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青岛理工大学〔临沂〕土建工程系构造教研室
2025 年 3 月
一般梯形钢屋架节点设计任务书
一、设计资料
某厂房如表 1 所示，柱距 6m，承受梯形钢屋架、× 预应力混凝土大型屋面板，屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400mm×400mm，混凝土强 度等级为 C30，屋面坡度为i 1:10 。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质， 抗震设防烈度为 7 度，屋架下弦标高为 18m；厂房内桥式吊车为 2 台 150/30t〔中级工作制〕，锻锤为 2 台 5t。
屋架形式
跨度
总长
选材
课程设计班级
附图 1
18m
90m
Q345 钢， E50 型焊条
监理 151
附图 2
24m
120m
Q235 钢， E43 型焊条
监理 152
表 1
二、课程设计应完成的工作
1、计算书局部
设计一个下弦节点、一个上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中心节点。2、图纸局部
绘制钢屋架运送单元的施工图，包括桁架简图及材料表。尺寸及标注应齐备，满足构造要求。
序号
设计各阶段内容
地点
起止日期
1
节点设计：设计一个下弦节点、一个上弦节点、支座节
点、屋脊节点及下弦中心节点。
课程设计教室
周一到周三
2
绘制钢屋架节点施工图，包括：1〕屋架节点详图；2〕
设计说明。
课程设计教室
周三、周四
3
完善施工图及计算书
课程设计教室
周五
三、课程设计进程安排
四、主要参考文献
1、陈绍蕃. 钢构造〔上、下册〕. 北京：中国建筑工业出版社，2025
2、钢构造设计标准〔GB50017-2025〕. 北京：中国打算出版社，2025
3、房屋建筑制图统一标准〔GB/T 50001-2025〕. 北京：中国打算出版社，2025
4、建筑构造制图标准〔GB/T 50105-2025〕．北京：中国打算出版社，2025
5、李星荣. 钢构造连接节点设计手册〔第三版〕．北京：中国建筑工业出版社，
2025
附 图 一
1500´ 6 = 9000
图 18 米跨屋架几何尺寸
图 18 米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值
图 18 米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值
附 图 二
图 24 米跨屋架几何尺寸
图 24 米跨屋架全跨单位荷载作用下各杆件的内力值
图 24 米跨屋架半跨单位荷载作用下各杆件的内力值
一般梯形钢屋架设计指导书
本指导书依据设计任务书提出的设计内容和要求指出了设计中应考虑的原则和应留意的问题，对其中某些问题作了必要的说明。更为一般的设计原理、方法及参考数据，可查阅相关设计手册和规程标准。
第一局部：设计及计算与设计说明书的编制
一般钢屋架是由一般角钢和节点板焊接而成。这种屋架受力性能好，构造简洁，施工便利，广泛应用于工业和民用建筑的屋盖构造中，一般是用于大型钢筋混凝土屋面板等重型屋面，将屋面板直接放在屋架或天窗架上，一般屋架所用的 等边角钢不小于∟45×4，不等边角钢不小于∟56×36×4。
屋架钢材一般采 Q235BF〔3 号沸腾钢〕钢材，冬季计算温度等于或低于-30℃ 时的屋架宜承受Q235B〔3 号冷静钢〕，荷载较大的大跨度屋架可承受 Q345〔16Mn钢〕或 Q390〔15MnV 钢〕。
一、 屋架的形式及主要尺寸
〔一〕一般梯形钢屋架概述
一般梯形钢屋架通常用于屋面坡度较为平缓的大型屋面板或长尺压型钢板 的屋面，跨度一般为 15～36m，柱距 6～12m，跨中经济高度为〔1/8～1/10〕 l 。梯形屋架外形比较接近弯矩图，因而弦杆内力沿跨度分布比较均匀，用料较经济， 且可以和柱刚接或铰接，且刚接可使建筑物横向刚度提高。与柱刚接的梯形屋架， 端部高度一般为〔1/12～1/16〕 l ，通常取 ～；与柱铰接的梯形屋架，端部高度 ～，此时，跨中高度可依据端部高度和上弦坡度确定。在多跨房屋中，各跨屋架的端部高度应尽可能一样。
当承受大型屋面板时，为使荷载作用在节点上，上弦杆的节间长度宜等于板的宽度，即 或 。当承受压型钢板屋面时，也应使檩条尽量布置在节点上，以免上弦杆受弯。对于跨度较大的梯形屋架，为了保证荷载作用于节点，并保持腹杆有适宜的角度和便于节点构造处理，可沿屋架全长或只在屋架跨中局部布置再分式腹杆。
梯形屋架的斜腹杆一般承受人字形，其倾角宜为 30°～60°。支座斜腹杆与弦杆组成的支承节点在下弦时为下承式，在上弦时为上承式。
〔二〕一般梯形钢屋架主要尺寸确实定
一般梯形钢屋架的主要尺寸包括屋架的跨度、跨中高度和端部高度。
1、屋架跨度：屋架的跨度取决于柱网的布置，柱网纵向轴线的间距就是屋架的标志跨度〔公称跨度〕，一般以 3m 为模数，屋架的计算跨度是两端支座反力的距离，在大多数状况下计算跨度比公称跨度小。对于封闭结合，计算跨度＝ 标志跨度－2×(150～300)。对于非封闭结合，常取计算跨度＝标志跨度。〔如图1〕
图 1
2、跨中高度：屋架的跨中高度由经济要求、刚度要求、运输界限和屋面坡度等因素来确定，依据屋架的允许挠度可打算最小高度，最大高度则取决于运输界限，；屋架的经济高度是依据上下弦杆和腹杆的总重量最小的条件确定的。三角形屋架的中部高度主要取决于屋面坡度，当i =1/2～ 1/3 时， h =(1/4～1/6) l 。梯形和平行弦屋架的中部高度主要取决于经济要求，一般取为h =(1/6~1/10) l 。
3、端部高度 h
0
：是与中部高度和屋面坡度相关的。一般陡坡梯形屋架取
0
h =~，缓坡梯形屋架取 h =~。多跨厂房梯形屋架的端部高度应力
0
求统一。
〔三〕屋架的起拱要求
跨度≥24m 的梯形屋架，当下弦无曲折时，宜起拱，拱度v l 500 。起拱的方法一般是使下弦成直线弯折而将整个屋架抬高，即上、下弦同时起拱。
二、 屋面系统的支撑布置
〔一〕支撑布置的必要性
屋架是屋盖构造中最主要的承重构件，虽然屋架之间有檩条或屋面板联系， 但仍旧是一不稳定的空间体系。通过合理设置支撑可以将屋盖变成几何不变体 系；支撑还保证了屋盖的刚度和空间的整体性，以削减屋盖在水平力作用下的变形；支撑为屋架供给了侧向支点，以削减屋架杆件的计算长度，使受压弦杆保证侧向的稳定，使受拉弦杆具有足够的刚度；支撑还能够传递水平荷载；并能保证屋架在施工安装时的稳定与便利。
〔二〕支撑布置的原则
1、在设置有纵向支撑的平面内必需同时设置横向支撑，并将二者布置为封闭型。
2、全部的横向支撑、纵向支撑和竖向支撑均应与屋架、托架、天窗架等的杆件或檩条组成几何不变的桁架形式。
3、房屋中每一温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定构造的支撑系统。
4、传递风力、吊车水平力和水平地震作用的支撑，应能使外力由作用点尽快地传递到构造的支座。
5、柱距愈大或吊车工作量愈繁重，支撑的刚度应愈大。
6、在地震区应适当增加支撑，并加强支撑节点的连接强度。
〔三〕支撑的布置
1、上弦横向水平支撑
在有檩体系或仅承受大型屋面板的无檩体系屋盖中均应设置屋架上弦横向
水平支撑，上弦横向水平支撑一般应设置在房间的两端或横向温度伸缩缝间区段的两端的第一个柱间，在非地震区当承受山墙承重或抗震设防烈度 6、7 度有天窗时，为使屋架支撑与天窗架支撑位于同一开间内，也可将支撑布置在其次个柱间，但第一柱间必需用刚性系杆与端屋架上弦结实连接，以保证端屋架的稳定和传递山墙的风力，为了保证上弦横向支撑间的有效作用，提高屋盖的纵向刚度， 两个上弦横向支撑间的距离不宜大于 66m，故当房屋较长〔大于66m〕时，尚应在中间柱间增设横向水平支撑。
2、下弦横向水平支撑
下弦横向水平支撑一般和上弦横向水平支撑布置在同一开间，它们和相邻的两个屋架组成一个空间桁架体系。一般状况下，应设置下弦横向水平支撑，但当跨度大于 18m 且未设悬挂起重运输设备和吊车，或者虽有吊车但吨位不大，也没有较大的振动设备，可不设置下弦横向水平支撑。
3、下弦纵向支撑
下弦纵向水平支撑的主要作用是与横向水平支撑一起形成封闭体系，以提高房屋的整体刚度。当厂房内设有较大吨位的重级、中级工作制桥式吊车、壁行式吊车或有锻锤等较大震惊设备以及厂房较高，跨度较大、空间刚度要求较高时， 均应在屋架下弦端节间内设置纵向水平支撑。
单跨厂房一般沿两纵向柱列设置，多跨厂房则依据具体状况沿全部或局部纵向柱列设置，有托架的房屋为了保证托架的侧向稳定在有托架处也设置纵向水平支撑。
4、竖向支撑
全部房屋均应设置竖向支撑。它的作用主要是使相邻屋架和上下弦横向水平支撑所组成的四周体形成空间几何不变体系，以保证屋架在使用和安装时的整体稳定。故在设有横向支撑的开间内，均应设置竖向支撑。
对于梯形屋架，当跨度≤30m，一般只需在屋架两端及跨中竖杆平面内布置三道竖向支撑，当跨度＞30m 时，应在两端和跨度的1/3 处或天窗架侧处各布置一道竖向支撑。对于三角形屋架，当跨度≤18m，一般只需在跨中布置一道竖向支撑，当跨度＞18m 时，依据具体状况设置两道。
5、系杆
为了保证未设横向水平支撑屋架的侧向稳定以及传递水平荷载，应在横向水平支撑或竖向支撑的节点处，沿房屋纵向通长地设置系杆。系杆分为刚性系杆和柔性系杆，只能承受拉力的为柔性系杆，一般承受单角钢；能承受压力的为刚性系杆，一般由两个角钢组成的十字形截面。刚性系杆主要是在三角形屋架的两端、梯形屋架的主要支撑处的系杆，屋架上弦脊节点处的系杆以及其他的能受压的系杆，其余地方设置柔性系杆。
三、杆件规格及受力
杆
件
内 力
/KN
截 面 规 格
面 积
/cm2
计算长度/cm
回转半径
/cm
l
[l ] j
m ax
max
应力s
/(N/mm2)
上
弦
下弦
L
ox
L
oy
i
i
x
y
-

短肢相并
2L125X80X10
短肢相并2L125X80X7
表2 杆件截面选择表






150








150
-

aB
-
Bc

cD
-
De

eF
-

Fg
-

Aa
-
Cc
-
Ee
-
Gg







150








150
-







150








150
-







150








150








150








150








150








150
-

长肢相并2L125X80X7
T 形截面2L63X5
T 形截面2L75X5
T 形截面2L50X5
T 形截面2L63X5
T 形截面2L63X5
T 形截面2L70X5
T 形截面2L56X5
T 形截面2L56X5
T 形截面
2L63X5
四、 节点设计
〔一〕节点设计的一般原则：
1、屋架是通过各节点板把汇交于各节点的杆件连接在一起，各杆件的内力通过节点板上的角焊缝相互平衡。节点板内的应力分布比较简单，节点板的厚度通常不作计算，一般状况下可依据腹杆(梯形屋架)或弦杆(三角形屋架)的最大内力按表 3 选用。
£ 160
161~300
301~500
501~700
701~950
951~1200
£ 240
241~360
351~570
570~780
781~1050
1051~1300
6
8
10
12
14
16
8
10
12
14
16
18
表 3 节点板厚度选用表
节点 Q235 梯形屋架腹板钢 杆或三角形号 Q345 屋架弦杆最
大内力
中间节点板厚度〔mm〕 支座节点板厚度〔mm〕
2、为了避开杆件偏心受力，各杆件的重心线应与屋架的轴线重合，但考虑制造上的便利，通常把角钢肢背到屋架轴线的距离调整为 5mm 的倍数。在上弦， 为了便于搁置屋面构件，应使肢背齐平，并取两角钢重心线之间的中线作为弦杆轴线，如轴线变动不超过较大弦杆截面高度的 5％时，可不考虑其影响。
3、为了避开焊缝过于密集导致节点板材质变脆，节点板上各板件端缘之间须留 15～20mm 的空隙。节点板一般伸出弦杆角钢肢背 10～15mm〔图 4〕以便施焊，在屋架上弦，为了支承屋面构件，可将节点板缩进弦杆背5~10mm，并用塞缝连接。〔图 5〕
图 4
图 5
4、角钢端部的切断面宜垂直于杆件轴线，当角钢较宽为了削减节点板尺寸， 也可承受斜切。
5、节点板的外形应力求简洁而规章，至少有两边平行，如矩形、平行四边形和直角梯形等，以便切割钢板时能充分利用材料和削减切割次数。节点板不应有凹角，以免产生严峻的应力集中现象。此外，确定节点板外形时，应留意使其受力状况良好，节点板边线对杆件边线间的集中角宜≥1:4～1:3〔约 15º～20º〕，强度用足的杆件宜≥1:2〔约 25º〕〔图 6〕，还应考虑使连接焊缝中心受力。
〔二〕节点的计算和构造

1
不正确 正确
≥4～3 正确
图 6
1
不正确
≥4～3
节点设计时，依据腹杆截面和内力确定连接焊缝的焊脚尺寸和长度，然后再依据焊缝的长度和施工的误差确定节点板的外形和尺寸。
1、下弦的一般节点：这类节点的设计步骤是：先依据腹杆的内力计算腹杆
与节点板连接焊缝的尺寸，即h
f
和l ，然后依据l
w w
的大小按比例绘出节点
板的外形和大小，最终验算下弦杆与节点板的连接焊缝。
腹杆与节点板的连接焊缝计算：
k N k N
肢背：
1
2 ´ h
w1 f 1
£ f w ； 肢尖：
f
2
2 ´ h
w2 f 2
£ f w ； f
弦杆与节点板的连接焊缝，由于弦杆在节点板处是连续的，它仅将下弦相邻
节间的内力差DN = N - N 〔 N 、 N 分别为相邻节间杆件的内力〕传递给
1 2 1 2
节点板，其焊脚尺寸为：
肢背： h ³
k DN
1
f 1 2 ´ f w
w1 f
肢尖： h ³
k DN
2
f 2 2 ´ f w
w1 f
k 、k 为角钢肢背和肢尖焊缝安排系数。
1 2
通常弦杆与节点板连接焊缝所需要的焊脚尺寸很小，一般由构造确定。
2、上弦一般节点：腹杆与节点板的连接焊缝计算同上弦节点。
屋架上弦节点受有屋面传来的集中荷载 P 的作用，所以在计算上弦与节点板
的连接焊缝时，应考虑节点荷载 P 与上弦杆相邻的内力差DN = N - N 的作用。
1 2
上弦节点因需要搁置屋面板或檩条，常将节点板缩进角钢肢背而承受塞焊缝
(图 5-6)。塞焊缝近似地按两条焊脚尺寸h
f
= d 2 ( d 为节点板厚度)的角焊缝来
计算，节点板缩进角钢背的距离不少于〔d 2 + 2 〕mm，但不大于d 。计算时假
)
定集中荷载与上弦杆垂直，略去上弦杆坡度的影响。这样在DN 的作用下，角钢肢背与节点板角焊所受剪应力为：
t = k
f 1
DN /(2 ´ l
f w
这里k
是角钢肢背的安排系数。
1
在 P 的作用下，上弦杆与节点板连接的四条焊缝平均受力。假设焊脚的尺寸一样，则应力为：
s = P /(4 ´ l ))
f f w
肢背焊缝受力最大，其合应力应按下式进展验算：
æ s
ç
f
ö2
è ø
÷ +t
2
f
£ f w f
考虑到角钢背与节点板的塞焊缝质量不易保证，常假设塞焊只承受 P 的作