The buffeting response is a vital consideration for long-span bridges in typhoon-prone areas. In the conventional analysis, the turbulence and structural vibrations are assumed as stationary processes, which are, however, inconsistent with the non-stationary features observed in typhoon winds. This poses a question on how the stationary assumption would affect the evaluation of buffeting responses under non-stationary wind actions in nature. To figure out this problem, this paper presents a comparative study on buffeting responses of a long-span cable-stayed bridge based on stationary and non-stationary perspectives. The stationary and non-stationary buffeting analysis frameworks are firstly reviewed. Then, a modal analysis of the example bridge, Sutong Cable-stayed Bridge (SCB), is conducted, and stationary and non-stationary spectral models are derived based on measured typhoon winds. On this condition, the buffeting responses of SCB are finally analyzed by following stationary and non-stationary approaches. Although the stationary results are almost identical with the non-stationary results in the mean sense, the root-mean-square value of buffeting responses are underestimated by the stationary assumption as the time-varying features existing in the spectra of turbulence are neglected. The analytical results highlights a transition from stationarity to non-stationarity in the buffeting analysis of long-span bridges.
Based on the modal coordinates of the structure, a finite-element and CQC (complete quadratic combination) method for analyzing the coupled buffeting response of long-span bridges is presented. The formulation of nodal equivalent aerodynamic buffeting forces is derived based on a reasonable assumption. The power spectral density and variance of nodal displacements and elemental internal forces of the bridge structure are computed using the finite-element method and the random vibration theory. The method presented is very efficient and can consider the arbitrary spectrum and spatial coherence of natural winds and the multimode and intermode effects on the buffeting responses of bridge structures. A coupled buffeting analysis of the Jiangyin Yangtse River Suspension Bridge with 1385 in main span is performed as an example. The results analyzed show that the multimode and intermode effects on the buffeting response of the bridge deck are quite remarkable.
This paper presents a new analysis framework for predicting the internal buffeting forces in bridge components under skew wind. A linear regressive model between the internal buffeting force and deformation under normal wind is derived based on mathematical statistical theory. Applying this regression model under normal wind and the time history of buffeting displacement under skew wind with different yaw angles in wind tunnel tests, internal buffeting forces in bridge components can be obtained directly, without using the complex theory of buffeting analysis under skew wind. A self-anchored suspension bridge with a main span of 260 m and a steel arch bridge with a main span of 450 m are selected as case studies to illustrate the application of this linear regressive framework. The results show that the regressive model between internal buffeting force and displacement may be of high significance and can also be applied in the skew wind case with proper regressands, and the most unfavorable internal buffeting forces often occur under yaw wind.
A long suspension bridge is often located within a unique wind environment, and strong winds at the site seldom attack the bridge at a right angle to its long axis. This paper thus investigates the buffeting response of long suspension bridges to skew winds. The conventional buffeting analysis in the frequency domain is first improved to take into account skew winds based on the quasi-steady theory and the oblique strip theory in conjunction with the finite element method and the pseudo-excitation method. The aerodynamic coefficients and flutter derivatives of the Tsing Ma suspension bridge deck under skew winds, which are required in the improved buffeting analysis, are then measured in a wind tunnel using specially designed test rigs. The field measurement data, which were recorded during Typhoon Sam in 1999 by the Wind And Structural Health Monitoring System (WASHMS) installed on the Tsing Ma Bridge, are analyzed to obtain both wind characteristics and buffeting responses. Finally, the field measured buffeting responses of the Tsing Ma Bridge are compared with those from the computer simulation using the improved method and the aerodynamic coefficients and flutter derivatives measured under skew winds. The comparison is found satisfactory in general.
This study presents a comprehensive investigation of the aerostatic and buffeting response characteristics of a suspension bridge catwalk. The three-dimensional aerostatic response analysis was carried out taking into account the geometric nonlinearity and nonlinear dependence of wind loads on the angle of attack. The buffeting response analysis was performed in the time domain. The aerostatic and buffeting responses of the catwalk show strong coupling of vertical and lateral vibrations. The lateral displacement is the main component of the wind-induced static and buffeting response of the catwalk.
A design procedure of stabilizing cable is proposed using buffeting analysis to stabilize the seesaw-like motion of the free cantilevered structure of a cable-stayed bridge during its construction. The bridge examined is a composite cable-stayed bridge having a main span length of 500 m. Based on the buffeting analysis, the stress in bare structure exceeded the allowable limit and a set of stabilizing cable was planned to mitigate the responses. The most efficient positions of the hold-down stabilizing cables were numerically investigated by means of an FE-based buffeting analysis and the required dimensions and pretension of the stabilizing cables were also calculated. The proposed stabilizing measure would be expected to secure the aerodynamic safety of a cantilevered structure under construction with considerable mitigation of buffeting responses.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.2A
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pp.97-104
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2011
This study presents the aerodynamic admittance function of bridge girder under turbulent flow generated from wind velocity spectrum measured at bridge site. Three dimensional buffeting analysis of concrete cable-stayed bridge were performed considering aerodynamic admittance functions obtained from four different methods. It is revealed from the analysis that vertical buffeting responses considering proper aerodynamic admittance functions were just half of that neglecting aerodynamic admittance function. Grid turbulence was found to relatively lower the aerodynamic admittance function at low frequency range, and to underestimate the buffeting wind forces. It is recommended to use the aerodynamic admittance function evaluated from flutter derivatives or measured at active turbulence in order to properly predict the buffeting responses of bridges.
Wind-induced vibrations measured in the Tsuruga Test Line are characterized in this paper by single-channel data analysis based on piecewise application of Prony's method. Some of events were identified as galloping, while most of events were buffeting responses, which were confirmed partly by the buffeting analysis. Effects of end condition etc. on the response characteristics are also discussed.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.24
no.3
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pp.198-204
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2014
This paper presents a benchmark test result of an application of computational fluid dynamics(CFD) analysis of automotive sunroof buffeting simulation. Computational analyses of flow over an open sunroof of a simple vehicle model called as HAWT(Hyundai aeroacoustic wind tunnel) model were performed to study the buffeting phenomenon and to predict the buffeting noise level and its frequency. Computations are performed for sunroofs with PAM-FLOW software which is one of powerful CFD code of ESI group. Numerical predictions are compared with result from the tunnel test measurements. It is shown that CFD analysis has great potential for sunroof design and development by predicting buffeting noise.
Su, Yanwen;Huang, Guoqing;Liu, Ruili;Zeng, Yongping
Wind and Structures
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v.32
no.2
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pp.89-104
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2021
Non-synoptic winds generated by tornadoes, downbursts or gust fronts exhibit significant non-stationarity and can cause significant wind load effect on flexible structures such as long-span bridges. However, conventional assumptions on stationarity used to evaluate the structural wind-induced vibration are inadequate. In this paper, an efficient frequency domain scheme based on fast CQC method, which can predict non-stationary buffeting random responses of long-span bridges, is presented, and then this approach is applied to evaluate the buffeting response of a long-span suspension bridge located in a complex mountainous wind environment as an example. In this study, the data-driven method based on one available measured wind speed sample is firstly presented to establish non-stationary wind models, including time-varying mean wind speed, time-varying intensity envelope function and uniformly modulated fluctuating spectrum. Then, a linear time-variant (LTV) system based on the proposed scheme can be generally applied to calculate the non-stationary buffeting responses. The effectiveness and accuracy of the proposed scheme are verified through Monte Carlo time domain simulation implemented in ANSYS platform. Also, the transient effect nature of the bridge responses is further illustrated by comparison of the non-stationary, quasistationary and steady-state cases. Finally, buffeting response analysis with traditional stationary treatment (10 min constant mean plus stationary wind fluctuation) is performed to illustrate the importance of the non-stationary characteristics embedded in original wind speed samples.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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