Lamps installed on stay cables of cable-stayed bridges may alter the configuration of circular cross section of the cables and therefore result in aerodynamically unstable cable vibrations. The background of this study is a preliminary design of lamp installation on the cable-stayed He-dong Bridge in Guangzhou, China. Force measurements and dynamic response measurements wind tunnel tests were carried out to validate the possibility of cable galloping vibrations. It is observed that galloping will occur and the critical wind velocity is far less than the design wind velocity at Guangzhou City stipulated in Chinese Code. Numerical simulations utilizing software ANSYS CFX were subsequently performed and almost the same results as the wind tunnel tests were obtained. Moreover, the pressure and velocity contours around cable-lamp model obtained from numerical simulations indicated that the upstream steel wire in the preliminary design is the key factor for the onset of the galloping vibrations. A modification for the preliminary design of lamp installation, which suggests to remove the two parallel steel wires, is proposed, and it effectiveness is validated in further wind tunnel tests.
Stay cables play an essential role in cable-stayed bridges. Severe vibrations and/or harsh environment may result in cable failures. Therefore, an efficient structural health monitoring (SHM) solution for cable damage detection is necessary. This study proposes a data-driven method for immediately detecting cable damage from measured cable forces by recognizing pattern transition from the intact condition when damage occurs. In the proposed method, pattern recognition for cable damage detection is realized by time series classification (TSC) using a deep learning (DL) model, namely, the long short term memory fully convolutional network (LSTM-FCN). First, a TSC classifier is trained and validated using the cable forces (or cable force ratios) collected from intact stay cables, setting the segmented data series as input and the cable (or cable pair) ID as class labels. Subsequently, the classifier is tested using the data collected under possible damaged conditions. Finally, the cable or cable pair corresponding to the least classification accuracy is recommended as the most probable damaged cable or cable pair. A case study using measured cable forces from an in-service cable-stayed bridge shows that the cable with damage can be correctly identified using the proposed DL-TSC method. Compared with existing cable damage detection methods in the literature, the DL-TSC method requires minor data preprocessing and feature engineering and thus enables fast and convenient early detection in real applications.
A new theoretical model on rain-wind induced vibration (RWIV) of a continuous stay cable is developed in this paper. Different from the existing theoretical analyses in which the cable was modeled as a segmental rigid element, the proposed scheme focuses on the in-plane and out-of-plane responses of a continuous stay cable, which is identical with the prototype cable on cable-stayed bridge. In order to simplify the complexities, the motion law of the rivulet on the cable surface is assumed as a sinusoidal way according to some results obtained from wind tunnel tests. Quasi-steady theory is utilized to determine the aerodynamic forces on the cable. Equations of motion of the cable are derived in a Cartesian Coordinate System and solved by using finite difference method to obtain the in-plane and out-of-plane responses of the cable. The results show that limited cable amplitudes are achieved within a limited range of wind velocity, which is a unique characteristic of RWIV of stay cable. It appears that the in-plane cable amplitude is much larger than the out-of-plane cable amplitude. Rivulet frequency, rivulet distribution along cable axis, and mean wind velocity profile, all have significant effects on the RWIV responses of the prototype stay cable. The effects of damping ratio on RWIVs of stay cables are carefully investigated, which suggests that damping ratio of 1% is needed to well mitigate RWIVs of prototype stay cables.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.5A
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pp.657-664
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2008
Rain-wind induced cable vibration can cause the damages in the cable-stayed bridge due to very little inherent damping characteristics and low fundamental frequency. External Dampers attached to stay cables near anchorages have been shown to be effective means at short stay-cables. However, installation locations of external dampers are limited to a particular range due to aesthetic and practical reasons for very long stay-cables. A recent study by the authors showed that the stay-cable vibration system can perform better than the optimal passive viscous damper, thereby demonstrating its applicability in large cable-stayed bridges. This paper extends the previous study on the taut string representation of the cable by adding cable sag and inclination. The response of the proposed system compared to those of the cable with and without an external damper, and the movable anchorage system provides very effective mitigation of cable vibration. Cable damping ratio is seen to be remarkably reduced by movable anchorage system for a wide range of cable sag. This result shows that the sag effects of the proposed system should be considered.
This paper provides a variety of viewpoints to illustrate the mechanism of the deck-stay interaction with the appropriate initial shapes of cable-stayed bridges. Based on the smooth and convergent bridge shapes obtained by the initial shape analysis, the one-element cable system (OECS) and multi-element cable system (MECS) models of the Kao Ping Hsi Bridge in Taiwan are developed to verify the applicability of the analytical model and numerical formulation from the field observations in the authors' previous work. For this purpose, the modal analysis of the two finite element models are conducted to calculate the natural frequency and normalized mode shape of the individual modes of the bridge. The modal coupling assessment is also performed to obtain the generalized mass ratios among the structural components for each mode of the bridge. The findings indicate that the coupled modes are attributed to the frequency loci veering and mode localization when the "pure" deck-tower frequency and the "pure" stay cable frequency approach one another, implying that the mode shapes of such coupled modes are simply different from those of the deck-tower system or stay cables alone. The distribution of the generalized mass ratios between the deck-tower system and stay cables are useful indices for quantitatively assessing the degree of coupling for each mode. These results are demonstrated to fully understand the mechanism of the deck-stay interaction with the appropriate initial shapes of cable-stayed bridges.
Wake-induced aerodynamics of yawed circular cylinders with smooth and grooved surfaces in a tandem arrangement was studied. This pair of cylinders represent sections of stay-cables with smooth surfaces and high-voltage power conductors with grooved surfaces that are vulnerable to flow-induced structural failure. The study provides some insight for a better understanding of wake-induced loads and galloping problem of bundled cables. All experiments in this study were conducted using a pair of stationary section models of circular cylinders in a wind tunnel subjected to uniform and smooth flow. The aerodynamic force coefficients and vortex-shedding frequency of the downstream model were extracted from the surface pressure distribution. For measurement, polished aluminum tubes were used as smooth cables; and hollow tubes with a helically grooved surface were used as power conductors. The aerodynamic properties of the downstream model were captured at wind speeds of about 6-23 m/s (Reynolds number of 5×104 to 2.67×105 for smooth cable and 2×104 to 1.01×105 for grooved cable) and yaw angles ranging from 0° to 45° while the upstream model was fixed at the various spacing between the two model cylinders. The results showed that the Strouhal number of yawed cable is less than the non-yawed case at a given Reynolds number, and its value is smaller than the Strouhal number of a single cable. Additionally, compared to the single smooth cable, it was observed that there was a reduction of drag coefficient of the downstream model, but no change in a drag coefficient of the downstream grooved case in the range of Reynolds number in this study.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2000.10a
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pp.490-495
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2000
This paper presents the dynamic behavior of stay cable with Lead-Shear damper( LSD) near the support. This kind of research about the dynamic behavior of LSD is essential to design LSD in order to mitigate the ambient vibration of stay cable. The hysteresis curve of LSD was assumed to be perfect elasto-plastic behavior based on the real hysteretic behavior of such lead-based dampers. Mechanical model of LSD was equivalent Kelvin model and sag effect of stay cable was considered. Yielding force (also referred as size) of LSD was selected as a design parameter. Effects of tension of stay cable and installation point of LSD were studied. It was found that optimal size of LSD exists for each case of stay cable.
Preumont, Andre;Voltan, Matteo;Sangiovanni, Andrea;Mokrani, Bilal;Alaluf, David
Smart Structures and Systems
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v.18
no.1
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pp.31-52
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2016
The paper first reviews the theory of active tendon control with decentralized Integral Force Feedback (IFF) and collocated displacement actuator and force sensor; a formal proof of the formula giving the maximum achievable damping is provided for the first time. Next, the potential of the control strategy for the control of suspension bridges with active stay cables is evaluated on a numerical model of an existing footbridge; several configurations are investigated where the active cables connect the pylon to the deck or the deck to the catenary. The analysis confirms that it is possible to provide a set of targeted modes with a considerable amount of damping, reaching ${\xi}=15%$. Finally, the control strategy is demonstrated experimentally on a laboratory mock-up equipped with four control stay cables equipped with piezoelectric actuators. The experimental results confirm the excellent performance and robustness of the control system and the very good agreement with the predictions.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.13
no.6
s.58
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pp.156-165
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2009
This study is to consider the character of cables in six World-Cup stadiums constructed in 2002 and to inspect problems on measurement natural frequencies interpretation and application of existing theory. The results of the experiment were shown that it was possible to determine the tension force of the real cables with an accuracy of 8% by taking the cable bending stiffness. But for the range of cable affected greatly by bending stiffness(${\xi}{\leq}7$), it was appeared the tendency to increase estimated error and was considered to need additional study of this range. Estimated tension error could not be improved so much in comparison to the case using single mode of vibration even through multiple modes of vibration were used.
An extensive numerical investigation on the magnetorheological (MR) damper-based smart passive control system for mitigating vibration of stay cables under wind loads has been conducted. The smart passive system is incorporated with an electromagnetic induction (EMI) device for reducing complexity of the conventional MR damper based semi-active control system by eliminating an external power supply part and a feedback control part (i.e., sensors and controller). In this study, the control performance of the smart passive system has been evaluated by using a cable structure model extracted from a full-scale long stay cable with high tension. Numerical simulation results of the proposed smart damping system are compared with those of the passive and semi-active control systems employing MR dampers. It is demonstrated from the results that the control performance of the smart passive control system is better than those of the passive control cases and comparable to those of the semi-active control systems in the forced vibration analysis as well as the free vibration analysis, even though there is no external power source in the smart passive system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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