《Structures》：A fragility-based framework for post-earthquake fire assessment of steel frames
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摘要本文提出了一种基于易损性的框架，用于评估遭受地震后火灾（PEF）的钢框架的风险评估。该框架建议采用有限元模型来模拟地震损伤引起的劣化，随后进行连续火灾分析。所提出的框架同时捕捉了需求与能力的不确定性。采用多条纹分析和火灾条纹分析来施加地震及随后的火灾，以评估结构损伤的进展。该
摘要
本文提出了一种基于易损性的框架，用于评估遭受地震后火灾（PEF）的钢框架的风险评估。该框架建议采用有限元模型来模拟地震损伤引起的劣化，随后进行连续火灾分析。所提出的框架同时捕捉了需求与能力的不确定性。采用多条纹分析和火灾条纹分析来施加地震及随后的火灾，以评估结构损伤的进展。该框架的主要成果是开发了易损性等高线，能够捕捉在给定地震和火灾强度下超过特定性能水平的概率。通过使用OpenSees对低层、中层和高层钢抗弯框架进行分析，验证了所提框架的适用性。采用作者先前研究中开发的高效混合数值模型，能够捕捉梁柱在遭受PEF时的局部屈曲。本研究考虑了结构特性、地震记录和火灾参数的不确定性。采用一组工程需求参数来捕捉PEF下的累积损伤。结果表明，局部屈曲增加了超过防止倒塌性能水平的概率，尤其是在所研究的低层框架中。此外，还考察了达到防止倒塌极限之前的时间作为一个重要因素，结果表明较高的PEF强度会减少所研究建筑物中可用的疏散时间。总体而言，所提出的框架为量化遭受PEF的钢结构建筑的可靠度提供了一种系统性方法，支持基于风险信息的性能评估和决策。
引言
近几十年来，对建筑抗震安全性的关注凸显了改进当前抗震评估程序的必要性，即从规定性方法转向基于工程的方法，以考虑与地震相关的不确定性[1]。同样，火灾及建筑物对火灾的响应涉及显著的不确定性，强调需要基于可靠度的方法来评估建筑物性能并实现消防安全目标[2]。近期文献表明，人们越来越关注将可靠度考量纳入火灾评估，认识到火灾固有的复杂性和不确定性。Iqbal和Harichandran[3]提出了一种基于可靠度的方法，用于制定钢构件在火灾下的承载力折减系数和火灾荷载系数。他们将火灾设计参数视为随机变量（RVs），并得出结论：这些参数的变异性显著大于AISC[4]在常温下所考虑的变异性，强调了将概率方法纳入火灾分析的重要性。Guo等人[5]提出了另一种火灾抗力的概率评估方法。他们利用MATLAB[7]中的拉丁超立方采样（LHS）[6]来评估材料特性和火灾荷载不确定性的影响。他们的研究结果强调需要更可靠和更完整的关于不确定参数的统计数据，并需要基于性能标准进行设计改进。对火灾易损性框架的一个显著贡献来自Gernay等人[8]的工作，他们引入了一种开发火灾易损性函数的新方法。他们概述了为整个建筑推导火灾易损性函数所涉及的关键步骤。在另一项研究[9]中，他们进行了敏感性分析，以探讨不同随机参数对火灾易损性函数的影响。他们的研究结果表明，火灾建模、热传递和结构响应的不确定性显著影响易损性估计，需要采用概率方法进行更可靠的评估。最近，Gernay[10]对火灾中的基于性能的设计过程进行了全面概述，确定了关键挑战，如火灾行为建模的复杂性、火灾-结构相互作用的不确定性以及概率评估的计算需求。该研究还强调了结构防火工程领域在知识和培训方面的不足，这限制了基于性能的设计在实践中更广泛的应用。这些概率火灾工程方面的进展必须整合到结构工程中，以开发地震后火灾（PEF）的易损性框架，考虑到地震后火灾引燃的风险。此外，地震引起的损伤引入了额外的不确定性，需要先进的概率模型来整合地震劣化和火灾引起的损伤。Memari和Mahmoud[11]提出了一种易损性框架，用于评估钢抗弯框架（SMRFs）在PEF下的脆弱性，并开发了柱的易损性曲线。他们使用LHS考虑了火灾荷载、重力荷载和地震强度的不确定性，研究对象是在ABAQUS[12]中建模的三层钢框架建筑。以柱屈曲作为损伤度量，他们的研究结果表明，当层间位移角在地震期间超过4%或火灾强度超过500 MJ/m2时，柱失效的概率很高。虽然他们的工作在建立PEF评估易损性框架方面具有开创性，但仍存在一些局限性。该框架仅针对柱开发，未考虑系统中其他结构构件的性能。地震到PEF的损伤未通过连续分析联系起来，而是将离散的残余层间位移角水平（1–5%）作为PEF的初始条件施加。仅使用了一个工程需求参数（EDP）（即柱屈曲），而这并非PEF唯一可能的后果。此外，考虑的随机变量范围有限，尤其是火灾相关参数。在一项基于性能的PEF分析中，Alasiri等人[13]使用ABAQUS[12]中的详细三维非线性热-力耦合模型研究了SMRFs的PEF响应。在他们的研究中，地震后变形被作为PEF分析的初始条件。此外，根据文献[14]，[15]中报道的实验观察结果，假设地震后因显著屈服而导致防火保护层失效。Covi等人[16]开发了一个应用于钢支撑框架的PEF易损性框架。他们实施了决策树算法，以基于地震损伤（以最大层间位移角（MIDR）和峰值楼面加速度为特征）来确定地震后火灾的发生。他们的方法利用了多个软件平台，包括OpenSees[17]、Ozone[18]和MATLAB[7]，来进行顺序地震和火灾分析。火灾性能使用梁和柱的变形极限状态进行评估，结果以相应结构失效模式的易损性函数形式呈现。对于基于OpenSees的分析，Saed等人[19]解决了在PEF分析中捕捉地震引起的局部屈曲的关键需求。他们将低周疲劳模型从OpenSees[17]的地震模块扩展到热力模块，使得地震期间累积的损伤能够延续到随后的火灾分析中。他们比较了调整后的疲劳模型与修正的Ibarra-Medina-Krawinkler（MIMK）模型的响应，发现两种模型之间吻合良好。除了研究地震劣化外，仅火灾情景下的响应还根据现有实验火灾测试结果进行了验证，数值预测与实测响应之间观察到良好的一致性。对一层遭受PEF的四层钢框架进行了分析，并使用热力图和等高线展示了梁和柱的脆弱性。
本研究扩展了先前的工作[19]，通过进行顺序分析并结合建模不确定性，开发了一个钢框架在PEF下的概率易损性框架。然后，将该框架应用于一组不同高度的典型SMRFs，以开发防止倒塌（CP）性能水平下的易损性曲面和等高线。第2节概述了所提出的易损性框架，第3节将其应用于低层、中层和高层SMRFs，第4节介绍了本研究的主要发现。附录A列出了用作案例研究的典型框架的截面尺寸。附录B给出了在PEF下所有截面的调整后疲劳模型与MIMK模型响应的比较。
章节片段
地震后火灾（PEF）评估的易损性框架
本节概述了一个为评估钢框架在PEF下的脆弱性而开发的概率易损性框架。所提出的易损性框架将地震和火灾危险顺序集成（即，从地震分析到火灾分析不间断），因此，它考虑了框架从地震到PEF的持续劣化[19]。相反，非顺序方法通常依赖简化假设（例如，将残余变形从...
SMRF建筑案例研究的易损性分析
本节展示了所提出的易损性框架在低层、中层和高层SMRFs上的应用，目的是评估和比较它们在PEF下的脆弱性。在能够进行结构和热分析的各种软件平台（例如，ABAQUS[12]、SAFIR[44]、DIANA[45]、OpenSees[17]）中，本研究选择OpenSees，原因如下。首先，据作者所知，OpenSees是唯一广泛使用的支持...
结论
本研究提出了一种基于易损性的框架，用于评估遭受地震后火灾的钢建筑脆弱性，该框架结合了顺序劣化以及重要的随机变量和工程需求参数。它被应用于在OpenSees中使用高效混合方法建模的4层、12层和20层典型钢框架，该方法由作者在先前工作中建立。使用拉丁超立方采样考虑了结构需求和能力的不确定性...
CRediT作者贡献声明
Ghazal Saed：写作 – 初稿，可视化，软件，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。Georgios P. Balomenos：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念化。Michael J. Tait：写作 – 审阅与编辑，监督，软件，项目管理，方法学，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的会影响到本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）提供的探索资助项目对本研究的支持。本文中表达的任何观点、发现、结论或建议均为作者本人的观点，并不一定反映资助方的观点。
Ghazal Saed|Georgios P. Balomenos|Michael J. Tait
