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 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.
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.
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.
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.
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.
To enhance cable stiffness, this paper proposed a combined application of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) and steel materials, resulting in a novel type of hybrid stay cable system especially for the cable-stayed bridges with main span lengths of 1400~2800 m. In this combination, CFRP materials can conserve all their advantages such as light weight and high strength; while steel materials help increase the equivalent stiffness to compensate for the low elastic modulus of CFRP materials. An increase of the equivalent stiffness of the hybrid stay cable system could be further obtained with a reasonable increase of its safety factor. Following this concept, a series of parametric studies for the hybrid stay cable system with the consideration of stiffness and cost were carried out. Three design strategies/criteria, namely, best equivalent stiffness with a given safety factor, highest ratio of equivalent stiffness to material cost with a given safety factor, and best equivalent stiffness under a given cost were proposed from the stiffness and cost viewpoints. Finally, a comprehensive design procedure following the proposed design strategies was suggested. It was shown that the proposed hybrid stay cable system could be a good alternative to the pure CFRP or traditional steel stay cables in the future applications of super long span bridges.
For a long cable-stayed bridge, stay cables are its most important load-carrying components. In this paper, long-term monitoring of super-long stay cables of Sutong Bridge is introduced. A comprehensive data analysis procedure is presented, in which time domain and frequency domain based analyses are carried out. In time domain, the vibration data of several long stay cables are firstly analyzed and the standard deviation of the acceleration of stay cables, and its variation with time are obtained, as well as the relationship between in-plane vibration and out-plane vibration. Meanwhile, some vibrations such as wind and rain induced vibration are detected. Through frequency domain analysis, the basic frequencies of the stay cables are identified. Furthermore, the axial forces and their statistical parameters are acquired. To investigate the vibration deflection, an FFT-based decomposition method is used to get the modal deflection. In the end, the relationship between the vibration amplitude of stay cables and the wind speed is investigated based on correlation analysis. Through the adopted procedure, some structural parameters of the stay cables have been derived, which can be used for evaluating the component performance and corresponding management of stay cables.
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.
This study presents a method to monitor cable force of a long-span cable-stayed bridge using a smart piezoelectric sensor system. The following approaches are implemented in order to achieve the objective. Firstly, the method to utilize piezoelectric materials for the health monitoring of stay cables is presented. For strain measurement of a stay cable, a PZT-embedded smart skin is designed to overcome the difficulties of bonding PZT sensors directly on stay cables. Secondly, a piezoelectric strain monitoring system for stay cables is designed. For the operation of the sensor board, the Imote2 sensor platform is used to provide the computation, wireless communication and power supply units. The feasibility of the proposed monitoring system is then evaluated on a full-scale cable of a cable-stayed bridge.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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