Page 23 - 2021年第52卷第7期

的混凝土弹性模量人为折减，存在较大的人为因素，而后者混凝土单元弹性模量则根据静力损伤程
度由程序自动计算折减，具有较高的计算精度。分析上述研究成果可知，无论采用哪种力学模型，
蜗壳外围混凝土的材料非线性都不是厂房动力特性和响应的主要影响因素。
相比材料非线性，钢蜗壳与混凝土之间的动力接触问题关注度相对不足，目前仅中国水利水电
科学研究院的研究人员结合三峡水电站开展了相关研究 ［54］ ，结果表明：（1）进行流道脉动压力作用下
的厂房振动分析时，钢蜗壳与混凝土之间的接触不能被忽略；（2）钢蜗壳与外包混凝土之间初始缝隙
的存在，对混凝土结构能起到一定程度的隔振作用。实际监测结果和计算结果对比分析也表明，厂
房实际振动响应小于计算值，文献［55］分析原因之一可能是钢蜗壳与混凝土之间实际缝隙大于预期
设计值，并推测实际运行时 3 种蜗壳埋设方式下钢蜗壳与混凝土之间可能都存在缝隙，这与过去假定
任何水头下直埋蜗壳和垫层蜗壳必然贴紧混凝土是相悖的。文献［56］结合景洪直埋蜗壳开展了现场
振动测试，测试结果表明，经钢蜗壳传导后，蜗壳内部的水力振动由低频振动转移至高频振动，而
经过混凝土后再次降频，首次从频域的角度分析了脉动压力的传导规律。
综合以上分析可知，目前关于钢蜗壳与混凝土之间动态接触问题的研究尚不充分，低水位低温
季节时，钢蜗壳与外围混凝土接触面在一定范围可能长期处于脱空状态，脉动压力沿钢板-缝隙-混
凝土向外传递，钢蜗壳-混凝土动力接触属性对钢蜗壳及厂房结构振动响应的影响值得进一步研究。
（5）钢蜗壳及座环疲劳失效。文献［57］的研究表明，蜗壳座环在脉动压力作用下不会发生高周疲
劳破坏，脉动压力引起的动应力幅值较低。与流道脉动压力相比，蜗壳充水运行和放空带来的静水
压力循环幅值较高，蜗壳和座环的应力幅值较高，可能引起流道金属结构出现低周疲劳破坏 ［58］ 。该
问题对于承担调峰调频的常规机组和抽水蓄能电站是比较突出的，承担调峰调频的机组往往开停机
频繁，负荷变化范围大，例如隔河岩水电站每年开停机达到 1800 次。鲁地拉水电站运行不久座环固
定导叶发生了疲劳断裂 ［59］ ，且该现象并不罕见 ［60-61］ 。随着蜗壳 HD 值的增大，乌东德水电站已经采用
800 MPa 级高强钢，钢蜗壳应力水平将随之进一步提高。但作为焊接结构，提高母材的屈服强度对焊
接接头疲劳特性的影响并不明显 ［62］ ，高强钢的使用与钢蜗壳疲劳风险之间的内在联系应该引起重视。
蜗壳结构体型复杂，由于过去研究蜗壳结构时侧重点不同，对钢蜗壳和座环局部构造的模拟不够精
细，而局部不连续的部位恰好是容易出现应力集中的部位。钢蜗壳管节和座环之间焊缝众多，尤其蜗壳
鼻端区域焊接非常复杂，并非典型的焊接接头，疲劳分析时名义应力的定义以及 S-N 曲线的选取都是比
较困难的。目前常用的名义应力法、结构应力法及缺口应力法在实用性和科学性方面存在各自的优势和
［63］
不足 ，如何综合应用到蜗壳结构的疲劳分析中是未来非常值得研究的课题。
4.2 应用发展方向 文献［6］和文献［64］分别强调应以“控制”的理念看待垫层和缝隙，武汉大学和天津
大学研究人员提出了两种缝隙构造方式，为蜗壳埋设方式的发展提供了新的思路，与“控制”理念相契合。
（1）预热膨胀构造初始缝隙的蜗壳埋入方式。施工阶段通过加热钢蜗壳产生膨胀变形，采用预热
膨胀的方式替代充水保压。文献［65］的研究表明，预热膨胀与充水保压两种方式下，钢蜗壳产生的
初始变形、初始间隙分布及闭合规律具有明显差异，但从外包混凝土承载比、运行期混凝土应力水
平及特征截面合力的宏观角度出发，预热膨胀埋设方式能够减小运行期蜗壳内水压力向混凝土传
递，两种方案存在替代关系。
（2）可融涂层构造初始缝隙的蜗壳埋入方式。相比充水保压和预热膨胀方式间接形成缝隙，该种
蜗壳埋入方式属于直接形成缝隙。蜗壳安装固定后，在钢蜗壳外表面涂抹一定厚度的石蜡或某种涂
层，涂层厚度可通过有限元计算拟定；混凝土硬化后，通过加热钢蜗壳到一定的温度融化涂层并从
预留孔排出，以形成缝隙。采用这种埋入方式可以省去充水保压阶段的闷头和座环内封环，施工相
对简便，但需重点研究涂层材料的热稳定性。

5 结语

经过我国工程设计人员和研究人员的努力，20 多年前关于建设期蜗壳埋入方式的诸多疑问获得

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