2024年3月22日发(作者：司徒丽君)
方钢管桁架结构设计要点及分析
摘要：钢桁架是一种常见的结构形式，具有受力体系简单、用钢量少、轻盈
跨度大等优点，常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中，工
业厂房桁架杆件以H型钢、拼接角钢为主，本文通过对比分析，阐述方钢管桁架
在造价方面的优势，并提供了设计方法、构造要求及连接节点，有助于设计人员
对方钢管桁架结构设计的了解和运用。
关键词：方钢管桁架；设计原则；节点构造；
引言：方钢管桁架与传统H型钢桁架相比，具有造型美观、制作安装方便、
经济性好等特点，受到人们的青睐。本文根据工程设计经验总结，阐述了方钢管
桁架结构的设计原则、指标控制、构造要求、节点连接等内容。
1.结构优点
方钢管桁架结构，是指由方形钢管做为腹杆和弦杆组成的桁架结构体系，与
传统的H型钢桁架相比具有很多优越性能，主要有以下几个方面：
1) 方钢管截面为空腔结构，材料绕中和轴均匀分布，截面回转半径大，能
同时具有良好的抗压和抗弯扭承载能力，充分发挥材料强度，节省钢材，以某汽
车厂研发车间为例，对用钢量进行对比，详见下表1.1。
2) 方钢管外表面积小，减少油漆、防腐、防火涂料费用。
3) 方钢管线性流畅，外形美观，无灰尘死角和凹槽，易于清理，适用于清
洁度要求高的厂房。
2.设计原则
2.1 材料
方钢管选用Q235B或Q355B钢材，方钢管型号根据《冷弯薄壁型钢结构技术
规范》（GB50018-2002）和《建筑结构用冷弯矩形钢管》（JG/T178-2005）选用。
2.2 荷载
1) 竖向荷载：屋面恒载、屋面活载、公用管线及工艺吊挂荷载、雪荷载
（不与活荷载同时考虑）
2) 水平荷载：风荷载
3) 地震作用：水平地震作用，竖向地震作用（8度跨度超过24m，9度跨度
超过18m时考虑）
2.3 整体建模计算
采用中国建筑科学研究院PKPM结构设计软件中SATWE模块，对结构进行三
维整体建模计算（如图2.1.1所示），其中可将桁架用实腹钢梁等刚度代换，进
行结构分析，得到结构周期、位移及柱配筋等相关信息。
图2.1.1桁架三维计算模型
2.4 二维建模计算
采用PKPM计算软件中钢结构二维桁架模块，对桁架进行二维计算（如图
2.1.2所示），得到桁架杆件强度、稳定及位移等相关信息。
图2.1.2桁架二维计算模型
2.5 桁架形式
桁架杆件的布置形式有“正N型”“倒N型”“W型”“M型”等多种形式，
推荐方钢管桁架使用“M型”结构形式（如图2.1.3所示）。
图2.1.3“M型”桁架
2.6 注意事项
1) 由于方钢管为空腔结构且内部设置肋板困难，有吊点时壁厚加大，用钢
量相比H型钢桁架没有优势；屋面无较大工艺荷载时有明显优势。
2) 靠近支座处受力较大的斜腹杆与弦杆连接时，建议增加垫板，避免局部
应力过大，造成杆件变形。
3) 方钢管管壁较薄，工艺吊点、公用支架与方钢管连接节点增设垫板焊接
或采用螺栓抱箍连接，不宜直接将其他构件焊于管壁。
4）方钢管拼接时，应在钢管内部增设小尺寸钢管做为衬板。
3.设计指标
3.1 桁架挠度限值≤L/400，当采用主次双向桁架时，作为托架的主桁架，
挠度限值不宜大于L/600。
3.2 桁架受压构件容许长细比≤150；受拉构件容许长细比≤350，在永久荷
载和风荷载组合下受压时，长细比不宜超过250。(构件长细比可详见《抗震设计
规范》GB50011-2010（2016版）第5.3.8和5.3.9条相关规定)
3.3方钢管的最大外缘尺寸与壁厚之比不应超过40√(235/fy)。
4.构造要求
4.1 桁架结构矢高宜取跨度的1/8~1/12。
4.2 钢管弦杆节间长度与截面高度之比≥12；腹杆长度与截面高度之比≥24。
4.3 主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不应小于支管壁
厚。
4.4 主管与支管或两支管轴线之间的夹角不宜小于30°。
4.5 在有间隙的K形或N形节点中，支管间隙a不应小于两支管壁厚之和。
4.6 在搭接的K形或N形节点中，其搭接率OV=q/px100%应满足
25%≤OV≤100%,且应确保在搭接部分的支管之间的连接焊缝能可靠地传递内力。
4.7 在搭接节点中，当支管厚度不同时，薄壁管应搭在厚壁管上；当支管钢
材强度等级不同时，低强度管应搭在高强度管上。
4.8 支管与主管之间的连接可沿全周用角焊缝或部分采用对接焊缝、部分采
用角焊缝。角焊缝的焊脚尺寸hf不宜大于支管壁厚的2倍。
4.9 钢管构件在承受较大横向荷载的部位应采取适当的加强措施，防止产生
过大的局部变形。
5. 支撑系统设置原则
5.1 横向水平支撑：
1) 厂房结构单元端开间或者第二开间上、下弦设置，当支撑设置在第二开
间时，应在端开间相应位置设置水平系杆。
2)横向水平支撑间距不宜大于60m，并宜与竖向支撑、柱间支撑位于同一开
间。
3)抗风柱一般与桁架腹杆与下弦杆相交的节点处，并在相应位置设置水平系
杆与横向水平支撑形成闭合系统。
5.2 纵向水平支撑：
1)当采用主次双向桁架时，应沿屋盖全长设置上、下弦纵向水平支撑。
2)当局部柱间采用主次双向桁架时，应在主桁架柱间及其两端相邻柱间设置
上、下弦纵向水平支撑
3)纵向水平支撑应与横向水平支撑形成封闭的水平支撑体系，纵向水平支撑
的间距不得超过三跨。
5.3 竖向支撑：
1)两端竖向支撑：厂房单元端开间及柱间支撑开间设置
2)跨中竖向支撑：桁架跨度大于30米时，跨中增设一道竖向支撑
5.4 通长水平系杆：
1)桁架端部设置上、下弦通长水平系杆
2)竖向支撑处设置上、下弦通长水平系杆
3)下弦弯折处、屋脊弯折处
4)弦杆平面外长细比要求或计算长度要求时
5.5 支撑、系杆构造：
1)支撑宜采用型钢
2)系杆分类
a.刚性系杆：桁架端部、上弦屋脊处、横向水平支撑中、用以减少受压弦杆
长细比及当横向支撑设置在第二开间时，则在第一开间内的所有系杆
b.柔性系杆：除刚性系杆外的其他系杆。
注：设计中系杆通常按刚性系杆设置。
3)长细比
支撑压杆长细比λ≤200，支撑拉杆长细比λ≤350
刚性系杆长细比λ≤200，柔性系杆长细比λ≤300
注：桁架支撑系统布置请详见《机械工业厂房结构设计规范》GB50906-2013
第9.8节和《抗震设计规范》GB50011-2010（2016版）第9.2节相关规定。
6. 节点连接
本节简单列举一些常用方钢管连接节点供大家参考。
图6.1.1 桁架与厂房柱连接节点
图6.1.2 主桁架与次桁架连接节点
图6.1.3 桁架弦杆与腹杆连接节点
图6.1.4桁架与系杆、支撑连接节点
结束语：方钢管桁架与传统H型钢桁架相比，具有造型美观、制作安装方便、
经济性好等特点，但目前在汽车类工业厂房中运用较少，近年一些业主开始尝试
使用，如某品牌汽车有限公司的冲压车间和某品牌汽车有限公司的研发车间就使
用了该结构形式，通过建成后效果和造价成本对比，得到了业主的认可和好评，
希望该结构形式能在工业厂房中得到广泛运用。
2024年3月22日发(作者：司徒丽君)
方钢管桁架结构设计要点及分析
摘要：钢桁架是一种常见的结构形式，具有受力体系简单、用钢量少、轻盈
跨度大等优点，常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中，工
业厂房桁架杆件以H型钢、拼接角钢为主，本文通过对比分析，阐述方钢管桁架
在造价方面的优势，并提供了设计方法、构造要求及连接节点，有助于设计人员
对方钢管桁架结构设计的了解和运用。
关键词：方钢管桁架；设计原则；节点构造；
引言：方钢管桁架与传统H型钢桁架相比，具有造型美观、制作安装方便、
经济性好等特点，受到人们的青睐。本文根据工程设计经验总结，阐述了方钢管
桁架结构的设计原则、指标控制、构造要求、节点连接等内容。
1.结构优点
方钢管桁架结构，是指由方形钢管做为腹杆和弦杆组成的桁架结构体系，与
传统的H型钢桁架相比具有很多优越性能，主要有以下几个方面：
1) 方钢管截面为空腔结构，材料绕中和轴均匀分布，截面回转半径大，能
同时具有良好的抗压和抗弯扭承载能力，充分发挥材料强度，节省钢材，以某汽
车厂研发车间为例，对用钢量进行对比，详见下表1.1。
2) 方钢管外表面积小，减少油漆、防腐、防火涂料费用。
3) 方钢管线性流畅，外形美观，无灰尘死角和凹槽，易于清理，适用于清
洁度要求高的厂房。
2.设计原则
2.1 材料
方钢管选用Q235B或Q355B钢材，方钢管型号根据《冷弯薄壁型钢结构技术
规范》（GB50018-2002）和《建筑结构用冷弯矩形钢管》（JG/T178-2005）选用。
2.2 荷载
1) 竖向荷载：屋面恒载、屋面活载、公用管线及工艺吊挂荷载、雪荷载
（不与活荷载同时考虑）
2) 水平荷载：风荷载
3) 地震作用：水平地震作用，竖向地震作用（8度跨度超过24m，9度跨度
超过18m时考虑）
2.3 整体建模计算
采用中国建筑科学研究院PKPM结构设计软件中SATWE模块，对结构进行三
维整体建模计算（如图2.1.1所示），其中可将桁架用实腹钢梁等刚度代换，进
行结构分析，得到结构周期、位移及柱配筋等相关信息。
图2.1.1桁架三维计算模型
2.4 二维建模计算
采用PKPM计算软件中钢结构二维桁架模块，对桁架进行二维计算（如图
2.1.2所示），得到桁架杆件强度、稳定及位移等相关信息。
图2.1.2桁架二维计算模型
2.5 桁架形式
桁架杆件的布置形式有“正N型”“倒N型”“W型”“M型”等多种形式，
推荐方钢管桁架使用“M型”结构形式（如图2.1.3所示）。
图2.1.3“M型”桁架
2.6 注意事项
1) 由于方钢管为空腔结构且内部设置肋板困难，有吊点时壁厚加大，用钢
量相比H型钢桁架没有优势；屋面无较大工艺荷载时有明显优势。
2) 靠近支座处受力较大的斜腹杆与弦杆连接时，建议增加垫板，避免局部
应力过大，造成杆件变形。
3) 方钢管管壁较薄，工艺吊点、公用支架与方钢管连接节点增设垫板焊接
或采用螺栓抱箍连接，不宜直接将其他构件焊于管壁。
4）方钢管拼接时，应在钢管内部增设小尺寸钢管做为衬板。
3.设计指标
3.1 桁架挠度限值≤L/400，当采用主次双向桁架时，作为托架的主桁架，
挠度限值不宜大于L/600。
3.2 桁架受压构件容许长细比≤150；受拉构件容许长细比≤350，在永久荷
载和风荷载组合下受压时，长细比不宜超过250。(构件长细比可详见《抗震设计
规范》GB50011-2010（2016版）第5.3.8和5.3.9条相关规定)
3.3方钢管的最大外缘尺寸与壁厚之比不应超过40√(235/fy)。
4.构造要求
4.1 桁架结构矢高宜取跨度的1/8~1/12。
4.2 钢管弦杆节间长度与截面高度之比≥12；腹杆长度与截面高度之比≥24。
4.3 主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不应小于支管壁
厚。
4.4 主管与支管或两支管轴线之间的夹角不宜小于30°。
4.5 在有间隙的K形或N形节点中，支管间隙a不应小于两支管壁厚之和。
4.6 在搭接的K形或N形节点中，其搭接率OV=q/px100%应满足
25%≤OV≤100%,且应确保在搭接部分的支管之间的连接焊缝能可靠地传递内力。
4.7 在搭接节点中，当支管厚度不同时，薄壁管应搭在厚壁管上；当支管钢
材强度等级不同时，低强度管应搭在高强度管上。
4.8 支管与主管之间的连接可沿全周用角焊缝或部分采用对接焊缝、部分采
用角焊缝。角焊缝的焊脚尺寸hf不宜大于支管壁厚的2倍。
4.9 钢管构件在承受较大横向荷载的部位应采取适当的加强措施，防止产生
过大的局部变形。
5. 支撑系统设置原则
5.1 横向水平支撑：
1) 厂房结构单元端开间或者第二开间上、下弦设置，当支撑设置在第二开
间时，应在端开间相应位置设置水平系杆。
2)横向水平支撑间距不宜大于60m，并宜与竖向支撑、柱间支撑位于同一开
间。
3)抗风柱一般与桁架腹杆与下弦杆相交的节点处，并在相应位置设置水平系
杆与横向水平支撑形成闭合系统。
5.2 纵向水平支撑：
1)当采用主次双向桁架时，应沿屋盖全长设置上、下弦纵向水平支撑。
2)当局部柱间采用主次双向桁架时，应在主桁架柱间及其两端相邻柱间设置
上、下弦纵向水平支撑
3)纵向水平支撑应与横向水平支撑形成封闭的水平支撑体系，纵向水平支撑
的间距不得超过三跨。
5.3 竖向支撑：
1)两端竖向支撑：厂房单元端开间及柱间支撑开间设置
2)跨中竖向支撑：桁架跨度大于30米时，跨中增设一道竖向支撑
5.4 通长水平系杆：
1)桁架端部设置上、下弦通长水平系杆
2)竖向支撑处设置上、下弦通长水平系杆
3)下弦弯折处、屋脊弯折处
4)弦杆平面外长细比要求或计算长度要求时
5.5 支撑、系杆构造：
1)支撑宜采用型钢
2)系杆分类
a.刚性系杆：桁架端部、上弦屋脊处、横向水平支撑中、用以减少受压弦杆
长细比及当横向支撑设置在第二开间时，则在第一开间内的所有系杆
b.柔性系杆：除刚性系杆外的其他系杆。
注：设计中系杆通常按刚性系杆设置。
3)长细比
支撑压杆长细比λ≤200，支撑拉杆长细比λ≤350
刚性系杆长细比λ≤200，柔性系杆长细比λ≤300
注：桁架支撑系统布置请详见《机械工业厂房结构设计规范》GB50906-2013
第9.8节和《抗震设计规范》GB50011-2010（2016版）第9.2节相关规定。
6. 节点连接
本节简单列举一些常用方钢管连接节点供大家参考。
图6.1.1 桁架与厂房柱连接节点
图6.1.2 主桁架与次桁架连接节点
图6.1.3 桁架弦杆与腹杆连接节点
图6.1.4桁架与系杆、支撑连接节点
结束语：方钢管桁架与传统H型钢桁架相比，具有造型美观、制作安装方便、
经济性好等特点，但目前在汽车类工业厂房中运用较少，近年一些业主开始尝试
使用，如某品牌汽车有限公司的冲压车间和某品牌汽车有限公司的研发车间就使
用了该结构形式，通过建成后效果和造价成本对比，得到了业主的认可和好评，
希望该结构形式能在工业厂房中得到广泛运用。