随着计算机技术的发展，新一代结构工程师比前辈以更快的速度去完成一项设计任务，这是一个优势，但在另一个方面，由于时间的压缩，大部分工作用于完成画图，很多人感觉对结构概念的理解与掌控缺少深入了解。经常有朋友问笔者如何提高概念设计能力？对于这类问题其实是不好回答的，结构设计涉及面非常广，需要反复学习和经验积累。首先在学习时要理解领会经验中已经成熟的理论，不能只是简单的记忆，然后运用到自己的设计中，还要对经验中的建议去发散性思考，拓展自己对结构设计的认识。其次在经验积累时需要认真对待自己做的每个项目，自己的项目往往花费设计人员很长时间去调整梳理，解决方法和遇到的难题自己最清楚，完成后只要自己再深入的去研究一下，往往会取得事半功倍的效果。

设计人员使用概念设计的目的是，以选定的结构形式在荷载作用下对效应有初步的正确判断，然后通过软件分析加以验证，因此设计人员在选择结构方案时就要运用力学规则去判断效应结果，而不能充当软件操作工，依靠软件分析数据决定设计成果。

框架结构是设计人员经常遇到的结构形式，其它结构形式如框架剪力墙结构也包含框架部分，它的应用范围较广，许多结构工程师的设计经验往往是从框架结构起步的，因此做好框架结构对工程师是非常重要的，本文以框架方案比较，利用计算软件快速分析，探讨如何在设计工作中理解概念设计。

B 类框架柱是 27 根，框架梁是 42 根，自重有一定差异，但变化值占全部基底荷载不超过 5%，其平面布置见图
1，初步设定框架柱截面 600X600，框架梁截面 300X700。在层高设置上，总高为 14.4 米，第一种方案各层均为3.6 米，第二种方案首层 4.5 米，其余各层 3.3 米，第三种方案二层 4.5 米，其余各层 3.3 米，第四、五种方案中 4.5 米楼层依次上移一层。遇到这两类方案时，工程师要思考哪些问题？

首先要判断规则性，无论建筑方案多么复杂，结构工程师要养成对结构体系规则性判断的习惯，这是能否控制好结构方案的基本训练，帮助工程师找到结构体系中薄弱点在哪里，明确结构设计的重点在何处，确定结构方案时有正确的选择方向。这两类方案从平面看既不存在凹凸，也没有平面刚度急剧变化的情况，符合规范关于平面规则基本要求，其中 4X4 柱网两个方向结构布置是一致的，判断其各项指标应该是一致的，而 2X8 柱网两个方向结构布置不同，各项指标就应该存在差异，通过软件计算得到表 1 自振周期的数据，可以看到在4X4 柱网两个方向平动周期是一致的，2X8 柱网则存在差异。如果初步判断与计算分析结果不符，就要查找原因，明确出现差异的原因。

其次要预估结构振型可能出现的情况是怎样的，特别是扭转振型会出现在第几阶。这点对于规则结构是比较容易预估的，主要是前三阶振型分布情况，前面两类方案都是平、平、扭排布，这符合结构设计的指导思想。对于平动振型还要预估是 X 向振动还是 Y 向振动，当预估情况与分析验证相吻合，工程师对做好这个结构设计就有很好的掌控能力了。B 类方案中，应该预估其第一平动振型是 Y 向振型，第二平动振型是 X 向振型，因为模型在两个方向有差异，一是梁在 Y 方向是 18 根，X 向是 24 根，Y 向梁线刚度总量比 X 向小。二是柱截面在两个方向一致，构件本身岁抗测力刚度贡献一致，但柱在 Y 向对形心惯性矩（A*a
2）之和小于 X 向惯性矩之和，则结构 Y 向自振周期要长，通过软件平动参与系数可知，第一自振周期中 Y 向参与系数超过 90%，与预估情况相符。然后要理解规范中要求控制扭转周期与第一平动周期之比，就是控制扭转周期不要过早出现。为什么要
控制扭转周期？很多的书籍都介绍过原因，但可能理论性过强，很多设计人实际感受并不深刻，这里只以日常一个现象来说明，要想拧干一块湿手巾，如果只是上下左右拉扯，费很大的劲也很难将水挤出，这时把水分理解为结构抗外力能力，只要轻轻拧一下，水分很容易挤出，由此可以理解扭转效应对结构安全的影响，工程师理解了扭转效应，自然会很注意结构体系抗扭转能力。
B 类方案分析结果都存在扭转周期与平动周期之比超过 0.9 的情况，需要调整结构方案，调整的方式有很多，工程师需要结合建筑师的需求来进行调整，但主要的思路还是由结构体系的可能性去寻求最佳的解决办法，结构师的方法越多，建筑师的选择范围越广，专业间的配合就越顺利。B 类方案的 Y 向框架布置是一样的，扭转周期出现较早，说明端部框架抗扭刚度与平动刚度相
比，或者是端部抗扭刚度较弱，或者是平动刚度较强，这可以结合其它技术指标来判断，如位移、底部剪力系数等，这里以两种方法来对比理解，一种方案是将两个端部框架柱加密至 4.0 米，每侧增加 2 根框架柱，相应减少端部框架梁的线长度，达到增加端部框架抗扭刚度目的，另一种方法是保持端部框架不变，中部 7 榀框架梁截面由 300X700 变为 250X600，达到保持端部框架抗扭刚度，减弱整体平动刚度的目的。各方案的周期值见表 2.

增加端柱方案前三个周期值均比原方案减小，扭转周期下降更快，扭转比下降到 0.8 以下，由于端柱对 Y 向平动刚度也有贡献，第一平动振型由 Y 向变为 X 向，各方案整体 X 向周期变化不大，Y 向周期减小约 5%，扭转周期减小约 15~20%。减小中梁截面方案中，X 向周期略变化不大，Y 向周期增加约 10%，扭转周期增加约 7%。通过这两个方案的对比，可知选用不同的方案，结构效率是不同的，导致设计结果就会有很大差异，例如减小中梁截面方案的扭转比接近 0.9，在后期设计中由于各种因素变化，很容易导致超标的问题，而增加端柱的方案，该值低于 0.8，其适应能力就强。

规范中还建议结构在两个主轴方向的动力特性宜接近，显然调整后的方案更符合规范建议，只要合理布置梁柱及截面，是可以做到两个方向的动力特性基本接近，数据指标会像方案 A 那样，这就带来另外一个问题，规范上要求扭转周期与第一平动周期之比，没有要求与第二平动周期之比，当第一周期与第二周期接近时，扭转周期与第二平动周期之比也会满足要求，试想当第二
平动周期与第一平动周期相差较多时，例如 2X8 柱网 X 向振型为第一平动振型，扭转振型是 Y 向两端扭转， Y 向振型为第二平动振型与扭转周期一致，其周期比为1.0，这有没有问题？从笔者的设计习惯出发，是不会采用这种方案的，设计一方面要遵守规范的条文，还要就具体问题结合规范的建议来处理问题。再看方案中给出五种层高情况，层高变化在设计中是经常出现的，以表 1 中 A 类方案数据观察，在混凝土用量一致的情况下，结构自振周期相差约 7% 。当 4.5 米层高在首、二层时，结构平动刚度较小，抗扭刚度也较小，扭转周期与平动周期之比大于 0.9。当 4.5 米层高在顶层时，由于下面三层结构质量在高度上低于前四种方案，且下部框架整体刚度高于前四种方案，因此自振周期短，扭转周期接近平动周期主要是顶层 4.5 米层高引起，这与前四个方案是不同的，那么在解决扭转问题的处理方法上就会有不同的方法，顶层可能采取减弱平动刚度的方式去调整，其他方案可能就要采取加强外部框架刚度的办法去解决。

上述几个分析并没有什么新概念，但是通过这种对比训练，可以让理论与设计结合在一起，工作中除了做项目，结构工程师要学会用简单的模型去深入理解书本上各种概念和方法，每个人的认识可能不同，但是自己动手训练是最好的学习方法，否者规范永远是条条框框，大师讲课永远是云山雾罩。结构师只要善于思考，不断自我训练，当概念积累在脑海由量变转为质变时，概念设计一定会像“金箍棒”成为结构工程师施展才能的重要武器。