一、發(fā)展概況
目前在國外，具有高承載力，建筑造型美觀的空心管在建筑業(yè)中得到了廣泛的應用，特別是方（矩）形管更是得到了大量的使用。而在我國，由于受到軋制技術(shù)的束縛及加工工藝的限制，使得空心管結(jié)構(gòu)的應用受到制約。但在近二年，隨著我國加入WTO后，國外材料的大量涌入以及我國冶金和軋制技術(shù)的高速發(fā)展，許多高品質(zhì)、高強度的空心管材不斷涌現(xiàn)，為我國管結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了有力的保障。同時多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，使得管結(jié)構(gòu)中的加工難點“相貫線”的切割得到了有效解決，為管結(jié)構(gòu)的發(fā)展，奠定了堅實的基礎(chǔ)。
二、應用前景
在美國、日本及歐洲，管結(jié)構(gòu)技術(shù)已非常成熟，應用也非常廣泛。由于方（矩）形管具有較好的綜合性能，因此更是得到了普遍的應用。
方（矩）形截面的表面積僅為相類似的工字形截面表面積的三分之二，對于減少涂漆及防火保護的費用，有著不可低估的作用。在相同截面的情況下，方（矩）形管要比圓管表現(xiàn)出更優(yōu)越的受力性能，這樣可以進一步降低用鋼量指標，減少成本，創(chuàng)造經(jīng)濟效益。另外，方（矩）形截面的抗扭性及側(cè)向穩(wěn)定性要較開口截面高得多，并且對于受風載影響較大的結(jié)構(gòu)，它所表現(xiàn)出的風動荷載要少得多，對整體結(jié)構(gòu)的安全保障系數(shù)，要比相等情況下的其它截面高得多。再加上方（矩）形管的制造要比圓管結(jié)構(gòu)簡單；并且在結(jié)構(gòu)中，當桁架弦桿上要放置其它結(jié)構(gòu)或檁條時，方（矩）形管具有非常好的連接表面。
當然，方（矩）形管也有缺點。當方（矩）形管為軋制型材時，其四個角為圓角，在與等寬的方管相交時，其凸出部分（舌頭）的加工是一個不可忽視的問題，這在后面將詳細討論。雖然存在一定的缺點，但隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，這些問題將得到徹底解決，使方（矩）形管的應用更方便。
三、節(jié)點設(shè)計
眾所周知，方（矩）形管作為空心管結(jié)構(gòu)的一種，它的節(jié)點形式也不外乎分為平面節(jié)點和空間節(jié)點。如K型、T型、N型、Y型等簡單平面節(jié)點；也有如KK型、XX型等較為復雜的空間節(jié)點。當按桿件搭接分類時，可分為間隙節(jié)點、部分相貫節(jié)點和完全相貫節(jié)點.
對于上述節(jié)點型式，（a）型節(jié)點制造簡單，成本最低；（c）型次之；（b）型節(jié)點制造復雜，成本。但從性能來說，（b）型節(jié)點具有較高的靜強度與疲勞強度。因此，在進行節(jié)點設(shè)計時，就需要設(shè)計者考慮采用哪種節(jié)點型式，既要做到安全可靠，又要充分體現(xiàn)經(jīng)濟性。
在方（矩）形管結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應考慮腹桿的寬度略小于弦桿表面平面部分的寬度，所示。如當腹桿與弦桿等寬時，由于方（矩）形管的四角一般都為圓角，因此搭接時會出現(xiàn)如（a）所示情況，在主管圓角處，支管與主管的間隙過大。如要減小間隙，則支管在加工時應切割出凸出部分即舌頭。而凸出部分的加工很困難，因為在開剖口時，既要考慮凸出部分，同時又要照顧到剖口的光滑連續(xù)性，在實際加工過程中，往往兩者不能同時兼顧到。但在加工過程中如把凸出部分割掉，則焊縫寬度過大，在焊接過程中，不僅需要加墊板，而且由于焊縫寬度過大，焊接工作量增加，使焊接區(qū)域熱量過大，造成對主材的影響。因此，在設(shè)計中應優(yōu)先采用（b）的節(jié)點型式。當設(shè)計需要采用（a）的節(jié)點型式時，則應將支管的凸出部分加工出來。
在節(jié)點連接設(shè)計中，有些節(jié)點由于匯交桿件較多，出現(xiàn)一根桿件產(chǎn)生3重或3重以上的相貫。對于圓管，由于目前國內(nèi)的多維數(shù)控切割機最多只能做到3重相貫，當出現(xiàn)這種情況時，有時采用“化整為零”的方法，即把相貫次數(shù)分攤到各個桿件上，或采用連接板或連接球的型式。但對于方（矩）形管，就不需要考慮相貫次數(shù)。當桿件3重以上相貫時，以一根桿件為主管，其它所有與它相貫的桿件均當作支管，每根桿件可一次切割成型?！∷?、節(jié)點加工
方（矩）形管相貫面的加工，應在六維數(shù)控切割機上進行，首先需編制切割程序。
(一)編制切割程序
(1) 交叉支管切割，對于此類節(jié)點，輸入結(jié)果見下表
支 管 外 徑 400.0 mm 剖口方法 定角
壁厚 20.0 mm 剖口角度 60.0 度
彎曲角外圓半徑 40.0 mm
對方管子外徑 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
對方管子種類 方管 偏置距離 0.0 mm
管徑間中心長度 7383.0 mm 切割后移動距離 0.0 mm
對方管外圓半徑 40.0 mm
主管旋轉(zhuǎn)角度 0.0 度
支管旋轉(zhuǎn)角度 0.0 度
切割引入線長度 10.0 mm 交叉角度補正值 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
預熱時間 0 秒 切割引出位置 0.0 mm
MAIN/SUB 無主副
在輸入管中心線長度及交叉角度后，需要考慮的是主管與支管的旋轉(zhuǎn)角度θ。對于方（矩）形管的切割，該角度很重要，它反映了主管與支管在空間的位置，所示。當該角度為0或90°時，主、支管為平面相貫如圖3(a)所示；當該角度為0<θ<90°時，它們的位置關(guān)系為空間相貫如圖3(b)所示。當確定好主、支管的位置關(guān)系后，再確定切割的起始位置、剖口角度和圓角半徑。
切割起始位置的設(shè)定，直接影響了方（矩）形管切割后的相貫線形狀。因為方（矩）形管有4個面，它不同于圓管的各向同性，只需要考慮假設(shè)切割位置就行。方（矩）形管分成上部、前部、下部、后部，一般在切割時設(shè)定從上部開始。當方（矩）形管的上部設(shè)定后，其余各個面的位置也就相應固定了。
剖口角度的設(shè)定影響到節(jié)點連接時的焊接質(zhì)量，因此應根據(jù)設(shè)計要求來確定剖口角度。按照相貫情況大致可分為3個區(qū)域，如圖4所示。a區(qū)為銳角區(qū)域，該區(qū)域當夾角很小時，施焊空間小，焊接質(zhì)量較難保證。b區(qū)為鈍角區(qū)域，施焊空間大，焊接質(zhì)量容易控制，c區(qū)為過渡區(qū)域，在該區(qū)域可使剖口角度漸變，確保剖口面的平滑過渡。
圓角半徑的設(shè)定主要為了保證凸出部分即舌頭的切割精度，這對于等寬的主、支管尤為重要。
(2)平面支管切割
在方（矩）形管菜單切割中沒有這一項功能，但在切割時可以將平面當作方管的一個面來處理，只需要將管中心長度延長到假設(shè)方管的中心切割就可以了，其余各項均同交叉支管處理。
(3)多重相貫切割
其實就是多個交叉支管的切割合并，區(qū)別只是在交叉支管項目中的“主/副”關(guān)系，主管選“主”，只需一個“主”就行了，其余各個切割均選“副”。
(4)彎管的切割
方（矩）形管切割中沒有彎曲半徑這一項，對于彎管，可用非常小的直線段來近似等代。切割的結(jié)果能滿足實際工程的要求。
(二)節(jié)點加工
在編制切割程序結(jié)束后，把切割程序直接輸入到數(shù)控切割機的計算機進行切割加工。六維數(shù)控切割機根據(jù)輸入的切割程序?qū)Ω鞣N形式的相貫線進行自動切割，并且在切割過程中對各個數(shù)據(jù)隨時進行自動調(diào)整，保證切割的精度。
五、工程應用
在我國，方（矩）形管在|考試大|工程中已有所應用，如長春五環(huán)體育館、北京國際展覽中心一展館、沈陽金廈廣場交易中心等工程。這些工程的方（矩）形管的相貫面加工基本上以手工為主。但隨著數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，方（矩）形管的相貫面已可以自動化加工。于2000年建成使用的廣州新體育館主場館和目前正在安裝的廣州新白云國際機場航站樓二標段鋼結(jié)構(gòu)使用了大量的方（矩）形管，這些方（矩）形管的相貫面采用了六維數(shù)控切割機進行加工，大大提高了加工精度和加工速度。隨著設(shè)計理論的不斷完善，加工技術(shù)的不斷提高，實踐經(jīng)驗的不斷積累，方（矩）形管結(jié)構(gòu)必將得到更廣泛的應用。
六、結(jié)束語
(一)方（矩）形管結(jié)構(gòu)在我國的工程實踐中已得到應用，其節(jié)點設(shè)計的合理性及適用性，將會直接影響此結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
(二)在方（矩）形管的切割中，其編程的原理還有不盡完善的地方，如偏心等的切割目前的六維數(shù)控切割機還不能自動完成，還需要進一步完善和提高。
(三)在節(jié)點的焊接中，對于搭接接頭中有部分焊縫被封閉無法施焊，且該處的焊縫受力相當復雜，目前還沒有相應的設(shè)計規(guī)范，也缺少相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，對此應作更進一步的深入研究
目前在國外，具有高承載力，建筑造型美觀的空心管在建筑業(yè)中得到了廣泛的應用，特別是方（矩）形管更是得到了大量的使用。而在我國，由于受到軋制技術(shù)的束縛及加工工藝的限制，使得空心管結(jié)構(gòu)的應用受到制約。但在近二年，隨著我國加入WTO后，國外材料的大量涌入以及我國冶金和軋制技術(shù)的高速發(fā)展，許多高品質(zhì)、高強度的空心管材不斷涌現(xiàn)，為我國管結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了有力的保障。同時多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，使得管結(jié)構(gòu)中的加工難點“相貫線”的切割得到了有效解決，為管結(jié)構(gòu)的發(fā)展，奠定了堅實的基礎(chǔ)。
二、應用前景
在美國、日本及歐洲，管結(jié)構(gòu)技術(shù)已非常成熟，應用也非常廣泛。由于方（矩）形管具有較好的綜合性能，因此更是得到了普遍的應用。
方（矩）形截面的表面積僅為相類似的工字形截面表面積的三分之二，對于減少涂漆及防火保護的費用，有著不可低估的作用。在相同截面的情況下，方（矩）形管要比圓管表現(xiàn)出更優(yōu)越的受力性能，這樣可以進一步降低用鋼量指標，減少成本，創(chuàng)造經(jīng)濟效益。另外，方（矩）形截面的抗扭性及側(cè)向穩(wěn)定性要較開口截面高得多，并且對于受風載影響較大的結(jié)構(gòu)，它所表現(xiàn)出的風動荷載要少得多，對整體結(jié)構(gòu)的安全保障系數(shù)，要比相等情況下的其它截面高得多。再加上方（矩）形管的制造要比圓管結(jié)構(gòu)簡單；并且在結(jié)構(gòu)中，當桁架弦桿上要放置其它結(jié)構(gòu)或檁條時，方（矩）形管具有非常好的連接表面。
當然，方（矩）形管也有缺點。當方（矩）形管為軋制型材時，其四個角為圓角，在與等寬的方管相交時，其凸出部分（舌頭）的加工是一個不可忽視的問題，這在后面將詳細討論。雖然存在一定的缺點，但隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，這些問題將得到徹底解決，使方（矩）形管的應用更方便。
三、節(jié)點設(shè)計
眾所周知，方（矩）形管作為空心管結(jié)構(gòu)的一種，它的節(jié)點形式也不外乎分為平面節(jié)點和空間節(jié)點。如K型、T型、N型、Y型等簡單平面節(jié)點；也有如KK型、XX型等較為復雜的空間節(jié)點。當按桿件搭接分類時，可分為間隙節(jié)點、部分相貫節(jié)點和完全相貫節(jié)點.
對于上述節(jié)點型式，（a）型節(jié)點制造簡單，成本最低；（c）型次之；（b）型節(jié)點制造復雜，成本。但從性能來說，（b）型節(jié)點具有較高的靜強度與疲勞強度。因此，在進行節(jié)點設(shè)計時，就需要設(shè)計者考慮采用哪種節(jié)點型式，既要做到安全可靠，又要充分體現(xiàn)經(jīng)濟性。
在方（矩）形管結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應考慮腹桿的寬度略小于弦桿表面平面部分的寬度，所示。如當腹桿與弦桿等寬時，由于方（矩）形管的四角一般都為圓角，因此搭接時會出現(xiàn)如（a）所示情況，在主管圓角處，支管與主管的間隙過大。如要減小間隙，則支管在加工時應切割出凸出部分即舌頭。而凸出部分的加工很困難，因為在開剖口時，既要考慮凸出部分，同時又要照顧到剖口的光滑連續(xù)性，在實際加工過程中，往往兩者不能同時兼顧到。但在加工過程中如把凸出部分割掉，則焊縫寬度過大，在焊接過程中，不僅需要加墊板，而且由于焊縫寬度過大，焊接工作量增加，使焊接區(qū)域熱量過大，造成對主材的影響。因此，在設(shè)計中應優(yōu)先采用（b）的節(jié)點型式。當設(shè)計需要采用（a）的節(jié)點型式時，則應將支管的凸出部分加工出來。
在節(jié)點連接設(shè)計中，有些節(jié)點由于匯交桿件較多，出現(xiàn)一根桿件產(chǎn)生3重或3重以上的相貫。對于圓管，由于目前國內(nèi)的多維數(shù)控切割機最多只能做到3重相貫，當出現(xiàn)這種情況時，有時采用“化整為零”的方法，即把相貫次數(shù)分攤到各個桿件上，或采用連接板或連接球的型式。但對于方（矩）形管，就不需要考慮相貫次數(shù)。當桿件3重以上相貫時，以一根桿件為主管，其它所有與它相貫的桿件均當作支管，每根桿件可一次切割成型?！∷?、節(jié)點加工
方（矩）形管相貫面的加工，應在六維數(shù)控切割機上進行，首先需編制切割程序。
(一)編制切割程序
(1) 交叉支管切割，對于此類節(jié)點，輸入結(jié)果見下表
支 管 外 徑 400.0 mm 剖口方法 定角
壁厚 20.0 mm 剖口角度 60.0 度
彎曲角外圓半徑 40.0 mm
對方管子外徑 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
對方管子種類 方管 偏置距離 0.0 mm
管徑間中心長度 7383.0 mm 切割后移動距離 0.0 mm
對方管外圓半徑 40.0 mm
主管旋轉(zhuǎn)角度 0.0 度
支管旋轉(zhuǎn)角度 0.0 度
切割引入線長度 10.0 mm 交叉角度補正值 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
預熱時間 0 秒 切割引出位置 0.0 mm
MAIN/SUB 無主副
在輸入管中心線長度及交叉角度后，需要考慮的是主管與支管的旋轉(zhuǎn)角度θ。對于方（矩）形管的切割，該角度很重要，它反映了主管與支管在空間的位置，所示。當該角度為0或90°時，主、支管為平面相貫如圖3(a)所示；當該角度為0<θ<90°時，它們的位置關(guān)系為空間相貫如圖3(b)所示。當確定好主、支管的位置關(guān)系后，再確定切割的起始位置、剖口角度和圓角半徑。
切割起始位置的設(shè)定，直接影響了方（矩）形管切割后的相貫線形狀。因為方（矩）形管有4個面，它不同于圓管的各向同性，只需要考慮假設(shè)切割位置就行。方（矩）形管分成上部、前部、下部、后部，一般在切割時設(shè)定從上部開始。當方（矩）形管的上部設(shè)定后，其余各個面的位置也就相應固定了。
剖口角度的設(shè)定影響到節(jié)點連接時的焊接質(zhì)量，因此應根據(jù)設(shè)計要求來確定剖口角度。按照相貫情況大致可分為3個區(qū)域，如圖4所示。a區(qū)為銳角區(qū)域，該區(qū)域當夾角很小時，施焊空間小，焊接質(zhì)量較難保證。b區(qū)為鈍角區(qū)域，施焊空間大，焊接質(zhì)量容易控制，c區(qū)為過渡區(qū)域，在該區(qū)域可使剖口角度漸變，確保剖口面的平滑過渡。
圓角半徑的設(shè)定主要為了保證凸出部分即舌頭的切割精度，這對于等寬的主、支管尤為重要。
(2)平面支管切割
在方（矩）形管菜單切割中沒有這一項功能，但在切割時可以將平面當作方管的一個面來處理，只需要將管中心長度延長到假設(shè)方管的中心切割就可以了，其余各項均同交叉支管處理。
(3)多重相貫切割
其實就是多個交叉支管的切割合并，區(qū)別只是在交叉支管項目中的“主/副”關(guān)系，主管選“主”，只需一個“主”就行了，其余各個切割均選“副”。
(4)彎管的切割
方（矩）形管切割中沒有彎曲半徑這一項，對于彎管，可用非常小的直線段來近似等代。切割的結(jié)果能滿足實際工程的要求。
(二)節(jié)點加工
在編制切割程序結(jié)束后，把切割程序直接輸入到數(shù)控切割機的計算機進行切割加工。六維數(shù)控切割機根據(jù)輸入的切割程序?qū)Ω鞣N形式的相貫線進行自動切割，并且在切割過程中對各個數(shù)據(jù)隨時進行自動調(diào)整，保證切割的精度。
五、工程應用
在我國，方（矩）形管在|考試大|工程中已有所應用，如長春五環(huán)體育館、北京國際展覽中心一展館、沈陽金廈廣場交易中心等工程。這些工程的方（矩）形管的相貫面加工基本上以手工為主。但隨著數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，方（矩）形管的相貫面已可以自動化加工。于2000年建成使用的廣州新體育館主場館和目前正在安裝的廣州新白云國際機場航站樓二標段鋼結(jié)構(gòu)使用了大量的方（矩）形管，這些方（矩）形管的相貫面采用了六維數(shù)控切割機進行加工，大大提高了加工精度和加工速度。隨著設(shè)計理論的不斷完善，加工技術(shù)的不斷提高，實踐經(jīng)驗的不斷積累，方（矩）形管結(jié)構(gòu)必將得到更廣泛的應用。
六、結(jié)束語
(一)方（矩）形管結(jié)構(gòu)在我國的工程實踐中已得到應用，其節(jié)點設(shè)計的合理性及適用性，將會直接影響此結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
(二)在方（矩）形管的切割中，其編程的原理還有不盡完善的地方，如偏心等的切割目前的六維數(shù)控切割機還不能自動完成，還需要進一步完善和提高。
(三)在節(jié)點的焊接中，對于搭接接頭中有部分焊縫被封閉無法施焊，且該處的焊縫受力相當復雜，目前還沒有相應的設(shè)計規(guī)范，也缺少相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，對此應作更進一步的深入研究