朱升冬，陳國興，蔣鵬程，陳煒昀，高文生

(1. 南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，江蘇，南京 210009；2. 中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

核電作為一種高效穩(wěn)定的新型清潔能源，很多國家將其列為新型能源開發(fā)的重點(diǎn)。核電的安全保障是核電發(fā)展的重中之重；對建于強(qiáng)地震區(qū)的核電結(jié)構(gòu)，其地震安全性顯得尤為關(guān)鍵。

我國正處于核電大規(guī)模發(fā)展時(shí)期，優(yōu)質(zhì)基巖核電場址越來越少。因此，近海岸松軟場地上核島結(jié)構(gòu)的地震安全性已成為亟需研究的課題。一些學(xué)者已開展了土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用(soil-structure interaction, SSI)效應(yīng)對核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響研究。Leonardo 等[1]建立集中質(zhì)量-桿系模型及殼單元、實(shí)體單元的精細(xì)有限元模型，采用等效線性模型模擬土的非線性特性，考慮SSI 效應(yīng)影響，采用SASSI 軟件對比分析了多種場地條件下不同模型的樓層反應(yīng)譜差異。Saxena 和Paul[2]采用等效平面應(yīng)力有限元模型模擬安全殼結(jié)構(gòu)，土體視為彈性介質(zhì)，并采用相應(yīng)等效輻射阻尼10%的Rayleigh阻尼模型，研究了SSI 效應(yīng)對考慮接觸面滑移和脫開影響的不同埋置深度安全殼地震反應(yīng)的影響。Roh 等[3]采用頻率相關(guān)的集中質(zhì)量-桿系模型計(jì)算核安全殼的地震反應(yīng)，給出的位移與加速度與有限元分析的結(jié)果相一致。Wang 等[4]采用較為精細(xì)三維有限元模型分析了HTR-10 核反應(yīng)堆的地震反應(yīng)，研究了SSI 效應(yīng)對HTR-10 核反應(yīng)堆地震反應(yīng)的影響，并建議水平向地震動(dòng)作用時(shí)土體的截?cái)噙吔珉x核反應(yīng)堆的距離不小于核反應(yīng)堆尺寸的三倍。尹訓(xùn)強(qiáng)等[5]將一維等效線性場地反應(yīng)分析給出的自由場反應(yīng)作為輸入地震動(dòng)，不考慮SSI 引起的土體次非線性影響，采用集中質(zhì)量-桿系模型模擬CPR1000 核島結(jié)構(gòu)，研究了土質(zhì)地基條件下CPR1000 核島結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性。王志亮和陽棟[6]采用實(shí)體單元和殼單元模擬AP1000 核島結(jié)構(gòu)，對黏彈性地基-核島結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了三維地震反應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)SSI 效應(yīng)對軟弱土質(zhì)地基上核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響不可忽略。

目前對土質(zhì)地基上核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性的研究，通常采用等效線性方法考慮土的非線性特性，且僅考慮了土的非線性對自由場反應(yīng)的影響，未考慮SSI 引起的土體次非線性對核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，或者將土體視為等效黏彈性材料，不考慮土的非線性對核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。由于選址條件的限制，有的核電站只能建于松軟地基場址，并采用群樁基礎(chǔ)。因此，研究土的非線性特性及松軟地基-樁筏基礎(chǔ)-核島結(jié)構(gòu)相互作用(soil-pile-structure interaction, SPSI)對核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，但類似研究成果的公開報(bào)道較為鮮見。研究表明[7]，SPSI效應(yīng)的存在會直接影響結(jié)構(gòu)物自身及其場地的動(dòng)力特性，就核島結(jié)構(gòu)的地震安全性而言，這種影響不可忽略。本文以某海岸擬建AP1000 核電廠為研究背景，基于ABAQUS 平臺，建立松軟地基-樁筏基礎(chǔ)-核島結(jié)構(gòu)體系的三維有限元模型，輸入不同特性的基巖地震動(dòng)，考慮土的非線性特性，對該體系進(jìn)行三維非線性地震反應(yīng)分析，研究AP1000 核島結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特征，其結(jié)論對土質(zhì)地基上AP1000 核島結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1 核島結(jié)構(gòu)體系的有限元模型

1.1 AP1000 型核島簡介

AP1000 是Advanced Passive Pressurized Water Reactor(加壓水冷卻反應(yīng)堆)的簡稱，由美國西屋公司開發(fā)，是世界上最廣泛應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)的III+核電技術(shù)。AP1000 主要由5 個(gè)部分組成：核島、汽輪機(jī)廠房、附屬廠房、柴油發(fā)電機(jī)廠房和放射性廢物廠房，如圖1 所示。核島是最主要的結(jié)構(gòu)，由安全殼(鋼制安全殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu))、屏蔽建筑和輔助廠房組成，共同坐落在厚筏基礎(chǔ)上。屏蔽建筑頂部設(shè)置有冷卻系統(tǒng)水箱(見圖2)，從水箱中流出的水在事故發(fā)生時(shí)冷卻鋼制安全殼的溫度。水箱的體積和質(zhì)量分別為約3000 m3和3000 t。

圖 1 AP1000 核電廠的主要結(jié)構(gòu)體系Fig. 1 Principal structural components of AP1000 nuclear power plant

圖 2 核島鋼制安全殼、屏蔽建筑及其上部水箱示意圖Fig. 2 Schematic profile of steel containment vessel, shield building and attached water tank of nuclear island

1.2 核島結(jié)構(gòu)有限元模型

依據(jù)AP1000 設(shè)計(jì)控制文件[8]建立標(biāo)準(zhǔn)化的簡化集中質(zhì)量-梁桿模型。三維(3D)集中質(zhì)量-梁桿模型代表鋼制安全殼及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、屏蔽建筑和輔助廠房(見圖3)，主要由離散的集中質(zhì)量點(diǎn)、彈性結(jié)構(gòu)單元及剛性梁單元構(gòu)成。主要的樓板標(biāo)高處和結(jié)構(gòu)不連續(xù)的位置設(shè)置離散的集中質(zhì)量，并考慮結(jié)構(gòu)剛度中心和質(zhì)量中心之間的偏心。結(jié)構(gòu)的偏心是通過水平的剛性梁單元將集中質(zhì)量連接到垂直的彈性結(jié)構(gòu)單元來模擬的。3D 集中質(zhì)量-梁桿模型中各個(gè)離散的構(gòu)件與子系統(tǒng)，通過剛性梁單元(以剛性的約束形式存在，圖3 中結(jié)構(gòu)間的細(xì)實(shí)線)相互連接而形成核島結(jié)構(gòu)的離散模型。由于AP1000 的幾何構(gòu)型不規(guī)則，通過3D 有限元模型中提取結(jié)構(gòu)剖面的方法確定3D 集中質(zhì)量-梁桿模型的性能參數(shù)：形心、剛心、質(zhì)心的位置及等效截面面積(平移剛度)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(轉(zhuǎn)動(dòng)剛度)。3D 梁單元的等效平移剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度可通過在特定的有限元截面頂部施加單位力和力矩獲取。核島結(jié)構(gòu)整體模型耦合了反應(yīng)堆冷卻劑回路系統(tǒng)與安全殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)(圖3(e))；其他子系統(tǒng)和設(shè)備的質(zhì)量被并入相應(yīng)的集中質(zhì)量。

圖 3 地基-樁筏基礎(chǔ)-AP1000 核島結(jié)構(gòu)體系的有限元分析模型概況Fig. 3 Overview of soil-pile-raft foundation-AP1000 nuclear island building system for finite element modeling

基于ABAQUS 平臺，依據(jù)各部件的端坐標(biāo)(Node)、材料屬性(Material)、單元參數(shù)(Element)、單元類型(Element type)、截面或構(gòu)件特性(Real constant number sets)及約束(Constraints)等信息，選擇合適的單元類型進(jìn)行建模，例如：采用三維兩節(jié)點(diǎn)B31 梁單元模擬梁構(gòu)件、三維兩節(jié)點(diǎn)T3D2 桁架單元模擬桿構(gòu)件、空間兩節(jié)點(diǎn)線性管單元PIPE31 模擬管道構(gòu)件等。在ABAQUS/Explicit的Part 模塊中，通過端坐標(biāo)建立線元素：通過坐標(biāo)信息確定各梁、桿單元位置并保證其相對位置的準(zhǔn)確性；依據(jù)各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息建立參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與梁桿節(jié)點(diǎn)做耦合處理，在部分參考點(diǎn)上設(shè)立集中質(zhì)量單元，賦予其應(yīng)有的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。AP1000 核島3D 集中質(zhì)量-梁桿模型中的梁、桿構(gòu)件以特定部位的集中質(zhì)量點(diǎn)為樞紐，串聯(lián)、約束各個(gè)獨(dú)立的構(gòu)件，從而形成完整的結(jié)構(gòu)體系，共包含203 個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元和110 個(gè)集中質(zhì)量單元(其中，安全殼15 個(gè)梁單元、14 個(gè)集中質(zhì)量，屏蔽建筑10 個(gè)梁單元、14 個(gè)集中質(zhì)量單元)。核島結(jié)構(gòu)模型中各構(gòu)件間的約束關(guān)系極為復(fù)雜，共包含406 組約束方程。在ABAQUS 中，采用耦合約束(coupling)的方式以確保節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間自由度耦合的準(zhǔn)確定義。

由于水箱尺寸較大，水箱的存在會影響核島結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。核島結(jié)構(gòu)受強(qiáng)地震動(dòng)作用時(shí)，水箱中水體的慣性和晃動(dòng)效應(yīng)會影響核島安全殼和屏蔽建筑的安全[9]。水箱中儲水對核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響主要表現(xiàn)為附加質(zhì)量和動(dòng)水壓力。附加質(zhì)量會降低核島結(jié)構(gòu)的固有頻率；地震引起的動(dòng)水壓力包括儲水慣性引起的沖擊壓力和儲水晃動(dòng)引起的壓力，作用于水體-結(jié)構(gòu)界面并傳遞給核島結(jié)構(gòu)。美國ASCE 4-98 規(guī)范[10]和TID-7024 規(guī)范[11]建議的簡化分析模型：將水箱中的水視為沖擊質(zhì)量和晃動(dòng)質(zhì)量，以分別考慮動(dòng)水壓力的沖擊壓力和晃動(dòng)壓力作用。Housner 三維等效質(zhì)量-彈簧模型[12]假設(shè)水箱壁剛性，水箱內(nèi)的水可視為不可壓縮的理想液體，采用三維等效質(zhì)量-彈簧體系模擬沖擊壓力與晃動(dòng)壓力作用，兩者均可視為固定在水箱底部以上各自等效高度處的等效質(zhì)量[13]。將水的等效沖擊質(zhì)量集成到屏蔽建筑相應(yīng)于水箱頂、底部位置的集中質(zhì)量之中(Node 310、309)；通過定義連接器單元(connector)建立零長度彈簧，將模擬水的“晃動(dòng)壓力”的等效集中質(zhì)量點(diǎn)Node 312(311)與屏蔽建筑節(jié)點(diǎn)Node 310(309)相連，以模擬水箱和箱內(nèi)水晃動(dòng)的耦合效應(yīng)。

鑒于AP1000 核島結(jié)構(gòu)體系極為復(fù)雜，單元種類眾多，本文只給出代表性結(jié)構(gòu)部位的地震反應(yīng)，表1 給出模擬安全殼及屏蔽建筑的梁單元信息，表2 為代表性節(jié)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)。

表 1 核島安全殼及屏蔽建筑的梁單元信息Table 1 Beam element information for containment vessel and shield building of nuclear island

表 2 核島結(jié)構(gòu)觀測節(jié)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)Table 2 Relevant parameters of observed nodes of nuclear island building

1.3 核島模型的可靠性分析

鑒于核島結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，確保模型結(jié)構(gòu)能合理地反映核島結(jié)構(gòu)體系的整體動(dòng)力特性，是其地震反應(yīng)分析結(jié)果可信的前提。

對核島結(jié)構(gòu)的3D 集中質(zhì)量-梁桿模型多質(zhì)點(diǎn)體系而言，其固有的振動(dòng)頻率，與模型的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度的大小及空間分布等因素密切相關(guān)。對基 于 ABAQUS 和 ANSYS 建 立的 AP1000 核島 結(jié)構(gòu)3D 集中質(zhì)量-梁桿模型進(jìn)行模態(tài)分析，對比不同模型結(jié)構(gòu)給出的自振頻率，表3 給出了體現(xiàn)AP1000 核島整體結(jié)構(gòu)特性的第1 階～第15 階的自振頻率。其中前6 階頻率主要反映屏蔽建筑頂部的水箱與箱內(nèi)晃動(dòng)水體的3D 集中質(zhì)量點(diǎn)-彈簧體系的振動(dòng)，第7 階～第15 階頻率則主要反映了核島主體結(jié)構(gòu)(不含冷卻系統(tǒng)水箱的核島結(jié)構(gòu))的自振特性?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)模型的模態(tài)分析結(jié)果很接近。

表 3 核島結(jié)構(gòu)ABAQUS 與ANSYS 建模的模態(tài)頻率對比Table 3 Comparison of modal frequencies for ABAQUS and ANSYS models of nuclear island building

文獻(xiàn)[13]采用3D 實(shí)體單元和流體單元模型的ANSYS 有限元分析表明，相應(yīng)于水箱的不同儲水量(0%～100%)，AP1000 核島結(jié)構(gòu)的1 階固有頻率介于2.991 Hz～3.337 Hz。這與本文模型(儲水量100%)給出的AP1000 核島主體結(jié)構(gòu)1 階頻率約2.9 Hz 基本相同。采用ABAQUS 和ANSYS 兩個(gè)軟件對AP1000 核島結(jié)構(gòu)建模時(shí)，由于建模方式不完全一致，其動(dòng)力特性存在細(xì)微差異是必然的；即使均采用ANSYS 軟件建模，由于文獻(xiàn)[13]與本文的建模方式(模擬結(jié)構(gòu)和流體的單元類型)不一樣，所模擬的核島結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性也會存在細(xì)微差異。因此，本文基于ABAQUS 建立的3D 集中質(zhì)量-梁桿模型合理地反映了該AP1000 核島結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性。

2 群樁-場地有限元模型

某海岸擬建AP1000 核島場地土層主要為粉質(zhì)黏土，局部為粉砂。經(jīng)簡化的土層剖面如圖4 所示，場地土層信息見表4。土層在出平面方向視為無限水平延伸的。場地模型側(cè)向尺寸約為厚筏承臺尺寸的5 倍，并在四側(cè)邊界設(shè)置黏彈性人工邊界[14]；選取剪切波速約2500 m/s 的致密玄武巖作為地震基巖，視為剛性基底。

圖 4 核島場址地層剖面圖Fig. 4 Stratigraphic section of nuclear island site

表 4 場地土的物理和力學(xué)參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of site soils

鑒于淺層土多為軟土和可液化土層，該核島結(jié)構(gòu)采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚3 m，樁頂嵌入筏板0.15 m，樁底嵌入玄武巖2 m，樁徑1.5 m，樁長36 m，布樁230 根。樁筏基礎(chǔ)采用C40 混凝土，并視為彈性材料。鑒于場地-樁筏基礎(chǔ)-AP1000 核島結(jié)構(gòu)體系的三維非線性地震反應(yīng)分析的計(jì)算規(guī)模巨大，為提高模型的計(jì)算效率，選用ABAQUS單元庫中8 節(jié)點(diǎn)線性減縮積分單元C3D8R 模擬土體與筏板：土體1 426 125 個(gè)單元，筏板2198 個(gè)單元；選用空間兩節(jié)點(diǎn)線性梁單元B31 模擬樁，每根樁20 個(gè)單元。

2.1 土的動(dòng)力本構(gòu)模型

為描述土的動(dòng)力非線性特性，趙丁鳳等[15]提出了基于Davidenkov 骨架曲線的不規(guī)則加、卸載法則，構(gòu)造的不規(guī)則循環(huán)加載-卸載的應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈如圖5 所示；提出了等效剪應(yīng)變的新算法并集成到ABAQUS 軟件，實(shí)現(xiàn)了將一維本構(gòu)模型拓展到二維、三維問題。Davidenkov 骨架曲線可表示為[15]：

圖 5 土體的加載-卸載-再加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線[15]Fig. 5 Loading-unloading-reloading stress-strain curves of soil[15]

動(dòng)剪切模量和阻尼比是表征土體非線性動(dòng)力特性的重要參數(shù)，也是場地地震反應(yīng)分析土-結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力相互作用分析的必需參數(shù)。本文通過對取自擬建核島場址的原狀土樣進(jìn)行自振柱試驗(yàn)，獲得了相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖6 給出場地土的動(dòng)剪切模量比G/Gmax和阻尼比λ 的試驗(yàn)曲線；Davidenkov骨架曲線參數(shù)A、B 和γr可通過擬合G/Gmax曲線給出，如表4 所示。

圖 6 場地土的動(dòng)剪切模量比與阻尼比曲線Fig. 6 Shear modulus reduction and damping increasing curves of site soils

2.2 場地及基礎(chǔ)有限元模型

模型網(wǎng)格豎向最大尺寸 hmax取截止頻率對應(yīng)波長的1/8～1/10，按式(3)計(jì)算確定：

根據(jù)Huo 等[19]的研究，不考慮地下結(jié)構(gòu)物與周圍土體間滑移的假設(shè)是偏于安全的。為此，將承臺與周圍土體通過綁定約束(Tie)處理，不考慮兩者的相對滑移。將樁體分區(qū)為嵌入筏板的樁段和嵌入土、巖體的樁段，采用ABAQUS 中的嵌入約束(Embedded region)模擬樁體與筏板、土、巖體的約束關(guān)系。

3 樁-土-核島體系的動(dòng)力計(jì)算方法

將由集中質(zhì)量-梁桿模型多質(zhì)點(diǎn)體系進(jìn)行模擬的核島梁構(gòu)件底部的節(jié)點(diǎn)Node 500 通過點(diǎn)-面耦合的方式，與筏板頂面相連，使AP1000 核島結(jié)構(gòu)-樁筏基礎(chǔ)-場地形成整體，3D 模型簡圖如圖3 所示。

3.1 基巖地震動(dòng)的選用

根據(jù)擬建核電站場址的地震環(huán)境資料，基于確定性和概率法的該工程場地地震安全性評價(jià)結(jié)果，核島場址SL-1 和SL-2 級的水平向基巖地震動(dòng)峰值加速度(PBA)分別為0.10 g 和0.20 g。由于擬建核島場址及鄰近地區(qū)缺乏歷史強(qiáng)震記錄，為了研究地震動(dòng)特性對核島地震反應(yīng)的影響，根據(jù)核島場址歷史地震資料，選取了不同地震動(dòng)特性的近場、中場、遠(yuǎn)場地震的基巖加速度記錄；因強(qiáng)震臺站場址巖層的剪切波速大于760 m/s，故可作為基巖的輸入地震動(dòng)記錄，詳見表5。調(diào)幅(0.1 g)后地震記錄的加速度時(shí)程和傅里葉譜，如圖7 所示。可以看出，3 個(gè)地震記錄的頻譜特性存在顯著的差異。調(diào)幅處理后的每個(gè)地震記錄，PBA 取3 個(gè)水準(zhǔn)：0.10 g、0.15 g 和0.20 g，從模型底部沿X 向(筏板長邊方向)輸入水平向地震動(dòng)。

表 5 基巖地震動(dòng)的原始地震記錄信息Table 5 Original seismic record information used as bedrock motions

3.2 動(dòng)力方程的計(jì)算方法

4 考慮SPSI 效應(yīng)的核島地震反應(yīng)

以安全殼和屏蔽建筑不同高程處的代表性節(jié)點(diǎn)為觀測點(diǎn)，通過分析觀測點(diǎn)的地震反應(yīng)特性，可以了解核島結(jié)構(gòu)整體的地震反應(yīng)狀態(tài)。觀測點(diǎn)具體信息參見表2。由于AP1000 核島結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，筏板-群樁基礎(chǔ)中樁的數(shù)量大，限于篇幅，本文僅給出考慮SPSI 效應(yīng)的安全殼和屏蔽建筑ZX 平面的地震反應(yīng)，Z-Y 平面的地震反應(yīng)、樁基內(nèi)力反應(yīng)等相關(guān)內(nèi)容，將另文探討。

4.1 安全殼和屏蔽建筑的譜加速度

圖 7 基巖輸入地震動(dòng)(0.1 g)的加速度時(shí)程和傅里葉譜Fig. 7 Acceleration time histories and Fourier spectra of bedrock motions (0.1 g)

圖8 給出了安全殼觀測點(diǎn)401、406、417 和核島底部觀測點(diǎn)500 處的5%阻尼比的相對加速度反應(yīng)譜β 譜(定義為譜加速度與峰值加速度的比值)。可以發(fā)現(xiàn)：1) 安全殼各觀測點(diǎn)β 譜峰值對應(yīng)的周期與輸入基巖地震動(dòng)的卓越周期基本相同；2) 近場強(qiáng)震CDMG47379 波作用時(shí)，安全殼觀測點(diǎn)的β 譜譜值普遍小于基巖地震動(dòng)β 譜譜值，尤其周期小于0.30 s 的輸入地震動(dòng)的濾波顯著、β 譜譜值顯著降低，且高程越高的觀測點(diǎn)，其β 譜峰值越小。安全殼觀測點(diǎn)401、406 的β 譜譜形和核島底部觀測點(diǎn)500 的β 譜譜形幾乎一致，但安全殼頂點(diǎn)417 的β 譜譜形出現(xiàn)三峰現(xiàn)象，其峰值對應(yīng)的周期分別為0.07 s、0.16 s 和0.42 s。這意味著安全殼頂部對周期小于0.20 s 的近場強(qiáng)地震作用較為敏感；3) Kumano 波作用時(shí)，0.25 s～0.50 s 周期對應(yīng)的β 譜峰值較大，這是因?yàn)镵umano 波的卓越周期為0.32 s，與核島主體結(jié)構(gòu)的基本周期0.34 s(對應(yīng)的自振頻率2.91 Hz)較為接近，核島結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)也較為強(qiáng)烈；4) 遠(yuǎn)場大震Suchil 波作用時(shí)，各觀測點(diǎn)間的β 譜峰值相差不大，安全殼各觀測點(diǎn)、核島底部β 譜譜形與基巖地震動(dòng)的β 譜譜形基本一致，可見低頻豐富的遠(yuǎn)場波對安全殼的影響較小。

圖 8 安全殼觀測點(diǎn)的5%阻尼比的譜加速度β 譜Fig. 8 Acceleration response spectrum (5% damping)amplification factors β at observed nodes of containment vessel

圖9 給出屏蔽建筑觀測點(diǎn)80、160、310 和核島底部觀測點(diǎn)500 處的5%阻尼比的相對加速度反應(yīng)譜β 譜?？梢园l(fā)現(xiàn)：1) 高程相近時(shí)，屏蔽建筑的β 譜譜形及大小與安全殼的基本相近：屏蔽建筑各觀測點(diǎn)β 譜峰值對應(yīng)的周期與輸入基巖地震動(dòng)的卓越周期也基本相同；2) 近場強(qiáng)震CDMG47379波作用時(shí)，屏蔽建筑觀測點(diǎn)的β 譜曲線出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，主峰周期約0.4 s～0.5 s，次峰周期約0.1 s～0.2 s，觀測點(diǎn)的β 譜譜值均小于基巖譜譜值，由于多個(gè)軟土層的存在，周期小于0.30 s 時(shí)，高頻成分被明顯削弱；3) 中遠(yuǎn)場強(qiáng)震Kumano 波與遠(yuǎn)場強(qiáng)震Suchil波作用時(shí)，屏蔽建筑觀測點(diǎn)的β 譜譜值與高程相近的安全殼觀測點(diǎn)基本一致。

圖10 給出屏蔽建筑頂部模擬水箱“晃動(dòng)水”的集中質(zhì)量點(diǎn)Node312 的譜加速度β 譜。不論輸入何種地震動(dòng)，Node 312 的β 譜曲線相較于基巖譜而言，都非常明顯地向長周期方向移動(dòng)。基巖輸入 CDMG47379 波、Kumano 波和 Suchil 波時(shí)，Node312 處的β 譜峰值對應(yīng)周期分別為5.89 s、4.14 s和6.29 s。地震時(shí)冷卻系統(tǒng)水箱中水的“晃動(dòng)”，其基本頻率僅為0.156 Hz(見表1)，對應(yīng)的基本周期6.421 s，也即“晃動(dòng)水”的譜加速度β 譜的基本周期遠(yuǎn)大于核島主體結(jié)構(gòu)的基本周期。因此，當(dāng)核島結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)地震動(dòng)作用時(shí)，“晃動(dòng)水”的等效集中質(zhì)量點(diǎn)Node312 的地震反應(yīng)大小反映了水箱中水體的晃動(dòng)壓力對核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，類似于“鞭梢效應(yīng)”。

4.2 安全殼和屏蔽建筑的峰值加速度

安全殼和屏蔽建筑各觀測點(diǎn)的峰值加速度放大系數(shù)(PAAF)，定義為觀測點(diǎn)的峰值加速度與基巖地震動(dòng)峰值加速度的比值，其大小隨高程的變化見圖11。

圖 9 屏蔽建筑觀測點(diǎn)的5%阻尼比的譜加速度β 譜Fig. 9 Acceleration response spectrum (5% damping) amplification factor β at different observation nodes of shield building

圖 10 屏蔽建筑頂部水箱Node 312 的5%阻尼比的譜加速度β 譜Fig. 10 Acceleration response spectrum (5% damping)amplification factors β of cistern Node 312 at top of shield building

圖 11 核島結(jié)構(gòu)不同高程觀測點(diǎn)的峰值加速度放大系數(shù)Fig. 11 PAAFs at different observation points of nuclear island building elevations

安全殼和屏蔽建筑的PAAF 值均隨其高程的增大而增大。核島底部觀測點(diǎn)500 的PAAF 值，遠(yuǎn)場大震Suchil 波作用時(shí)最大、近場強(qiáng)震CDMG47379波作用時(shí)次之、中遠(yuǎn)場強(qiáng)震Kumano 波作用時(shí)最小。安全殼和屏蔽建筑頂部的PAAF 值，遠(yuǎn)場大震Suchil 波和近場強(qiáng)震CDMG47379 波作用時(shí)基本相同，而中遠(yuǎn)場強(qiáng)震Kumano 波作用時(shí)稍小些。近場強(qiáng)震CDMG47379 波作用時(shí)，PAAF 值隨核島結(jié)構(gòu)高程的增大速率最大、中遠(yuǎn)場強(qiáng)震Kumano 波作用時(shí)次之、遠(yuǎn)場大震Suchil 波作用時(shí)最小。這說明在不同震級、不同震中距的地震波作用下，SPSI 效應(yīng)對松軟場地上樁筏基礎(chǔ)核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響十分復(fù)雜。不論近場強(qiáng)震、中遠(yuǎn)場強(qiáng)震還是遠(yuǎn)場大震作用，PBA 越大，核島結(jié)構(gòu)的PAAF 越小，這表明松軟場地上樁筏基礎(chǔ)核島結(jié)構(gòu)體系的非線性地震效應(yīng)隨PBA 的增大而增強(qiáng)。安全殼(觀測點(diǎn)401～417)和屏蔽建筑(觀測點(diǎn)80～310)是兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)材料、截面屬性和集中質(zhì)量分布等都存在顯著差異，兩者的PAAF隨高程的變化特征也存在一定的差異。

4.3 安全殼和屏蔽建筑的峰值相對位移

核島結(jié)構(gòu)各觀測點(diǎn)的水平(X 向)位移相對其底部水平(X 向)位移之差的相對位移絕對值，一定程度上反映了地震動(dòng)作用下核島結(jié)構(gòu)的水平變形狀態(tài)。圖12 給出核島結(jié)構(gòu)各觀測點(diǎn)的峰值相對位移?？梢园l(fā)現(xiàn)，核島結(jié)構(gòu)的峰值相對位移隨高程增大而增大；同時(shí)，輸入相同頻譜特性的地震波時(shí)，峰值相對位移隨PBA 增大而增大。峰值相對位移的大小與輸入地震動(dòng)特性有關(guān)，低頻豐富的遠(yuǎn)場大震Suchil 波作用時(shí)最大，中遠(yuǎn)場強(qiáng)震Kumano 波作用時(shí)次之、近場強(qiáng)震CDMG47379 波作用時(shí)最小，但輸入Kumano 波和CDMG47379波計(jì)算的核島結(jié)構(gòu)峰值相對位移的差異很小。由于安全殼的剛度大于屏蔽建筑的剛度，不論遠(yuǎn)場大震、中遠(yuǎn)場強(qiáng)震和近場強(qiáng)震作用，安全殼結(jié)構(gòu)的峰值相對位移差較之屏蔽建筑的均要稍小一些。

圖 12 安全殼與屏蔽建筑各觀測點(diǎn)相對于核島結(jié)構(gòu)底部節(jié)點(diǎn) 500 的峰值相對位移Fig. 12 Absolute values of relative displacements at observation points of containment vessel and shield building relative to bottom Node 500 of nuclear island

4.4 地基柔性對核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響

地基柔性對核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響機(jī)理極為復(fù)雜，涉及場地土的空間不均勻性和非線性效應(yīng)、土-樁筏基礎(chǔ)-核島結(jié)構(gòu)的SPSI 效應(yīng)的耦合影響。為探究地基柔性對核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，圖13 和圖14 分別比較了剛性地基和柔性地基(含樁筏基礎(chǔ))條件下安全殼結(jié)構(gòu)的峰值加速度隨其高度的變化及頂部節(jié)點(diǎn)Node 417 的譜加速度β 譜譜形。對于剛性基礎(chǔ)條件，直接在核島底部與樁筏連接處節(jié)點(diǎn)Node 500 處沿X 向輸入水平向地震動(dòng)。

圖 13 地基柔性對安全殼結(jié)構(gòu)峰值加速度的影響Fig. 13 Effects of ground flexibility on peak acceleration of containment vessel building

就安全殼結(jié)構(gòu)的峰值加速度反應(yīng)而言，不論輸入CDMG47379 波或Kumano 波，地基柔性使安全殼結(jié)構(gòu)下部(高程30 m～40 m)節(jié)點(diǎn)的峰值加速度顯著放大，相反，地基柔性使安全殼結(jié)構(gòu)中上部節(jié)點(diǎn)的峰值加速度顯著減小，尤其是強(qiáng)地震動(dòng)(0.2 g)作用時(shí)，地基柔性使安全殼結(jié)構(gòu)中上部節(jié)點(diǎn)峰值加速度的減小更為顯著。

圖 14 地基柔性對安全殼結(jié)構(gòu)的5%阻尼比的譜加速度β 譜的影響Fig. 14 Effects of ground flexibility on damping 5% spectrum acceleration amplification factor β of containment vessel

當(dāng)?shù)卣饎?dòng)從基巖上傳到核島基礎(chǔ)時(shí)，不論輸入寬頻帶的CDMG47379 波或低頻發(fā)育的Kumano波，地基柔性(含SPSI 效應(yīng))對周期T 小于輸入地震動(dòng)卓越周期Tp的頻譜分量具有顯著過濾效應(yīng)，導(dǎo)致柔性地基條件下核島底部節(jié)點(diǎn)Node 500 的β 譜譜值小于基巖輸入地震動(dòng)β 譜譜值(即剛性地基條件時(shí)節(jié)點(diǎn)Node 500 的β 譜譜值)；同樣，柔性地基條件下安全殼頂部節(jié)點(diǎn)Node 417 的β 譜譜值顯著小于剛性地基條件下節(jié)點(diǎn)Node 417 的β 譜譜值。輸入CDMG47379 波時(shí)，剛性和柔性地基條件下節(jié)點(diǎn)Node 417 的β 譜在周期大于輸入地震動(dòng)Tp的頻譜分量譜形幾乎一致；但在輸入Kumano波時(shí)，地基柔性對T>Tp的輸入地震動(dòng)頻譜分量具有顯著放大效應(yīng)，從而使柔性地基條件下節(jié)點(diǎn)Node 500 的 β 譜譜值大于基巖地震動(dòng)的 β 譜譜值、節(jié)點(diǎn)Node 417 的β 譜譜值顯著大于剛性地基條件下節(jié)點(diǎn)Node 417 的β 譜譜值。

5 結(jié)論

針對某擬建AP1000 核島結(jié)構(gòu)，建立松軟場地-樁筏基礎(chǔ)-AP1000 核島結(jié)構(gòu)體系的三維有限元模型，考慮土體的非線性特性，分析了不同地震動(dòng)作用時(shí)核島結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特征，主要結(jié)論如下：

(1)安全殼和屏蔽建筑觀測點(diǎn)的β 譜峰值周期與基巖地震動(dòng)的卓越周期基本相同，且不同高程的β 譜譜形基本一致。近場強(qiáng)震時(shí)，觀測點(diǎn)的β 譜譜值均小于基巖地震動(dòng)的β 譜譜值。中遠(yuǎn)場強(qiáng)震時(shí)，對與核島主體結(jié)構(gòu)基本頻率相近頻段的基巖地震動(dòng)的反應(yīng)較為強(qiáng)烈；遠(yuǎn)場大震時(shí)，觀測點(diǎn)的β 譜譜形與基巖地震動(dòng)的β 譜譜形基本一致。模擬水箱中“晃動(dòng)水”的等效集中質(zhì)量點(diǎn)地震反應(yīng)的大小反映了水箱中水的晃動(dòng)壓力對核島結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，類似于“鞭梢效應(yīng)”。

(2)安全殼和屏蔽建筑的峰值加速度放大系數(shù)PAAF 隨高度增大而增大，但兩者的變化特征稍有差異；PBA 越大，松軟場地-樁筏基礎(chǔ)-核島結(jié)構(gòu)體系的非線性地震效應(yīng)越強(qiáng)，安全殼和屏蔽建筑的PAAF 越小。遠(yuǎn)場大震時(shí)安全殼和屏蔽建筑的地震動(dòng)放大效應(yīng)主要由基巖地震動(dòng)經(jīng)土層上傳到核島底部時(shí)所產(chǎn)生，而近場強(qiáng)震時(shí)核島結(jié)構(gòu)自身的加速度放大效應(yīng)較為明顯。

(3)安全殼和屏蔽建筑相對于底部的峰值相對位移隨高度和PBA 的增大而增大，遠(yuǎn)場大震作用時(shí)最大、中遠(yuǎn)場強(qiáng)震作用時(shí)次之、近場強(qiáng)震作用時(shí)最小；安全殼峰值相對位移較之屏蔽建筑的稍小。

(4)地基柔性(含SPSI 效應(yīng))使周期小于輸入地震動(dòng)卓越周期的頻譜分量顯著過濾；但對低頻發(fā)育的輸入地震動(dòng)，地基柔性使周期大于輸入地震動(dòng)卓越周期的頻譜分量顯著放大；且地基柔性使安全殼結(jié)構(gòu)下部的峰值加速度反應(yīng)顯著放大、中上部的峰值加速度反應(yīng)顯著減小。