《Journal of Building Engineering》：Development of fragility surface for reinforced concrete columns under earthquake and fire loads
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本文提出了一种整合地震与火灾需求的概率脆弱性评估框架，通过三维脆弱性表面分析揭示地震损伤与火灾强度的耦合效应，基于有限元模型研究轴压比和火灾荷载密度对RC柱抗倒塌能力的影响，为多灾害场景下的结构性能评估提供新方法。
余晓辉|陈子康|周洲|何子涵
中国广西绿色建筑材料与建筑工业化重点实验室，桂林理工大学，桂林，541004
摘要
地震后的火灾（PEF）是威胁钢筋混凝土（RC）结构安全的最严重级联灾害之一。地震造成的损伤会加速火灾引起的结构恶化，并显著增加结构倒塌的风险。然而，现有的脆弱性评估通常依赖于单一的灾害强度，无法进一步反映地震和火灾对失效概率的耦合效应。本研究提出了一个概率脆弱性评估框架，将地震和火灾的影响整合到一个三维脆弱性表面中。采用层间位移比作为地震损伤指标，同时引入火灾荷载密度作为火灾强度指标。该框架考虑了地面运动的不确定性、材料特性的随机性以及火灾情景的不确定性，以表征多灾害下的结构性能。开发了RC柱的有限元模型，并通过实验数据进行了验证，然后对其进行了连续的地震-火灾荷载作用下的脆弱性评估。与先前的研究结果一致，结果表明增加截面尺寸可以降低失效概率，而较高的轴向压缩比和更多的暴露于火灾的表面会增加结构的脆弱性。更重要的是，所提出的脆弱性表面框架能够捕捉地震损伤和火灾强度的联合影响，从而能够在不同的地震-火灾灾害组合下评估RC柱的失效概率。
引言
地震后的火灾（PEF）被认为是由地震引发的最具破坏性的次生灾害之一[1]。地震造成的损伤会破坏消防系统，为火灾蔓延创造条件[1][2][3][4]。因此，PEF会显著增加结构严重损坏甚至完全倒塌的概率[5][6]。例如，1906年的旧金山[7]地震之后发生了大规模火灾，导致数千人死亡，数千栋建筑被毁，经济损失超过2.5亿美元。值得注意的是，在这些情况下，相当一部分人员伤亡和财产损失并非直接由地震造成，而是由随后的火灾造成的。因此，作为典型的多灾害情景，PEF近年来受到了越来越多的研究关注[8]。
早期的研究主要集中在建筑材料在高温下的热性能上。国家设计规范[9]、经典热理论[9]以及系统的本构模型[10][11]为高温材料特性研究奠定了基础。基于这些成果，研究人员检验和评估了混凝土和钢筋在火灾条件下的力学性能退化情况，包括抗压强度、弹性模量和粘结强度[12][13][14]。这些研究为分析钢筋混凝土（RC）结构的耐火性能提供了必要的材料模型。
近年来，研究工作致力于通过实验研究和数值模拟[15][16][17][18][19][20][21][22]来探究地震和火灾对RC结构的耦合效应。在这些研究中，通常使用标准火灾曲线（如ASTM E119和ISO 834）来评估火灾作用下的残余承载能力和结构响应[22]。研究结果表明，先前的地震损伤会显著增加结构损伤[23]，并降低RC构件的耐火性能。特别是，混凝土剥落和钢筋暴露被认为是加剧后续火灾损伤的关键因素，因为它们会加速热量向结构内部的传递，加剧材料和结构性能的恶化。基于这些发现，一些研究进行了结构在地震后的性能评估[24][25]。其他失效机制还包括材料性能的退化以及由温度梯度引起的局部或全局不稳定性。这些观察结果强调了将这些多重灾害纳入结构性能评估和结构设计中的必要性。传统的单一灾害方法可能会低估地震-火灾情景下的失效风险。由于实验研究成本高昂，数值方法被广泛用于评估地震受损RC结构的耐火性能[26][27][28][29][30][31][32][33]。这些研究表明，地震造成的损伤会降低承载能力[29]，缩短耐火时间[30]，并加速结构退化。结构参数，如侧向约束[29]、轴向压缩比[32]和钢筋细节[33]，对地震后的耐火性能有显著影响。
为了解决灾害强度和结构响应的不确定性，基于性能的地震工程（PBEE）和基于性能的火灾工程（PBFE）框架提供了评估复杂多灾害情景下结构安全性的概率方法[34][35][36][37][38][39][40][41]。然而，现有的地震后火灾（PEF）情景的脆弱性评估通常依赖于单一的强度指标，如火灾持续时间、峰值温度或最大层间位移，这限制了它们捕捉地震和火灾耦合效应的能力。例如，Ilomame[42]使用等效火灾持续时间来估算RC框架的脆弱性，但这种方法没有明确考虑火灾荷载对加热速率和温度演变的影响。尽管一些研究[43][44]强调了火灾荷载密度作为峰值火灾温度和高温暴露持续时间的关键因素的重要性，但大多数研究仍然简化了地震损伤和火灾效应之间的相关性。此外，许多现有的脆弱性模型无法区分轻微地震后发生严重火灾与大地震后发生严重火灾的灾害情景。这一限制削弱了人们对地震-火灾序列级联效应的理解[45]。最近，一些研究开展了多灾害引发的风险评估。一些研究人员开发了分析框架，整合了地震和随后火灾的联合效应，为耦合风险建模奠定了一定的基础[46][47][48][49]。例如，许多分析依赖于火灾时间历史与标准化的温度-时间曲线[46][49]。一些研究在脆弱性评估中考虑了灾害链，并检查了火灾后的结构行为[48]。在这些研究中，也考虑了参数变异性对参数分析的影响[47]。
为了克服这些限制，本研究提出了一个概率脆弱性评估框架，将地震损伤和火灾强度整合到一个三维脆弱性表面中。通过将层间位移比作为地震需求指标，火灾荷载密度作为火灾强度指标，该方法能够捕捉地震-火灾序列下RC柱的耦合退化。该框架考虑了地面运动、材料特性和火灾情景等多种不确定性来源，以生成更真实和全面的结构脆弱性表示。脆弱性表面可以在广泛的地震和火灾需求范围内提供连续的失效概率，从而区分不同的灾害组合，并支持基于风险的设计和决策。本文的其余部分组织如下：第2节介绍了开发三维脆弱性表面的方法；第3节讨论了地震-火灾顺序灾害评估中引入的不确定性；第4节介绍了数值模型及其验证；第5节和第6节进行了参数分析；第7节总结了本研究的结论。
方法论
方法论
本研究开发了一个综合框架，用于评估受到地震-火灾灾害序列影响的RC柱的地震脆弱性。整个过程可以系统地总结为四个主要步骤。
步骤1：数值建模和材料不确定性量化
第一步侧重于数值模型的开发以及量化与材料特性相关的固有不确定性。
不确定性建模
在RC结构的多变量脆弱性评估框架中，不确定性估计是一个关键问题。根据前述程序，本研究系统地考虑了地震性能评估中的三个不确定性：（1）火灾环境，由火灾荷载密度、开口因子和材料热吸收率表示；（2）地面运动记录，表征地震激励的随机性；以及（3）材料特性，材料特性
RC柱在地震-火灾耦合性能下的有限元分析所需的材料特性包括热性能和机械性能。本研究考虑的热性能包括质量密度、热导率和比热容。混凝土和钢筋的质量密度分别为2400 kg/m3和7800 kg/m3[60][61]。混凝土和钢筋的热导率和比热容分别为数值模型
根据工程实践，本研究中的RC柱高度设定为3600 mm，截面尺寸设计为400 mm × 400 mm、500 mm × 500 mm和600 mm × 600 mm。详细的钢筋配置如图12所示。在有限元建模中，考虑了混凝土和钢筋的材料不确定性（如第3.3节所述），以确保结构变异性的表示。为了研究
轴向压缩比对结构性能的影响
轴向压缩比（ACR）是RC柱设计中的关键参数，因为它决定了地震性能的关键方面，包括滞回行为、延性能力和失效模式。为了研究其对RC柱地震-火灾性能的影响，本研究选择了三个代表性的ACR水平（0.2、0.4和0.6），反映了实际工程中的加载条件。结论
本研究提出了一个评估框架，用于估计在地震-火灾耦合性能下钢筋混凝土（RC）柱的地震脆弱性。通过整合理论建模、有限元模拟和参数分析，开发了三维脆弱性表面，以捕捉地震需求（由层间位移比IDR表示）和火灾需求（由火灾荷载密度q表示）之间的相互作用。主要发现总结如下：
(1)CRediT作者贡献声明
何子涵：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法论、调查。周洲：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、方法论、调查、资金获取。陈子康：撰写 – 审稿与编辑、软件、调查、形式分析。余晓辉：验证、方法论、资金获取、概念化
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可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（52278492, 52408502）的支持。所表达的观点和发现仅代表作者本人，并不一定反映资助方的观点。
