Page 19 - 2021年第52卷第7期

合结构，这些特点决定了蜗壳结构的受力状态难以通过结构力学解析方法获取，有限元方法成为研
究蜗壳结构的重要手段之一。对于 HD 值（蜗壳承受的水头与直径的乘积）较大的水电站而言，蜗壳外
围混凝土损伤开裂是必然的，如何准确获得外围混凝土裂缝分布、结构变形及钢材应力成为水电站
蜗壳强度安全评价的制约因素，甚至成为论证大型工程蜗壳埋入方式的技术瓶颈，为此众多学者在
蜗壳结构的非线性有限元计算研究方面投入了大量的精力。
1990 年代，受限于客观条件，研究人员大都采用自编程序开展非线性计算，蜗壳结构只能简化
为轴对称平面模型或取局部扇形区。文献［7-10］的研究工作基本抓住了混凝土抗拉强度低的主要矛
盾，但计算模型和计算假定与实际存在一定差异，自编程序未能在行业内推广应用。
进入 21 世纪后，国内引进的 ANSYS 程序中 Solid65 混凝土单元采用改进的 William-Warnke 五参
数破坏准则，可以模拟混凝土压碎和开裂，混凝土单元每个高斯积分点最多有 3 条相互垂直的裂缝，
钢筋一般采用整体式模型，为此天津大学、大连理工大学及武汉大学的研究人员采用上述数值模型
做了大量有意义的计算研究工作。伴随计算机计算能力的进步，蜗壳结构非线性分析也实现了从二
维到三维的突破 ［11-13］ 。但是采用 ANSYS 程序开展蜗壳结构非线性计算的过程中逐渐暴露两个突出的
问题：（1）混凝土材料一旦达到抗拉强度便完全丧失承载能力，与实际不符；（2）蜗壳结构体型复
杂，外围混凝土中至少布置 2 ~ 3 钢筋，大型工程蜗壳局部甚至达 5 层钢筋，整体式钢筋模型特别难
以开展三维计算。为此，武汉大学研究人员开始尝试将 Abaqus 程序应用到蜗壳结构三维非线性计算
中，该程序中的塑性损伤模型可自定义混凝土受拉、受压软化段，可考虑混凝土单向加载损伤后的
刚度退化和循环反复加载刚度的转换，钢筋采用离散式模型嵌入混凝土中，自动耦合自由度，解决
了 ANSYS 程序存在的两个主要缺陷，为蜗壳结构的三维非线性分析创造了极大的便利条件。
三峡水电站蜗壳埋入方式从 1990 年代开始论证，最终 32 台机组中 21 台采用充水保压蜗壳，9 台
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采用垫层蜗壳，2 台采用直埋-垫层组合蜗壳（15 、27）。文献［14-15］以 15 机组蜗壳为对象，拟定了
4 条混凝土拉伸软化曲线进行了研究，计算结果表明混凝土软化段对典型区域的钢材应力、裂缝宽度
以及结构变形的模拟效果非常明显，但同时存在较大影响，需要谨慎选取。与此同时，从结构强度
上来看，三峡采用直埋-垫层组合蜗壳是安全的，但在蜗壳上下蝶边附近、直管断面及 0°断面的顶部
和腰部、180°和 270°断面的腰部可能出现贯穿性裂缝（图 1），通过优化配筋基本可以把裂缝宽度限制
在允许范围内。文献［16］的研究表明蜗壳各钢部件应力均远小于钢材允许应力，外围混凝土仅在局
部较薄处出现较大的损伤，其他部位的损伤指标均较小，从强度上可以保证直埋蜗壳在高 HD 值水电
站中的正常运行。文献［17］探讨了三峡直埋蜗壳的结构优化措施，认为仅靠增加配筋不能防止贯穿
性裂缝，延长垫层铺设范围至 45°断面并适当布置 C40 混凝土的效果更好。文献［14］和文献［18］则进
一步开展了内水压力循环反复作用下的非线性计算，结果表明内水压力反复加载会导致钢材应力、
裂缝宽度以及结构变形进一步演变，但随循环次数的增加将趋于稳定。之后，武汉大学研究人员进
一 步 结 合 景 洪 及 溪 洛 渡 水 电 站 开 展 了 相 关 研 究 ，
结果表明从强度的角度出发，直埋蜗壳的安全性
是很高的 ［19-20］ 。
以三峡水电站等大型工程为依托，经过国内
多家科研单位长达 10 多年的积累，研究人员在蜗
壳结构的非线性数值分析方法方面取得了重大突
破，论证了直埋蜗壳或直埋-垫层组合蜗壳应用于
大型工程的可行性，成为蜗壳结构研究的重要进
展之一。
3.2 钢蜗壳外围混凝土配筋原则 我国早期建设
的工程一般采用平面“Γ”形框架法对蜗壳外围混凝
土结构进行配筋，计算时假定钢蜗壳承担全部内
水压力，外围混凝土只承担水轮机层楼面荷载和 图 1 三峡 15 机组蜗壳结构混凝土损伤
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