基于概率风险的雨荷载下结构性能评估

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Probabilistic risk-based assessment of structural performance under rain loads

　　

摘要
现有的雨荷载结构设计规范与评估方法大多是确定性的，且基于单一的预设降雨时长和重现期。因此，建筑结构在其服役寿命期间面临的风险并未被考虑（无论隐式还是显式）。本研究开发了一种基于概率的风险评估框架，通过显式整合结构易损性、降雨灾害表征和排水行为，来评估屋面骨架系统在降雨积水作用下的可靠性。采用非线性积水分析来定义基于承载力的极限状态，以捕捉积水与结构变形之间的耦合相互作用。利用蒙特卡洛模拟来捕捉各结构参数的不确定性，从而建立以降雨强度、时长和重现期为条件的易损性曲线。灾害表征利用历史降水数据和极值概率模型进行，考虑多种事件时长和重现期。通过将易损性曲线与灾害曲线卷积来评估结构风险，估算不同设计方案下的失效概率。同时进行了敏感性分析，以量化排水相关参数对屋面积水行为和服役寿命性能的影响。代表性案例研究的结果表明，屋面骨架系统的可靠性对降雨时长、重现期和排水特征较为敏感，揭示了当前基于规范的设计事件未能捕捉到的风险水平。

引言
雨水积聚及其对性能的影响长期以来一直是建筑设计评估中重要考量因素。尽管在建筑规范和标准中对雨荷载的处理看似简单（例如[1]），但由于问题的多面性，评估雨荷载下的结构性能是一项复杂的工作。雨荷载并非静态或均匀分布，其取决于强度、时长、屋面几何形状、排水效率和支撑结构系统等因素。此外，雨水积聚与结构响应之间的相互作用高度非线性，积水可能导致渐进式变形，进而加剧积水，并可能导致结构失稳。这种反馈循环可能导致突然且意外的失效，即使是在看似设计合理的结构中也是如此。气候变化也引入了更大的降雨模式变异性，增加了极端降水事件的可能性，对现有设计规范构成挑战。这些复杂性，加之近期发生的灾难性失效事件[2]，凸显了需要一种基于风险的稳健框架来评估雨荷载下的结构性能。该框架应整合易损性和灾害表征，以确保结构的安全性和韧性。尽管雨水积聚带来了风险，但关于雨荷载下结构性能的研究相对零散。现有的文献大多是面向实践的，侧重于案例研究、设计建议以及从实际失效中总结的经验教训。例如，[3]对屋面排水设计失效进行了全面分析，强调了适当排水系统和利益相关方协作的重要性。类似地，[4]强调了当前标准的缺陷以及更明确考虑积水效应的必要性。[5]、[6]也为这一实践性讨论做出了贡献，记录了雨水引发屋面坍塌的具体案例，并讨论了处理平屋面"积水问题"的挑战。尽管这些面向实践的文章在提高意识和改进设计实践方面极具价值，但它们往往缺乏量化结构易损性和风险所需的严格分析框架。

相比之下，更多研究导向的研究，如[7]、[8]所述的研究，已开始着手填补这一空白。[7]为暴雨条件下的浮顶储罐建立了易损性曲线，提供了评估易损性的概率框架。[8]研究了积水荷载下钢结构屋面的强度和可靠性，为雨水积聚作用下结构的非线性行为提供了见解。这些研究代表了向更系统地理解雨荷载下结构性能迈进的重要一步，但要完全将这些发现整合到实际设计和风险评估框架中，仍有大量工作要做。

ASCE 7-22标准使用15分钟的降雨时长和100年重现期作为确定雨荷载的依据。尽管这提供了标准化的设计基础，但它在应对完整的降雨灾害谱方面是否适用，引发了重要的问题。具体而言，选择15分钟降雨时长和100年重现期尚未就其对结构性能和风险的影响进行严格评估。例如，较长时间的降雨事件可能导致显著不同的积水模式和结构响应，特别是在平屋面或低坡度屋面中。同样，使用更长的重现期（如500年或1000年）可以为降低建筑物服役寿命期间的结构失效风险提供见解，尤其是在气候变化和降雨强度增加的背景下。然而，目前缺乏探讨这些替代时长和重现期如何影响结构行为和风险的研究。这一知识空白凸显了需要更全面地了解雨荷载灾害及其对结构性能的潜在影响。

为了解决上述文献中的空白，本文提出了一种基于概率的风险框架来评估雨荷载下的结构性能。通过整合易损性开发与分析和降雨灾害表征，我们实现了跨多种降雨时长和重现期的结构性能全面评估。与主要基于确定性且局限于ASCE 7规定的15分钟时长和100年重现期的现有方法不同，我们的框架允许基于风险的服务寿命结构性能评估，涵盖多种设计基准。这包括评估与ASCE 7规范相关的风险，以及替代方案，如更长的降雨时长和重现期。为展示该框架的实际应用，我们呈现了一个案例研究，说明其实施过程以及敏感性分析以探索关键参数对风险的影响。通过显式联系灾害表征和易损性评估，本研究旨在为工程师和利益相关方提供一种稳健的方法论，用于增强雨荷载作用下结构的韧性。

框架概览
图1展示了提出的用于评估雨荷载下结构性能的概率风险框架的关键步骤。我们从定义所考虑的结构系统开始，包括屋面几何形状（例如平面尺寸、平屋面或斜屋面）、结构骨架的类型（例如钢、混凝土或木）和布置方式，以及建筑物位置。位置至关重要，因为它决定了降雨灾害的特征，这些特征与

系统定义和设计变量
本节扩展了结构系统定义和设计中的关键考量。为说明目的，我们考虑图2所示的简单屋面骨架系统。感兴趣的结构元素是支撑屋面屋面板并由结构墙支撑的钢梁。相关的平面尺寸（图2a）包括梁的跨度（Lb）和间距（Sb），以及泄水槽的宽度（Ws）和间距（Ss），后者用作次排水

极限状态定义和性能评估
用于评估屋面梁性能的极限状态是基于其承载力所能承受的最大水位（zmax）。为此可以采用的容积控制简单步进增量（VC-SSI）分析方法由[8]开发。该方法需要建立梁的有限元模型，以捕捉几何和材料非线性。该模型通过将梁离散化为大量单元来构建。该

降雨灾害表征
灾害表征阶段使用历史数据来建模感兴趣位置的最大年降雨强度分布。该过程依赖于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）降水频率数据服务器（PFDS）[15]等来源的数据，并使用广义极值（GEV）分布来建模最大年降雨强度[16]。或者，降雨强度灾害可以被更直接地表征为

基于风险的性能评估
该框架的基于风险评估阶段将易损性曲线与降雨强度灾害曲线整合。此步骤的目标是首先计算由于雨水积聚引起的结构失效年概率，随后计算指定服务寿命期间的失效概率。易损性曲线和灾害曲线的卷积可以通过解析方法或蒙特卡洛模拟进行。本节将描述这两种方法。

案例研究
本案例研究的目的是展示所提出框架的应用，并评估替代设计基准对基于风险的结构性能的影响。具体而言，我们探讨了按不同降雨时长（例如15分钟、1小时、2小时）和灾害水平（例如100年、500年重现期）设计如何影响结构失效的总体风险。例如，如果一个结构按15分钟降雨事件设计，这意味着

结论
本研究提出了一种概率的、基于风险的框架，用于评估雨荷载作用下屋面骨架系统的结构性能。非线性结构分析、基于蒙特卡洛的易损性评估、跨多种时长的降雨灾害表征，以及排水系统行为的显式表征，被整合到一个工作流中。在此过程中，当前确定性雨荷载规定的关键局限性——通常基于单一降雨——得到了揭示

CRediT作者贡献声明
Devasmit Dutta：撰写—初稿、可视化、验证、软件、方法学、调查、形式分析、数据整理、概念化。Henry Burton：撰写—审阅与编辑、项目管理、方法学、调查、形式分析、概念化。Yitong Liu：撰写—审阅与编辑、可视化、验证、软件、形式分析。Ezra Jampole：撰写—审阅与编辑、监督、方法学。Brennan Bean：撰写—审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。

Devasmit Dutta | Henry Burton | Yitong Liu | Ezra Jampole | Brennan Bean