采用基于模拟和基于经验的易损性方法对建筑组合进行区域尺度韧性评估的不确定性分析与校准

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Uncertainty analysis and calibration for regional-scale resilience assessment of building portfolios using simulation-based and empirical-based fragility approaches

　　

摘要 准确量化地震易损性对于评估建筑组合的韧性以及指导灾害风险缓解策略至关重要。传统的易损性模型，如美国联邦紧急事务管理局（FEMA）提供的模型，因其简便性和实用性而被广泛使用。然而，由于设计规范、材料特性和施工实践的差异，它们对特定地区建筑组合的直接适用性仍然有限。本研究开发了一种基于模拟的易损性框架，用于量化地震易损性中的不确定性，并校准基于经验的易损性模型，以FEMA曲线作为代表性基准，用于区域损失和韧性评估。对中国北京和上海的代表性钢筋混凝土（RC）建筑采用多自由度（MDoF）模型进行分析，明确考虑了地震动变异性和结构不确定性。结果表明，FEMA结构易损性曲线相对于等效破坏状态的基于模拟的结果，持续低估了超越概率。差异的幅度在不同建筑高度类别中有所变化：对于低层和多层RC建筑，差异主要在40个百分点以内，而对于高层RC建筑，差异可能超过60个百分点。使用基于模拟的易损性参数，对北京和上海的建筑组合进行了区域损失和韧性评估。研究发现，基于经验的FEMA方法倾向于低估损失并高估韧性，而基于模拟的框架提供了更可靠和具有区域代表性的结果。因此，所提出的框架改进了从易损性到韧性评估中的不确定性表征和区域校准，为特定地区建筑组合的地震恢复评估建立了坚实的基础。引言 地震是最具破坏性的自然灾害之一，其特点是突然发生、强度大且可预测性有限。它们对人类生命、财产和城市规划环境的可持续发展构成严重威胁。在地震灾害中，结构损坏和倒塌是人员伤亡和经济损失的主要原因。因此，评估建筑的地震易损性（即在给定的地震强度下达到或超过规定破坏状态的概率）仍然是地震风险和韧性评估的基本组成部分。可靠的易损性评估有助于识别脆弱建筑并指导事前加固，同时支持事后损失评估和恢复规划。已经提出了各种开发易损性模型的方法，包括基于观察到的损坏数据的经验方法和基于结构响应数值模拟的分析方法，如云分析、多条纹分析和增量动力分析。分析方法特别有用，因为它们允许明确表示结构特性、地震需求和不确定性。例如，Erberik为土耳其典型的低层到多层钢筋混凝土建筑开发了分析易损性模型；Borzi等人建立了意大利RC建筑的易损性模型以支持大规模评估；Silva等人提出了葡萄牙RC抗弯框架建筑的易损性模型。最近，机器学习技术被引入作为预测结构特性和破坏状态的代理模型，非线性动态响应以及易损性参数，从而提高了易损性分析的计算效率。尽管取得了这些进展，但为区域规模建筑组合开发可靠的易损性模型仍然具有挑战性。城市建筑存量高度异质，在几何配置、材料特性、结构系统和抗震设计水平方面存在差异。原则上，特定建筑的非线性时程分析可以捕捉这种变异性，但计算成本高，在城市规模上通常不可行，因为很少能获得每一栋建筑的详细结构信息。为了管理这种复杂性，通常根据建筑材料、楼层数和设计水平等属性将建筑分类为类型。易损性函数通常针对代表性原型开发，并外推到同一类别中的类似建筑。一个广泛使用的例子是FEMA方法，该方法根据结构类型、高度类别和抗震设计水平为常见建筑类别建立基于经验的易损性函数。虽然该框架通过其系统分类方案和与损失评估程序的兼容性促进了区域地震风险评估，但其对广泛类型类别的依赖可能掩盖了同一类别内建筑之间的变异性。即使是属于同一结构类型的建筑，如在设计中等抗震规范下的高层RC抗弯框架，楼层高度、平面布局和详细设计的变化也会导致地震响应的显著差异。此外，由于FEMA易损性函数主要是为美国建筑库存开发的，因此将它们直接应用于其他国家的建筑组合可能会引入偏差，这是由于抗震设计规范、材料特性和施工实践的差异。基于模拟设计的框架为区域易损性评估提供了一个重要的替代方案。通过从库存级别属性生成符合规范的原型建筑，同时考虑设计和施工实践的时间演变，这些框架比粗略的类型分配更好地保留了建筑之间的变异性。这种方法与中国建筑环境相关，那里抗震规范设计和城市施工实践的迅速变化产生了异质的RC建筑存量。然而，在区域规模上实施基于模拟设计的方法仍受限于详细设计信息的有限可用性，如混凝土和钢筋等级、结构布局、构件尺寸、平面配置和楼层高度。为了应对这一挑战，已广泛采用简化数值模型基于有限的库存信息模拟建筑的非线性动态响应。示例包括钢抗弯框架的鱼骨模型、非弹性单自由度模型、低层到多层RC框架的多自由度剪切模型，以及高层RC框架剪力墙的多自由度弯曲剪切模型。这些简化模型展示了满意的准确性和计算效率，使其适合大规模易损性分析和风险评估。与单原型易损性函数相比，简化多自由度模型提供了一种可行的方法来捕捉建筑之间的变异性，使用可访问的属性如建筑类型、建造年份、楼层数和建筑面积。当与结构参数和地震动的随机采样相结合时，它们可以支持建筑组合的不确定性信息易损性评估。除了易损性评估之外，地震损失和韧性的量化也越来越受到关注，作为捕捉地震对建筑组合更广泛社会经济损失的手段。地震损失评估通常可以分为基于建筑和基于构件的方法，它们在详细程度和计算需求方面有所不同。基于构件的方法通过结合结构和非结构构件的损坏概率与相应的维修或更换成本来估算损失，需要广泛的库存信息。例如，Kourehpaz等人量化了西雅图高层RC框架剪力墙住宅建筑在构件级别的经济损失。相比之下，基于建筑的方法将总建筑损失作为整体损坏概率的函数来估算，使其更有效，因此非常适合区域应用。Hazus方法采用这一策略，为不同建筑类型、占用类别和破坏状态分配更换成本比率。最近，O'Reilly和Shahnazaryan通过结合楼层损失函数与等效单自由度模型增强了区域损失估算的准确性。恢复分析为地震性能评估增加了时间维度。FEMA P-58方法将构件破坏状态与恢复完全功能所需的维修时间联系起来。基于这一基础，Arup提出的基于韧性的地震设计倡议框架通过明确考虑延迟因素，包括事后检查、许可、融资和承包商动员，来估计总建筑停机时间，从而扩展了这一概念。借鉴这些方法论，许多研究人员调查了功能恢复轨迹和建筑韧性指数，整合概率维修和延迟模型来评估建筑的地震后恢复能力。尽管取得了这些进展，但在区域规模建筑组合韧性评估中仍存在几个差距。首先，以FEMA易损性函数为代表的基于经验的易损性方法为大规模分析提供了便利和标准化的基础，但由于设计规范、施工实践和库存组成的差异，它们对不同国家建筑（如中国）的适用性仍然不确定。其次，虽然基于模拟的方法可以明确表示结构变异性和地震动不确定性，但它们在区域规模上的使用需要简化但可靠的建模策略，以兼容有限的库存数据。第三，很少有研究系统地量化易损性模型不确定性和偏差对后续损失和韧性估算的影响。本研究通过以下方式解决这些挑战：（1）使用可访问的结构属性和地震信息开发基于模拟的易损性数据库；（2）进行详细的不确定性分析以评估地震动变异性和结构设计参数对易损性估算的影响；（3）通过与基于模拟的结果进行比较来校准和修订FEMA易损性参数以增强其适用性；（4）检查由此产生的建筑损失和韧性指数差异。章节片段 建筑组合的地震韧性评估 易损性函数作为地震需求和韧性评估之间的桥梁。对于组合中的每栋建筑，易损性函数首先提供在给定的地震强度下达到不同破坏状态的概率。这些破坏概率随后被转换为预期损失比率和恢复时间，进一步决定地震后损失和韧性指数。因此，本节介绍损失和韧性公式直接与FEMA方法中定义的易损性函数结构对齐。建筑组合的简化数值模型 基于大规模建筑库存，Hazus将结构分为36种建筑类型，主要基于结构系统和建筑高度。从中，Lu选择了19种最能反映中国建筑存量的代表性建筑类型进行详细研究。本研究专注于RC建筑，它们构成了此处考虑的城市库存的重要组成部分。考虑两种结构系统：RC框架和RC框架剪力墙建筑。FEMA中的易损性曲线 除了基于模拟的易损性曲线外，本研究还采用基于FEMA的易损性曲线作为比较方法，用于后续的损失和韧性评估。在FEMA方法论中，每条易损性曲线由两个基本参数定义：中位地震需求及其相关的对数标准差。这些参数描述了一个累积对数正态分布，量化了结构达到或超过特定破坏状态的概率。通过两种方法量化易损性曲线的不确定性 本节使用MDoF模型为代表性中国建筑开发基于模拟的地震易损性数据库，实现对FEMA易损性关系的直接比较和校准。考虑到大多数中国主要城市的设计抗震设防烈度为VIII度（0.20g）和VII度（0.10g），选择北京和上海作为代表性案例研究。建筑地震易损性评估中的不确定性主要来自两个方面。FEMA中易损性参数的校准 MDoF模型导出的易损性曲线随后转换为FEMA方法论采用的相同参数格式。类似于FEMA易损性曲线上定义的三个控制点，对应于16%、50%和84%的超越概率，基于模拟的易损性曲线用于识别与这些概率相关的谱位移或加速度，分别表示为S?、Sˉ和S+。案例研究：北京和上海的建筑组合 分析了北京和上海的两个城市RC建筑组合，以检查易损性模型选择如何影响损失和韧性估算。应该强调的是，前面章节开发的基于模拟的易损性函数并不是打算取代基于FEMA的易损性函数。相反，它们被用作分析参考来调整基于FEMA的模型并将其转化为区域特定的易损性函数。通过这种方式，校准的基于FEMA的模型。结论 本研究提出了一个不确定性信息校准框架，用于区域规模建筑组合的韧性评估，通过评估基于模拟的方法与基于FEMA的经验方法。分析了北京和上海的代表性RC建筑类别，反映不同的抗震设防水平和建筑特征，以检查方法一致性并开发区域校准的易损性参数。数据可用性 数据可供相应作者合理请求时提供。作者贡献声明 Jia-Yi Ding：撰写初稿、软件、调查、概念构思。Li Feng：撰写初稿、软件、调查。De-Cheng Feng：撰写审阅和编辑、监督、资金获取、概念构思。Michael Beer：撰写审阅和编辑、验证。