垫层蜗壳由于施工方便、工期较短和造价低,应用前景广泛。在国内装置700MW及以上机组的大型水电站中,三峡水电站中的9台机组和龙滩、拉西瓦的全部机组均采用了传统的垫层埋入方式,而向家坝、溪洛渡、乌东德、白鹤滩水电站的全部机组则采用了局部垫层的组合埋入方式。垫层蜗壳结构的力学特性受诸多因素的影响,如钢蜗壳与垫层、混凝土之间接触传力关系、垫层的空间属性和材料属性等,只有系统深入研究其结构特性的影响机制,才能更好的指导大型工程的建设。另一方面,随着地下厂房应用越来越普遍,厂房结构与围岩之间的动力相互作用对厂房结构的自振特性和动力响应(内源振动、地震响应)的影响是需要重点研究的问题。为此,本文采用有限元方法,结合鲁地拉实际工程,重点对以下几个方面开展研究：(1)为全面揭示垫层蜗壳结构特性的影响因素和程度,本文对钢蜗壳与垫层之间的摩擦系数、垫层平面铺设范围、子午断面铺设范围、垫层刚度系数以及是否设置伸缩节和止推环等结构因素进行了细致的研究。结果表明,摩擦系数、垫层平面铺设范围、垫层刚度系数应作为座环抗剪分析的重要考虑因素,对座环较优的垫层平面铺设范围为45°断面之前或270°断面之后；摩擦系数、垫层子午断面包角、垫层刚度系数是决定蜗壳断面内水压力外传比例的关键因素；对机墩竖向不均匀变形而言,较优的垫层平面铺设范围为90--180°断面附近,机墩不均匀变形对子午断面垫层铺设范围、摩擦系数这两个因素不敏感,但对垫层刚度系数较为敏感；伸缩节的设置不利于座环的抗剪,此时可以考虑增设止推环。(2)为进一步论证减小传统垫层铺设范围对于协调蜗壳结构主要矛盾的价值,本文结合鲁地拉水电站蜗壳结构,基于混凝土塑性损伤模型,对传统垫层方案、直埋方案和直埋-垫层组合方案进行了三维非线性有限元分析。结果表明,直埋-垫层组合方案对于限制蜗壳直管段混凝土的开裂损伤可以取得与传统垫层方案相同的效果,对于控制机墩不均匀变形,二者效果也较为接近,但直埋-垫层组合方案对于座环抗剪相对有利,因此类似工程可以优先考虑这种蜗壳埋入方式。(3)地下厂房结构与围岩之间的相互作用以及自身的结构形式是厂房结构动力特性的决定性因素。研究结果表明,不同弹性边界条件对厂房整体振动频率的影响可达10%以上,但对厂房前20阶局部结构的自振频率影响甚小；楼板厚度增加10～20cm对厂房前20阶局部结构的自振频率的影响不到5%,增加40cm时某些阶次可以提高10%左右,但前20阶自振频率区间仍然变化较小,增加立柱后局部结构的自振频率能够提高10%左右,但由于厂房结构自振频率的密集性,从共振校核的角度,均不足以作为避开厂房内部激振频率的有效措施。(4)为研究地下厂房结构内源振动响应的特点和切实可行的抗振措施,本文采用三维有限元动力方法,研究厂房结构在机组振动荷载和流道内脉动压力作用下的动力响应。结果表明,额定运行时机组振动荷载引起机墩结构的振幅较小,动应力较大的区域仅集中在荷载作用的局部区域。一般情况下尾水管低频涡带是水轮机流道中最常见的压力脉动振源,但若全流道脉动压力的激振频率出现转轮叶片数频率,则发电机层楼板和母线层楼板在吊物孔和楼梯孔结合的部位竖向振幅会较为突出,在该部位增加立柱、将暗梁变为明梁都能有效降低该部位的振幅。(5)地下厂房结构抗震分析方法和地震响应特点一直较少被关注。为考虑厂房结构与围岩之间的动力相互作用,本文在ANSYS平台的基础上,采用APDL语言编制粘弹性人工边界自动添加程序以及结点荷载地震波输入程序。计算表明,这种处理方式对于地下厂房结构抗震分析是可行的,计算效率较好；厂房结构地震响应较大的部位出现在母线层楼板以上结构,楼板主体结构的拉压应力峰值均不超过0.6MPa,说明地下厂房结构抗震性能良好。