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.
This paper uses the finite element method to simultaneously consider the coupled cable-deck vibrations and the parametric vibrations of stay cables in dynamic analysis of a cable-stayed bridge. The stay cables are represented by some cable finite elements, which can consider the parametric vibration of the cables. In addition to modeling stay cables using multiple link cable elements, a procedure for removing the self-weight term of cable element is proposed. A eigenvalue analysis process using dynamic condensation method for sorting out the natural modes of the girder-tower vibrations and the Rayleigh damping considering element damping for damping matrix are also proposed for dynamic analyses of cable-stayed bridges. The possibilities of using cable elements and of using global and local vibrations to evaluate the parametric vibrations of stay cables in a cable-stayed bridge are confirmed, respectively.
In recent years, due to the many advantages cable-stayed bridges have often constructed in medium and long span. These advantages can be listed as an aesthetically pleasing appearance, economic and easy construction, etc. The main structural elements of cable-stayed bridges are listed as deck, pylon, cables and foundation. Perhaps one of the most vital and expensive of these structural elements is stay-cables. Stay-cables ensure the allowable displacement and distribution of bending moments along the bridge deck with prestressing force. Therefore the optimum design of the stay-cables and prestressing force are very important in achieving the performance expected from the cable-stayed bridges. This paper aims to obtain the stay-cables size and prestressing force optimization of the cable-stayed bridge. For this purpose, single pylon and fan type cable configuration Manavgat Cable-Stayed Bridge was selected as an example. The three dimensional (3D) finite element model (FEM) of the bridge was created with SAP2000. Analysis of the 3D FEM of the bridge was conducted under the different combined effects of the self-weight of the structural element, prestressing force of stay-cable and live load. Stay-cable stress and deck displacement were taken into account as constraints for the optimization problem. To optimize this existing bridge a metaheuristic algorithm named Jaya was used in the optimization process. 3D FEM of the selected bridge was repeatedly analyzed by using Open Applicable Programming Interface (OAPI) properties of SAP2000. To carry out the optimization process the developed program which integrates the Jaya algorithm and the required codes for calling SAP2000 is coded in MATLAB. At the end of the study, the total weight of the stay-cables was reduced more than 40% according to existing stay cables under loads taken into account.
This paper examines local vibrations in the stay cables of a cable-stayed bridge subjected to wind gusts. The wind loads, including the self-excited load and the buffeting load, are converted into time-domain values using the rational function approximation and the multidimensional autoregressive process, respectively. The global motion of the girder, which is generated by the wind gusts, is analyzed using the modal analysis method. The local vibration of stay cables is calculated using a model in which an inclined cable is subjected to time-varying displacement at one support under global vibration. This model can consider both forced vibration and parametric vibration. The response characteristics of the local vibrations in the stay cables under wind gusts are described using an existing cable-stayed bridge. The results of the numerical analysis show a significant difference between the combined parametric and forced vibrations and the forced vibration.
A significant problem met in engineering practice when designing cable-stayed bridges is the failure of cables. Many different factors can lead to sudden failure of cables, such as corrosion, continuous friction or abrasion, progressive and extended crevice created by fatigue and finally an explosion caused by sabotage or accident, are some of the causes that can lead to the sudden failure of one or more cables. This paper deals with the sudden failure of cables in a special form of cable-stayed bridges with a single line of cables anchored at the central axis of the deck's cross-section. The analysis is carried out by the modal superposition technique where an analytical method developed by the authors in a previous work has been employed.
Ice accretions on stay cables may result in the instable vibration of galloping, which would affect the safety of cable-stayed bridges. A large number of studies have investigated the galloping vibrations of transmission lines. However, the obtained aerodynamics in transmission lines cannot be directly applied to the stay cables on cable-stayed bridges. In this study, linear and nonlinear single degree-of-freedom models were introduced to obtain the critical galloping wind velocity of iced stay cables where the aerodynamic lift and drag coefficients were identified in the wind tunnel tests. Specifically, six ice shapes were discussed using section models with geometric scale 1:1. The results presented obvious sudden decrease regions of the aerodynamic lift coefficient for all six test models. Numerical analyses of iced stay cables associated to a medium-span cable-stayed bridge were carried out to evaluate the potential galloping instability. The obtained nonlinear critical wind velocity for a 243-meter-long stay cable is much lower than the design wind velocity. The calculated linear critical wind velocity is even lower. In addition, numerical analyses demonstrated that increasing structural damping could effectively mitigate the galloping vibrations of iced stay cables.
The sag effect of long stay cables is one of the key factors restricting further increase in the span of cable-stayed bridges. Based on the formerly proposed concept of long stay cables lifted by an auxiliary suspension cable in cross-strait cable-stayed bridges, corresponding static approximate calculations and analytical theory based on catenary and parabolic cable configurations are established. Taking a main span 1400 m cable-stayed bridge as the research object, three typical lifting conditions and the whole process of auxiliary cable lifting are analyzed and discussed. The results show that the sag effect is effectively reduced. The support efficiency is only improved when the cables are lifted above the original cable chord. Reduction of the horizontal component force of the cable is limited. The equivalent elastic modulus and the vertical support stiffness of the lifted cables are significantly increased with increased horizontal projection length and not sensitive to the change of the lifting point position. The scheme of lifting the cable to the chord midpoint is more economical because of the less steel required for the auxiliary suspension cable, but its effect on improving the vertical support efficiency is limited. The support efficiency is better when the cable is lifted to the cable end tangential to the original cable chord, but the lifting force and the cross-sectional area of the auxiliary suspension cable are doubled. The approximate calculation results of the lifted cables are very close to the numerical analysis results, which verifies the applicability of the approximation method proposed in this study. The results of parabolic approximation calculations are approximately equal to that of catenary cable geometry. As the parabolic approximation analysis theory of lifted cables is more convenient in mathematical processing, it is feasible to use parabolic approximation analysis theory as the analytical method for the conceptual design of lifted cables of super-long span cable-stayed bridges.
This study has been motivated to examine the performance of a wireless sensor system under the typhoons as well as to analyze the effect of the typhoons on the bridge's vibration responses and the variation of cable forces. During the long-term field experiment on a real cable-stayed bridge in years 2011-2012, the bridge had experienced two consecutive typhoons, Bolaven and Tembin, and the wireless sensor system had recorded data of wind speeds and vibration responses from a few survived sensor nodes. In this paper, the wireless structural health monitoring of stay cables under the two consecutive typhoons is presented. Firstly, the wireless monitoring system for cable-stayed bridge is described. Multi-scale vibration sensor nodes are utilized to measure both acceleration and PZT dynamic strain from stay cables. Also, cable forces are estimated by a tension force monitoring software based on vibration properties. Secondly, the cable-stayed bridge with the wireless monitoring system is described and its wireless monitoring capacities for deck and cables are evaluated. Finally, the structural health monitoring of stay cables under the attack of the two typhoons is described. Wind-induced deck vibration, cable vibration and cable force variation are examined based on the field measurements in the cable-stayed bridge under the two consecutive typhoons.
This paper focuses on the nonlinear vibrations of stay cables and evaluates the dynamic characteristics of stay cables by using the nonlinear enhanced MECS approach and the approximate approach. The nonlinear enhanced MECS approach is that both the girder-tower vibrations and the cable vibrations including parametric cable vibrations are simultaneously considered in the numerical analysis of cable-stayed bridges. Cable finite element method is used to simulate the responses including the parametric vibrations of stay cables. The approximate approach is based on the assumption that cable vibrations have a small effect on girder-tower vibrations, and analyzes the local cable vibrations after obtaining the girder-tower responses. Under the periodic excitations or the moderate ground motion, the differences of the responses of stay cables between these two approaches are evaluated in detail. The effect of cable vibrations on the girder and towers are also discussed. As a result, the dynamic characteristics of the parametric vibrations in stay cables can be evaluated by using the approximate approach or the nonlinear enhanced MECS approach. Since the different axial force fluctuant of stay cables in both ends of one girder causes the difference response values between two approach, it had better use the nonlinear enhanced MECS approach to perform the dynamic analyses of cable-stayed bridges.
Flexible stay cables on cable-stayed bridges are three-dimensional. They sag and flex in the complex wind environment, which is a different situation to ideal rigid cylinders in two-dimensional wind flow. Aerodynamic interference and the response characteristics of wake galloping of full-scale parallel cables are potentially different due to three-dimensional flows around cables. This study presents a comprehensive wind tunnel investigation of wake galloping of parallel stay cables using three-dimensional aeroelastic cable models. The wind tunnel study focuses on the large spacing instability range, addressing the effects of cable separation, wind yaw angle, and wind angle of attack on wake galloping response. To investigate the effectiveness of vibration suppression measures, wind tunnel studies on the transversely connected cable systems for two types of connections (flexibility and rigidity) at two positions (mid-span and quarter-span) were also conducted. This experimental study provides useful insights for better understanding the characteristics of wake galloping that will help in establishing a guideline for the wind-resistant design of the cable system on cable-stayed bridges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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