By using a computational program of three-dimensional aerostatic and aerodynamic stability analysis of long-span bridges under skew wind, the dynamic characteristics and structural stability(including the aerostatic and aerodynamic stability) of a three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridge with main span of 1 400 meters are investigated numerically under skew wind, and the skew wind and aerostatic effects on the aerostatic and aerodynamic stability of three-tower cable-stayedsuspension hybrid bridge are ascertained. The results show that the three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridge is a longspan structure with greater flexibility, and it is more susceptible to the wind action. The aerostatic instability of three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridges is characterized by the coupling of vertical bending and torsion of the girder, and the skew wind does not affect the aerostatic instability mode. The skew wind has positive or negative effects on the aerostatic stability of the bridge, the influence is between -5.38% and 4.64%, and in most cases, it reduces the aerostatic stability of the bridge. With the increase of wind yaw angle, the critical wind speed of aerostatic instability does not vary as the cosine rule as proposed by the skew wind decomposition method, the skew wind decomposition method may overestimate the aerostatic stability, and the maximum overestimation is 16.7%. The flutter critical wind speed fluctuates with the increase of wind yaw angle, and it may reach to the minimum value under the skew wind. The skew wind has limited effect on the aerodynamic stability of three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridge, however the aerostatic effect significantly reduces the aerodynamic stability of the bridge under skew wind, the reduction is between 3.66% and 21.86%, with an overall average drop of 11.59%. The combined effect of skew and static winds further reduces the critical flutter wind speed, the decrease is between 7.91% and 19.37%, with an overall average decrease of 11.85%. Therefore, the effects of skew and static winds must be comprehensively considered in the aerostatic and aerodynamic stability analysis of three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridges.
Xin-Jun Zhang;Fu-Bing Ying;Chen-Yang Zhao;Xuan-Rui Pan
Wind and Structures
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v.37
no.1
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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.
To ensure the flutter stability of three-tower suspension bridges under skew wind, by using the computational procedure of 3D refined flutter analysis of long-span bridges under skew wind, in which structural nonlinearity, the static wind action(also known as the aerostatic effect) and the full-mode coupling effect etc., are fully considered, the flutter stability of a three-tower suspension bridge-the Taizhou Bridge over the Yangtze River in completion and during the deck erection is numerically investigated under the constant uniform skew wind, and the influences of skew wind and aerostatic effects on the flutter stability of the bridge under the service and construction conditions are assessed. The results show that the flutter critical wind speeds of three-tower suspension bridge under service and construction conditions fluctuate with the increase of wind yaw angle instead of a monotonous cosine rule as the decomposition method proposed, and reach the minimum mostly in the case of skew wind. Both the skew wind and aerostatic effects significantly reduce the flutter stability of three-tower suspension bridge under the service and construction conditions, and the combined skew wind and aerostatic effects further deteriorate the flutter stability. Both the skew wind and aerostatic effects do not change the evolution of flutter stability of the bridge during the deck erection, and compared to the service condition, they lead to a greater decrease of flutter critical wind speed of the bridge during deck erection, and the influence of the combined skew wind and aerostatic effects is more prominent. Therefore, the skew wind and aerostatic effects must be considered accurately in the flutter analysis of three-tower suspension bridges.
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.
In conventional buffeting theory, it is assumed that the aerostatic coefficients along a bridge deck follow the strip assumption. The validity of this assumption is suspect for a cable-stayed bridge in the construction stages, due to the effect of significant aerodynamic interference from the pylon. This situation may be aggravated in skew winds. Therefore, the most adverse buffeting usually occurs when the wind is not normal to bridge axis, which indicates the invalidity of the traditional "cosine rule". In order to refine the studies of static wind load on the deck of cable-stayed bridge under skew wind during its most adverse construction stage, a full bridge 'aero-stiff' model technique was used to identify the aerostatic loads on each deck segment, in smooth oncoming flow, with various yaw angles. The results show that the shelter effect of the pylon may not be ignored, and can amplify the aerostatic loading on the bridge deck under skew winds ($10^{\circ}-30^{\circ}$) with certain wind attack angles, and consequently results in the "cosine rule" becoming invalid for the buffeting estimation of cable-stayed bridge during erection for these wind directions.
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 paper presents a time domain approach for predicting buffeting response of long suspension bridges under skew winds. The buffeting forces on an oblique strip of the bridge deck in the mean wind direction are derived in terms of aerodynamic coefficients measured under skew winds and equivalent fluctuating wind velocities with aerodynamic impulse functions included. The time histories of equivalent fluctuating wind velocities and then buffeting forces along the bridge deck are simulated using the spectral representation method based on the Gaussian distribution assumption. The self-excited forces on an oblique strip of the bridge deck are represented by the convolution integrals involving aerodynamic impulse functions and structural motions. The aerodynamic impulse functions of self-excited forces are derived from experimentally measured flutter derivatives under skew winds using rational function approximations. The governing equation of motion of a long suspension bridge under skew winds is established using the finite element method and solved using the Newmark numerical method. The proposed time domain approach is finally applied to the Tsing Ma suspension bridge in Hong Kong. The computed buffeting responses of the bridge under skew winds during Typhoon Sam are compared with those obtained from the frequency domain approach and the field measurement. The comparisons are found satisfactory for the bridge response in the main span.
Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers
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v.26
no.2
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pp.71-77
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2012
The cogging torque is important to the cut-in wind speed. And, it causes the acoustic noise and the vibration on the machine. This paper presents a 3D FEA(Finite Element Analysis) to evaluate the effect of magnet skew and stator displacement on cogging torque reduction, for double core AFPM(Axial Flux Permanent Magnet) generator. As a result, the magnet skew and the stator side displacement are proved excellent techniques to reduce the cogging torque.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.3
no.2
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pp.60-67
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1979
Aerodynamic forces acting on a curved blade are computed theoretically taking into account the variation of wind speed over the blade to investigate the performance of a vertical axis wind rotor. It is shown that the rotor does not self start at the rated wind speed without a supplementary starting device and that most of the power output is contributed by the central portion of the rotor, and the use of spoilers for limiting the maximum rotational speed is needed for safety. It is also shown that provision of skew angle to the blade does not improve the starting characterstics and only reduces the maximum power output. The effects of geometric variables such as skew angle, blade solidity and ratio of the rotor height to diameter are also discussed.
When first commissioned, the 1.6 km span 275kV Severn Crossing Conductor experienced large amplitude vibrations in certain wind conditions, but without ice or rain, leading to flashover between the conductor phases. Wind tunnel tests undertaken at the time identified a major factor was the lift generated in the critical Reynolds number range in skew winds. Despite this insight, and although a practical solution was found by wrapping the cable to change the aerodynamic profile, there remained some uncertainty as to the detailed excitation mechanism. Recent work to address the problem of dry inclined cable galloping on cable-stayed bridges has led to a generalised quasi-steady galloping formulation, including effects of the 3D geometry and changes in the static force coefficients in the critical Reynolds number range. This generalised formulation has been applied to the case of the Severn Crossing Conductor, using data of the static drag and lift coefficients on a section of the stranded cable, from the original wind tunnel tests. Time history analysis has then been used to calculate the amplitudes of steady state vibrations for comparison with the full scale observations. Good agreement has been obtained between the analysis and the site observations, giving increased confidence in the applicability of the generalised galloping formulation and providing insight into the mechanism of galloping of yawed and stranded cables. Application to other cable geometries is also discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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