Due to their low intrinsic damping, stay cables in cable-stayed bridges have often exhibited unanticipated and excessive vibrations which result in increasing maintenance frequency and disruption to normal operations of the entire bridges. Mitigation of undesired cable vibration can be achieved by attaching an external damping device near the anchorage. High Damping Rubber (HDR) dampers have many advantages such as compact size, better aesthetics, easy maintenance, temperature stability, and cost benefits; therefore, they have been widely used to increase cable damping. Although a single damper has been shown to reduce cable vibrations, it is not the most effective method due to geometric constraints. This paper proposes the use of two HDR dampers to improve effectiveness and robustness in suppressing cable vibration. Oscillation parameters of the cable-dampers system were investigated in detail by modeling the stay cable as a taut string and each HDR damper as complex-valued impedance and by using an analytical formulation of the complex eigenvalue problem. The problem of two HDR dampers arbitrarily located along a cable is solved and the solution is discussed. Asymptotic formulas to calculate the damping ratios of the cable with two HDR dampers installed near the anchorage(s) are proposed and compared with the exact solutions. Further, a design example is presented in order to justify the methodology. The results of this study show that when the two HDR dampers are installed close to each other on the same end of the cable, some interaction between the dampers leads to reduced damping ratio. When the dampers are on the opposite ends of the cable, they are effective in increasing damping ratio and can provide better vibration reduction to multiple modes.
Stayed cables are the key components for transmitting loads in cable-stayed bridges. Therefore, it is very important to evaluate the cable force condition to ensure bridge safety. An online condition assessment and anomaly localization method is proposed for cables based on the spatiotemporal correlation of grouped cable forces. First, an anomaly sensitive feature index is obtained based on the distribution characteristics of grouped cable forces. Second, an adaptive anomaly detection method based on the k-nearest neighbor rule is used to perform dissimilarity measurements on the extracted feature index, and such a method can effectively remove the interference of environment factors and vehicle loads on online condition assessment of the grouped cable forces. Furthermore, an online anomaly isolation and localization method for stay cables is established, and the complete decomposition contributions method is used to decompose the feature matrix of the grouped cable forces and build an anomaly isolation index. Finally, case studies were carried out to validate the proposed method using an in-service cable-stayed bridge equipped with a structural health monitoring system. The results show that the proposed approach is sensitive to the abnormal distribution of grouped cable forces and is robust to the influence of interference factors. In addition, the proposed approach can also localize the cables with abnormal cable forces online, which can be successfully applied to the field monitoring of cables for cable-stayed bridges.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.5A
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pp.657-664
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2008
Rain-wind induced cable vibration can cause the damages in the cable-stayed bridge due to very little inherent damping characteristics and low fundamental frequency. External Dampers attached to stay cables near anchorages have been shown to be effective means at short stay-cables. However, installation locations of external dampers are limited to a particular range due to aesthetic and practical reasons for very long stay-cables. A recent study by the authors showed that the stay-cable vibration system can perform better than the optimal passive viscous damper, thereby demonstrating its applicability in large cable-stayed bridges. This paper extends the previous study on the taut string representation of the cable by adding cable sag and inclination. The response of the proposed system compared to those of the cable with and without an external damper, and the movable anchorage system provides very effective mitigation of cable vibration. Cable damping ratio is seen to be remarkably reduced by movable anchorage system for a wide range of cable sag. This result shows that the sag effects of the proposed system should be considered.
A cable stayed bridge under construction has low structural damping and is not as stable as the completed bridge. Control countermeasures, such as the installation of energy dissipating devices, are thus required. In this study, the general procedure and key issues on adopting an active control device, the active mass damper (AMD), for vibration control of cable stayed bridges under construction were studied. Taking a typical cable stayed bridge as the prototype structure; a lab-scale test structure was designed and fabricated firstly. A baseline FEM model was then setup and updated according to the modal parameters measured from vibration test on the structure. A numerical study to simulate the bridge-AMD control system was conducted and an efficient LQG-based controller was designed. Based on that, an experimental implementation of AMD control of the transverse vibration of the bridge model was performed. The results from numerical simulation and experimental study verified that the AMD-based active control was feasible and efficient for reducing dynamic responses of a complex structural system. Moreover, the discussion made in this study clarified some critical problems which should be addressed for the practical implementation of AMD control on real cable-stayed bridges.
To reduce the vibration of cable-stayed bridges, conventional magnetorheological (MR) damper control system (CMRDS), with separate power supply, sensors and controllers, is widely investigated. In this paper, to improve the reliability and performance of the control system, one adaptive MR damper control system (AMRDS) consisting of MR damper and piezoelectric energy harvester (PEH) is proposed. According to piezoelectric effect, PEH can produce energy for powering MR damper. The energy is proportional to the product of the cable displacement and velocity. Due to the damping force changing with the energy, the new system can be adjustable to reduce the cable vibration. Compared with CMRDS, the new system is structurally simplified, replacing external sensor, power supply and controller with PEH. In the paper, taking the N26 cable of Shandong Binzhou Yellow River Bridge as example, the design method for the whole AMRDS is given, and simple formulas for PEH are derived. To verify the effectiveness of the proposed adaptive control system, the performance is compared with active control case and simple Bang-Bang semi-active control case. It is shown that AMRDS is better than simple Bang-Bang semi-active control case, and still needed to be improved in comparison with active control case.
The extended tangent stiffness matrices and force-deformation relations of the elastic catenary element were initially derived through the addition of the unstrained length of cables to unknown nodal displacements. A beam-column element was then introduced to model the deck and pylon of cable-stayed bridges. The conventional geometric nonlinear analysis, initial force method, and TCUD method were summarized, with an effective method combining two methods presented to determine the initial shapes of cable-stayed bridges with dead loads. In this combined method, TCUD method was applied to eliminate vertical and horizontal displacements at cable-supported points of decks and on top of pylons, respectively. The initial force method was also adopted to eliminate horizontal and vertical displacements of decks and pylons, Finally, the accuracy and validity of the proposed combined method were demonstrated through numerical examples.
The replacement of damaged components is an important task for long-span bridges. Conventional strategy for component replacement is to close the bridge to traffic, so that the influence of the surrounding environment is reduced to a minimum extent. However, complete traffic interruption would bring substantial economic losses and negative social influence nowadays. This paper investigates traffic control technologies without interruption for component replacement of long-span bridges. A numerical procedure of traffic control technologies is proposed incorporating traffic microsimulation and site-specific data, which is then implemented through a case study of cable replacement of a long-span cable-stayed bridge. Results indicate traffic load effects on the bridge are lower than the design values under current low daily traffic volume, and therefore cable replacement could be conducted without traffic control. However, considering a possible medium or high level of daily traffic volume, traffic load effects of girder bending moment and cable force nearest to the replaced cable become larger than the design level. This indicates a potential risk of failure, and traffic control should be implemented. Parametric studies show that speed control does not decrease but increase the load effects, and flow control using lane closure is not effectual. However, weight control and gap control are very effective to mitigate traffic load effects, and it is recommended to employ a weight control with gross vehicle weight no more than 65 t or/and a gap control with minimum vehicle gap no less than 40 m for the cable replacement of the case bridge.
Spatial cable systems can provide more transverse stiffness and torsional stiffness without sacrificing the vertical bearing capacity compared with conventional vertical cable systems, which is quite lucrative for long-span earth-anchored suspension bridges' development. Higher economy highlights the importance of refined form-finding analysis. Meanwhile, the internal connection between the lateral and vertical sags has not yet been specified. Given this, an analytic algorithm of form-finding for the earth-anchored suspension bridge with spatial cables is proposed in this paper. Through the geometric compatibility condition and mechanical equilibrium condition, the expressions for cable segment, the recurrence relationship between catenary parameters and control equations of spatial cable are established. Additionally, the nonlinear general reduced gradient method is introduced into fast and high-precision numerical analysis. Furthermore, the analytic expression of the lateral and vertical sags is deduced and discussed. This is very significant for the space design above the bridge deck and the optimization of the sag-to-span ratio in the preliminary design stage of the bridge. Finally, the proposed method is verified with the aid of two examples, one being an operational self-anchored suspension bridge (with spatial cables and a 260 m main span), and the other being an earth-anchored suspension bridge under design (with spatial cables and a 500 m main span). The necessity of an iterative calculation for hanger tensions on earth-anchored suspension bridges is confirmed. It is further concluded that the main cable and their connected hangers are in very close inclined planes.
Geon-Hyeok Bang;Gwang-Hee Heo;Jae-Hoon Lee;Yu-Jae Lee
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.27
no.6
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pp.172-181
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2023
In this study, real-time damage evaluation of cable-stayed bridges was conducted for cable damage. ICP type acceleration sensors were used for real-time damage assessment of cable-stayed bridges, and Kinetic Energy Optimization Techniques (KEOT) were used to select the optimal conditions for the location and quantity of the sensors. When a structure vibrates by an external force, KEOT measures the value of the maximum deformation energy to determine the optimal measurement position and the quantity of sensors. The damage conditions in this study were limited to cable breakage, and cable damage was caused by dividing the cable-stayed bridge into four sections. Through FE structural analysis, a virtual model similar to the actual model was created in the real-time damage evaluation method of cable. After applying random oscillation waves to the generated virtual model and model structure, cable damage to the model structure was caused. The two data were compared by defining the response output from the virtual model as a corruption-free response and the response measured from the real model as a corruption-free data. The degree of damage was evaluated by applying the data of the damaged cable-stayed bridge to the Improved Mahalanobis Distance (IMD) theory from the data of the intact cable-stayed bridge. As a result of evaluating damage with IMD theory, it was identified as a useful damage evaluation technology that can properly find damage by section in real time and apply it to real-time monitoring.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.1A
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pp.1-10
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2012
Along with the development of coasts, islands and mountains, the demand of long-span bridges increases which, in turn, brings forth the construction of cable-supported bridges like suspension and cable-stayed bridges. There are various types of statically indeterminate structures widely applied that supported the main girder with stay cables, main cables, hanger cables with aesthetic structural appearance. As to the cable-supported bridges, the health monitoring of a bridge can be identified by measuring tension force on cable repeatedly. The tension force on cable is measured either by direct measurement of stress of cable using load cell or hydraulic jack, or by vibration method estimating tension force using cable shape and measured dynamic characteristics. In this study, a method to estimate dynamic characteristics of hanger cables by using a digital image processing is suggested. Digital images are acquired by a portable digital camcorder, which is the sensor to remotely measure dynamic responses considering convenient and economical aspects for use. A digital image correlation(DIC) technique is applied for digital image processing, and an image transform function(ITF) to correct the geometric distortion induced from the deformed images is used to estimate subpixel. And, the correction of motion of vision-based measurement system using a fixed object in an image without installing additional sensor can be enhanced the resolution of dynamic responses and modal frequencies of hanger cables.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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