With taking the geometric nonlinearity of bridge structure into account, a framework is presented for predicting the dynamic responses of a long-span suspension bridge subjected to running train and turbulent wind. The nonlinear dynamic equations of the coupled train-bridge-wind system are established, and solved with the Newmark numerical integration and direct interactive method. The corresponding linear and nonlinear processes for solving the system equation are described, and the corresponding computer codes are written. The proposed framework is then applied to a schemed long-span suspension bridge with the main span of 1120 m. The whole histories of the train passing through the bridge under turbulent wind are simulated, and the dynamic responses of the bridge are obtained. The results demonstrate that the geometric nonlinearity does not influence the variation tendency of the bridge displacement histories, but the maximum responses will be changed obviously; the lateral displacement of bridge are more sensitive to the wind than the vertical ones; compared with wind velocity, train speed affects the vertical maximum responses a little more clearly.
Xin-Jun Zhang;Fu-Bing Ying;Chen-Yang Zhao;Xuan-Rui Pan
Wind and Structures
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제37권1호
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pp.39-56
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2023
To ensure the wind stability of a long-span suspension bridge during deck erection under skew wind, based on the aerostatic and self-excited aerodynamic force models under skew wind, a computational approach of refined flutter analysis for long-span bridges under skew wind is firstly established, in which the effects of structural nonlinearity, the static wind action and full-mode coupling etc are fully considered, and the corresponding computational procedure is programmed. By taking the Runyang suspension bridge over the Yangtze River as example, the flutter stability of the bridge in completion under skew wind is then analyzed with the aerodynamic parameters of a similar bridge deck measured from the sectional model wind tunnel test under skew wind. Finally, through simulating the girder segments erected symmetrically from the midspan to towers, from the towers to midspan and simultaneously from the towers and midspan to the quarter points, respectively, the evolutions of flutter stability limits during the deck erection under skew wind are investigated numerically, the favorable aerodynamically deck erection sequence is proposed, and the influences of skew wind and static wind effect on the flutter stability of suspension bridge under construction are ascertained.
Based on the ANSYS, an approach of full-mode aerodynamic flutter analysis for long-span suspension bridges has been presented in this paper, in which the nonlinearities of structure, aerostatic and aerodynamic force due to the deformation under the static wind loading are fully considered. Aerostatic analysis is conducted to predict the equilibrium position of a bridge structure in the beginning, and then flutter analysis of such a deformed bridge structure is performed. A corresponding computer program is developed and used to predict the critical flutter wind velocity and the corresponding flutter frequency of a long-span suspension bridge with double main span. A time-domain analysis of the bridge is also carried out to verify the frequency-domain computational results and the effectiveness of the approach proposed in this paper. Then, the nonlinear effects on aerodynamic behaviors due to aerostatic action are discussed in detail. Finally, the results are compared with those of traditional suspension bridges with single main span. The results show that the aerostatic action has an important influence on the flutter stability of long-span suspension bridges. As for a suspension bridge with double main spans, the flutter mode is the first anti-symmetrical torsional vibration mode, which is also the first torsional vibration mode in natural mode list. Furthermore, a double main-span suspension bridge is better in structural dynamic and aerodynamic performances than a corresponding single main-span structure with the same bridging capacity.
With the continuous increase of span lengths, modern bridges are becoming much more flexible and more prone to flutter under wind excitations. A reasonable probabilistic flutter analysis of long-span bridges involving random and uncertain variables may have to be taken into consideration. This paper presents a method for estimating the reliability index and failure probability due to flutter, which considers the very important variables including the extreme wind velocity at bridge site, damping ratio, mathematical modeling, and flutter derivatives. The Aizhai Bridge in China is selected as an example to demonstrate the numerical procedure for the flutter reliability analysis. In the presented method, the joint probability density function of wind speed and wind direction at the deck level of the bridge is first established. Then, based on the fundamental theories of structural reliability, the reliability index and failure probability due to flutter of the Aizhai Bridge is investigated by applying the Monte Carlo method and the first order reliability method (FORM). The probabilistic flutter analysis can provide a guideline in the design of long-span bridges and the results show that the structural damping and flutter derivatives have significant effects on the flutter reliability, more accurate and reliable data of which is needed.
The information on local stress acting in a bridge is required in many occasions such as fatigue assessment. The analysis by beam elements cannot yield this class of information adequately, while the finite element modeling of an entire long-span bridge by shell elements is impractical. In the present study, the hybrid modeling is tried out: only part of a bridge in which the point of interest is located is discretized by shell elements and the remaining part is modeled by beam elements. By solving a simple box girder problem, the effectiveness of this approach is discussed. This technique is then applied to the Rama IX Bridge for local stress evaluation. The numerical results compare very well with the results of a full-scale static loading test. The present research thus offers a practical yet accurate technique for the stress analysis of a long-span cable-stayed bridge.
본 연구의 목적은 멀티 GPS 센서를 이용하여 장대교량의 형상을 실시간으로 모니터링 하고 관리 할 수 있는 방안에 대하여 연구하는데 있다. 멀티 GPS 센서를 장대교량의 주요 지점에 설치하고 변위를 실시간으로 측정함으로써 장대교량의 3차원적인 형상거동을 관리 할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 개발한 형상관리시스템은 교량의 전체적, 지점별 변위정보를 수치화, 시각화하고 위험발생에 따라 능동적으로 대응이 가능하며 측정데이터의 DB화를 통해서 계측정보를 실시간으로 관리하고 제공 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 GPS센서를 이용한 형상관리시스템은 GPS 센서를 이용한 장대교량의 3차원 절대변위 및 거대변위의 효과적인 측정에 의한 교량의 전체적인 형상관리에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구의 목적은 다수의 GPS 센서를 이용하여 장대교량의 거동을 실시간으로 모니터링 하여 분석 할 수 있는 시스템을 개발하는데 있다. 다수의 GPS 센서를 장대교량의 주요 지점에 설치하고 변위를 실시간으로 측정하여 전체적인 거동을 분석한다. 본 연구에서 개발한 거동분석시스템은 교량의 전체적, 지점별 변위정보를 수치화, 시각화하고 이벤트에 대해 능동적인 대응이 가능하며 측정데이터의 DB화를 통해서 거동분석에 관계된 통계정보를 산출할 수 있다.
The residual capacity against collapse of a main shock-damaged bridge can be coupled with the aftershock ground motion hazard to make an objective decision on its probability of collapse in aftershocks. In this paper, a steel tower suspension bridge with a main span of 2000 m is adopted for a case-study. Seismic responses of the bridge in longitudinal and transversal directions are analyzed using dynamic elasto-plastic finite displacement theory. The analysis is conducted in two stages: main shock and aftershocks. The ability of the main shock-damaged bridge to resist aftershocks is discussed. Results show that the damage caused by accumulated plastic strain can be ignored in the long-span suspension bridge. And under longitudinal and transversal seismic excitations, the damage is prone to occur at higher positions of the tower and the shaft-beam junctions. When aftershocks are not large enough to cause plastic strain in the structure, the aftershock excitation can be ignored in the seismic damage analysis of the bridge. It is also found that the assessment of seismic damage can be determined by superposition of damage under independent action of seismic excitations.
By using the nonlinear aerostatic stability theory together with the method of mean wind decomposition, a method for nonlinear aerostatic stability analysis is proposed for long-span suspension bridges under yaw wind. A corresponding program is developed considering static wind load nonlinearity and structural nonlinearity. Taking a suspension bridge with three towers and double main spans as an example, the full range aerostatic instability is analyzed under wind at different attack angles and yaw angles. The results indicate that the lowest critical wind speed of aerostatic instability is gained when the initial yaw angle is greater than $0^{\circ}$, which suggests that perhaps yaw wind poses a disadvantage to the aerostatic stability of a long span suspension bridge. The results also show that the main span in upstream goes into instability first, and the reason for this phenomenon is discussed.
Structural health monitoring (SHM) has gained in popularity in recent years since it can assess the performance and condition of instrumented structures in real time and provide valuable information to the asset's manager and owner. Operational modal analysis plays an important role in SHM and it involves the determination of natural frequencies, damping ratios and mode shapes of a constructed structure based on measured dynamic data. This paper presents the operational modal analysis and seismic response characterization of the Tsing Ma Suspension Bridge of 2,160 m long subjected to different earthquake events. Three kinds of events, i.e., short-distance, middle-distance and long-distance earthquakes are taken into account. A fast Bayesian modal identification method is used to carry out the operational modal analysis. The modal properties of the bridge are identified and compared by use of the field monitoring data acquired before and after the earthquake for each type of the events. Research emphasis is given on identifying the predominant modes of the seismic responses in the deck during short-distance, middle-distance and long-distance earthquakes, respectively, and characterizing the response pattern of various structural portions (deck, towers, main cables, etc.) under different types of earthquakes. Since the bridge is over 2,000 m long, the seismic wave would arrive at the tower/anchorage basements of the two side spans at different time instants. The behaviors of structural dynamic responses on the Tsing Yi side span and on the Ma Wan side span under each type of the earthquake events are compared. The results obtained from this study would be beneficial to the seismic design of future long-span bridges to be built around Hong Kong (e.g., the Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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