方(矩)形管结构节点设计及工程应用

方（矩）形管结构节点设计及工程应用
一、发展概况
目前在国外，具有高承载力，建筑造型美观的空心管在建筑业中得到了广泛的应用，特别是方（矩）形管更是得到了大量的使用。

而在我国，由于受到轧制技术的束缚及加工工艺的限制，使得空心管结构的应用受到制约。

但在近二年，随着我国加入WTO后，国外材料的大量涌入以及我国冶金和轧制技术的高速发展，许多高品质、高强度的空心管材不断涌现，为我国管结构的发展提供了有力的保障。

同时多维数控切割技术的发展，使得管结构中的加工难点"相贯线"的切割得到了有效解决，为管结构的发展，奠定了坚实的基础。

二、应用前景
在美国、日本及欧洲，管结构技术已非常成熟，应用也非常广泛。

由于方（矩）形管具有较好的综合性能，因此更是得到了普遍的应用。

方（矩）形截面的表面积仅为相类似的工字形截面表面积的三分之二，对于减少涂漆及防火保护的费用，有着不可低估的作用。

在相同截面的情况下，方（矩）形管要比圆管表现出更优越的受力性能，这样可以进一步降低用钢量指标，减少成本，创造经济效益。

另外，方（矩）形截面的抗扭性及侧向稳定性要较开口截面高得多，并且对于受风载影响较大的结构，它所表现出的风动荷载要少得多，对
整体结构的安全保障系数，要比相等情况下的其它截面高得多。

再加上方（矩）形管的制造要比圆管结构简单；并且在结构中，当桁架弦杆上要放置其它结构或檩条时，方（矩）形管具有非常好的连接表面。

当然，方（矩）形管也有缺点。

当方（矩）形管为轧制型材时，其四个角为圆角，在与等宽的方管相交时，其凸出部分（舌头）的加工是一个不可忽视的问题，这在后面将详细讨论。

虽然存在一定的缺点，但随着多维数控切割技术的发展，这些问题将得到彻底解决，使方（矩）形管的应用更方便。

三、节点设计
众所周知，方（矩）形管作为空心管结构的一种，它的节点形式也不外乎分为平面节点和空间节点。

如K型、T型、N型、Y型等简单平面节点；也有如KK型、XX型等较为复杂的空间节点。

当按杆件搭接分类时，可分为间隙节点、部分相贯节点和完全相贯节点.
对于上述节点型式，（a）型节点制造简单，成本最低；（c）型次之；（b）型节点制造复杂，成本。

但从性能来说，（b）型节点具有较高的静强度与疲劳强度。

因此，在进行节点设计时，就需要设计者考虑采用哪种节点型式，既要做到安全可靠，又要充分体现经济性。

在方（矩）形管结构的设计中应考虑腹杆的宽度略小于弦杆表面平面部分的宽度，所示。

如当腹杆与弦杆等宽时，由于方（矩）形管的四角一般都为圆角，因此搭接时会出现如（a）所示情况，在主管圆角处，支管与主管的间隙过大。

如要减小间隙，则支管在加工时应切割出凸出部分即舌头。

而凸出部分的加工很困难，因为在开剖
口时，既要考虑凸出部分，同时又要照顾到剖口的光滑连续性，在实际加工过程中，往往两者不能同时兼顾到。

但在加工过程中如把凸出部分割掉，则焊缝宽度过大，在焊接过程中，不仅需要加垫板，而且由于焊缝宽度过大，焊接工作量增加，使焊接区域热量过大，造成对主材的影响。

因此，在设计中应优先采用（b）的节点型式。

当设计需要采用（a）的节点型式时，则应将支管的凸出部分加工出来。

在节点连接设计中，有些节点由于汇交杆件较多，出现一根杆件产生3重或3重以上的相贯。

对于圆管，由于目前国内的多维数控切割机最多只能做到3重相贯，当出现这种情况时，有时采用"化整为零"的方法，即把相贯次数分摊到各个杆件上，或采用连接板或连接球的型式。

但对于方（矩）形管，就不需要考虑相贯次数。

当杆件3重以上相贯时，以一根杆件为主管，其它所有与它相贯的杆件均当作支管，每根杆件可一次切割成型。

四、节点加工
方（矩）形管相贯面的加工，应在六维数控切割机上进行，首先需编制切割程序。

(一)编制切割程序
(1) 交叉支管切割，对于此类节点，输入结果见下表
支管外径400.0 mm 剖口方法定角
壁厚20.0 mm 剖口角度60.0 度
弯曲角外圆半径40.0 mm
对方管子外径500.0 mm
交叉角度90.0 度
起始切割面方管上部偏心量0.0 mm
对方管子种类方管偏置距离0.0 mm
管径间中心长度7383.0 mm 切割后移动距离0.0 mm
对方管外圆半径40.0 mm
主管旋转角度0.0 度
支管旋转角度0.0 度
切割引入线长度10.0 mm 交叉角度补正值0.0
mm
切割速度0 mm 切割引入角度0.0 度
切割方向左切割引入方式初始值
预热时间0 秒切割引出位置0.0 mm
MAIN/SUB 无主副
在输入管中心线长度及交叉角度后，需要考虑的是主管与支管的旋转角度θ。

对于方（矩）形管的切割，该角度很重要，它反映了主管与支管在空间的位置，所示。

当该角度为0或90°时，主、支管为平面相贯如图3(a)所示；当该角度为0<θ
切割起始位置的设定，直接影响了方（矩）形管切割后的相贯线形状。

因为方（矩）形管有4个面，它不同于圆管的各向同性，只需要考虑假设切割位置就行。

方（矩）形管分成上部、前部、下部、后部，一般在切割时设定从上部开始。

当方（矩）形管的上部设定后，其余各个面的位置也就相应固定了。

剖口角度的设定影响到节点连接时的焊接质量，因此应根据设计要求来确定剖口角度。

按照相贯情况大致可分为3个区域，如图4所示。

a区为锐角区域，该区域当夹角很小时，施焊空间小，焊接质量较难保证。

b区为钝角区域，施焊空间大，焊接质量容易控制，c 区为过渡区域，在该区域可使剖口角度渐变，确保剖口面的平滑过渡。

圆角半径的设定主要为了保证凸出部分即舌头的切割精度，这对于等宽的主、支管尤为重要。

(2)平面支管切割
在方（矩）形管菜单切割中没有这一项功能，但在切割时可以将平面当作方管的一个面来处理，只需要将管中心长度延长到假设方管的中心切割就可以了，其余各项均同交叉支管处理。

(3)多重相贯切割
其实就是多个交叉支管的切割合并，区别只是在交叉支管项目中的"主/副"关系，主管选"主"，只需一个"主"就行了，其余各个切割均选"副"。

(4)弯管的切割
方（矩）形管切割中没有弯曲半径这一项，对于弯管，可用非常小的直线段来近似等代。

切割的结果能满足实际工程的要求。

(二)节点加工
在编制切割程序结束后，把切割程序直接输入到数控切割机的计算机进行切割加工。

六维数控切割机根据输入的切割程序对各种形式的相贯线进行自动切割，并且在切割过程中对各个数据随时进行
自动调整，保证切割的精度。

五、工程应用
在我国，方（矩）形管在|考试大|工程中已有所应用，如长春五环体育馆、北京国际展览中心一展馆、沈阳金厦广场交易中心等工程。

这些工程的方（矩）形管的相贯面加工基本上以手工为主。

但随着数控切割技术的发展，方（矩）形管的相贯面已可以自动化加工。

于2000年建成使用的广州新体育馆主场馆和目前正在安装的广州新白云国际机场航站楼二标段钢结构使用了大量的方（矩）形管，这些方（矩）形管的相贯面采用了六维数控切割机进行加工，大大提高了加工精度和加工速度。

随着设计理论的不断完善，加工技术的不断提高，实践经验的不断积累，方（矩）形管结构必将得到更广泛的应用。

六、结束语
(一)方（矩）形管结构在我国的工程实践中已得到应用，其节点设计的合理性及适用性，将会直接影响此结构的发展。

(二)在方（矩）形管的切割中，其编程的原理还有不尽完善的地方，如偏心等的切割目前的六维数控切割机还不能自动完成，还需要进一步完善和提高。

(三)在节点的焊接中，对于搭接接头中有部分焊缝被封闭无法施焊，且该处的焊缝受力相当复杂，目前还没有相应的设计规范，也缺少相关的试验数据，对此应作更进一步的深入研究
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