第1章 绪论
1.1 概念设计、构造设计与结构特征参量
1.1.1 概念设计和构造设计
目前的结构设计都是基于截面的结构设计方法。结构设计过程包括概念设计、计算设计和构造设计3个阶段。概念设计是结构设计的核心，是整个结构设计中最重要、最复杂的部分，是设计的灵魂［1］。无数次的地震震害表明，概念设计往往比计算设计更为重要［2］。概念设计从宏观上规定了结构的平、立面构形，以及质量和刚度在各方向上的分布，它的优劣直接决定了结构整体受力性能和各杆件之间力的传递方式，对杆件的受力分析和构造设计具有十分重要的影响。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［3］和《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T 1302-01—2008）［4］都从整体角度出发，宏观上定义了规则结构和不规则结构，用来指导结构设计。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）规定，结构设计要有明确的规则性；对于不规则结构，按规定采取加强措施；特别不规则结构应进行专门研究和论证；禁止采用严重不规则结构。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）、高层规范对于平面和竖向不规则分别用图表的方式予以阐述；《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T 1302—2008）用跨度和墩高等参量区分了规则桥梁和不规则桥梁。设计大师林同炎指出［5］，结构设计应从整体出发，创造性地提出整体、分体系和构件设计之间的关系，这正是概念设计的思想。在结构荷载设计阶段，根据不同的结构型式和使用功能，因地制宜选用材料，满足安全、适用和耐久性要求。荷载不仅包括恒载、使用活载，更要包括影响侧移的风载，对于抗震设防区，还包括相应等级的地震作用。所有荷载作用效应之和与结构承载能力极限状态和正常使用极限状态相比较，满足相应规范要求［6-9］。根据结构在竖向和横向荷载作用下的表现，以及历次震害的经验总结，对结构配筋和截面尺寸最小值予以规定，当计算值小于构造要求时，按构造配置。例如，在规范［6，7，9］中箍筋和纵筋的最小配筋率及间距、梁柱的最小截面尺寸和构造柱配筋以及圈梁尺寸和配筋等，都属于构造要求，在设计时必须严格执行。
1.1.2 结构特征参量
结构的频率和振型由结构的质量和刚度所决定，且仅与结构的材料特性和几何尺寸有关，是结构的固有特征参量。结构的频率向量表征了结构总体分布刚度与总体分布质量之间的绝对比值关系；结构的振型向量表征了结构局部分布刚度与局部分布质量之间的相对比值关系。振型向量分量的阶次表述了在外界环境作用下，结构最易产生的分解反应类型的顺序。当然，外界环境的温度和湿度会影响结构的刚度，进而改变结构振型和频率值［10，11］，但这种影响很小，是微不足道的，常忽略不计。因此，结构的材料特性和几何尺寸一旦确定，频率和振型便随之确定。对于多自由度体系，特征参量计算式为［12，13］
式中 ［M］——质量矩阵；
［K］——刚度矩阵；
——加速度矩阵；
{X}——位移矩阵。
对于方程式（1.1），假定方程的解为
式中
——振动幅值；
ω——振动圆频率；
θ——初始振动的相位角。
将式（1.2）代入式（1.1）中，经整理可得
由式（1.3）可求出结构的特征参量，即频率和振型。振型向量分量的阶次表述了在外界环境作用下，结构最易产生的分解反应类型的顺序，而结构的频率向量表征了结构总体分布刚度与总体分布质量之间的绝对比值关系。利用振型可以指导结构概念设计和构造设计；频率用来控制结构荷载效应，满足适用性要求［14］，也可用来直接指导结构设计，满足结构特殊要求［15-17］。例如，在桥梁工程中，常用基本频率确定冲击系数，指导结构设计［18］，也有用基本频率求解结构稳定性的临界荷载问题［19］。
1.1.3 概念设计、构造设计与结构特征参量三者之间的关系
概念设计从结构总体出发，宏观上把握结构的力学性能，即结构体型确定，结构在荷载作用下的荷载效应就完全确定。例如，抗震设计中对强柱弱梁、强剪弱弯和强节点弱构件等的规定，就是从整体上要求结构在地震作用下的表现性能。另外，在抗震规范中规定：结构宜简单、规则、对称，也是从整体角度把握结构的力学性能。构造设计是对结构计算的补充，是为了弥补结构理论计算的不足，构造设计对构件尺寸或钢筋量进行控制，确保结构使用安全。频率向量表征了结构总体分布刚度与总体分布质量之间的绝对比值关系，对以频率或周期为控制目标的结构具有重要的指导意义。结构的振型向量表征了结构局部分布刚度与局部分布质量之间的相对比值关系。振型向量分量的阶次表述了在外界环境作用下，结构最易产生的分解反应类型的顺序。众所周知，任何荷载效应都会以位移的形式予以表现，而结构振型正是结构位移的完备正交基，任何变形都能以振型为坐标基进行展开。通过位移可以建立应变关系式，相应可求出应力和内力值。所以，结构的内力、应力和应变都可依振型为坐标基进行展开。这样就要求在结构概念设计阶段，结构体型确定后，先进行模态分析，进而通过对结构有效质量参与系数的分析与控制，提前对结构反应有利的振型阶次，推迟对结构反应不利的振型阶次，这样在结构概念设计阶段，就能对整个力学性能进行把握，使结构满足安全性需要。