An efficient and accurate algorithm is proposed to estimate cable safety factor of suspension bridges satisfying prescribed reliability levels. Uncertainties in the structure and load parameters are incorporated. The proposed algorithm integrates the concepts of the inverse reliability method and deterministic method for assessing cable safety factors of suspension bridges. The unique feature of the proposed method is that it offers a tool for cable safety assessment of suspension bridges, when the reliability level is specified as a target to be satisfied by the designer. After the accuracy and efficiency of the method are demonstrated through two numerical examples, the method is used to estimate cable safety factors of suspension bridges with span length ranging from 2000 to 5000 m. The results show that the deterministic method overestimates cable safety factor of suspension bridges because of neglecting the parameter uncertainty effects. The actual cable safety factor of suspension bridges should be estimated based on the proposed method.
Generally, cable-stayed bridges are both statically indeterminate structure with a high degree of redundancy and flexible structure. So it is very important to ensure precision control during both fabrication and construction. In precision control of cable-stayed bridges, precision control under multi-objective programming method is needed, because precision control problem of cable-stayed bridges is a multi-objective programming problem in which many objective functions are regard as variables. In previous studies, it was regarded as a single-objective problem, so it had many problems in respect of usefulness and rationalness. In this study, precision control under multi-objective programming method is proposed considering economy, efficiency, and safety at best in precision control of cable-stayed bridges. Precision control problem of cable-stayed bridges is formulated with satisfying trade-off method which is a kind of multi-objective programming method, then it is optimized with min-max method. A computer program is presented including above process.
To gain understanding of the applicability of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) cable in cable-supported bridges, based on the Runyang Bridge and Jinsha Bridge, a suspension bridge using CFRP cables and a cable-stayed bridge using CFRP stay cables are schemed, in which the cable's cross-sectional area is determined by the principle of equivalent axial stiffness. Numerical investigations on the dynamic behavior, aerostatic and aerodynamic stability of the two bridges are conducted by 3D nonlinear analysis, and the effect of different cable materials on the wind resistance is discussed. The results show that as CFRP cables are used in cable-supported bridges, (1) structural natural frequencies are all increased, and particularly great increase of the torsional frequency occurs for suspension bridges; (2) under the static wind action, structural deformation is increased, however its aerostatic stability is basically remained the same as that of the case with steel cables; (3) for suspension bridge, its aerodynamic stability is superior to that of the case with steel cables, but for cable-stayed bridge, it is basically the same as that of the case with steel stay cables. Therefore as far as the wind resistance is considered, the use of CFRP cables in cable-supported bridges is feasible, and the cable's cross-sectional area should be determined by the principle of equivalent axial stiffness.
The span record of cable-stayed bridges has exceeded 1,000 m, which makes research on the maximum possible span length of cable-stayed bridges an important topic in the engineering community. In this paper, span limit is discussed from two perspectives: the theoretical span limit determined by the strength-to-density ratio of the cable and girder, and the engineering span limit, which depends not only on the strength-to-density ratio of materials but also on the actual loading conditions. Closed form equations of both theoretical and engineering span limits of cable-stayed bridges determined by the cable and girder are derived and a detailed parametric analysis is conducted to assess the engineering span limit under current technical conditions. The results show that the engineering span limit of cable-stayed bridges is about 2,200 m based on materials used available today. The girder is the critical member restricting further increase in the span length; its compressive stress is the limiting factor. Approaches to increasing the engineering span limit are also presented based on the analysis results.
This paper investigates the change of structural characteristics of steel cable-stayed bridges after cable failure. Cables, considered as the intermediate supports of cable-stayed bridges, can break or fail for several reasons, such as fire, direct vehicle clash accident, extreme weather conditions, and fatigue of cable or anchorage. Also, the replacement of cables can cause temporary disconnection. Because of the structural characteristics with various geometric nonlinearities of cable-stayed bridges, cable failure may cause significant change to the structural state and ultimate behavior. Until now, the characteristics of structural behavior after cable failure have rarely been studied. In this study, rational cable failure analysis is suggested to trace the new equilibrium with structural configuration after the cable failure. Also, the sequence of ultimate analysis for the structure that suffers cable failure is suggested, to study the change of ultimate behavior and load carrying capacity under specific live load conditions. Using these analysis methods, the statical behavior after individual cable failure is studied based on the change of structural configuration, and distribution of internal forces. Also, the change of the ultimate behavior and load carrying capacity under specific live load conditions is investigated, using the proposed analysis method. According to the study, significant change of the statical behavior and ultimate capacity occurs although just one cable fails.
To gain understanding of the applicability of CFRP cables in super long-span cable-stayed bridges, by taking a 1400 m cable-stayed bridge as example, mechanics performance including the static behavior under service load, dynamic behavior, wind stability and seismic behavior of the bridge using either steel or CFRP cables are investigated numerically and compared. The results show that viewed from the aspect of mechanics performance, the use of CFRP cables in super long-span cable-stayed bridges is feasible, and the cross-sectional areas of CFRP cables should be determined by the principle of equivalent axial stiffness.
The cable system is generally considered to be a structural solution to increase the spanning capacity of suspension bridges. In this work, based on the Runyang Bridge over the Yangtze River, three case suspension bridges with different 3D cable systems are designed, structural dynamic characteristics, the aerostatic and aerodynamic stability are investigated numerically by 3D nonlinear aerostatic and aerodynamic analysis, and the cable system favorable to improve the wind-induced instability of long-span suspension bridges is also proposed. The results show that as compared to the example bridge with parallel cable system, the suspension bridge with inward-inclined cable system has greater lateral bending and tensional frequencies, and also better aerodynamic stability; as for the suspension bridge with outward-inclined cable system, it has less lateral bending and tensional frequencies, and but better aerostatic stability; however the suspension bridge is more prone to aerodynamic instability, and therefore considering the whole wind-induced instability, the parallel and inward-inclined cable systems are both favorable for long-span suspension bridges.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.36
no.1
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pp.103-115
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1994
The dynamic earthquake analysis of plane cable-stayed bridge structures was formulated and implemented into a computer program which analyzes plane cable-stayed bridge structu- res subjected to initial cable tensions, member dead and live loads and seismic loads. Cable-stayed bridges were modelled as multi-degrees of freedom systems with lumped- mass. Various earthquake responses such as dynamic deflection, bending moment, shear force and cable tension were investigated by the dynamic analyses in the form of the time history analysis. The time history analysis was based on the mode superposition method. The study revealed that Fan-l type cable-syayed bridges is generally superior to other types for the earthquake proof even though aspects of deflection and section force of each type presents respective advantages and disadvantages. The study provided a method to design the sections of cable-stayed bridges under seismic loads with various design parameters related to structural types. The study is expected to be useful for effective design of cable-stayed bridges with conside- ration of earthquake.
A new cable-supported bridge model consisting of suspension parts, self-anchored cable-stayed parts and earth-anchored cable-stayed parts is presented. The new bridge model can be used for suspension bridges, cable-stayed bridges, cable-stayed suspension bridges, and partially earth-anchored cable-stayed bridges by varying parameters. Based on the assumption that each structural member is in either an axial compressive or tensile state, and the stress in each member is equal to the allowable stress of the material, the material quantity for each component is calculated. By introducing the unit cost of each type of material, the estimation formula for the cost of the new bridge model is developed. Numerical examples show that the results from the estimation formula agree well with that from the real projects. The span limit of cable supported bridge depends on the span-to-height ratio and the density-to-strength ratio of cables. Finally, a parametric study is illustrated aiming at the relations between three key geometrical parameters and the cost of the bridge model. The optimization of the new bridge model indicates that the self-anchored cable-stayed part is always the dominant part with the consideration of either the lowest total cost or the lowest unit cost. It is advisable to combine all three mentioned structural parts in super long span cable supported bridges to achieve the most excellent economic performance.
A reliability analysis method is proposed in this paper through a combination of the advantages of the response surface method (RSM), finite element method (FEM), first order reliability method (FORM) and the importance sampling updating method. The accuracy and efficiency of the method is demonstrated through several numerical examples. Then the method is used to estimate the serviceability reliability of cable-stayed bridges. Effects of geometric nonlinearity, randomness in loading, material, and geometry are considered. The example cable-stayed bridge is the Second Nanjing Bridge with a main span length of 628 m built in China. The results show that the cable sag that is part of the geometric nonlinearities of cable-stayed bridges has a major effect on the reliability of cable-stayed bridge. Finally, the most influential random variables on the reliability of cable-stayed bridges are identified by using a sensitivity analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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