城市建筑群概率地震灾害风险评估研究

科学合理地考虑地震风险评估中各环节的不确定性是地震风险评估结果可靠的基础。该文利用某城市现有工程场地地震安全性评价数据,综合考虑城市地震危险性评估中的不确定性,以结构基本类作为城市建筑群模型,并考虑地震动不确定性对建筑群地震易损性的影响,建立了同时考虑地震危险性和地震易损性不确定性的地震风险评估模型,最终给出城市结构基本类不同极限破坏状态的年平均超越概率和50年内地震风险概率。基于结构不同极限破坏状态对应的损失比,获得每一种结构基本类的地震经济损失风险曲线。在此基础上,提出了采用地震风险一致概率为控制点,得到城市建筑群总的地震经济损失风险曲线组合的方法,该方法可为评估城市建筑群概率地震风险提供参考。     

第二代基于性能地震工程中的地震易损性模型及正逆概率风险分析

第二代基于性能地震工程理论中的地震易损性主要是指结构构件以及非结构构件的抗震能力,与传统地震风险理论中的地震易损性定义和内涵并不相同。为了澄清二者的不一致性,首先介绍传统地震风险理论中地震易损性的定义和概率模型,然后指出第二代基于性能地震工程理论存在五个层次的地震易损性模型:地震需求易损性模型、抗震能力易损性模型、地震损伤易损性模型、地震损失易损性模型和抗震决策易损性模型,指出了这五种模型的区别及其相互关系,推导得到了地震需求易损性模型和地震损伤易损性模型分布参数的解析表达式。在此基础上,根据不同的不确定性传递路径,提出了正向PBEE和逆向PBEE的概念,以通过不同方式求解第二代基于性能地震工程理论的风险积分公式。基于地震危险性函数的近似表达式以及地震易损性模型及其分布参数的解析表达式,通过正向PBEE和逆向PBEE方法,分别得到了具有相同表达形式的工程需求参数EDP、地震损伤DM和决策变量DV三个层次的概率地震风险表达式。通过该文的研究,将传统地震风险分析理论与第二代基于性能地震工程理论统一在一致的理论框架之中。     

桥墩地震易损性对地震波反应谱概率分布的敏感度EI北大核心CSCD

在基于性能的地震工程学理论(Performance-Based Earthquake Engineering,PBEE)中,正确选择输入地震波进行结构动力分析对计算结果的精确性具有显著影响。因此,合理选择一座钢筋混凝土单墩模型以及两组实际地震波,通过增量动力分析方法,获得桥墩结构地震易损性对于反应谱概率分布特性特别是离散度的敏感性,分析结果显示:地震波反应谱的离散度及其概率分布对于桥墩结构的地震需求预计、工程需求参数危险性曲线、地震易损性曲线等概率统计分析结果影响显著,具有密切相关性;但桥墩抗震能力的离散度同样对地震易损性曲线具有较大影响,甚至会削弱地震波反应谱离散度的影响。因此,对于以全概率理论为基础的PBEE,应尽量选择实际地震波进行结构动力分析,并尽可能使所选地震波的反应谱概率分布符合实际的地震环境,才能显著提高计算结果的精确性和计算效率。     

基于Nataf变换的桥梁结构地震易损性分析

地震易损性分析是美国太平洋地震工程研究中心(PEER)提出的“性能化地震工程”理论框架的重要一环. 目前所采用的易损性分析方法大多未考虑结构的不确定性及结构随机参数之间的相关性. 为此, 引入均匀设计考虑结构参数的随机性, 同时结合Nataf变换, 处理结构随机参数之间的相关性. 提出一种综合考虑地震动随机性、结构参数随机性及结构随机参数相关性的桥梁结构地震易损性分析方法. 以一座三跨连续梁为例, 分别在考虑结构随机参数相关性和不考虑结构参数相关性的前提下计算其地震易损性. 分析结果表明:提出的方法能够有效考虑结构随机参数相关性;忽视结构随机参数相关性会导致高估桥梁结构地震易损性.     

桥梁系统地震多维易损性分析

综合考虑地震地面运动以及性能极限状态的不确定性,提出了基于多地震需求参数分析的桥梁系统易损性评估方法,将易损性概念从一维扩展到多维。该方法首次提出服从多元对数正态分布的概率地震需求模型探讨桥梁体系各构件响应相关性,同时考虑各构件性能极限状态的相关性建立多维性能极限状态方程,确定结构失效域,通过MonteCarlo模拟计算系统多维地震易损性。以某一钢筋混凝土多跨连续梁高速公路桥为算例,通过非线性动力分析法获得最大响应样本,利用最大似然估计求得概率地震需求模型未知参数,计算体系多维易损性,并与构件易损性相比较。结果表明:桥梁体系多维易损性较构件易损性偏大,可避免用单一构件易损性代替系统易损性产生的非保守估计,预测结果更利于工程安全,为桥梁修复加固和交通系统可靠性分析提供理论依据。     

FRC框架结构地震风险评估的简化方法

对结构地震风险进行精细的量化分析成为在直接财产损失、居住中断时间、死亡人数评估中必不可少的部分。该文首先用增量动力分析（IDA）法对纤维增强混凝土（FRC）框架结构进行动力时程分析,获得其IDA曲线,据此确定结构的地震易损性曲线,并由此考虑知识不确定性,确定考虑知识不确定性的易损性曲线;按考虑知识不确定性的易损性曲线与地震危险性曲线相结合,进行风险评估;然后基于Laura Eads等提出的评估地震风险的简化方法来进行风险评估。分别对按我国规范设计的8层FRC框架结构和钢筋混凝土（RC）框架结构进行分析。结果表明:采用简化方法得到的FRC框架和RC框架结构的倒塌风险均偏大,误差分别为5.7%和8.0%,对于结构风险评估是可行和偏于保守的。     

基于概率性地震需求模型的桥梁易损性分析

采用概率性地震需求分析方法,建立了汶川地区典型简支梁桥的分析型地震易损性模型。基于汶川地震桥梁震后调查资料,评估了桥梁结构参数的不确定性,抽样并生成一系列桥梁的有限元模型样本。利用汶川地震实测地震波对所建立的桥梁有限元模型进行非线性动力时程分析,并记录每一组分析中桥梁构件的地震峰值响应,通过回归分析建立地震动强度和桥梁构件地震需求之间的关系。在确定桥梁不同损伤状态对应的构件极限状态后,基于对数正态分布假设生成不同损伤状态对应的地震易损性曲线,最后基于可靠度理论计算得到桥梁系统易损性的上下确界。生成的地震易损性曲线可以进一步用于地震风险评估和震后加固优先级决策。     

基于性能的高层混合结构地震易损性分析

研究地震作用下高层钢框架-混凝土核心筒结构的易损性问题。通过基于性能的静力弹塑性分析,根据结构极限损伤状态定义了混合结构地震需求参数的四个性能水平限值。考虑地震动输入的不确定性,通过弹塑性动力时程分析获得结构地震响应,建立了两个地震需求参数与地震动强度指标之间的关系,结合性能水平限值提出能有效评估结构地震响应的易损性分析方法。最后对两个不同节点连接方式的高层混合结构进行了基于性能水平限值的地震易损性分析,绘制结构的地震易损性曲线,对结构抗震性能进行评估和对比分析。     

基于易损性方法评估楼板对结构抗震性能的影响

结构地震易损性分析是评估工程结构地震灾害损失的关键。基于增量动力分析(IDA)方法和性能化设计理论,结合抗震规范对结构破坏状态的定义和限值的规定,得到结构抗震能力概率函数;应用IDA 方法,获得结构地震需求函数,提出了有效评估整体结构地震反应的基于性能的易损性分析方法。通过对一考虑和不考虑楼板作用的钢框架结构进行地震易损性分析,从破坏概率的角度进行破坏状态评估和地震风险性分析,得出楼板效应将导致结构延性和抗震性能下降、显著降低结构抗地震倒塌能力和改变倒塌模式等结论,为结构抗震设计、加固和震后地震灾害的损失评估提供参考。     

基于多维性能极限状态的概率地震需求分析

基于概率地震需求分析(PSDA),分别采用增量动力和非线性时程分析,得到某框架结构的最大层间漂移比和最大加速度响应,通过定义多维性能极限状态的性能水准,计算该结构的多维地震易损性,联合地震动危险性曲线,建立了年平均超越概率的三重积分公式,采用梯形法求得50年内地震需求(漂移)危险性曲线。在此基础上,进行了同时考虑性能极限状态的随机性和相关性对结构需求危险性的敏感性分析。在性能极限状态不确定性中选择适当的变异系数(cidrcpfa)及相互作用因子NID R,能够使年平均超越概率增加;相比单一极限状态,考虑二维极限状态的年平均超越概率也将提高。研究结果表明,所提方法可描述对多维响应参数敏感的结构破坏行为,可获得设计基准期内更加符合实际的结构需求危险性曲线,为震后损失估计提供可靠的理论依据。     

A simplified framework for probabilistic earthquake loss estimation

Earthquake loss estimation procedures exhibit aleatory and epistemic uncertainty imbedded in their various components; i.e. seismic hazard, structural fragility, and inventory data. Since these uncertainties significantly affect decision-making, they have to be considered in loss estimation to inform decision- and policymakers and to ensure a balanced view of the various threats to which society may be subjected. This paper reviews the uncertainties that affect earthquake loss estimation and proposes a simple framework for probabilistic uncertainty assessment suitable for use after obtaining impact results from existing software, such as HAZUS-MH. To avoid the extensive calculations required for Monte Carlo simulation-based approaches, this study develops an approximate method for uncertainty propagation based on modifying the quantile arithmetic methodology, which allows for acceptable uncertainty estimates with limited computational effort. A verification example shows that the results by the approximation approach are in good agreement with the equivalent Monte Carlo simulation outcome. Finally, the paper demonstrates the proposed procedure for probabilistic loss assessment through a comparison with HAZUS-MH results. It is confirmed that the proposed procedure consistently gives reasonable estimates.     

Reliability analysis of structures based on a probability‐uncertainty hybrid model

The traditional reliability analysis method based on probabilistic method requires probability distributions of all the uncertain parameters. However, in practical applications, the distributions of some parameters may not be precisely known due to the lack of sufficient sample data. The probabilistic theory cannot directly measure the reliability of structures with epistemic uncertainty, ie, subjective randomness and fuzziness. Hence, a hybrid reliability analysis (HRA) problem will be caused when the aleatory and epistemic uncertainties coexist in a structure. In this paper, by combining the probability theory and the uncertainty theory into a chance theory, a probability‐uncertainty hybrid model is established, and a new quantification method based on the uncertain random variables for the structural reliability is presented in order to simultaneously satisfy the duality of random variables and the subadditivity of uncertain variables; then, a reliability index is explored based on the chance expected value and variance. Besides, the formulas of the chance theory‐based reliability and reliability index are derived to uniformly assess the reliability of structures under the hybrid aleatory and epistemic uncertainties. The numerical experiments illustrate the validity of the proposed method, and the results of the proposed method can provide a more accurate assessment of the structural system under the mixed uncertainties than the ones obtained separately from the probability theory and the uncertainty theory.     

Probabilistic seismic demand model and fragility estimates for critical failure modes of un-anchored steel storage tanks in petroleum complexes

Estimation of seismic vulnerability of existing equipment in petroleum complexes, traditionally has been done by using general fragility curves which have been developed for a group of equipment without considering their physical specifications. Although these kinds of fragility are suitable for preparing emergency plans and governmental decision making, for the sake of seismic upgrading of existing facilities, specific equipment fragilities are needed. In this paper un-anchored steel storage tanks, which is among the most vulnerable equipment in petroleum facilities, are selected for a case study. Probabilistic demand models for Elephant Foot Buckling (EFB) and welding failure at the connection between the bottom plate and shell are developed based on FEM analytical data, and a Bayesian updating rule is used to assess the unknown demand model parameters. The approach properly accounts for both aleatory and epistemic uncertainties. Developed probabilistic demand models are used to estimate the fragility of critical failure modes of selected tanks and real world data. The approach can be applied for other failure modes and other equipment, as well.     

基于多个响应量的拱坝地震易损性分析

以白鹤滩拱坝为研究对象,选取成组强震记录,同时考虑地震动和材料的不确定性,采用增量法对白鹤滩拱坝进行了地震易损性分析。统计连续调幅地震动作用下拱坝损伤破坏过程,直观的划分了拱坝地震破坏等级,确定了拱冠位移、横缝开度和损伤体积比这三个响应量在各破坏等级间的界限值,从而可通过这三个响应量定量描述拱坝的破坏等级。通过拟合增量动力分析结果,分别建立了三个响应量的概率地震需求模型,进而求得地震易损性曲线,并综合比较了不同破坏等级下基于三个响应量的易损性曲线,全面反映了拱坝易损性。利用易损性曲线可以预测不同强度地震作用下拱坝达到各级破坏的概率,为基于性能的拱坝抗震安全评价提供了理论依据。     

基于LHS-MC方法的矮塔斜拉桥地震风险概率分析

提出一种既能避免繁琐积分,又能综合考虑结构材料和地震波动随机性问题以及地震危险性的地震风险概率计算方法。基于结构材料参数的概率分布,采用拉丁超立方抽样(LHS)方法考虑结构构件材料参数的随机性,并结合选取的地震波,形成地震动-桥梁组合样本集。针对典型矮塔斜拉桥结构体系建立非线性有限元纤维模型,确定各主要构件的损伤指标,与增量动力分析方法相结合进行了地震易损性分析,选取合适的分布函数,拟合加速度峰值-结构损伤概率曲线。采用蒙特卡罗(MC)抽样方法离散地震危险性概率模型,避免了繁琐的积分,针对典型矮塔斜拉桥的地震风险概率进行了评估。     

考虑参数不确定性的无筋砌体结构地震易损性分析

鉴于无筋砌体结构参数的高离散性及其地震响应的强非线性,在地震易损性分析中考虑其结构参数的不确定性显得尤为必要。以4幢不同层数的无筋砌体结构为研究对象,在OpenSees中建立等效框架有限元模型,采用增量动力法和一次二阶矩法考察了地震动及结构参数不确定性对其地震易损性的影响。分析结果表明:在无筋砌体结构的地震易损性分析中需考虑地震动和结构参数的不确定性影响,且结构地震破坏程度越高这种影响程度越大;结构参数的不确定性影响程度与地震动的影响程度相当;结构参数不确定性相比于地震动不确定性的影响随着结构层数的降低而变得更为明显;敏感性分析表明,结构阻尼比变化对易损性曲线地震强度中位值的影响可达到其他单个参数的4倍,其敏感性最高。     

Handling Uncertainties in Fault Tree Analysis by a Hybrid Probabilistic–Possibilistic Framework

Fault tree analysis is a method largely used in probabilistic risk assessment. Uncertainties should be properly handled in fault tree analyses to support a robust decision making. While many sources of uncertainties are considered, dependence uncertainties are not much explored. Such uncertainties can be labeled as ‘epistemic’ because of the way dependence is modeled. In practice, despite probability theory, alternative mathematical structures, including possibility theory and fuzzy set theory, for the representation of epistemic uncertainty can be used. In this article, a fuzzy β factor is considered to represent the failure dependence uncertainties among basic events. The relationship between β factor and system failure probability is analyzed to support the use of a hybrid probabilistic–possibilistic approach. As a result, a complete hybrid probabilistic–possibilistic framework is constructed. A case study of a high integrity pressure protection system is discussed. The results show that the proposed method provides decision makers a more accurate understanding of the system under analysis when failure dependencies are involved. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.