异型地圆天方转换节点展开过程详解及扩展

杨宝 白亚洲 张泽珊 陈宏

中建钢构四川有限公司 四川成都 620564

1 节点简介

某超高层外框巨柱在某标高做地圆天方转换，下部为直径2．8m的圆柱，上部为2．4m的方柱。设计高度4m，板厚为70mm。

2 各种展开方法的对比

2.1 常规造型

圆方节点由四个三角形和四个锥面组成。锥面的放射线在方口端交于一点。

图1 3D模型

图2 展开图

加工时压制线都在方口端交点挤压，板越厚挤压空间越小越难加工，成型难保障，交点积压处易产生“皱褶”、撕裂等缺陷。

可用在交点处开口成型后把挤压一起的结合缝全熔透焊接的办法。缺点是开口大小及成型效果不能预判。板越厚开口越大，开口小了又不好压制，要边压边修正。若缩小比例降低板厚来试压，调好缺口大小再用于实际中厚板材，但需多次调试浪费人力，物力，财力。且每个工程圆方转换节点的尺寸均不同，故每次展开都是一次新的过程[1]。就算成型效果可以，还需要对此处结合缝做相应的焊接工艺，把缺口补焊好。

图3 开口对比图

图4 效果图

2.2 逆作展开法（描图法）

依设计图画3D模型后拆解成“豆腐块”，按序排列整齐得到展开图。有效控制分段间距，达到以直代弧最佳效果，使误差最小。

（1）展开思路：考虑压制可行和对接件方口端四个角点无偏差。可采用以下地圆天方展开方法。

图5 3D模型

图6 整体展开图

（2）展开过程详解。

①画3D模型。依设计要求，初定加工方案后画出3D模型，查看成型效果发给结构设计师确认。

②根据加工可行性确定压弯线方向。用大型油压机将钢板折弯成型满足工艺需要，以三角形斜边方向为压制线方向。

③展开。先进行板厚处理：方口以内径尺寸，圆口以中径尺寸重画圆方节点。板料在弯曲过程中外层受拉内层压,中径层在弯曲过程中保持不变,所以中径层是计算弯曲件展开长度的基准。把锥面化整为零进行拆解。依经验分块距离控制在100mm内，可使弦长无限接近于弧长，达到以直代弧的效果[2]。

a．计算圆的展开长度确定等分数量：圆按中径计算周长（展开长度）为（2800-70）×π=8576．55mm。等分数量按每份在100mm内考虑，取88等份，每份长度为8576．55mm/88=97．46mm。

b．弦长，弧长对比：弧长取97．46mm时，弦长为97．44mm，弦高为0．87mm。弧长与弦长只相差0．02mm。满足以直代弧要求。

c．确定压制线方向及工厂焊接位置：观察3D模型，考虑加工及成型效果，以三角形的斜边为压制线方向，所有的压制线都和三角形斜边平行，锥面的最中间为工厂对接焊缝位置，即方口端角点位置。

d．锥面拆解形成展开图：

图7 拆解对比图

图8 1/8展开图

以1/8圆为例，分11等份在每等份点做三角形斜边复制线做1/8拆解。将拆解的块按顺序摊平排列整齐，即为1/8展开图。

（3）第1种和第3种展开：

图9 锥面中间最大偏差值为99mm

（4）逆作展开法做法优势。先画成型图，设计师确认后再加工，可减少中间环节，简单几步即可完成展开。

优点：精度较高；成型后无多余焊缝；上下柱对接无错边，无需相应焊接工艺；无需试压可一次成型；适合特厚板加工[3]。

3 逆作展开法思路扩展

3.1 端口扭转90°的长圆管圆台

此节点长圆尺寸为5000m，圆直径为2000m，高4000m，板厚70mm。

图10 俯视图

图11 3D模型

图12 整体展开图

（1）展开过程详解。

①画3D模型确定压弯线方向：依设计图画3D模型，查看成型效果。

根据加工可行性确定压弯线方向，同理以三角形的斜边方向为压制线方向。

②展开：观察3D模型，此节点是由4个相同的三角形和4个相同的圆弧曲面组成，主要是把圆弧曲面化整为零，拆解成“豆腐块”。

a．计算圆展开长度确定等分数量：圆按中径计算周长为（2000-70）×π=6063．27mm。按每份在100mm内考虑取64等份，每份长度为 6063．27mm/64=94．74mm。

b．弦长，弧长对比：弧长取94．74mm时弦长94．70mm，弦高1mm，两者相差0．04mm。满足以直代弧要求。

c．确定压制线方向：考虑加工能力，以三角形斜边为压制线方向，所有的压制线都和三角形斜边平行。

d．确定组装时工厂焊接位置：观察3D模型结合加，以三角形的斜边为压制线方向，以三角形的中间为工厂对接位置，确保焊缝数量控制在4条。

e．圆弧曲面拆解成“豆腐块”：把1/4圆弧曲面分16等份，在每等份点做三角形斜边的复制线，做1/4拆解。

图13 拆解对比图

图14 1/4展开图

将上步骤拆解的“豆腐块”按顺序在平面中摊平排列整齐，即为四分之一展开图。

4 结语

在工程实例中，如圆-长圆过渡管(任意角度)；异径Y型三通管；四分之斜圆锥分料管等都可以采用先画出3D模型，再反推拆分成“豆腐块”的做法。即可保证展开图形的准确性，又可减少材料损耗及误差。