This paper presents an investigation into the seismic response characteristics of a proposed ligh-weight pedestrian cable-stayed bridge made entirely from Glass Fiber Reinforced Plastics(GFRP). The study employs three dimensional finite element models to study and compare the dynamic characteristics and the seismic response of the GFRP bridge to a conventional Steel-Concrete (SC) cable-stayed bridge alternative. The two bridges were subjected to three synthetic earthquakes that differ in the frequency content characteristics. The performance of the GFRP bridge was compared to that of the SC bridge by normalizing the live load and the seismic internal forces with respect to the dead load internal forces. The normalized seismically induced internal forces were compared to the normalized live load internal forces for each design alternative. The study shows that the design alternatives have different dynamic characteristics. The light GFRP alternative has more flexible deck motion in the lateral direction than the heavier SC alternative. While the SC alternative has more vertical deck modes than the GFRP alternative, it has less lateral deck modes than the GFRP alternative in the studied frequency range. The GFRP towers are more flexible in the lateral direction than the SC towers. The GFRP bridge tower attracted less normalized base shear force than the SC bridge towers. However, earthquakes, with peak acceleration of only 0.1 g, and with a variety of frequency content could induce high enough seismic internal forces at the tower bases of the GFRP cable-stayed bridge to govern the structural design of such bridge. Careful seismic analysis, design, and detailing of the tower connections are required to achieve satisfactory seismic performance of GFRP long span bridges.
This paper presents an improved Monte Carlo simulation for the probabilistic determination of initial cable forces of cable-stayed bridges under dead loads using the response surfaces method. A response surface (i.e. a quadratic response surface without cross-terms) is used to approximate structural response. The use of the response surface eliminates the need to perform a deterministic analysis in each simulation loop. In addition, use of the response surface requires fewer simulation loops than conventional Monte Carlo simulation. Thereby, the computation time is saved significantly. The statistics (e.g. mean value, standard deviation) of the structural response are calculated through conventional Monte Carlo simulation method. By using Monte Carlo simulation, it is possible to use the existing deterministic finite element code without modifying it. Probabilistic analysis of a truss demonstrates the proposed method' efficiency and accuracy; probabilistic determination of initial cable forces of a cable-stayed bridge under dead loads verifies the method's applicability.
To investigate the characteristics of the dynamic response of long-span cable-stayed bridges due to various dynamic loadings likes moving traffic loads, two different 3-D cable-stayed bridge models are considered in this study. Two models are exactly the same in structural configurations but different in finite element discretization. Modal analysis is conducted using the deformed dead-load tangent stiffness matrix. A new concept was presented by using divided a cable into several elements in order to study the effect of the cable vibration (both in-plane and swinging) on the overall bridge dynamics. Futhermore case of asymmetric traffic loading clustered in one direction are also considered to study the torsional response of the bridge. The result of this study demonstrates the importance of cable vibration on the overall bridge dynamics.
Considering the wind barriers induced aerodynamic characteristic variations of both bridge deck and trains, this paper studies the effects of wind barriers on the safety and stability of trains as they run through an urban rail transit cable-stayed bridge which tends to be more vulnerable to wind due to its relatively low stiffness and lightweight. For the bridge equipped with wind barriers of different characteristics, the aerodynamic coefficients of trains and bridge decks are obtained from wind tunnel test firstly. And then, the space vibration equations of the wind-train-bridge system are established using the experimentally obtained aerodynamic coefficients. Through solving the dynamic equations, one can calculate the dynamic responses both the trains and bridge. The results indicate that setting wind barriers can effectively reduce the dynamic responses of both the trains and bridge, even though more wind forces acting on the bridge are caused by wind barriers. In addition, for urban rail transit cable-stayed bridges located in strong wind environment, the wind barriers are recommended to be set with 20% porosity and 2.5 m height according to the calculation results of cases with wind barriers porosity and height varying in two wide ranges, i.e., 10% - 40% and 2.0 m to 4.0 m, respectively.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.3
no.1
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pp.16-20
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2012
During construction of the cable-stayed bridge, not only shape of deck and pylon but also cable forces are main factors for geometry control. Especially, geometry control of deck must be controlled for adjusting design value of vertical and lateral alignment as well as closing of key segment. Also, both the deck level error and cable force error occur necessarily during the construction stage in cable stayed bridge. The errors are caused by different of material properties and computer modeling, and construction mistake, and so on. These causes bring about that the forces of cable and the displacement of deck show different tendency from the theoretical values. Therefore, these errors must necessarily be adjusted and can be improved through adjustment of cable length. In this study, a new optimization tool is proposed to adjust the errors of the second Dolsan cable-stayed bridge.
A three-dimensional finite element model for the Jiashao Bridge, the longest multi-span cable-stayed bridge in the world, is established using the commercial software package ANSYS. Dynamic characteristics of the bridge are analyzed and the effects of structural system measures including the rigid hinge, auxiliary piers and longitudinal constraints between the girders and side towers on the dynamic properties including modal frequency, mode shape and effective mass are studied by referring to the Jiashao Bridge. The analysis results reveal that: (i) the installation of the rigid hinge significantly reduces the modal frequency of the first symmetric lateral bending mode of bridge deck. Moreover, the rigid hinge significantly changes the mode shape and effective mass of the first symmetric torsional mode of bridge deck; (ii) the layout of the auxiliary piers in the side-spans has a limited effect on changing the modal frequencies, mode shapes and effective masses of global vibration modes; (iii) the employment of the longitudinal constraints significantly increases the modal frequencies of the vertical bending modes and lateral bending modes of bridge deck and have significant effects on changing the mode shapes of vertical bending modes and lateral bending modes of bridge deck. Moreover, the effective mass of the first anti-symmetric vertical bending of bridge deck in the longitudinal direction of the fully floating system is significantly larger than that of the partially constrained system and fully constrained system. The results obtained indicate that the structural system measures of the multi-span cable-stayed bridge have a great effect on the dynamic properties, which deserves special attention for seismic design and wind-resistant design of the multi-span cable-stayed bridge.
To investigate the seismic performance of long-span partially earth-anchored cable-stayed bridge, a super long-span partially earth-anchored cable-stayed bridge scheme with main span of 1400m is taken as example, structural response of the bridge under E1 seismic action is investigated numerically by the multimode seismic response spectrum and time-history analysis, seismic behavior and also the effect of structural geometric nonlinearity on the seismic responses of super long-span partially earth-anchored cable-stayed bridges are revealed. The seismic responses are also compared to those of a fully self-anchored cable-stayed bridge with the same main span. The effects of structural parameters including the earth-anchored girder length, the girder width, the girder depth, the tower height to span ratio, the inclination of earth-anchored cables, the installation of auxiliary piers in the side spans and the connection between tower and girder on the seismic responses of partially ground-anchored cable-stayed bridges are investigated, and their reasonable values are also discussed in combination with static performance and structural stability. The results show that the horizontal seismic excitation produces significant seismic responses of the girder and tower, the seismic responses of the towers are greater than those of the girder, and thus the tower becomes the key structural member of seismic design, and more attentions should be paid to seismic design of these sections including the tower bottom, the tower and girder at the junction of tower and girder, the girder at the auxiliary piers in side spans; structural geometric nonlinearity has significant influence on the seismic responses of the bridge, and thus the nonlinear time history analysis is proposed to predict the seismic responses of super long-span partially earth-anchored cable-stayed bridges; as compared to the fully self-anchored cable-stayed bridge with the same main span, several stay cables in the side spans are changed to be earth-anchored, structural stiffness and natural frequency are both increased, the seismic responses of the towers and the longitudinal displacement of the girder are significantly reduced, structural seismic performance is improved, and therefore the partially earth-anchored cable-stayed bridge provides an ideal structural solution for super long-span cable-stayed bridges with kilometer-scale main span; under the case that the ratio of earth-anchored girder length to span is about 0.3, the wider and higher girder is employed, the tower height-to-span ratio is about 0.2, the larger inclination is set for the earth-anchored cables, 1 to 2 auxiliary piers are installed in each of the side spans and the fully floating system is employed, better overall structural performance is achieved for long-span partially earth-anchored cable-stayed bridges.
This paper describes a formulation to predict optimum post-tensioning forces and cable dimensioning for self-anchored cable-stayed suspension bridges. The analysis is developed with respect to both dead and live load configurations, taking into account design constrains concerning serviceability and ultimate limit states. In particular, under dead loads, the analysis is developed with the purpose to calculate the post-tensioning cable forces to achieve minimum deflections for both girder and pylons. Moreover, under live loads, for each cable elements, the lowest required cross-section area is determined, which verifies prescriptions, under ultimate or serviceability limit states, on maximum allowable stresses and bridge deflections. The final configuration is obtained by means of an iterative procedure, which leads to a progressive definition of the stay, hanger and main cable characteristics, concerning both post-tensioning cable stresses and cross-sections. The design procedure is developed in the framework of a FE modeling, by using a refined formulation of the bridge components, taking into account of geometric nonlinearities involved in the bridge components. The results demonstrate that the proposed method can be easily utilized to predict the cable dimensioning also in the framework of long span bridge structures, in which typically more complexities are expected in view of the large number of variables involved in the design analysis.
The underlying mechanism of the wind-induced vibration of the hangers of the suspension bridges is still not fully understood at present and hence is comprehensively examined in this study. More specifically, a series of field measurements on the No. 2 hanger of the Xihoumen Bridge was first carefully conducted. Large amplitude vibrations of the hanger were found and the oscillation amplitude of the leeward cable was obviously larger than that of the windward cables. Furthermore, the trajectory of the leeward cable was close to an ellipse, which agreed well with the major characteristics of wake-induced vibration. Then, a theoretical model for the wake-induced vibration based on a 3-D continuous cable was established. To obtain the responses of the leeward cable, the finite difference method (FDM) was adopted to numerically solve the established motion equation. Finally, numerical simulations by using the structural parameters of the No. 2 hanger of the Xihoumen Bridge were carried out within the spatial range of $4{\leq}X{\leq}10$ and $0{\leq}Y{\leq}4$ with a uniform interval of ${\Delta}X={\Delta}Y=0.25$. The results obtained from numerical simulations agreed well with the main features obtained from the field observations on the Xihoumen Bridge. This observation indicates that the wake-induced vibration might be one of the reasons for the hanger oscillation of the suspension bridge. In addition, the effects of damping ratio and windward cable movement on the wake-induced vibration of the leeward cable were numerically investigated.
Kim, Jeong-Tae;Ho, Duc-Duy;Nguyen, Khac-Duy;Hong, Dong-Soo;Shin, Sung Woo;Yun, Chung-Bang;Shinozuka, Masanobu
Smart Structures and Systems
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v.11
no.5
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pp.533-553
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2013
In this paper, system identification of a cable-stayed bridge in Korea, the Hwamyung Bridge, is performed using vibration responses measured by a wireless sensor system. First, an acceleration based-wireless sensor system is employed for the structural health monitoring of the bridge, and wireless sensor nodes are deployed on a deck, a pylon and several selected cables. Second, modal parameters of the bridge are obtained both from measured vibration responses and finite element (FE) analysis. Frequency domain decomposition and stochastic subspace identification methods are used to obtain the modal parameters from the measured vibration responses. The FE model of the bridge is established using commercial FE software package. Third, structural properties of the bridge are updated using a modal sensitivity-based method. The updating work improves the accuracy of the FE model so that structural behaviors of the bridge can be represented better using the updated FE model. Finally, cable forces of the selected cables are also identified and compared with both design and lift-off test values.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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