核电站群桩基础的振动台试验及其地震响应机理

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Shaking table tests and seismic response mechanisms of group pile foundations for nuclear power plants

地震作用下桩基群-土-结构相互作用特性研究，以AP1000核电站为原型开展缩尺振动台试验，对比无桩及5/9/13根桩（间距递减）的桩基群动力响应。结果表明桩间距减小时系统刚度增大（周期缩短0.012s）、阻尼降低（5.1%-7.2%），但加速度响应增强，弯矩减小。三维有限元模型验证误差＜8.5%，参数分析表明桩-结构刚度比、结构质量、桩帽质量及土体剪切波速共同影响系统动态特性，其中桩间距影响最为显著。

　　

何文福|詹浩楠|刘飞宇|孙迪|赵慧玲

上海大学力学与工程科学学院土木工程系，中国上海200444

摘要

为了研究核岛结构在土壤场地上的桩群基础的地震响应，使用AP1000核岛作为原型进行了缩比振动台试验。研究了四种基础模型：无桩配置（NP）以及三种桩间距逐渐减小的桩群情况（分别为PG5、PG9和PG13，包含5根、9根和13根桩）。结果表明，增加桩的数量（即减小桩间距）提高了系统的刚度，使固有周期从0.136秒缩短到0.124秒，阻尼从7.2%降低到5.1%，从而降低了能量耗散能力。减小桩间距会减少结构顶部的位移，同时放大桩帽和结构顶部的加速度，并总体上降低弯矩。与角桩相比，中心桩的弯矩较小，且随深度的变化更为平缓。随着输入峰值地面加速度（PGA）的增加，桩群效应变得更加明显。在ANSYS中开发的三维有限元模型与试验结果进行了验证，加速度误差在8.5%以内。进行了参数研究，以评估桩与结构刚度比（K_P/K_S）、结构质量（m_s）、桩帽质量（m_c）和剪切波速度（V_s）的影响。数值结果表明，桩-土-结构系统的动态响应受K_P/K_S、m_s、m_c和V_s的共同影响。在减小桩间距的情况下，不同参数的系统在加速度、位移和桩身内力方面表现出不同的敏感性。这些发现强调了桩的数量和间距在调节核岛基础在土壤场地上的非线性桩-土-结构相互作用中的关键作用。

引言

地震作为一种极具破坏性和突然发生的自然灾害，对核电站（NPP）的结构完整性和运行安全构成重大威胁。强烈的地面震动会危及现场人员的安全以及关键安全系统和设备的功能，从而增加放射性泄漏等次生灾害的风险。为了减轻地震风险，核电站通常建在地质稳定的基岩区域。然而，随着全球核电站的持续扩张，这种理想的位置变得越来越稀缺。因此，许多新的核电站建在软土基础上，这对地震安全设计提出了重大挑战。2011年福岛第一核事故凸显了这些问题，促使许多国家重新评估并加强核设施的地震设计标准。类似事件进一步强调了在复杂场地条件下准确评估桩-土-结构相互作用（PSSI）的必要性。

为了深入理解建在土壤场地上的核电站的动态响应行为，已经进行了大量关于PSSI的研究。PSSI研究的发展可以大致分为几个阶段：20世纪50年代和60年代，建立了模拟结构与基础在地震荷载下耦合的基本理论框架。在这些早期研究中，土壤通常被理想化为半无限线性弹性介质，并使用集中质量模型来估算结构响应。20世纪70年代和80年代，有限元（FE）方法和边界元方法的引入使得分析更加详细。研究人员开始考虑桩的几何形状、分层土壤刚度、基础埋深以及相邻结构的影响。两种主要的建模方法——子结构方法和整体方法——成为捕捉桩、土壤和结构之间动态相互作用的标准技术。自20世纪80年代以来，非线性时域分析和三维弹性塑性本构模型的进步，以及人工边界条件和振动台试验的发展，显著提高了理论预测与实际工程行为之间的一致性。

近年来，桩群基础对结构地震响应的影响在PSSI研究中受到了广泛关注。Bagheri等人发现，桩群配置参数（如桩的数量、长度和间距）对结构位移和漂移有显著影响。Zhang等人观察到，桩-土相互作用和非线性土壤行为改变了结构内的荷载传递机制。He等人报告称，当桩长度超过某个临界阈值时，桩群可以提高基础的承载能力和稳定性。Badry等人提出，不均匀的桩刚度可能会放大结构的扭转响应。Curras等人证实了桩群对结构整体动态特性的显著影响。与传统建筑不同，由于核电站的质量和刚度较大，通常采用密集的桩群来满足承载能力和沉降要求。然而，这种做法通过引起PSSI，改变了系统的刚度、阻尼特性和能量传递路径，从而增加了结构的地震风险。因此，在核工程中，需要进一步深入研究密集桩群的地震行为。

基于上述研究背景和挑战，本研究使用AP1000核岛作为原型，设计了无桩配置（NP）和三种桩间距逐渐减小的桩群情况（分别为PG5、PG9和PG13，包含5根、9根和13根桩），进行振动台试验。试验研究了峰值地面加速度（PGA）在0.1 g到0.3 g范围内的PSSI系统的动态响应特性。动态响应包括固有频率、加速度响应、位移响应和桩内的内力。在ANSYS中开发的三维有限元模型与试验结果进行了验证。该模型用于参数化研究，以评估桩与结构刚度比（K_P/K_S）、结构质量（m< />）、桩帽质量（m< />）和剪切波速度（V< />）的影响。桩间距被确定为一个重要因素。

部分摘录

物理模型

在本研究中，构建了AP1000核电站的缩比模型，并在振动台上进行了测试，如图1所示。该原型是一个钢筋混凝土结构，总质量约为17,780吨，固有周期约为0.21秒[31]。其基础由212根C30混凝土桩组成，每根桩直径1.5米，长42米，嵌入基岩2米，桩间距为4米[32]。振动台试验在地震模拟平台上进行

FE模型描述

数值模型使用ANSYS软件开发，用于模拟测试系统的动态响应（图11）。结构柱子使用BEAM189元素建模，而结构板、桩帽和土壤使用SOLID185元素表示，这些元素能够支持大的变形、非线性材料行为和三维应力状态。为了确保梁元素和固体元素之间的力传递连续性和变形兼容性

参数分析案例

实验结果表明，包括桩间距和输入峰值地面加速度（PGA）在内的几个关键参数对桩-土-结构相互作用（PSSI）系统的动态响应有显著影响。此外，桩与结构刚度比（K_P/K< />）的变化也会影响PSSI系统的动态特性。较高的刚度比增强了基础的约束力，改变了结构的固有频率和模态形状。

结论

本研究以AP1000核岛为原型，设计了四种基础配置：无桩配置（NP）以及三种桩间距逐渐减小的桩群情况（分别为PG5、PG9和PG13，包含5根、9根和13根桩），并进行了振动台试验以研究PSSI系统的动态响应。结果用于验证在ANSYS中构建的三维有限元模型。此外，还设计了一系列参数分析案例以进行研究

作者贡献声明

何文福：可视化、项目管理、资金获取、概念构思。詹浩楠：写作 - 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论、调查。刘飞宇：可视化、调查、形式分析、概念构思。孙迪：写作 - 审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。赵慧玲：写作 - 审稿与编辑、可视化、方法论、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

我们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 [编号：52378521, 42277163]和上海探索者计划项目 [编号：24TS1412600]的支持。作者感谢该组织对本次研究的支持。