浅谈圆管相贯线编程技术

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【摘要】桁架是指弦杆和若干腹杆组合结构的类型构件。桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力，应力在截面上均匀分布，因而容易发挥材料的作用，这些特点使得桁架结构用料经济，结构自重小。易于构成各种外形以适应不同的用途，比如可以做成简支桁架、拱、框架及塔架等，因而桁架结构在现今的许多大跨度的场馆建筑，如会展中心、体育场馆或其他一些大型公共建筑中得到了广泛运用。

【关键词】桁架线模型相贯线离散数

中图分类号： TP313文献标识码： A

引言

大部分桁架结构中的杆件在节点处采用焊接连接，而在焊接之前，需预先按将要焊接的各杆件焊缝形状进行腹杆及弦杆的下料切割，这就需要对腹杆端头进行相贯线切割。由于桁架结构中杆件与杆件之间是以相贯线型式相交，杆件端头断面形状比较复杂，因此在实际切割加工中一般采用机械自动切割加工。而在相贯线切割的研究过程中，对于相贯线轨迹的研究则成为其编程的前提和重点。

1、相关知识

1.1 相贯线坡口的实现

在编程中发现：因为壁厚的原因，腹管下料实际长度应该比CAD空间模型中切割后的长度短。简单说：就是腹杆与弦杆相贯实际上是腹杆的内壁与弦杆的外壁相贯。由于施工工艺决定：相贯口都有坡口用于焊接。（如图1、2）

图1CAD空间模型中切割后的长度

图2相贯编程的长度

关于相贯线坡口的问题,由于腹杆与弦杆相贯都有角度，所以腹杆本身就存在自然坡口。但是一般不能满足焊接工艺的要求，下料切割中增加坡口来满足工艺要求。（如图3）

图3坡口图例

1.2 编程软件参数的影响

编程软件里有一个重要的参数:离散数，软件求腹杆相贯线的方法是将腹杆沿圆周（内径与外径同时考虑）等分成若干直线段，通过求这些直线段与弦杆的交点来生成腹杆的相贯线。离散数控制将腹杆沿截面圆周等分成多少条直线，离散数越大，计算得到的相贯线越准确，但计算量越大，对于大型桁架（腹杆较多），计算桁架加工图数据可能需要较长时间。为了保证良好的精度，管径大时离散数多一些，管径小时离散数少一些。

2、CAD线模型的处理

2.1 编程的相关条件

由深化设计部门将已确定的设计图搭建空间三维线模型。线模型里提供了编程所需的参数：管径、壁厚、角度、长度、相贯次序等。套料软件使用颜色区分管径（壁厚）。

2.2 线模型处理步骤

2.2.1 第一步：将CAD三维线模型按管径（壁厚）在图层里用颜色区分出来，一种颜色表示一种管径，相同管径不同壁厚的管也要区分出来。一榀桁架里最多可以用24种颜色，大于24的颜色号将被默认为1。

2.2.2 第二步：处理CAD三维线模型的节点时，弦杆节点处需打断。另外编程软件在定义节点时，要求节点处相贯每根线都闭合连接。当没有连接距离大于1mm时，将被默认为另一个节点，不与弦杆相贯从而使此端不能生成相贯口，导致最终的相贯线轨迹错误。（如图4、5）

图4没有闭合连接的节点

图5相贯节点

2.2.3 第三步：软件不能识别圆弧杆件，如果桁架里有圆弧杆件要用直折线来替换，在节点处注意不要使线的角度明显变化而产生较大偏差。

2.2.4 第四步：STCAD系统采用国际标准单位制。在表示坐标时是以米为单位。采用CAD线模型时长度一般是毫米，则最好在CAD中通过SCALE命令将模型长度单位转化为米，并且将坐标原点移动到桁架中某一节点上，避免模型中节点坐标值太大，增大计算误差。最后注意CAD文件保存为DXF格式。

3、相贯线编程

打开STPREP模块，在“文件”按钮里“从DXF文件中读取图形”，把DXF文件中的图形信息加入当前模型中。执行命令后，显示选择DXF文件对话框，输入DXF文件名，系统把DXF文件中的图形信息转化到当前模型中。打开“桁架”菜单“定义桁架属性”，该命令主要用于将其它软件中导入的模型改为桁架模型。桁架属性包括桁架信息和弦腹杆信息。桁架信息中“桁架列表”栏内列出模型中现有桁架的编号，“桁架名称”框内显示正在进行操作的桁架名称。点“桁架列表”右端的下拉箭头，在列表中点取要进行操作的桁架名称，则该桁架成为当前桁架，其名称在“桁架名称”框内显示出来。（如图6）

图6“定义桁架杆件属性”对话框

如果要增加一榀新桁架，在“桁架名称”框内输入新桁架编号，点“新建列表”按钮便将输入的桁架编号加入到“桁架列表”中；点“修改名称”将“桁架列表”中当前显示的桁架名称改为“桁架名称”框内显示的名称；点“选择杆件”按钮，在模型中选择杆件加入到“桁架名称”框内显示的当前桁架中；点“去除杆件”在当前桁架中选择要去除的杆件，被去除的杆件不再具有桁架信息；点“显示当前桁架”按钮后，窗口中仅显示“桁架名称”框内当前桁架的模型，以方便后面进行对弦腹杆的操作；点击“显示整个模型”后窗口中恢复显示整个模型。窗口下部的“弦腹杆信息”是对“桁架名称”框内显示的当前桁架的弦腹杆进行操作。“弦腹杆类别”包括腹杆和最多5条弦杆。当“弦腹杆类别”框内显示腹杆时，点“选择杆件”后在模型中选择的杆件成为当前桁架的腹杆。需要说明的是，一些离散的杆件可以作为腹杆定义成一榀广义的桁架，以方便进行有关桁架的操作。当“弦腹杆类别”框内显示“弦杆一”时，点“选择杆件”后在模型中选择的杆件成为当前桁架弦杆一的杆件。桁架弦杆形式必须是直/折线段。

以上步骤完成后点击“文件”中“进行优化设计”，我们就进入了第二个模块“优化设计”（STRUN），在“赋予”菜单里对“杆件截面及材料属性”进行定义。（如图7）

图7“杆件截面及材料属性”对话框

图中可以看到有截面类型的选择，钢管截面、壁厚大小的确定，这些都要按照施工图来输入。输入错误会引起编程相贯线轨迹错误，使现场无法安装。每次钢管外径和钢管壁厚输入后都要点击“赋给当前颜色”按钮，使其截面特性赋给这种颜色号。依次点击自动确定相贯节点类型，自动计算相贯节点主管方向，设置节点设计参数，节点设计。“优化设计”就完成了。同样点击“文件”中“进行施工图设计”。

第三个模块“施工图设计”（STDRAW)。点击“桁架”菜单里“设置桁架参数”主要是对“桁架弦杆端部处理方法”和“支管离散数”进行定义。（如图8）

图8“桁架施工图参数”对话框

“桁架弦杆端部处理方法”一般对编程来说就是节点球或支管与主管相贯两种。“支管离散数”前面已经提到，根据加工经验我们一般以“120”为较好。“生成桁架支管加工数据”中注意支管最大斜切角度，坡口越大，焊接质量越好，但是在实际加工中要考虑我们相贯线切割机上的切割设备，角度越大要切割的厚度越厚。总结出选择30度较好，既能保证焊接质量又能保证切割质量。点击“生成数据”会生成后缀为“STT”的文件。

第四个模块“管材下料优化”（STTaoCai）的主要功能是对管桁架结构腹杆进行套料优化，并生成用于与数控相贯线切割机接口的加工数据。实现管桁架结构腹杆的机械自动切割加工。在“控制参数”里“割损宽”就相当于预留割缝。“最小左端料头长”因卡盘有夹具的使用长度，每根上机切割加工的管材都要预留这一长度。其他参数按照实际工程要求输入。（如图9）

图9套料模块“控制参数”对话框

图10套料模块“杆件数据”对话框

进行管材下料优化的第二步是输入杆件数据。（如图10）

STTaoCai程序只能读取STDRAW系统生成的后缀为“STT”的文件。点取“导入”命令，选取指定支管加工数据文件*.STT，即可导入杆件数据，杆件数据以列表的形式显示在“杆件数据”栏内，点取对应的杆件数据行可以显示该支管相贯线的形状。“删除”命令用于删除在杆件数据列表框内选择的杆件。

图11套料模块“原料数据”对话框

第三步是输入原料数据，在点取图11所示“原料数据” 对话框，定义或查看加工原料数据。STTaoCai程序将根据杆件数据中截面的种类自动设置一种原料规格，该规格的钢管取自“默认原料长度”。

图12套料模块“切割方案”对话框

点取图12所示“切割方案” 对话框，在输入了必须的原料和杆件数据后，就可确定切割优化方案。STTaoCai程序提供了两种切割方案，即“直接布料”和“优化布料”两种方式。“直接布料”方法简单，执行起来速度快。它是将杆件按规格分类后，按杆件长度顺序排序后在原料上直接布置，考虑相邻杆件相贯线的嵌套，直接计算出切割方案。这种方式在大部分情况下可以得到出材率较高的切割方案。

“优化布料”采用了简单的有限同步算法，这一方式具有操作简单、速度较快的特点。由于“优化布料”算法的特殊性，每次计算的结果可能并不完全相同，建议多进行几次计算，选择一个出材率较高的方案（在出材率相同的情况下，寻找利用率最低的方案，由于这种情况下，所需的管材数量为定值，利用率越低表示剩料的总长度越长，以后可利用的机会越多。）

点取“输出下料数据”命令，将所有切割方案保存到指定目录下，生成每根管材的切割方案文件名后缀为“BAO”，同时生成了一个后缀为“Rpt”的报告文本文件，它记录了所有管材下料信息，在进行相贯线下料过程中，最好将此文件打印出来，对照该文件对腹杆进行编号，这些编号与管桁架施工图中编号相对应，以便安装时识别。

通过以上步骤圆管相贯线编程就完成了，STCAD的优势就在于：它将要下料的管材全部编程出来后再进行套料，有别于一般的编程软件——只能编出单个管件的程序。对材料的利用大大提高，经济性显著提升。

4、案例说明

4.1 在制作电子科技大学游泳馆时：以环桁架1为例，整榀桁架腹杆规格为PIP140*6、合计数量28件，清单长度共计88.565米，实际下料需要原材料长度75.511米。使用单根为12米长原材料，经过套料如13图：除生产工艺上必须的损耗外，此榀桁架腹杆需原材料7根84米，其中A7号有余料8.01米，实际消耗原材料75.99米，损耗率仅为0.6%远远小于公司及行业规定的2.5%。在行业竞争激烈的今天，经济合理是企业价值的体现。

4.2 此外加工效率也有提高。如果是单个管件的程序，不仅数量多、规格杂，而且整根原材料切割完要不止一次提取程序，操作比较繁杂。在相贯线切割机上提取套料好的程序，整根原材料只需要一次提取就能完成，切割过程中减少了停顿间隔时间。

图13管材套料图

4.3 经过套料的程序基本没有余料（长度大于0.5米的余料），圆管套料一般是循环接料，原材料整根被利用完，就减少了圆管对接产生，从而节省了加工费用。

综上所述，此项技术在管桁架工程中的运用，取得了良好的效果。为企业节约生产成本，提高经济效益，对整个管桁架结构的生产及安装过程都将起到极大的推动作用。

参考文献

【1】 《钢结构施工质量验收规范》（GB50205-2001）

【2】 《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）

【3】 《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

【4】龚景海、邱国志著，空间结构计算机辅助设计：中国建筑工业出版社