考虑偶然和认知不确定性的建筑物地震风险评估的简化方法
摘要：在广泛使用的解析解的基础上，提出了一种考虑到偶然性和认识不确定性的用于估计超过极限状态（LS）地震风险的简化方法。确定易损性参数的方法涉及对利用拉丁超立方体抽样方法确定的一组结构模型的非线性静力分析以及对等效的单自由度模型的非线性动力分析。这组结构模型捕获了认知上的不确定性，而地面运动的随机性导致的不确定性通常是由一组地面运动记录进行确定的。尽管该方法实现起来非常简单，但它已打破了偶然性和认知不确定性之间相互独立这一广泛使用的假设。因此，认知不确定性具有正如其他一些研究中所假定的那样，对两个易损性参数的均有潜在影响，而不仅对分散性。将该方法应用于四层钢筋混凝土建筑的算例中，结果表明，偶然不确定性和认知不确定性的影响还会随着LS的严重性而增加，因此对于接近倒塌的LS，同时考虑这两个不确定性来源的风险更大，与仅由偶然不确定性决定的风险相比则要高出两倍。
关键词：地震风险；易损性；简化非线性方法；拉丁超立方体抽样；偶然不确定性；认知不确定性
1.引言
概率风险分析方法是明智的风险管理决策的重要组成部分（Ellingwood2005），但它们仍未充分应用在结构工程师与设施利益相关者之间的当前通信中。因此，经常发生这样的情况，即新设计或现有设施的利益相关者没有意识到由于环境事件（例如地震）而带来的潜在高风险，因此他们采取的行动不会将这些风险降低到可以容忍的水平，这些依旧没有适当定义（Ellingwood和Kinali 2009）。然而，在过去的10年中，至少在地震工程研究界中，基本概率方法的使用变得更加广泛。已经提出了用于地震性能评估的不同的简化概率方法。康奈尔（1996）提出了一种最简单的封闭式地震风险评估解决方案，用超过给定极限状态（LS）的年平均频率表示。后来通过置信度方法将认知不确定性纳入该方法，进一步发展了该方法（Cornell等人2002），这是其他地方讨论的两种方法之一（例如Liel等人2009，Zareian等人2010）。但是，最近的研究表明，对不确定性进行更一般的处理不仅增加了离散度，而且还影响了地震响应参数的中位数（例如Liel et al.2009，Dolsek 2009，Vamvatsikos和Fragiadakis 2010）。
易损性分析是结构或市区地震风险评估的中间结果，可以使用不同的方法进行。例如，Jeong和Elnashai（2007）提出了基于单自由度（SDOF）模型的响应数据库的易碎性曲线估计方法。这种方法使无需模拟即可立即调查大量不同结构配置的易损性。Borzi等人（2008）提出了一种简化的基于推覆的地震损失评估方法，旨在用于定义建筑物随机种群的易损性曲线。另一方面，Lagaros（2008）证明了易损性分析的有效性，以便评估根据现代结构规范设计的多层钢筋混凝土建筑的抗震性能。最近，还考虑了由于地震动的随机性而导致的不确定性，对易损性进行了分析，以估算框架结构中的残余漂移需求（RuizGarcıa和Miranda 2010）。易损性分析也广泛用于砌体建筑的性能评估。例如，Rota等人（2010）介绍了一种推导砌体建筑易损性曲线的分析方法，并通过容量的概率密度函数合并了建模不确定性，而概率密度函数是基于推覆分析确定的，而需求的累积密度函数是通过使用增量动力分析（IDA）来估计的，该函数捕获了不确定性。然而，不确定性的影响，正如Tsompanakis等人（2010年）最近所表明的那样，也可能对地质结构的易损性曲线产生重大影响，或者例如，考虑土壤与结构的相互作用也可以显着影响易损性曲线（Kwon和Elnashai，2010年）。
由于不确定性会严重影响易损性参数，因此在确定易损性过程中对其进行处理非常重要。但是，考虑到不确定性的地震风险评估在其最一般的表述中，对计算的要求很高。因此，需要开发一种近似方法，该方法在计算上的要求较低，并且可以将地震风险评估中的不确定因素迅速但仍然足够准确地纳入其中，而通常出于实际应用的目的并未对其进行估计。目前已经提出了一些近似方法。例如，Fragiadakis和Vamvatsikos（2010）提出了一种快速的性能不确定性估计方法，该方法使用推覆分析和近似IDA，该方法基于力减小因子、延性和结构周期之间的近似关系（R–m–T关系））。与Fragiadakis和Vamvatsikos（2010）提出的方法不同，本文提出的近似方法涉及一组结构模型的推覆分析和等效SDOF模型的非线性动力分析。这组结构模型用于捕获认知不确定性，并通过使用拉丁超立方体抽样（LHS）来确定（Vorˇechovskyacute;和Novaacute;k 2003，2009），该模型最近还考虑了建模不确定性而用于IDA（Dolsek 2009））。所提出的确定易损性参数的方法将推覆分析与等效SDOF模型的非线性动态分析相结合，是针对许多不同过程的一种广泛使用的假设。例如，Fajfar（2000）提出了一种简化的非线性方法，称为N2方法，该方法将非线性静态推覆与非弹性频谱结合在一起，并在Eurocode 8中实现（CEN 2004a）。N2方法得到了进一步发展，因此可用于评估不同类型结构系统的抗震性能，例如带有砖石填充墙的钢筋混凝土框架（例如Dolsek和Fajfar 2008），基础隔离结构（Kilar和Koren 2010） 以及平面对称结构的概率评估（Dolsek和Fajfar，2007）。另一方面，非线性静态程序也已用于易损性曲线开发（Shinozuka等，2000）。
在这项研究中，简要推导了考虑偶然不确定性和认知不确定性的地震风险评估近似方法，并以一个四层钢筋混凝土框架为例进行了演示，目的是说明两种不确定性源的影响，即地震风险估计的偶然性和认知不确定性，在本文中地震风险以超过特定LS的年平均频率表示。
2.方法
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