松软场地上桩筏基础AP1000 核岛结构的三维非线性地震反应特性

朱升冬，陈国兴，蒋鹏程，陈炜昀，高文生

(1. 南京工业大学岩土工程研究所，江苏，南京 210009；2. 中国建筑科学研究院，北京 100013)

核电作为一种高效稳定的新型清洁能源，很多国家将其列为新型能源开发的重点。核电的安全保障是核电发展的重中之重；对建于强地震区的核电结构，其地震安全性显得尤为关键。

我国正处于核电大规模发展时期，优质基岩核电场址越来越少。因此，近海岸松软场地上核岛结构的地震安全性已成为亟需研究的课题。一些学者已开展了土-结构动力相互作用(soil-structure interaction, SSI)效应对核岛结构地震反应的影响研究。Leonardo 等[1]建立集中质量-杆系模型及壳单元、实体单元的精细有限元模型，采用等效线性模型模拟土的非线性特性，考虑SSI 效应影响，采用SASSI 软件对比分析了多种场地条件下不同模型的楼层反应谱差异。Saxena 和Paul[2]采用等效平面应力有限元模型模拟安全壳结构，土体视为弹性介质，并采用相应等效辐射阻尼10%的Rayleigh阻尼模型，研究了SSI 效应对考虑接触面滑移和脱开影响的不同埋置深度安全壳地震反应的影响。Roh 等[3]采用频率相关的集中质量-杆系模型计算核安全壳的地震反应，给出的位移与加速度与有限元分析的结果相一致。Wang 等[4]采用较为精细三维有限元模型分析了HTR-10 核反应堆的地震反应，研究了SSI 效应对HTR-10 核反应堆地震反应的影响，并建议水平向地震动作用时土体的截断边界离核反应堆的距离不小于核反应堆尺寸的三倍。尹训强等[5]将一维等效线性场地反应分析给出的自由场反应作为输入地震动，不考虑SSI 引起的土体次非线性影响，采用集中质量-杆系模型模拟CPR1000 核岛结构，研究了土质地基条件下CPR1000 核岛结构的地震反应特性。王志亮和阳栋[6]采用实体单元和壳单元模拟AP1000 核岛结构，对黏弹性地基-核岛结构体系进行了三维地震反应分析，发现SSI 效应对软弱土质地基上核岛结构地震反应的影响不可忽略。

目前对土质地基上核岛结构地震反应特性的研究，通常采用等效线性方法考虑土的非线性特性，且仅考虑了土的非线性对自由场反应的影响，未考虑SSI 引起的土体次非线性对核岛结构地震反应的影响，或者将土体视为等效黏弹性材料，不考虑土的非线性对核岛结构地震反应的影响。由于选址条件的限制，有的核电站只能建于松软地基场址，并采用群桩基础。因此，研究土的非线性特性及松软地基-桩筏基础-核岛结构相互作用(soil-pile-structure interaction, SPSI)对核岛结构地震反应的影响具有重要的现实意义，但类似研究成果的公开报道较为鲜见。研究表明[7]，SPSI效应的存在会直接影响结构物自身及其场地的动力特性，就核岛结构的地震安全性而言，这种影响不可忽略。本文以某海岸拟建AP1000 核电厂为研究背景，基于ABAQUS 平台，建立松软地基-桩筏基础-核岛结构体系的三维有限元模型，输入不同特性的基岩地震动，考虑土的非线性特性，对该体系进行三维非线性地震反应分析，研究AP1000 核岛结构的地震反应特征，其结论对土质地基上AP1000 核岛结构的抗震设计具有重要的参考价值。

1 核岛结构体系的有限元模型

1.1 AP1000 型核岛简介

AP1000 是Advanced Passive Pressurized Water Reactor(加压水冷却反应堆)的简称，由美国西屋公司开发，是世界上最广泛应用、标准化设计、先进的III+核电技术。AP1000 主要由5 个部分组成：核岛、汽轮机厂房、附属厂房、柴油发电机厂房和放射性废物厂房，如图1 所示。核岛是最主要的结构，由安全壳(钢制安全壳和内部结构)、屏蔽建筑和辅助厂房组成，共同坐落在厚筏基础上。屏蔽建筑顶部设置有冷却系统水箱(见图2)，从水箱中流出的水在事故发生时冷却钢制安全壳的温度。水箱的体积和质量分别为约3000 m3和3000 t。

图 1 AP1000 核电厂的主要结构体系Fig. 1 Principal structural components of AP1000 nuclear power plant

图 2 核岛钢制安全壳、屏蔽建筑及其上部水箱示意图Fig. 2 Schematic profile of steel containment vessel, shield building and attached water tank of nuclear island

1.2 核岛结构有限元模型

依据AP1000 设计控制文件[8]建立标准化的简化集中质量-梁杆模型。三维(3D)集中质量-梁杆模型代表钢制安全壳及其内部结构、屏蔽建筑和辅助厂房(见图3)，主要由离散的集中质量点、弹性结构单元及刚性梁单元构成。主要的楼板标高处和结构不连续的位置设置离散的集中质量，并考虑结构刚度中心和质量中心之间的偏心。结构的偏心是通过水平的刚性梁单元将集中质量连接到垂直的弹性结构单元来模拟的。3D 集中质量-梁杆模型中各个离散的构件与子系统，通过刚性梁单元(以刚性的约束形式存在，图3 中结构间的细实线)相互连接而形成核岛结构的离散模型。由于AP1000 的几何构型不规则，通过3D 有限元模型中提取结构剖面的方法确定3D 集中质量-梁杆模型的性能参数：形心、刚心、质心的位置及等效截面面积(平移刚度)和转动惯量(转动刚度)。3D 梁单元的等效平移刚度和转动刚度可通过在特定的有限元截面顶部施加单位力和力矩获取。核岛结构整体模型耦合了反应堆冷却剂回路系统与安全壳内部结构的子系统(图3(e))；其他子系统和设备的质量被并入相应的集中质量。

图 3 地基-桩筏基础-AP1000 核岛结构体系的有限元分析模型概况Fig. 3 Overview of soil-pile-raft foundation-AP1000 nuclear island building system for finite element modeling

基于ABAQUS 平台，依据各部件的端坐标(Node)、材料属性(Material)、单元参数(Element)、单元类型(Element type)、截面或构件特性(Real constant number sets)及约束(Constraints)等信息，选择合适的单元类型进行建模，例如：采用三维两节点B31 梁单元模拟梁构件、三维两节点T3D2 桁架单元模拟杆构件、空间两节点线性管单元PIPE31 模拟管道构件等。在ABAQUS/Explicit的Part 模块中，通过端坐标建立线元素：通过坐标信息确定各梁、杆单元位置并保证其相对位置的准确性；依据各节点坐标信息建立参考点，将参考点与梁杆节点做耦合处理，在部分参考点上设立集中质量单元，赋予其应有的质量及转动惯量。AP1000 核岛3D 集中质量-梁杆模型中的梁、杆构件以特定部位的集中质量点为枢纽，串联、约束各个独立的构件，从而形成完整的结构体系，共包含203 个结构构件单元和110 个集中质量单元(其中，安全壳15 个梁单元、14 个集中质量，屏蔽建筑10 个梁单元、14 个集中质量单元)。核岛结构模型中各构件间的约束关系极为复杂，共包含406 组约束方程。在ABAQUS 中，采用耦合约束(coupling)的方式以确保节点与节点之间自由度耦合的准确定义。

由于水箱尺寸较大，水箱的存在会影响核岛结构的动力特性。核岛结构受强地震动作用时，水箱中水体的惯性和晃动效应会影响核岛安全壳和屏蔽建筑的安全[9]。水箱中储水对核岛结构地震反应的影响主要表现为附加质量和动水压力。附加质量会降低核岛结构的固有频率；地震引起的动水压力包括储水惯性引起的冲击压力和储水晃动引起的压力，作用于水体-结构界面并传递给核岛结构。美国ASCE 4-98 规范[10]和TID-7024 规范[11]建议的简化分析模型：将水箱中的水视为冲击质量和晃动质量，以分别考虑动水压力的冲击压力和晃动压力作用。Housner 三维等效质量-弹簧模型[12]假设水箱壁刚性，水箱内的水可视为不可压缩的理想液体，采用三维等效质量-弹簧体系模拟冲击压力与晃动压力作用，两者均可视为固定在水箱底部以上各自等效高度处的等效质量[13]。将水的等效冲击质量集成到屏蔽建筑相应于水箱顶、底部位置的集中质量之中(Node 310、309)；通过定义连接器单元(connector)建立零长度弹簧，将模拟水的“晃动压力”的等效集中质量点Node 312(311)与屏蔽建筑节点Node 310(309)相连，以模拟水箱和箱内水晃动的耦合效应。

鉴于AP1000 核岛结构体系极为复杂，单元种类众多，本文只给出代表性结构部位的地震反应，表1 给出模拟安全壳及屏蔽建筑的梁单元信息，表2 为代表性节点的相关参数。

表 1 核岛安全壳及屏蔽建筑的梁单元信息Table 1 Beam element information for containment vessel and shield building of nuclear island

表 2 核岛结构观测节点的相关参数Table 2 Relevant parameters of observed nodes of nuclear island building

1.3 核岛模型的可靠性分析

鉴于核岛结构的复杂性和特殊性，确保模型结构能合理地反映核岛结构体系的整体动力特性，是其地震反应分析结果可信的前提。

对核岛结构的3D 集中质量-梁杆模型多质点体系而言，其固有的振动频率，与模型的质量、结构刚度的大小及空间分布等因素密切相关。对基 于 ABAQUS 和 ANSYS 建 立的 AP1000 核岛 结构3D 集中质量-梁杆模型进行模态分析，对比不同模型结构给出的自振频率，表3 给出了体现AP1000 核岛整体结构特性的第1 阶～第15 阶的自振频率。其中前6 阶频率主要反映屏蔽建筑顶部的水箱与箱内晃动水体的3D 集中质量点-弹簧体系的振动，第7 阶～第15 阶频率则主要反映了核岛主体结构(不含冷却系统水箱的核岛结构)的自振特性。可以看出，两个模型的模态分析结果很接近。

表 3 核岛结构ABAQUS 与ANSYS 建模的模态频率对比Table 3 Comparison of modal frequencies for ABAQUS and ANSYS models of nuclear island building

文献[13]采用3D 实体单元和流体单元模型的ANSYS 有限元分析表明，相应于水箱的不同储水量(0%～100%)，AP1000 核岛结构的1 阶固有频率介于2.991 Hz～3.337 Hz。这与本文模型(储水量100%)给出的AP1000 核岛主体结构1 阶频率约2.9 Hz 基本相同。采用ABAQUS 和ANSYS 两个软件对AP1000 核岛结构建模时，由于建模方式不完全一致，其动力特性存在细微差异是必然的；即使均采用ANSYS 软件建模，由于文献[13]与本文的建模方式(模拟结构和流体的单元类型)不一样，所模拟的核岛结构动力特性也会存在细微差异。因此，本文基于ABAQUS 建立的3D 集中质量-梁杆模型合理地反映了该AP1000 核岛结构的整体动力特性。

2 群桩-场地有限元模型

某海岸拟建AP1000 核岛场地土层主要为粉质黏土，局部为粉砂。经简化的土层剖面如图4 所示，场地土层信息见表4。土层在出平面方向视为无限水平延伸的。场地模型侧向尺寸约为厚筏承台尺寸的5 倍，并在四侧边界设置黏弹性人工边界[14]；选取剪切波速约2500 m/s 的致密玄武岩作为地震基岩，视为刚性基底。

图 4 核岛场址地层剖面图Fig. 4 Stratigraphic section of nuclear island site

表 4 场地土的物理和力学参数Table 4 Physical and mechanical parameters of site soils

鉴于浅层土多为软土和可液化土层，该核岛结构采用桩筏基础，筏板厚3 m，桩顶嵌入筏板0.15 m，桩底嵌入玄武岩2 m，桩径1.5 m，桩长36 m，布桩230 根。桩筏基础采用C40 混凝土，并视为弹性材料。鉴于场地-桩筏基础-AP1000 核岛结构体系的三维非线性地震反应分析的计算规模巨大，为提高模型的计算效率，选用ABAQUS单元库中8 节点线性减缩积分单元C3D8R 模拟土体与筏板：土体1 426 125 个单元，筏板2198 个单元；选用空间两节点线性梁单元B31 模拟桩，每根桩20 个单元。

2.1 土的动力本构模型

为描述土的动力非线性特性，赵丁凤等[15]提出了基于Davidenkov 骨架曲线的不规则加、卸载法则，构造的不规则循环加载-卸载的应力-应变滞回圈如图5 所示；提出了等效剪应变的新算法并集成到ABAQUS 软件，实现了将一维本构模型拓展到二维、三维问题。Davidenkov 骨架曲线可表示为[15]：

图 5 土体的加载-卸载-再加载应力-应变曲线[15]Fig. 5 Loading-unloading-reloading stress-strain curves of soil[15]

动剪切模量和阻尼比是表征土体非线性动力特性的重要参数，也是场地地震反应分析土-结构体系动力相互作用分析的必需参数。本文通过对取自拟建核岛场址的原状土样进行自振柱试验，获得了相应的试验数据。图6 给出场地土的动剪切模量比G/Gmax和阻尼比λ 的试验曲线；Davidenkov骨架曲线参数A、B 和γr可通过拟合G/Gmax曲线给出，如表4 所示。

图 6 场地土的动剪切模量比与阻尼比曲线Fig. 6 Shear modulus reduction and damping increasing curves of site soils

2.2 场地及基础有限元模型

模型网格竖向最大尺寸 hmax取截止频率对应波长的1/8～1/10，按式(3)计算确定：

根据Huo 等[19]的研究，不考虑地下结构物与周围土体间滑移的假设是偏于安全的。为此，将承台与周围土体通过绑定约束(Tie)处理，不考虑两者的相对滑移。将桩体分区为嵌入筏板的桩段和嵌入土、岩体的桩段，采用ABAQUS 中的嵌入约束(Embedded region)模拟桩体与筏板、土、岩体的约束关系。

3 桩-土-核岛体系的动力计算方法

将由集中质量-梁杆模型多质点体系进行模拟的核岛梁构件底部的节点Node 500 通过点-面耦合的方式，与筏板顶面相连，使AP1000 核岛结构-桩筏基础-场地形成整体，3D 模型简图如图3 所示。

3.1 基岩地震动的选用

根据拟建核电站场址的地震环境资料，基于确定性和概率法的该工程场地地震安全性评价结果，核岛场址SL-1 和SL-2 级的水平向基岩地震动峰值加速度(PBA)分别为0.10 g 和0.20 g。由于拟建核岛场址及邻近地区缺乏历史强震记录，为了研究地震动特性对核岛地震反应的影响，根据核岛场址历史地震资料，选取了不同地震动特性的近场、中场、远场地震的基岩加速度记录；因强震台站场址岩层的剪切波速大于760 m/s，故可作为基岩的输入地震动记录，详见表5。调幅(0.1 g)后地震记录的加速度时程和傅里叶谱，如图7 所示。可以看出，3 个地震记录的频谱特性存在显著的差异。调幅处理后的每个地震记录，PBA 取3 个水准：0.10 g、0.15 g 和0.20 g，从模型底部沿X 向(筏板长边方向)输入水平向地震动。

表 5 基岩地震动的原始地震记录信息Table 5 Original seismic record information used as bedrock motions

3.2 动力方程的计算方法

4 考虑SPSI 效应的核岛地震反应

以安全壳和屏蔽建筑不同高程处的代表性节点为观测点，通过分析观测点的地震反应特性，可以了解核岛结构整体的地震反应状态。观测点具体信息参见表2。由于AP1000 核岛结构体系复杂，筏板-群桩基础中桩的数量大，限于篇幅，本文仅给出考虑SPSI 效应的安全壳和屏蔽建筑ZX 平面的地震反应，Z-Y 平面的地震反应、桩基内力反应等相关内容，将另文探讨。

4.1 安全壳和屏蔽建筑的谱加速度

图 7 基岩输入地震动(0.1 g)的加速度时程和傅里叶谱Fig. 7 Acceleration time histories and Fourier spectra of bedrock motions (0.1 g)

图8 给出了安全壳观测点401、406、417 和核岛底部观测点500 处的5%阻尼比的相对加速度反应谱β 谱(定义为谱加速度与峰值加速度的比值)。可以发现：1) 安全壳各观测点β 谱峰值对应的周期与输入基岩地震动的卓越周期基本相同；2) 近场强震CDMG47379 波作用时，安全壳观测点的β 谱谱值普遍小于基岩地震动β 谱谱值，尤其周期小于0.30 s 的输入地震动的滤波显著、β 谱谱值显著降低，且高程越高的观测点，其β 谱峰值越小。安全壳观测点401、406 的β 谱谱形和核岛底部观测点500 的β 谱谱形几乎一致，但安全壳顶点417 的β 谱谱形出现三峰现象，其峰值对应的周期分别为0.07 s、0.16 s 和0.42 s。这意味着安全壳顶部对周期小于0.20 s 的近场强地震作用较为敏感；3) Kumano 波作用时，0.25 s～0.50 s 周期对应的β 谱峰值较大，这是因为Kumano 波的卓越周期为0.32 s，与核岛主体结构的基本周期0.34 s(对应的自振频率2.91 Hz)较为接近，核岛结构的地震反应也较为强烈；4) 远场大震Suchil 波作用时，各观测点间的β 谱峰值相差不大，安全壳各观测点、核岛底部β 谱谱形与基岩地震动的β 谱谱形基本一致，可见低频丰富的远场波对安全壳的影响较小。

图 8 安全壳观测点的5%阻尼比的谱加速度β 谱Fig. 8 Acceleration response spectrum (5% damping)amplification factors β at observed nodes of containment vessel

图9 给出屏蔽建筑观测点80、160、310 和核岛底部观测点500 处的5%阻尼比的相对加速度反应谱β 谱。可以发现：1) 高程相近时，屏蔽建筑的β 谱谱形及大小与安全壳的基本相近：屏蔽建筑各观测点β 谱峰值对应的周期与输入基岩地震动的卓越周期也基本相同；2) 近场强震CDMG47379波作用时，屏蔽建筑观测点的β 谱曲线出现双峰现象，主峰周期约0.4 s～0.5 s，次峰周期约0.1 s～0.2 s，观测点的β 谱谱值均小于基岩谱谱值，由于多个软土层的存在，周期小于0.30 s 时，高频成分被明显削弱；3) 中远场强震Kumano 波与远场强震Suchil波作用时，屏蔽建筑观测点的β 谱谱值与高程相近的安全壳观测点基本一致。

图10 给出屏蔽建筑顶部模拟水箱“晃动水”的集中质量点Node312 的谱加速度β 谱。不论输入何种地震动，Node 312 的β 谱曲线相较于基岩谱而言，都非常明显地向长周期方向移动。基岩输入 CDMG47379 波、Kumano 波和 Suchil 波时，Node312 处的β 谱峰值对应周期分别为5.89 s、4.14 s和6.29 s。地震时冷却系统水箱中水的“晃动”，其基本频率仅为0.156 Hz(见表1)，对应的基本周期6.421 s，也即“晃动水”的谱加速度β 谱的基本周期远大于核岛主体结构的基本周期。因此，当核岛结构受到强地震动作用时，“晃动水”的等效集中质量点Node312 的地震反应大小反映了水箱中水体的晃动压力对核岛结构地震反应的影响，类似于“鞭梢效应”。

4.2 安全壳和屏蔽建筑的峰值加速度

安全壳和屏蔽建筑各观测点的峰值加速度放大系数(PAAF)，定义为观测点的峰值加速度与基岩地震动峰值加速度的比值，其大小随高程的变化见图11。

图 9 屏蔽建筑观测点的5%阻尼比的谱加速度β 谱Fig. 9 Acceleration response spectrum (5% damping) amplification factor β at different observation nodes of shield building

图 10 屏蔽建筑顶部水箱Node 312 的5%阻尼比的谱加速度β 谱Fig. 10 Acceleration response spectrum (5% damping)amplification factors β of cistern Node 312 at top of shield building

图 11 核岛结构不同高程观测点的峰值加速度放大系数Fig. 11 PAAFs at different observation points of nuclear island building elevations

安全壳和屏蔽建筑的PAAF 值均随其高程的增大而增大。核岛底部观测点500 的PAAF 值，远场大震Suchil 波作用时最大、近场强震CDMG47379波作用时次之、中远场强震Kumano 波作用时最小。安全壳和屏蔽建筑顶部的PAAF 值，远场大震Suchil 波和近场强震CDMG47379 波作用时基本相同，而中远场强震Kumano 波作用时稍小些。近场强震CDMG47379 波作用时，PAAF 值随核岛结构高程的增大速率最大、中远场强震Kumano 波作用时次之、远场大震Suchil 波作用时最小。这说明在不同震级、不同震中距的地震波作用下，SPSI 效应对松软场地上桩筏基础核岛结构地震反应的影响十分复杂。不论近场强震、中远场强震还是远场大震作用，PBA 越大，核岛结构的PAAF 越小，这表明松软场地上桩筏基础核岛结构体系的非线性地震效应随PBA 的增大而增强。安全壳(观测点401～417)和屏蔽建筑(观测点80～310)是两个独立的结构，其结构材料、截面属性和集中质量分布等都存在显著差异，两者的PAAF随高程的变化特征也存在一定的差异。

4.3 安全壳和屏蔽建筑的峰值相对位移

核岛结构各观测点的水平(X 向)位移相对其底部水平(X 向)位移之差的相对位移绝对值，一定程度上反映了地震动作用下核岛结构的水平变形状态。图12 给出核岛结构各观测点的峰值相对位移。可以发现，核岛结构的峰值相对位移随高程增大而增大；同时，输入相同频谱特性的地震波时，峰值相对位移随PBA 增大而增大。峰值相对位移的大小与输入地震动特性有关，低频丰富的远场大震Suchil 波作用时最大，中远场强震Kumano 波作用时次之、近场强震CDMG47379 波作用时最小，但输入Kumano 波和CDMG47379波计算的核岛结构峰值相对位移的差异很小。由于安全壳的刚度大于屏蔽建筑的刚度，不论远场大震、中远场强震和近场强震作用，安全壳结构的峰值相对位移差较之屏蔽建筑的均要稍小一些。

图 12 安全壳与屏蔽建筑各观测点相对于核岛结构底部节点 500 的峰值相对位移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 地基柔性对核岛结构地震反应的影响

地基柔性对核岛结构地震反应的影响机理极为复杂，涉及场地土的空间不均匀性和非线性效应、土-桩筏基础-核岛结构的SPSI 效应的耦合影响。为探究地基柔性对核岛结构地震反应的影响，图13 和图14 分别比较了刚性地基和柔性地基(含桩筏基础)条件下安全壳结构的峰值加速度随其高度的变化及顶部节点Node 417 的谱加速度β 谱谱形。对于刚性基础条件，直接在核岛底部与桩筏连接处节点Node 500 处沿X 向输入水平向地震动。

图 13 地基柔性对安全壳结构峰值加速度的影响Fig. 13 Effects of ground flexibility on peak acceleration of containment vessel building

就安全壳结构的峰值加速度反应而言，不论输入CDMG47379 波或Kumano 波，地基柔性使安全壳结构下部(高程30 m～40 m)节点的峰值加速度显著放大，相反，地基柔性使安全壳结构中上部节点的峰值加速度显著减小，尤其是强地震动(0.2 g)作用时，地基柔性使安全壳结构中上部节点峰值加速度的减小更为显著。

图 14 地基柔性对安全壳结构的5%阻尼比的谱加速度β 谱的影响Fig. 14 Effects of ground flexibility on damping 5% spectrum acceleration amplification factor β of containment vessel

当地震动从基岩上传到核岛基础时，不论输入宽频带的CDMG47379 波或低频发育的Kumano波，地基柔性(含SPSI 效应)对周期T 小于输入地震动卓越周期Tp的频谱分量具有显著过滤效应，导致柔性地基条件下核岛底部节点Node 500 的β 谱谱值小于基岩输入地震动β 谱谱值(即刚性地基条件时节点Node 500 的β 谱谱值)；同样，柔性地基条件下安全壳顶部节点Node 417 的β 谱谱值显著小于刚性地基条件下节点Node 417 的β 谱谱值。输入CDMG47379 波时，刚性和柔性地基条件下节点Node 417 的β 谱在周期大于输入地震动Tp的频谱分量谱形几乎一致；但在输入Kumano波时，地基柔性对T>Tp的输入地震动频谱分量具有显著放大效应，从而使柔性地基条件下节点Node 500 的 β 谱谱值大于基岩地震动的 β 谱谱值、节点Node 417 的β 谱谱值显著大于刚性地基条件下节点Node 417 的β 谱谱值。

5 结论

针对某拟建AP1000 核岛结构，建立松软场地-桩筏基础-AP1000 核岛结构体系的三维有限元模型，考虑土体的非线性特性，分析了不同地震动作用时核岛结构的地震反应特征，主要结论如下：

(1)安全壳和屏蔽建筑观测点的β 谱峰值周期与基岩地震动的卓越周期基本相同，且不同高程的β 谱谱形基本一致。近场强震时，观测点的β 谱谱值均小于基岩地震动的β 谱谱值。中远场强震时，对与核岛主体结构基本频率相近频段的基岩地震动的反应较为强烈；远场大震时，观测点的β 谱谱形与基岩地震动的β 谱谱形基本一致。模拟水箱中“晃动水”的等效集中质量点地震反应的大小反映了水箱中水的晃动压力对核岛结构地震反应的影响，类似于“鞭梢效应”。

(2)安全壳和屏蔽建筑的峰值加速度放大系数PAAF 随高度增大而增大，但两者的变化特征稍有差异；PBA 越大，松软场地-桩筏基础-核岛结构体系的非线性地震效应越强，安全壳和屏蔽建筑的PAAF 越小。远场大震时安全壳和屏蔽建筑的地震动放大效应主要由基岩地震动经土层上传到核岛底部时所产生，而近场强震时核岛结构自身的加速度放大效应较为明显。

(3)安全壳和屏蔽建筑相对于底部的峰值相对位移随高度和PBA 的增大而增大，远场大震作用时最大、中远场强震作用时次之、近场强震作用时最小；安全壳峰值相对位移较之屏蔽建筑的稍小。

(4)地基柔性(含SPSI 效应)使周期小于输入地震动卓越周期的频谱分量显著过滤；但对低频发育的输入地震动，地基柔性使周期大于输入地震动卓越周期的频谱分量显著放大；且地基柔性使安全壳结构下部的峰值加速度反应显著放大、中上部的峰值加速度反应显著减小。