Development of a semi-empirical friction model in automotive driveshaft joints

High speed and sport utility vehicles with large joint articulation angle demand lower friction in automotive driveshaft joints to meet noise and vibration comfort levels. Thus a more thorough understanding of internal friction characteristics and mechanisms is required. In this paper, a friction model in automotive driveshaft joints was developed through the use of test data from an instrumented Constant Velocity (CV) joint friction apparatus with actual driveshaft assemblies. Experiments were conducted under different realistic operating conditions of oscillatory speeds, CV joint articulation angles, lubrication, and torque. The experimental data was used to develop a physics-based semi-empirical CV joint internal friction model as a function of different CV joint operating parameters. It was found that the proposed friction model captures the experimental results well. Also the friction model estimates the generated axial force (GAF) in tripod CV joints well, which is the main source of force that causes vehicle vibration problems.     

沉管隧道柔性接头压缩性能研究

柔性管节接头是沉管隧道的重要组成部分，接头的压缩性能决定了沉管接头的水密性能及安全性，但目前针对沉管隧道柔性接头压缩性能的研究相对缺乏，接头压缩性能参数的取值缺乏试验结果的支撑。基于此，以港珠澳大桥沉管隧道为研究背景，设计了几何比尺为1：10的隧道管节和接头模型，并进行了大比尺结构试验和止水带材性试验。通过对沉管隧道管节柔性接头逐级施加轴向荷载，试验获得了接头轴向位移随轴向荷载的变化曲线，并与止水带材性试验结果进行了对比分析，揭示了柔性接头的非线性压缩性能：接头压缩性能受GINA止水带自身压缩性能影响；相比材性试验，结构试验结果中接头压缩量普遍偏小2~3 mm，相对差异可达21%。为了进一步验证试验结果，分别建立了二维和三维止水带有限元模型，通过对比试验结果与有限元计算结果，分析并量化了试验中支座摩擦、止水带长度、形状及其横向约束等对试验结果的影响规律。量化分析结果显示，支座摩擦、止水带长度及横向约束对试验结果影响较小，可忽略不计，但止水带纵向尺寸对结构压缩性能影响较为显著，结果相差最大达到8.8%。最后基于试验结果提出了一种可用于模拟沉管接头压缩性能的简化力学计算模型，亦可应用于其他柔性接头的轴向力学分析。     

钢筋混凝土直螺栓管片接头抗弯极限承载力的简化计算模型

为了研究盾构隧道混凝土管片中轴力对接头极限弯矩的影响,将螺栓连接的混凝土管片接头简化成梁模型,建立混凝土管片接头极限承载力的计算模型。基于弯矩作用下管片接头截面平面变形假定,推导管片接头截面力平衡和弯矩平衡表达式,建立受拉区螺栓应力与受压区高度和混凝土极限应变之间的关系。以北京地铁隧道和上海地铁隧道管片为例,分析轴力对混凝土管片接头极限承载力的影响,并研究管片接头的破坏方式。研究表明,地铁隧道管片接头的极限承载力随着轴力的增加而增加,将解析模型计算结果与有限元模型结果进行对比,验证了所提出计算模型的准确性。     

螺栓对盾构隧道管片接头抗弯承载力的影响

抗弯承载力是管片接头的重要力学属性,可为评价管片接头或整环结构承载安全提供重要参考,而螺栓是管片接头的重要组成部分,由于实际工程中接头连接螺栓可能失效,因此研究螺栓对于管片接头抗弯承载力的影响十分必要。为此,首先基于经典钢筋混凝土构件抗弯理论和压弯荷载下管片接头受力特征,建立了考虑复杂接缝面构造的接头抗弯承载力理论模型,然后分别开展有螺栓接头和无螺栓接头抗弯破坏试验对理论模型进行验证,最后基于理论模型,针对厚度0.40~0.65 m的6种典型管片接头,分析有、无螺栓对接头抗弯承载力的影响。研究结果表明：高轴压下,有螺栓管片接头和无螺栓管片接头的破坏过程分别可分为3个阶段和2个阶段,接头受压区边缘混凝土接触后破坏现象开始密集产生;正负弯矩下,有螺栓和无螺栓接头抗弯承载力理论模型与足尺试验的最大相对误差分别为5.6%和6.1%,表明理论模型具有较高的计算精度;对于不同厚度管片接头,轴压比大于0.309~0.455（正弯,负弯为0.417~0.499）或偏心距小于0.101~0.166 m （正弯,负弯为0.071 1~0.099 2 m）时,螺栓对其抗弯承载力无影响,因此当管片接头处出现连接螺栓失效等情况时,可适当增大接头轴力或降低接头偏心距,以减小螺栓对接头抗弯承载安全的影响。     

基于原位监测的装配式地铁车站结构拱顶接头力学性能分析

为研究对装配式结构承载起到关键作用的拱顶接头力学性能，基于长春地铁装配式车站长期原位监控量测，对承受弯矩较大的拱顶接头进行整个施工期的力学行为分析，讨论拱顶接头应力、相对变形量以及相对转角随施工进程的变化趋势，分析拱顶接头在不同施工阶段的性能表现，并与数值计算结果进行比较。研究表明： 1）顶部构件落拱拼装成环刚开始，结构有一段时间的自适应期，接头应力和变形较大； 2）覆土回填以及水位恢复之后，接头所受轴力增大，应力和变形减小，对接头承载起到正向作用； 3）接头应力整体变化幅度不大，施工期间双榫接头的2个榫头依靠彼此的咬合作用承担外力，并表现出一拉一压2种不同的性质，施工结束之后最终都稳定在压应力状态； 4)拱顶接头整体变形较小，安全余量较大。     

沉井式预制拼装结构壳-接头模型的三维数值模拟

为了能够实现机械化竖井作业以及提高竖井施工的预制装配率,垂直竖井自动挖掘法（VSM工法）在国外许多国家开始了应用。以东方路竖井式地下停车库为背景,考虑实际管片间的接缝与错缝拼装效应,建立沉井式预制拼装结构接缝的4环壳-接头模型,并利用已有的矩形管片接头试验进行模型验证。重点研究分析在正常使用工况下3种计算位置处各环的内力分布情况、整环水平径向收敛以及纵缝相对变形等。结果发现： 考虑接缝与错缝拼装的4环壳-接头模型计算出的管片环弯矩比不考虑接缝管片环弯矩的结果要小,轴力相差不大,管片环内呈现出较为明显的径向收敛差异,使得变形类似于“圆台”状。     

盾构隧道管片接头三维精细化数值模拟研究

针对现有盾构隧道管片接头构造数值模拟难以准确反映接头实际受力和变形过程的问题,以苏通GIL工程管片接头为研究对象,建立三维精细化接头数值模型,模型采用实体单元模拟接头混凝土、螺栓、套筒、垫片等构造并在螺栓上施加预紧力,采用梁单元模拟钢筋。通过接头抗弯足尺试验验证数值模型计算结果的准确性,进而分析螺栓连接状态对于接头抗弯性能的影响。结果表明： 1）所建立的接头三维精细化模型能较好地反映接头在压弯荷载作用下的变形规律,与接头抗弯足尺试验结果的对比表明其具有较好的计算准确度; 2）正负弯矩作用下,无螺栓时接头总体上更易发生张开和竖向变形,正弯矩下有无螺栓对于接头张开、竖向变形的影响较大且与轴力和弯矩有关,负弯矩下两者之间的差距较小且基本不变; 3）接头采用斜螺栓连接时,正弯矩下有无螺栓对于接头抗弯刚度的影响较负弯矩下更大。     

装配式地铁车站不同结构型式对注浆式榫槽接头的力学性能影响

为研究装配式地铁车站结构型式和注浆式榫槽接头之间的力学性能影响关系，对比和分析了纯铰接接头结构、变刚度接头结构、刚性接头结构和现浇结构4种结构型式的内力和变形，并依托深圳装配式地铁车站结构方案选型，对比分析了高拱结构和坦拱结构对接头承载性能的影响。结果表明： 1）非刚性变刚度的注浆式榫槽接头对于预制构件弯矩的调幅作用明显，具有较好的变形能力。2）高拱结构的AB和BC接头安全余量较坦拱结构更大，但是顶拱接头安全余量表现弱于坦拱其他接头； 考虑到所有接头都处于线性阶段，综合考虑运输和投资等因素，最终选用坦拱结构。3）利用接头承载特征曲线对坦拱结构的各个接头承载能力进行验算，结果表明，接头均满足要求，且有较大的安全余量。     

盾构隧道管片接头三维数值模型边界条件研究

三维精细化数值模型有助于深入研究盾构隧道管片接头的力学性能,如何准确地将室内试验和数值模型的边界条件相对应是研究中的关键问题之一。在接头抗弯性能的研究中,轴力偏心距的影响不可忽视,以往研究大多对其进行理想化的处理,因此带来较大误差。针对管片接头压碎试验中轴力施加位置的不确定性进行探讨,证明了通过求解线性方程,并根据数值模拟和试验的偏差来确定初始轴力偏心距的可行性和合理性。并模拟出了管片接头在正负弯矩作用下变形至破坏的全过程,最后对正负弯矩作用下管片接头抗弯试验和三维有限元模拟提出建议。     

异型钢独塔斜拉桥抗震性能分析

青海省西宁市西平大街异型钢独塔斜拉桥的结构、交通荷载较为复杂。为了保证该桥的抗震安全,使项目能够顺利进行,从桥梁空间动力模型建模、摩擦摆支座模拟、地震动输入方向3个方面进行分析,完成了桥梁的建模计算。结果表明：沿纵桥向输入地震动时,边塔的轴力和剪力远大于主塔,而沿横桥向输入地震动时,主塔的轴力、剪力和弯矩均大于边塔;选用的摩擦摆减隔震支座设计减隔震起始力为竖向承载力的10%,在E2强震作用下,支座进入减隔震摆动工作状态,有效延长了结构自振周期,实现了该桥减隔震设计;伸缩缝的设置应预留足够梁体位移量,以避免地震时梁体与桥台发生碰撞;桥台与主梁之间设置黏滞阻尼器,可有效控制梁体和桥塔的纵向位移,并起到减震耗能的作用。     

纯压弯受力下大断面盾构隧道管片接头抗弯足尺试验研究

针对管片接头抗弯试验中接头是否处于纯压弯受力状态影响试验结果准确性问题,设计一套可使接头具有较大转动角度、保证其处于纯压弯受力状态的抗弯加载装置,并开展一系列不同轴力和弯矩下接头抗弯性能试验,试验中采用差动式位移计和应变传感器等对接头变形和螺栓应变进行测量。基于试验结果得出： 1）接头处于纯压弯受力状态时,正负弯矩下管片接头竖向位移、张开量、闭合量、转角、螺栓应力随弯矩变化的曲线较为平顺; 2）正弯矩下接头张开高度随弯矩变化可分为2个变化阶段,而负弯矩下受接缝面复杂变形接触关系影响,在上述2阶段变化规律之间出现了明显的“平台段”; 3）接头采用斜螺栓连接时,[JP2]正弯矩下轴力对接头的抗弯性能影响大于负弯矩下轴力对接头的抗弯性能影响,且正负弯矩下抗弯性能的差异随着轴力的增大而减小。     

大断面盾构隧道管片接头抗弯刚度取值研究

为找到一种便于工程应用的管片接头抗弯刚度取值方法,采用考虑管片接头复杂结构形式、混凝土非线性材料特性以及接缝面复杂接触传力特点的大断面管片接头抗弯分析力学模型,对广深港狮子洋隧道和南京长江隧道2座典型大断面隧道的管片接头抗弯刚度Kθ进行计算; 基于所得到的抗弯刚度Kθ的非线性变化规律和数据分析方法建立抗弯刚度取值经验公式,并开展接头抗弯足尺试验对取值结果进行验证。结果表明： 1）当接缝轴力不变时,抗弯刚度随弯矩的增大表现出明显的非线性变化规律,由接触上升段、线性下降段以及非线性下降段组成; 2）抗弯刚度与轴压比的作用关系曲线近似为线性; 3）抗弯刚度与偏心距的作用关系中分为正常使用状态下的小变形区以及伴有混凝土压碎、螺栓屈服特征的大变形区,其抗弯刚度-偏心距关系曲线可分别近似为直线和抛物线; 4）抗弯刚度经验公式的计算结果与接头抗弯足尺试验结果的相符度较高,表明该取值方法合理且计算准确度较高。     

某中型越野汽车前桥半轴受力分析

主要以某中型越野车前桥半轴为研究对象,通过CATIA软件的DMU模块和多体动力学软件ADAMS对其进行了运动模拟和动力学分析,重点研究了不同工况下三销轴式万向节内部的运动情况以及两端半轴所受轴向力的大小,为以后三销轴式半轴的设计提供了参考与借鉴。     

Experimental study of the characteristics of idle vibrations that result from axial forces and the spider positions of constant velocity joints

The vibrational characteristics of automotives during idling were studied experimentally by considering the axial forces of the drive shaft and the spider positions in a constant-velocity joint. The generated forces, such as PF (plunging force) and GAF (generated axial force) in the assembly of the drive-shaft module, were measured directly by an experimental apparatus. Measurements of the GAF and PF did not show the same trends as the joint angles. They depended instead on the types of CV joints. In addition, the relationship between the offset values of the shaft and the spider positions in the tulip of the constant-velocity joint were studied. As a result, the idle vibration characteristics were affected by the variation of the spider positions and the vibrational characteristics in the axial direction of the shaft, including the amplitude and the harmonic periods.     

空心板桥新型粗骨料UHPC铰缝抗剪性能试验

为研究空心板桥新型粗骨料超高性能混凝土(UHPC)铰缝的抗剪性能,对14个铰缝试件进行了静力抗剪试验,试验参数包括铰缝混凝土材料类型、界面处理方式、抗剪钢筋构造形式、抗剪钢筋强度等级和配筋率。分析了试件的裂缝发展过程和分布规律、破坏模式以及各试验参数对铰缝抗剪性能的影响;同时,基于铰缝典型的荷载-位移曲线分析了铰缝的抗剪机理。试验结果表明：铰缝的裂缝宽度从下至上呈现逐渐减小的规律,由于传统配筋方式上部抗剪钢筋的位置靠近顶部,导致上部抗剪钢筋在铰缝抗剪承载力极限状态时尚未屈服,对抗剪承载力的贡献小。试件破坏模式分为2种：传统铰缝的界面剪切破坏;UHPC铰缝的预制混凝土块剪切破坏。UHPC材料、界面预留槽处理方式、抗剪钢筋新配筋方式以及提高抗剪钢筋的强度等级和配筋率,均能不同程度地提升铰缝的抗剪性能。与传统铰缝相比,新型粗骨料UHPC铰缝的开裂荷载、抗剪承载力和名义抗剪刚度提升幅度分别可达42.8%、185%和218.3%。当达到抗剪承载力极限状态时,UHPC铰缝主要依靠抗剪钢筋屈服提供的剪切摩擦抗力以及预制混凝土块剪断提供的剪切抗力来抵抗外荷载。提出了UHPC铰缝开裂荷载及抗剪承载力计算公式。计算结果表明：开裂荷载、抗剪承载力试验值与计算值比值的均值分别为1.47、1.19,变异系数分别为0.05、0.12,所提出的计算公式可以较精确和稳定地预测UHPC铰缝的开裂荷载及抗剪承载力。     

潮汐作用对大断面海底盾构隧道管片接缝防水性能的影响研究

为探究潮汐作用导致大断面盾构隧道管片环间接缝的张开情况及其对防水性能的影响,基于在海潮显著变化区修建的大断面海底隧道--苏埃通道工程,通过建立管片的ANSYS有限元实体模型计算出管片纵向接头的等效抗弯刚度; 建立隧道的纵向等效刚度模型,通过施加不同的潮位差所对应的水头压力,得到潮汐荷载作用下隧道纵向弯矩和轴力的分布情况; 进而通过环缝张开量计算公式,确定沿盾构隧道纵向各位置处的环缝张开量。研究结果表明： 较大的环缝张开量主要出现在地层的软硬程度沿纵向呈现剧烈变化的位置,由于该位置发生不均匀沉降,导致弯矩和轴力的结果偏大,从而影响到环缝张开量; 潮汐荷载作用引起的最大环缝张开量为0.271 mm,对接缝防水性能的影响较低。     

煤矿盾构斜井管片衬砌接头抗弯力学性能的试验研究

针对鄂尔多斯市补连塔矿区2号辅运平硐盾构斜井管片衬砌接头结构特性,开展了管片接头抗弯试验研究。试验制作了足尺寸的盾构管片,管片接头采用工程现场使用的螺栓。在管片接头附近位置合理布置了应变、位移传感器。试验在不同的轴力下,对接头结构逐级施加弯矩荷载,并进行了破坏试验。通过测试接头应变位移分析,结果表明:在弯矩荷载的加大过程中,管片接头的力学特性表现为明显的非线性;管片接头抗弯刚度不仅与结构本身有关,还与弯矩、轴力有关,并给出了相关参考值;螺栓孔对于管片衬砌端头刚度有一定的削弱作用;接头结构的破坏是一个非线性     

套筒加强式圆形钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验

为解决圆形钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓节点在地震荷载作用下存在的安全隐患,提出套筒加强式节点。以节点构造方式和梁柱刚度比为主要影响因素,设计10个1/2缩尺比例的圆形钢管混凝土柱-钢梁节点试件,采用柱端加载方式完成了试件的低周反复荷载拟静力试验,观测了试件的破坏过程与破坏模式,分析了各试件的滞回曲线、承载能力、延性和耗能能力、强度与刚度退化等特征参数,系统研究了不同影响因素下套筒加强式焊接节点、栓焊混合节点与传统螺栓连接节点的破损规律差异,并给出了此类节点极限弯矩的计算方法。研究结果表明：节点的破坏模式主要取决于节点的构造方式和梁柱刚度比,套筒加强式栓焊混合节点避免了螺栓松弛、断裂以及焊缝开裂等破坏形式的发生,达到了“强节点,弱构件”的抗震设计要求;套筒结构使节点核心区的焊缝和螺栓共同承受弯矩和剪力,提高了节点强度和梁柱连接的刚度,节点由螺栓连接时的半刚性连接变为刚性连接;与传统螺栓连接节点相比,套筒加强式节点具有更高的承载力和安全储备,其等效黏滞阻尼系数、转角延性系数、弹性及弹塑性层间位移角均满足规范要求,各抗震性能指标良好;节点极限弯距的计算结果与试验结果吻合较好,表明该方法可用于此类节点的设计计算。     

半逆作法地下空间钢管混凝土柱的节点设计

针对南京某采用半逆作法的超大型地下空间钢管混凝土柱设计实例,提出了适用于本工程的改进的梁柱节点形式,总结了环梁-环形牛腿梁柱节点的传力机制及设计流程,对本工程中的抗弯最不利节点进行了有限元补充分析,以期为类似设计提供有益的参考。结果表明,该节点能够满足承载力需求,但应在配筋时进行局部加强。     

黄土地区摩擦桩基承载力现场试验及数值分析

针对黄土地区摩擦桩基极限承载力的确定,分别进行静载试验及数值分析,计算得出桩顶沉降值、极限承载力、桩身轴力、桩侧摩阻力、荷载分担比等参数的分布情况。数值分析与现场试验对比结果表明:两种方法在达到预估最大加载量时,桩顶沉降值误差仅为3.34%,桩端荷载分担比仅相差0.07%;确定的极限承载力误差为0.01%;数值分析所得桩身轴力和桩侧摩阻力分布规律与现场实际情况吻合良好。证明所采用的数值分析方法较为贴近工程实际,验证了方法的可靠性。