供参考。

[1]纪鹏飞.全球最长的混凝土臂架泵车[J].专用汽车，2013（08）：74-75.

[2]薛学伟，王金利.80 m全球最长碳纤维臂架泵车实战创佳绩[J].建设机械技术与管理，2012（07）：52-54，13.

[3]郭岗，吴斌兴，王佳茜，等.混凝土泵车碳纤维臂架固化工艺参数研究[J].建筑机械，2015（01）：107-110.

[4]刘佳.中国城市住宅高度的合理选择研究[D].重庆：重庆大学，2015.

[5]邝昊，周海霞.混凝土泵车的稳定性研究[J].建设机械技术与管理，2009（01）：98-101.

[6]朱则钢.铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用[J].轻金属，2011（10）：3-6.

[7]郑磊，张爱文，唐文军.宝钢热轧超高强度钢的研究开发[J].宝钢技术，2009（03）：36-41.

[8]孙浩源.低合金超高强度工程机械用钢试制研究[D].鞍山：辽宁科技大学，2013.

[9]曹永录，王文忠，付培茂.超高强度钢TS900QC气体保护焊接工艺研究[J].金属加工（热加工），2015（16）：41-43.

[10]肖根先，吴虎城.砼泵车臂架受力特点及其有限元分析[J].机械工程师，2016（09）：113-114.

[11]邓桂芳.碳纤维行业发展趋势分析[J].化学工业，2015（09）：13-18.

[12]杜慷慨，林志勇.碳纤维表面氧化的研究[J].华侨大学学报（自然科学版），1999（02）：32-37.

[13]夏克东，吕春祥，杨禹.炭纤维表面SiC/SiO2抗氧化涂层的溶胶凝胶法制备[J].新型炭材料，2013（03）：208-214.

[14]曹靖.碳纤维增强复合材料加固钢结构理论分析和实验研究[D].合肥：合肥工业大学，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，江苏徐州人，讲师，硕士，研究方向：工程机械设计。