摘要：《高层混凝土设计规范》指出超限结构应采用弹性时程分析法进行多遇地震的补充计算，并对时程分析法计算结果与振型分解反应谱法计算结果取较大值，其两者比值即为地震力放大系数代入软件计算，因此找到多条合适的天然波尽量减小地震力放大系数是超限高层结构设计经济性的关键指标，尤为重要，针对目前行业内普遍采用的手工选波、半程序化选波的现状，本人通过研究和试验，已经构建完成内含7102条地震波数据库，并基于此数据库实现自动选波的功能，每次选波服务器计算时间平均25分钟。
关键词：地震波；数据库；超限高层；自动选波；研究
一、地震波数据库的构建
以太平洋地震网NGA Database 7102条地震波数据为例，其提供的每条地震波数据是通过在多震地带设置固定台网搜集而来，构建地震波数据库需记录原始数据中地震名称、记录时间、震级、台站名、水平地震主和次方向、竖向地震波加速度记录值、数据记录间隔时间、有效峰值、有效时长等。
例如Humbolt Bay地震波，记录时间为1937-02-07，记录台站Ferndale City Hall，震级5.8级，有效峰值39cm/s2，有效时长33.835s，含有三个方向地震加速度数据，记录间隔0.0050s。
首先对原始地震波数据按照规范要求进行加工，自动删除首次达到最大峰值的10%之前的数据及最后一次达到波峰值的10%之后的数据，通过裁剪可减少计算的时间。
用于反应谱计算用的数据，其数据记录间隔时间统一调整为PKPM需要的0.02s缩短计算时间，例如原始数据为0.005s，则4个数据中取1个数据。
除了以上数据之外，地震波库的构建应提供用户在选波过程中常用参数和数据，可以通过以上数据根据反应谱公式计算得出反应谱曲线数据、EPA、EPV、进而按照如下公式得到场地的特征周期Tg存入数据库。
另外对于工程常用的0.05和0.035两种阻尼比，分别进行反应谱计算录入数据库，这样对于常规混凝土或钢结构项目可以加快选波的速度。
试验采用远程遍历目标网页方式格式化获取目标地震库数据并用MSSQL2008数据库进行数据的存储和管理，加工后数据总容量约7G。
二、筛选地震波的步骤
（一）根据地震波三要素选波
地震波三要素是：幅值（Magnitude）、频谱（Spectrum）和持时（Duration），其中持时可以直接进行对比筛选，频谱和幅值需要计算Sa曲线时得出。
持时是指地震波持续时间，应满足规范 “地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的5倍和15s”的要求，对于周期低于3s的建筑物，为了减少对数据的全遍历，可设定筛选时的最大波长缩短计算时间。
频谱即频率f，f=1/T，通过建筑物所在场地的特征周期Tg与计算所得的特征周期Tg进行对比，一般取计算所得的特征周期±0.05s，给定0.05s变动范围可以扩大备选波的数量。
幅值是根据反应谱计算在地震强度（级）下地震加速度最大值，通过与规范设防烈度（度）查表所得ａmax*g进行对比，设定范围筛选属于同一地震级别下的反应谱曲线。
对于阻尼比为0.05和0.035的结构，因数据库已经预先通过计算存储了此三要素的计算值和反应谱，因此可直接进行反应谱与规范谱的比较。
（二）反应谱曲线计算
反应谱表征了地震动加速度时间过程作用于单自由度弹性体系的最大反应（加速度、速度和位移）随体系的自振特性（周期、阻尼比）变化的函数关系，由杜哈梅积分推导的位移反应谱、速度反应谱和加速度反应谱公式，如下为加速度反应谱公式：
计算方法基于叠加原理，一般从0算至波的有效时长，计算间隔同波的间隔时间，计算得到的数据包括Sa（地震加速度最大值曲线）、EPA（有效峰值加速度）、EPV（有效峰值速度）。
关于峰值Sa的取值算法，美国规范算法为：“取0.1~0.5s地震加速度平均值”，而中国规范采用不固定频段的方法，要求“在对数坐标系中做出绝对加速度反应谱，找出加速度反应谱平台段的起始周期和结束周期，求其平均值”；试制采用了比较简化的美规方法进行了计算，结果等同于MIDAS计算方式，虽然没有中国规范严谨，但选波效果可以达到预期，且计算时间较短；速度反应谱取周期为0.5~2s之间的值平均为Sv，则EPA=Sa/2.5，EPV=Sv/2.5。
（三）频谱最大值修正法
频谱最大值修正法又称为EPA修正法，主要针对地震波三要素中的幅值，当选择天然波时，因为反应谱计算所得的峰值Sa与规范ａmax*g值相似的较少，因此需采用一个较小的比例参数τ=Sa/（ａmax*g）对反应谱曲线上的值均进行横轴方向的等比例缩放，缩放后如下图，在横轴同一周期点，反应谱与规范谱的比值趋于接近，此方法在通用软件中也经常使用，并给出修正放大系数，当判别放大系数较大时，即震级明显不同，此调整后的波则仅可用作人工合成波。
反应谱曲线经过频谱最大值修正之后，如上图曲线，规范谱如上图平滑线，两者则可以完成建筑前三个周期T1、T2、T3或更多周期的值比较，一般前三周期的比较均在±15%差距之内者为比较合适的波，例如上图建筑物在前三周期下规范谱与反应谱差距为1%、-2%、-5%，属于比较接近的地震波。
（四）频谱步距修正法
相比频谱最大值修正法是对反应谱曲线在横轴方向的缩放，频谱步距修正法则是对反应谱纵轴进行缩放，或称时间尺寸修正，当波被压缩时其物理意义是指这条波用更少的时间震完，T减小f增大，反之T增大f减小。
由于地震记录受震源、传播介质、场地条件等各种因素的影响，具有很大的不确定性，即使在同一地点，在先后发生的不同地震中所记录的加速度时程曲线的形状、大小及对应的反应谱的特性也可能不一样，因此步距修正的结果一般不能被认可为天然波，主要被用于人工合成波，原始波数据则相当于调整了间隔时间，通过差值法变换和下载数据。
三、伺服计算技术
针对自动选波时占用CPU资源高、计算时间长、多人多次使用的特点，试制软件采用了服务器伺服计算技术，其处理流程依次为：前端输入选波参数信息→输入信息存入数据库排队等待表→后台依次提取等待表中数据进行计算→计算结果存入用户数据库→发出计算完毕EMAIL邮件通知→用户查看计算结果→下载地震波数据。
为了加强程序的稳定性，后台计算主程序中对可能产生的错误进行了主动的搜集和出错处理，并将错误反馈给用户，以防止错误中断进程造成堵塞。
四、总结
本文通过自己研究和程序试制实现了地震波的自动选波功能，在超限高层项目设计中，尤其在小震、中震、大震的弹性时程分析、等效弹性计算等方面成效显著。
目前随着现代超高层、超大跨和巨型结构的自振周期大，达到5s甚至10s以上，现存地震波统计数据中满足5倍波长，即25s、50s以上波长的数据严重缺乏，这给超高层设计带来技术困难，另外随着地震波数据库的越来越庞大及减震措施带来的各种阻尼比值导致计算时间成倍增长，采用云计算、分布式计算等先进计算手段提供选波服务也将成为必然趋势。
展望未来，随着高层建筑的发展，包括隔震、减震耗能机构的不断研究与使用，基于地震波的数据搜集和技术攻坚工作必将更加紧迫与艰巨。
参考文献：
[1]孙成禹，李振春 编《地震波动力学基础》，石油工业出版社 2011.4
[2]谢礼立 吕大刚《结构动力学：理论及其在地震工程中的应用（第2版）》，高等教育出版社 2007.1
论文作者:钱鑫
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/9/10
标签：地震波论文; 数据论文; 加速度论文; 周期论文; 频谱论文; 数据库论文; 峰值论文; 《基层建设》2018年第20期论文;