砼泵車高強(qiáng)輕量化的實(shí)用性和材料選擇

肖根先

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221116）

砼泵車高強(qiáng)輕量化的實(shí)用性和材料選擇

肖根先

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221116）

結(jié)合砼泵車施工環(huán)境和我國(guó)樓房建設(shè)現(xiàn)狀，對(duì)比了砼泵車與其它混凝土設(shè)備的適用性，對(duì)砼泵車高強(qiáng)輕量化的臂架主流長(zhǎng)度范圍提出了建議；結(jié)合設(shè)計(jì)中的高強(qiáng)輕量化要求，從材料的角度出發(fā)，分析了輕質(zhì)合金、高強(qiáng)度鋼、碳纖維材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題，探討了采用新材料的可行性。

砼泵車；高強(qiáng)輕量；碳纖維；材料；實(shí)用性

砼泵車作為一種現(xiàn)代化混凝土設(shè)備，具有機(jī)動(dòng)靈活，效率高，現(xiàn)場(chǎng)澆筑質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在各類建筑中的應(yīng)用非常普遍。當(dāng)前砼泵車的臂架高度可以達(dá)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(lián)重科、三一重工等實(shí)力雄厚的大型裝備制造公司。由于在材料使用，設(shè)計(jì)水平上的局限以及市場(chǎng)的需求現(xiàn)狀，也存在20~30 m等的臂架長(zhǎng)度。而材料的使用則從低到高依次為高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼和碳纖維材料等。

目前，砼泵車高強(qiáng)輕量化的研究是一個(gè)熱點(diǎn)，以增加泵車的泵送高度，也就是提高輸送臂架的長(zhǎng)度，同時(shí)盡量降低結(jié)構(gòu)重量。結(jié)合材料特性和有限元軟件等進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。一般來講，鋼結(jié)構(gòu)砼泵車，其設(shè)計(jì)的潛力已經(jīng)不大[3]。對(duì)于同等輸送規(guī)格的砼泵車，一方面，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的區(qū)別并不突出，對(duì)比各個(gè)企業(yè)的砼泵車產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)其臂架細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)基本上大同小異。另一方面，臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間，單純從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行臂架的設(shè)計(jì)基本上發(fā)掘潛力有限，大多只能夠進(jìn)行小修小補(bǔ)的細(xì)節(jié)優(yōu)化。因此，有必要結(jié)合砼泵車的實(shí)用作業(yè)高度，在材料選擇上進(jìn)行研究。

1從實(shí)用的角度看砼泵車的高強(qiáng)輕量化

我國(guó)城市建設(shè)中，現(xiàn)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(guó)的國(guó)情[4]。而且樓間距不大，其間還有建筑材料和其它建筑機(jī)械等的放置，現(xiàn)場(chǎng)也比較高低不平，鮮有超大樓間距的住宅小區(qū)。尤其以老城區(qū)施工時(shí)，通過性的局限更為明顯。而砼泵車施工時(shí)，穩(wěn)定性[5]要求高，必然要求底盤支腿占據(jù)足夠面積，泵送高度越大，支撐面積也就越大。

對(duì)于101 m的泵車，理論上雖然可以實(shí)現(xiàn)30層以下樓房的全澆筑，但是其靈活性在應(yīng)對(duì)這類施工環(huán)境時(shí)顯得應(yīng)對(duì)不足，難以移動(dòng)到所需工位，性能施展困難。也由于臂架高度大，對(duì)泵車操作者和現(xiàn)場(chǎng)指揮人員的配合要求也就更高。事實(shí)上，由于該類臂架節(jié)數(shù)多，臂架長(zhǎng)，伸展和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)占據(jù)空間大，有較大可能造成臂架與施工環(huán)境之間的刮擦碰撞。這是很難改觀的一個(gè)現(xiàn)實(shí)。而對(duì)于高智能化避障的解決方案實(shí)施較為困難，容易造成泵車成本的上升。因此適合施工的場(chǎng)所很少，同時(shí)該類設(shè)備在日常維護(hù)保養(yǎng)上看，需要投入的人力物力更大，經(jīng)濟(jì)性很難保障。

當(dāng)前，針對(duì)高層和超高層建筑，拖泵和混凝土輸送泵的使用廣泛而實(shí)用，雖然泵送效率相對(duì)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(duì)高樓層時(shí)顯得更為靈活機(jī)動(dòng)，方便布設(shè)，因而適應(yīng)能力更強(qiáng)。例如2005年開工的香港環(huán)球貿(mào)易廣場(chǎng)，總高490 m，采用4臺(tái)拖泵和2臺(tái)32 m布料桿配合施工，承擔(dān)全部的C90混凝土30多萬立方米泵送任務(wù)。而目前30層左右住宅商住等樓房，例如江蘇銅山萬達(dá)廣場(chǎng)，主體建筑28層，也基本上采用拖泵完成作業(yè)。而且拖泵因不需要臂架結(jié)構(gòu)，輸料管固定在建筑主體上，體積小，如圖1所示，維護(hù)和購(gòu)置成本相對(duì)低廉的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

圖1 徐工集團(tuán)拖泵

2015年9月22日，北京BIGES展會(huì)上，中聯(lián)重科集團(tuán)重點(diǎn)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(píng)。這也從一個(gè)側(cè)面印證了當(dāng)前40～60 m的一個(gè)主流使用高度，如圖2所示。

圖2 某型泵車焊接拼接結(jié)構(gòu)及該處應(yīng)力集中

2從材料的角度看砼泵車的高強(qiáng)輕量化

2.1 輕質(zhì)合金

砼泵車在使用中需要結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性。因環(huán)境一般不很理想，輕質(zhì)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(qiáng)度高于鋼材[6]，但設(shè)計(jì)體積大。同時(shí)，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(zhì)化替代材料。如能將該類材料和耐磨損的鋼材復(fù)合在一起，或許會(huì)有更好的應(yīng)用空間，比如，臂架整體采用鋁合金，增加厚度提高強(qiáng)度，依靠小比重減輕重量，鉸點(diǎn)處則采用鋼制內(nèi)襯提高其耐磨性。

2.2 鋼材

鋼材方面，砼泵車設(shè)計(jì)制造中，多采用超高強(qiáng)度鋼。國(guó)內(nèi)泵車生產(chǎn)企業(yè)依次經(jīng)歷了依靠進(jìn)口高強(qiáng)度鋼到上海寶鋼等可以提供超高強(qiáng)度鋼的經(jīng)歷[7，8]。目前超高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度可以達(dá)到900 MPa的水平[9]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其它機(jī)械部件中常用材料Q235、40Cr等的強(qiáng)度水平，在砼泵車、挖掘機(jī)等設(shè)備中應(yīng)用較多。因其材料價(jià)格較之碳纖維材料低廉很多，已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，獲得較為容易，占據(jù)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(jié)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(shí)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(shù)毫米（2 mm，4 mm，6 mm等），長(zhǎng)度一般都在數(shù)米至十幾米，因此一般只能采用等厚度高強(qiáng)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(shí)，必然不可能完全根據(jù)臂架應(yīng)力分布特征進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，因而造成一定的結(jié)構(gòu)重量浪費(fèi)。同時(shí)，也容易在臂架的鋼板拼接處形成一定的應(yīng)力集中[10]（如圖2），造成臂架的實(shí)際使用強(qiáng)度降低，壽命發(fā)生折扣。

在使用中，該類鋼結(jié)構(gòu)臂架主要問題是疲勞斷裂，但是容易分段焊接修復(fù)。同時(shí)，該類臂架在泵送商品砼時(shí)，在沖擊作用下容易造成振動(dòng)，這是一個(gè)非常不利的因素，影響泵送穩(wěn)定性，同時(shí)也不利于臂架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

可見在40～60 m主流臂架長(zhǎng)度上，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依賴于板材和成型工藝的發(fā)展。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)注重減振設(shè)計(jì)。

2.3 碳纖維材料

碳纖維是一種高強(qiáng)輕質(zhì)材料。在建筑工程和各種高強(qiáng)度機(jī)械設(shè)計(jì)和體育用品如羽毛球拍中應(yīng)用較多。主要出產(chǎn)國(guó)為日本，占世界產(chǎn)量的75%左右。

中聯(lián)重科集團(tuán)在2011年采用碳纖維材料進(jìn)行臂架的設(shè)計(jì)和建造，成功突破了80 m的高度，2012年又達(dá)到了101m新高，備受世人的關(guān)注。碳纖維材料的高強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，碳纖維材料密度底，比強(qiáng)度約為鋼材的8倍。利用碳纖維制造的臂架，剛性好，振動(dòng)小，有利于施工作業(yè)。

但是，碳纖維材料性能出眾的同時(shí)也應(yīng)看到其局限性：

（1）碳纖維臂架制造工藝復(fù)雜，應(yīng)力計(jì)算復(fù)雜，設(shè)計(jì)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(yè)級(jí)碳纖維材料仍然昂貴，暫時(shí)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(fā)生刮擦碰撞，如繼續(xù)使用可能整節(jié)臂架開裂失穩(wěn)變形，又沒有辦法像鋼材那樣焊接修補(bǔ)，因此，只能整體更換，代價(jià)高昂。

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

（5）與金屬材料比，基本沒有回收再利用的價(jià)值，制造時(shí)環(huán)境不友善，報(bào)廢后處理困難。

綜合以上，砼泵車高強(qiáng)輕量化，需要根據(jù)企業(yè)自身情況因地制宜，結(jié)合實(shí)用高度和材料特性，創(chuàng)造新的增強(qiáng)形式，如采用碳纖維復(fù)合材料來增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)[14]等。

3結(jié)束語

在對(duì)比考查砼泵車和其他混凝土專用設(shè)備的應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合砼泵車自身的機(jī)動(dòng)性、通過性和使用方式的要求，砼泵車高強(qiáng)輕量化的研究應(yīng)結(jié)合其實(shí)用性，建議主要針對(duì)主流的40~60 m臂長(zhǎng)砼泵車進(jìn)行高強(qiáng)輕量化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中應(yīng)著重突出臂架的剛性，以降低使用中的振動(dòng)等不利影響?；谝陨峡紤]，在材料方面，進(jìn)行泵車臂架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)系統(tǒng)對(duì)比分析輕合金、（超）高強(qiáng)鋼、碳纖維等材料的特點(diǎn)和局限性并探討新的材料及其組合形式，為企業(yè)決策提供參考。

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

[2]薛學(xué)偉，王金利.80 m全球最長(zhǎng)碳纖維臂架泵車實(shí)戰(zhàn)創(chuàng)佳績(jī)[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)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(shù)研究[J].建筑機(jī)械，2015（01）：107-110.

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

[5]鄺昊，周海霞.混凝土泵車的穩(wěn)定性研究[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2009（01）：98-101.

[6]朱則鋼.鋁合金復(fù)合材料在汽車輕量化上的應(yīng)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(qiáng)度鋼的研究開發(fā)[J].寶鋼技術(shù)，2009（03）：36-41.

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

[9]曹永錄，王文忠，付培茂.超高強(qiáng)度鋼TS900QC氣體保護(hù)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(diǎn)及其有限元分析[J].機(jī)械工程師，2016（09）：113-114.

[11]鄧桂芳.碳纖維行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析[J].化學(xué)工業(yè)，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(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(qiáng)復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，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(jī)械設(shè)計(jì)。