核设施结构-土-结构相互作用下的地震评估：射线追踪波传播与阻尼校准的影响

针对核设施群地震安全评估中结构-土-结构相互作用（SSSI）的复杂性问题，研究人员开发了集成分区矩阵模式、阻尼参数校准与GPU加速的高效理论模型。研究揭示了相邻核结构间距、基底高差及夹层刚度对楼层响应谱的显著影响（峰值变化达45%），为核工程抗震设计提供了高精度射线追踪波场分析新范式。

　　

核能设施的安全运行始终是能源领域的重大课题。2011年福岛核事故后，全球对核电站抗震性能的要求陡然升级。尤其当多个核结构密集分布于同一场地时，它们通过土层传递的地震相互作用（Structure-Soil-Structure Interaction, SSSI）可能引发连锁风险。传统单结构土壤相互作用（SSI）分析已无法满足复杂场址的评估需求，而现有数值模拟方法又面临计算规模庞大（超千万自由度）、阻尼模型失准、波场传播失真等瓶颈。如何突破这些限制，建立兼顾精度与效率的SSSI分析体系，成为核工程抗震领域的迫切挑战。

针对这一难题，中国的研究团队创新性地将射线追踪波场理论与多阻尼耦合模型相结合，构建了适用于核设施群的高性能计算框架。该研究通过将粘弹性人工边界（VSAB）转化为表面单元，实现了波场传播的高保真模拟；采用分区阻尼矩阵组装策略，解决了核结构（高频）与土层（低频）动态特性差异导致的能量耗散失真问题。借助GPU并行计算技术，研究团队成功完成了包含土壤非线性、十百万自由度量级的批量化参数分析，相关成果发表于《Soil Biology and Biochemistry》。

关键技术方法包括：1）基于域缩减法的外源波场建模，采用改进的粘弹性人工边界（VSAB）处理波辐射；2）分区阻尼校准技术，对核结构与土壤分别采用Rayleigh阻尼和滞后阻尼模型；3）CUDA平台GPU加速的隐式动力算法，支持复杂单元类型的兼容计算；4）典型模块化反应堆建筑（RB）的精细化建模与相邻结构的集中质量-梁模型（LMBM）简化策略。

代表性场景与建模创新

研究选取核岛区域常见的结构对布置场景，主结构采用包含内部设备的精细化有限元模型，相邻结构则用经过验证的集中质量-梁模型（LMBM）等效。通过网格拼接技术解决嵌入结构导致的网格划分难题，并建立考虑基底高差的三维波场入射模型。

高效计算策略

开发的分区系统矩阵模式将整体刚度矩阵分解为结构、土壤及相互作用子域，配合双精度GPU显存优化，使千万自由度模型的求解效率提升8倍。阻尼参数通过自由场分析反演校准，确保Rayleigh系数与场地土动力特性匹配。

验证与参数分析

半球形山谷算例验证显示，改进VSAB单元对P/S波散射的模拟误差小于5%。在CAP1400机组案例分析中，发现：1）基底高差变化可使竖向楼层谱峰值波动45%；2）较软夹层材料具有减震效果，而硬质夹层会放大响应谱；3）5-15Hz频段内SSSI效应使加速度响应增强30%。

这项研究建立了目前最完整的核设施SSSI分析技术链条，其创新性体现在三个方面：首先，提出的射线追踪-阻尼校准耦合模型首次实现了复杂场地波传播与结构响应的协同精确模拟；其次，GPU加速框架使大规模非线性分析效率达到工程实用水平；最后，系统化的参数研究为核电站间距设计、基底标高优化提供了量化依据。该成果不仅适用于传统压水堆，对小型模块化反应堆（SMR）的密集布置方案更具指导价值，标志着核设施抗震评估从"单点突破"迈向"系统集成"的新阶段。