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.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.3
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pp.237-250
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2003
Since an orthotropic steel deck bridge has large number of design variables and shows complex structural behavior, it would be very difficult and impractical to directly use a Conventional Single Level (CSL) optimization algorithm for its optimum design. Thus, in this paper, an Improved Multi Level Design Synthesis (IMLDS) optimization algorithm is proposed to improve the computational efficiency. In the proposed IMLDS algorithm, a coordination method is introduced to divide the bridge into main girders and orthotropic steel deck with preserving the characteristics of the structural behavior. For an efficient optimization of the bridge, the IMLDS algorithm incorporates the various crucial approximation techniques such as constraints deletion, Automatic Differentiation (AD), stress reanalysis, and etc. In the case of orthotropic steel deck system, optimum design problems are characterized by mixed continuous discrete variables and discontinuous design space. Thus, a modified Genetic Algorithm (GA) is also applied to optimize discrete member design for orthotropic steel deck. From the numerical example, the efficiency and convergency of the IMLDS algorithm proposed in this paper is investigated. It may be positively stated that the IMLDS algorithm will lead to more effective and practical design compared with previous algorithms.
Open decks are a widely used deck configuration in long-span cable-stayed bridges; however, incorporating aerodynamic countermeasures are advisable to achieve better aerodynamic performance than a bluff body deck alone. A sectional model of an open deck cable-stayed bridge with a main span of 400 m was selected to conduct a series of wind tunnel tests. The influences of five practical aerodynamic countermeasures on flutter and vortex-induced vibration (VIV) performance were investigated and are presented in this paper. The results show that an aerodynamic shape selection procedure can be used to evaluate the flutter stability of decks with respect to different terrain types and structural parameters. In addition, the VIV performance of $\prod$-shaped girders for driving comfortableness and safety requirements were evaluated. Among these aerodynamic countermeasures, apron boards and wind fairings can improve the aerodynamic performance to some extent, while horizontal guide plates with 5% of the total deck width show a significant influence on the flutter stability and VIV. A wind fairing with an angle of $55^{\circ}C$ showed the best overall control effect but led to more lock-in regions of VIV. The combination of vertical stabilisers and airflow-depressing boards was found to be superior to other countermeasures and effectively boosted aerodynamic performance; specifically, vertical stabilisers significantly contribute to improving flutter stability and suppressing vertical VIV, while airflow-depressing boards are helpful in reducing torsional VIV.
Dry shrinkage md temperature change cause to develope concrete bridge decks on main girders have initial unidirectional cracks in longitudinal or transverse direction. As they receive traffic loads, the crack gradually propagate in different directions depending on the concrete dimension and reinforcement ratio. Since existing equations that predict crack width are mostly based on the one directional bond-slip theory, it is difficult to determine the actual crack width of a bridge deck with varying the spacing of rebar or strengthening material and to estimate the improvement rate in serviceability of the strengthened bridge deck. In this study, crack propagation mechanism is identified based on the test results and a new crack prediction equation is proposed for evaluation of serviceability. Although more accurate results are derived using the proposed equation, the extent of error is increased as the strain of the rebar or the strengthening material increases after the yielding of rebar Therefore, further research is required to better predict the crack width after the rebar yields under fatigue loading condition.
Prestressed composite girder with concrete infilled steel tubes(PSC-CFT girder) is new type of bridge girder which enhances the resisting capacities due to the double composite action of PSC composite girder and concrete infilled tube. The flexural behaviors of PSC-CFT girder in the positive moment regions are investigated based on the experimental observations recently performed on two of 4.4m long specimens. The mechanical and structural roles and failure mechanism of the composite action are discussed through comparing the test results with those numerically predicted by the three methods of one- and three-dimensional nonlinear finite element analyses, and section analysis method.
The structural behavior of concrete girder in bridges constructed by free cantilever method is time-dependent due to creep and shrinkage of concrete. The constraint effects of longitudinal movement of concrete girders can introduce unfavourable moment into piers. This study is aimed at proposing a method to reduce the moment of piers in bridge constructed by free cantilever method. The method are systematically composed of time-dependent structural analysis of bridges and loading of control force during construction of bridge. Numerical analyses are carried out depending on the parameters such as amount of control force and flexibility of pier. Time-dependent structural behavior shows that moment of pier increases according as pier height decreases. Also, moment of pier decreases when control method are applied. Numerical result of the study represents that time-dependent moment of piers can be controlled effectively by employing the proposed method.
Kwon, Soon-Chul;Piyush K. Dutta;Kim, Yun-Hae;Anido, Roberto-Lopez
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.17
no.1
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pp.1-10
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2003
This paper summarizes the results of the fatigue test of four composite bridge decks in extreme temperatures (-30$^{\circ}C$ and 50$^{\circ}C$ ). The work was performed as part of a research program to evaluate and install multiple FRP bridge deck systems in Dayton, Ohio. A two-span continuous concrete deck was also built on three steel girders for the benchmark tests. Simulated wheel loads were applied simultaneously at two points by two servo-controlled hydraulic actuators specially designed and fabricated to perform under extreme temperatures. Each deck was initially subjected to one million wheel load cycles at low temperature and another one million cycles at high temperature. The results presented in this paper correspond to the fatigue response of each deck for four million load cycles at low temperature and another four million cycles at high temperature. Thus, the deck was subjected to a total of ten million cycles. Quasi-static load-deflection and load-strain responses were determined at predetermined fatigue cycle levels. Except for the progressive reduction in stiffness, no significant distress was observed in any of the composite deck prototypes during ten million load cycles. The effects of extreme temperatures and accumulated load cycles on the load-deflection and load-strain response of FRP composite and FRP-concrete hybrid bridge decks are discussed based on the experimental results.
This paper presents results from the theoretical analysis of the lateral load distribution for a railway bridge designed with PSC girders which is one of most popular types of bridge in Korea. Typically, 3 sets of intermediate cross beams within a span have been installed for lateral load distribution. In this paper, the effect on the lateral load distribution by the number of intermediate cross beams were examined by both simple grillage analysis and finite element method. This study showed that at least, one set of cross beams at midspan should be needed to ensure the proper load distribution. However, the effect of cross beams on the load distribution becomes not significant though more than one set of cross beams are installed. Therefore, only one set of cross beans at midspan is recommended for constructibility and economic efficiency.
The aim of this paper concerns with the nonlinear analysis of cable-stayed bridges including the vibration effect of cable stays. Two models for the cable stay system are built up in the study. One is the OECS (one element cable system) model in which one single element per cable stay is used and the other is MECS (multi-elements cable system) model, where multi-elements per cable stay are used. A finite element computation procedure has been set up for the nonlinear analysis of such kind of structures. For shape finding of the cable-stayed bridge with MECS model, an efficient computation procedure is presented by using the two-loop iteration method (equilibrium iteration and shape iteration) with help of the catenary function method to discretize each single cable stay. After the convergent initial shape of the bridge is found, further analysis can then be performed. The structural behaviors of cable-stayed bridges influenced by the cable lateral motion will be examined here detailedly, such as the static deflection, the natural frequencies and modes, and the dynamic responses induced by seismic loading. The results show that the MECS model offers the real shape of cable stays in the initial shape, and all the natural frequencies and modes of the bridge including global modes and local modes. The global mode of the bridge consists of coupled girder, tower and cable stays motion and is a coupled mode, while the local mode exhibits only the motion of cable stays and is uncoupled with girder and tower. The OECS model can only offers global mode of tower and girder without any motion of cable stays, because each cable stay is represented by a single straight cable (or truss) element. In the nonlinear seismic analysis, only the MECS model can offer the lateral displacement response of cable stays and the axial force variation in cable stays. The responses of towers and girders of the bridge determined by both OECS- and MECS-models have no great difference.
Lee Tae-Yeol;Kim Young-Hoon;Kim Jae-Kwon;Kang Sung-Won
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.283-290
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2006
Cable-stayed bridge is a bridge that consists of one or more pylons, with cables supporting the deck. Cable-stayed bridges have come into wide use recently because of their economy, stability, and excellent appearance. It is possible to achieve a uniform moment distribution in the stiffening girders mainly by prestressing the cables, which leads to a more economical design in material and weight than other types of bridges. However, to achieve a more uniform moment distribution is vague objective, so it cannot be easily defined as the optimization problem. In other words, the minimization of cost or weight as the objective is not directly related to the optimization of cable prestressing. Therefore, it has been considered as one of the most important, difficult and also interesting topics among many researchers and bridge engineers to determine the optimal tensioning strategy how to apply prestressing forces of the cables of cable-stayed bridge. A number of approaches (Wang et al. 1993, $Negr\~{a}o\;and\;Sim\~{o}es$ 1997, Agrawal 1997, Janjic et al. 2003) to determine the optimal cable tensions have been proposed in the literature. Among these approaches the unit load method (Janjic et al. 2003) is considered in this paper because it can take into account the actual construction process while other approaches are based on the configuration of the final structure only. In this paper, '2-step approach' based on the unit load method is proposed to find the optimal tensioning strategy especially for the atypical asymmetric bridge under construction, which has continuous deck supported by one pylon and stay cables. Some numerical results will be given to show the validity of the new approach suggested in this paper.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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