Page 20 - 2021年第52卷第7期

机墩传来的机组荷载。1990 年代初开始，有科研单位对钢蜗壳及外围混凝土开展三维有限元计算，
且随着对钢衬-钢筋混凝土这类结构承载机理研究的深入，逐步认识到蜗壳外围混凝土甚至可能是承
担内水压力的主体，需要合理配置钢筋。蜗壳外围混凝土结构不同于单纯的钢筋混凝土结构，钢蜗
壳已经按承担全部内水压力设计，因此寻求合理的混凝土配筋原则，以实现既安全又经济的目标，
成为了大型水电站蜗壳结构设计中的关键技术问题。
蜗壳外围混凝土结构由于体型复杂不宜简化为杆件体系，设计时一般采用有限元方法求得蜗壳
外围混凝土在弹性状态下的应力图形，然后按照文献［21］给出的非杆件体系钢筋混凝土结构配筋原
则，计算拉应力图形面积并确定配筋数量，简称拉应力图形法。该方法由于具备较好的操作性，易
于被工程设计人员掌握，因此在实践中得到了大量运用。工程实践表明，拉应力图形法可以保证结
构的承载能力等强度要求，但无法得出混凝土结构裂缝宽度及实际变形状态；更为关键的是，这种
方法没有反映蜗壳外围混凝土承担内水压力的比例与自身是否开裂、开裂程度的关系。对于未开裂
部位，混凝土承担了绝大部分内水压力，往往呈现全截面受拉但拉应力数值并不大，按规范中拉应
力图形法完全忽略混凝土抗拉能力进行配筋是偏于保守的；而对于贯穿性裂缝截面，钢蜗壳应力明
显增加，混凝土承担的内水压力相应减小，线弹性计算结果无法反映这种调整机制，从而导致配筋
保守。我国广州抽水蓄能电站和天荒坪抽水蓄能电站采用上述方法配筋，蜗壳外围混凝土钢筋层数
［22］
达到 5 层，以至于影响混凝土浇筑施工，但仍然无法避免蜗壳进口部位混凝土开裂 （图 2）。
文献［23］分析了拉应力图形法存在的问题，
认为蜗壳外围混凝土也可以按照钢衬钢筋混凝土
结构设计方法进行初步配筋，而不再采用拉应力
图形法。即初步计算时可假定内水压力全部由钢
蜗壳和钢筋承担，混凝土完全不承受拉力，据此
确定出各径向截面所需的钢材总面积，扣除钢蜗
壳截面积后即为外围混凝土配筋面积。实际工程
中，混凝土开裂部位和裂缝数是有限的，绝大部
分混凝土截面是完整的或部分完整的，仍然具备
抗拉强度，因此钢蜗壳和钢筋的应力会比计算值
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图 2 广州抽水蓄能电站 1 机组蜗壳外围混凝土裂缝
低得多，这一观点也被模型试验 ［24］ 和原型监测 ［25］
所证实。钢蜗壳及外围混凝土结构相比背管结构几何体型要复杂得多，部分截面混凝土尺寸大，截
面合力也不能近似为轴向受拉，存在明显弯矩。此外，厂房上部结构以及机墩下传荷载对蜗壳外围
混凝土应力状态的影响也非常显著，这些都是钢衬钢筋混凝土管道设计方法未能考虑的。因此，根
据钢衬钢筋混凝土结构设计方法进行初步配筋后，还需建立考虑上述初步配筋的有限元模型，采用
二维或三维非线性有限元方法进行计算，根据钢筋应力和裂缝宽度以及机墩不均匀上抬变形等条
件，不断调整并最终确定配筋方案。
随着蜗壳结构非线性分析方法逐渐成熟，文献［26］建议在蜗壳外围混凝土结构配筋中直接引入
非线性有限元方法，执行限裂配筋原则。其主要思想是采用规范的拉应力图形法初步计算配筋，然
后根据非线性有限元计算来复核钢筋应力和裂缝宽度，经过多次反馈分析（一般是钢筋不断优化减
少）获得经济合理的配筋方案。
综上所述，针对蜗壳外围混凝土这一复杂结构，提出一种简便的显式配筋方法是非常困难的，
随着认识的深入和分析方法的进步，行业内无论是文献［23］还是文献［26］基于开裂非线性有限元计
算的蜗壳结构配筋方法都已经有了本质的进步，避免了与蜗壳实际受力情况出现严重偏差的现象，
也成为蜗壳结构研究的重要进展之一。
3.3 以机组稳定运行为核心的优化设计理念 三峡水电站机组尺寸及重量巨大，混凝土结构显得相
对单薄，设计阶段机组厂家对座环径向柔度提出了明确要求，相当于间接地对座环周边混凝土结构
的支撑刚度提出了要求。文献［27］结合三峡 15 机组比较了不同埋设方式对座环径向柔度的影响，并
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