第三节蜗壳
一、金属蜗壳
1.结构型式
根据金属蜗壳外围混凝土结构的受力情况，可分为三种结构型式。
（1）外围混凝土结构不分担蜗壳内水压力。这种金属蜗壳顶面钢板与外围结构之间用弹性垫层隔开，如图18-5所示。这种结构型式为我国所普遍采用。
外围混凝土结构不分担内水压力的金属蜗壳，在尾水管锥管段钢衬安装和周围混凝土浇筑完成后，安装座环及钢蜗壳，在蜗壳上半部表面铺上弹性垫层，然后浇筑蜗壳的外围混凝土。外围混凝土结构的体积大时应分层分块浇筑。金属蜗壳本身刚度不够时，浇筑外围混凝土期间，在蜗壳内应设撑架。外围混凝土浇筑完毕后，通过水轮机座环上的预留孔或管道浇筑座环下未填实的部分。
图18-5 有弹性垫层的金属蜗壳
在这种金属蜗壳中，弹性垫层的作用是保证蜗壳在内水压力的作用下可自由变形，不会将力传给外围结构。为了保证渗人垫层空隙的水能顺畅排出，在垫层最低处应留有排水设施。此外，还应注意在浇外围混凝土时，或对蜗壳底部压浆充填孔隙时，防止垫层空隙被水泥浆填实而失去弹性。弹性垫层通常用三毡四油构成，或者用软木沥青构成。垫层的厚度应满足金属蜗壳自由变形的需要。某水电站厂房金属蜗壳的垫层为用锯末、麻刀和沥青做成的5cm 厚、50cm×50cm软木板，板的曲面与蜗壳形状贴合。铺好软木板后，再铺二毡三油，这样最后完成的垫层厚度接近6cm。由此可见，弹性垫层对施工质量的要求很高，给施工带来不少麻烦。
采用金属蜗壳与外围结构用垫层分开的这种结构型式时，两者受力明确，外围结构只承受本身自重和从上部传来的荷载。
（2）外围混凝土结构承担少部分蜗壳内水压力。采用这种结构型式的金属蜗壳，在蜗壳安装好之后，采取措施临时封闭蜗壳的进出口，向蜗壳内充水并加压到预定值，然后浇外围混凝土，3-7天后卸除内压，再浇筑蜗壳座环下未填实的部分，施工结束时蜗壳与外围结构之间存在空隙，空隙的大小与预加压力有关。
这种结构型式的金属蜗壳，运行时，蜗壳内水压力未达上述预加压力前，蜗壳单独受力；当内水压力增大，蜗壳变形，钢板与外围结构接触后，蜗壳与外围结构共同承担增加的部分水压力。
这种结构型式的金属蜗壳，施工时所施加的预压力大小视外围结构承担的能力而定。有的电站以正常运一行时蜗壳承受的最大静水压力为预压值，这样蜗壳与外围结构共同承担水
击部分的压力。
采用这种结构方式不必设垫层，也不会出现垫层被水泥浆堵实的问题：运行中蜗壳与外围结构紧密接触共同受力时，蜗壳振动可以减轻。
（3）外围混凝土结构与蜗壳共同承担内水压力。图18-6所示为外围结构与蜗壳共同承担内水压力的金属蜗壳剖面图。外围结构要承担较大的内水压力，在结构内配置了较多的钢筋，这时蜗壳本身承担的压力减小了，因而钢板的厚度可得以减小。
图18-6 外围混凝土结构与蜗壳共同
承担内水压力的金属蜗壳剖面图
以P为蜗壳设计内水压强，D为蜗壳进口直径，PD值很大时，如由蜗壳承受全部内水压万，要求的钢板厚度过大，对钢板的质量要求高，给钢板的弯卷和焊接也带来了很大困难，这时采用蜗壳与外围结构共同承担内水压力，可以减小板厚，同时蜗壳与外围结构共同受力，可以提高整体安全性。
2.蜗壳外围结构设计（外围结构不承担内水压力）
（1）设计荷载和计算情况。外围结构的设计荷载有以下几种。
1）结构自重；
2）由发电机支承结构传来的荷载；
3）水轮机层地面活荷载。
外围结构的计算情况为正常运行情况，荷载组合包括上述三种荷载，属基本组合。
(2)内力计算。金属蜗壳外围结构是指水轮机层以下二期混凝土范围内的钢筋混凝土结构，是一个整体性强的空间结构，其体形复杂，因而，除了可用三维有限元法分析其空间应力状态外，还没有精确的方法可用以计算外围结构的内力。
目前外围结构设计中，一般还是采用平面框架结构力学法计算内力。
从蜗壳进口断面开始选择若干个断面，在每个计算断面上径向切取单位宽度的平面结构，如图18-7所示。按平面变形问题г形框架计算内力，这种方法称为平面框架法。
图18-7 金属蜗壳外围结构计算简图
г形框架的取法有两种：
1)等截面框架。框架由截面不变的横梁和立柱组成。横梁A端取于水轮机座环中心，见图18-7（a)。立柱底端取于蜗壳断面最低点的高程上，或者取于水轮机导叶中心的高程上，见图18-7（b）和（c）。
一般取横梁和立柱杆件中心线组成框架计算简图，A端取铰支，C端或G端取固结。外围结构杆件的截面高度一般均较大，B点附近位于截面高度范围内的杆段往往取为刚性段以考虑结点刚性域的影响。杆件截面的高度与跨度之比较大时，计算中应考虑剪切变形的影响。(SD335-89，试行）《水电站厂房设计规范》建议在下列条件下，应考虑剪切变形和结点刚性域的影响：
两端固结的杆件
一端固结一端铰结杆件
式中l一杆件净跨；
h-截面高度或刚性段长度。
2)变截面框架。图18-7所示蜗壳外围结构计算所取的变截面框架如图中（d)所示，变截面框架比等截面框架更接近结构的体形，但计算比较复杂。
除了以上两种取法外，根据具体条件，还可选取其他计算简图。
不同简图计算所得杆件的内力分布不尽相同。图18-7中所示三种计算简图的计算结果表明，简图(c)和(d)中B点的弯矩比较接近，但简图(c)无法求出c点截面上的弯矩。因而，在工程设计中，有时需按不同简图分别进行计算，综合考虑后进行配筋。
杆件A端的约束条件也不易精确选定，除铰支外，有时也可取固结，约束条件不明确时，也可按不同假定同时进行计算，然后综合分析配筋。
（3）配筋。金属蜗壳外围结构的混凝土拯号应不小于150号（28天龄期）。
通常对整个外围结构选取控制断面进行内力计算和配筋，有经验时也可只计算一个进口断面，其他断面参照配筋。
结点刚性域内的杆段为刚性段时，有时计算所得柔性端的弯矩比刚性端结点处小得多，或者甚至两者符号都不同，这时在配筋时应作适当调整。《水电站厂房设计规范》建议按式(18-45)调整柔性端的弯矩
