With the further increase of span length, the cable-stayed bridge tends to be more slender, and becomes more susceptible to the seismic action. By taking a super long-span cable-stayed bridge with main span of 1400m as example, structural response of the bridge under the E1 horizontal and vertical seismic excitations is investigated numerically by the multimode seismic response spectrum and time-history analysis respectively, the seismic behavior and also the effect of structural nonlinearity on the seismic response of super long-span cable-stayed bridge are revealed. Furthermore, the effect of structural parameters including the girder depth and width, the tower structural style, the tower height-to-span ratio, the side-tomain span ratio, the auxiliary piers in side spans and the anchorage system of stay cables etc on the seismic performance of super long-span cable-stayed bridge is investigated numerically by the multimode seismic response spectrum analysis, and the favorable earthquake-resistant structural system of super long-span cable-stayed bridge is proposed.
This study aims to establish an effective methodology for the detection of instant damages occurred in cable-stayed bridges with the measurements of cable vibration and structural temperatures. A transfer coefficient for the daily temperature variation and another for the long-term temperature variation are firstly determined to eliminate the environmental temperature effects from the cable force variation. Several thresholds corresponding to different levels of exceedance probability are then obtained to decide four upper criteria and four lower criteria for damage detection. With these criteria, the monitoring data for three stay cables of Ai-Lan Bridge are analyzed and compared to verify the proposed damage detection methodology. The simulated results to consider various damage scenarios unambiguously indicate that the damages with cable force changes larger than ${\pm}1%$ can be confidently detected. As for the required time to detect damage, it is found that the cases with ${\pm}2%$ of cable force change can be discovered in no more than 6 hours and those with ${\pm}1.5%$ of cable force change can be identified in at most 9 hours. This methodology is also investigated for more lightly monitored cases where only the air temperature measurement is available. Under such circumstances, the damages with cable force changes larger than ${\pm}1.5%$ can be detected within 12 hours. Even though not exhaustively reflecting the environmental temperature effects on the cable force variation, both the effective temperature and the air temperature can be considered as valid indices to eliminate these effects at high and low monitoring costs.
Passive negative stiffness dampers (NSDs) that possess superior energy dissipation abilities, have been proved to be more efficient than commonly adopted passive viscous dampers in controlling stay cable vibrations. Recently, inertial mass dampers (IMDs) have attracted extensive attentions since their properties are similar to NSDs. It has been theoretically predicted that superior supplemental damping can be generated for a taut cable with an IMD. This paper aims to theoretically investigate the impact of the cable sag on the efficiency of an IMD in controlling stay cable vibrations, and experimentally validate superior vibration mitigation performance of the IMD. Both the numerical and asymptotic solutions were obtained for an inclined sag cable with an IMD installed close to the cable end. Based on the asymptotic solution, the cable attainable maximum modal damping ratio and the corresponding optimal damping coefficient of the IMD were derived for a given inertial mass. An electromagnetic IMD (EIMD) with adjustable inertial mass was developed to investigate the effects of inertial mass and cable sag on the vibration mitigation performance of two model cables with different sags through series of first modal free vibration tests. The results show that the sag generally reduces the attainable first modal damping ratio of the cable with a passive viscous damper, while tends to increase the cable maximum attainable modal damping ratio provided by the IMD. The cable sag also decreases the optimum damping coefficient of the IMD when the inertial mass is less than its optimal value. The theoretically predicted first modal damping ratio of the cable with an IMD, taking into account the sag generally, agrees well with that identified from experimental results, while it will be significantly overestimated with a taut-cable model, especially for the cable with large sag.
This paper describes a formulation to predict optimum post-tensioning forces and cable dimensioning for self-anchored cable-stayed suspension bridges. The analysis is developed with respect to both dead and live load configurations, taking into account design constrains concerning serviceability and ultimate limit states. In particular, under dead loads, the analysis is developed with the purpose to calculate the post-tensioning cable forces to achieve minimum deflections for both girder and pylons. Moreover, under live loads, for each cable elements, the lowest required cross-section area is determined, which verifies prescriptions, under ultimate or serviceability limit states, on maximum allowable stresses and bridge deflections. The final configuration is obtained by means of an iterative procedure, which leads to a progressive definition of the stay, hanger and main cable characteristics, concerning both post-tensioning cable stresses and cross-sections. The design procedure is developed in the framework of a FE modeling, by using a refined formulation of the bridge components, taking into account of geometric nonlinearities involved in the bridge components. The results demonstrate that the proposed method can be easily utilized to predict the cable dimensioning also in the framework of long span bridge structures, in which typically more complexities are expected in view of the large number of variables involved in the design analysis.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.5A
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pp.881-885
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2006
Rain-wind induced cable vibration can cause serious problems in cable-stayed bridges. Externally attached dampers have been used to provide an effective means to suppress the vibration of relatively short stay-cables. For very long stay-cables, however, such damper systems are rendered ineffective, as the dampers need to be attached near the end of cables for aesthetic reasons. This paper investigates a new control system to mitigate the cable vibration. The proposed control system which consists of a laminated rubber bearing and an internal damper may be installed inside of the cable anchorage. A simple analytical model of the cable-damper system is developed first based on the taut string representation of the cable. The response of a cable with the proposed control system is obtained and then compared to those of the cable with and without an external passive damper. The proposed stay-cable vibration control system is shown to perform better than the optimal passive viscous damper, thereby demonstrating its applicability in large cable-stayed bridges for mitigation of rain-wind induced vibration of stay-cables.
Modeling of magnetorheological (MR) dampers for cable vibration control to facilitate the design of even more effective and economical systems is still a challenging task. In this study, a parameter-adaptive three-element model is first established for a full-scale MR damper based on laboratory tests. The parameters of the model are represented by a set of empirical formulae in terms of displacement amplitude, voltage input, and excitation frequency. The model is then incorporated into the governing equation of cable-damper system for investigation of open-loop vibration control of stay cables in a cable-stayed bridge. The concept of optimal voltage/current input achieving the maximum damping for the system is put forward and verified. Multi-mode suboptimal and Single-mode optimal open-loop control method is then developed. Important conclusions are drawn on application issues and unique characteristics of open-loop cable vibration control using MR dampers.
The objective of this study is to investigate the stability behavior of steel cable-stayed bridges by comparing the buckling loads obtained by means of finite element methods with eigen-solver. In recent days, cable-stayed bridges dramatically attract engineers' attention due to their structural characteristics and aesthetics. They require a number of design parameters and present a high degree of static indetermination, especially for long span bridges. Cable-stayed bridges exhibit several nonlinear behaviors concurrently under normal design loads due to the individual nonlinearity of substructures such as the pylons, stay cables, and bridge deck, and their interactions. The geometric nonlinearities arise mainly from large displacements of cables. Strong axial and lateral forces acting on the bridge deck and pylons cause structural nonlinear behaviors. The interaction is among the substructures. In this paper, a typical three-span steel cable-stayed bridge with a variety of design parameters has been investigated. The numerical results indicate that the design parameters such as the ratio of $L_1/L$ and $I_p/I_b$ are important for the structural behavior, where $L_1$ is the main span length, L is the total span length of the bridge, $I_p$ is the moment of inertia of the pylon, and $I_b$ is the moment of inertia of the bridge deck. When the ratio $I_p/I_b$ increases, the critical load decreases due to the lack of interaction among substructures. Cable arrangements and the height of pylon are another important factors for this type of bridge in buckling analysis. According to numerical results, the bridges supported by a pylon with harp-type cable arrangement have higher critical loads than the bridges supported by a pylon with fan-type cable arrangement. On contrary, the shape of the pylon does not significantly affect the critical load of this type of bridge. All numerical results have been non-dimensionalized and presented in both tabular and graphical forms.
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.
Jin-Soo Kim;Jae-Bong Park;Deok-Keun Lee;Dong-Uk Park;Sung-Wan Kim
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.28
no.1
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pp.98-106
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2024
Due to advancements in construction technology and analytical tools, an increasing number of cable-stayed bridges have been designed and constructed in recent years. A cable is a structural element that primarily transmits the main load of a cable-stayed bridge and plays the most crucial role in reflecting the overall condition of the entire bridge system. In this study, a vision-based method was applied to estimate the tension of the stay cables located at a long distance. To measure the response of a cable using a vision-based method, it is necessary to install feature points or targets on the cable. However, depending on the location of the point to be measured, there may be no feature points in the cable, and there may also be limitations in installing the target on the cable. Hence, it is necessary to find a way to measure cable response that overcomes the limitations of existing vision-based methods. This study proposes a method for measuring cable responses by utilizing the characteristics of cable shape. The proposed method involved extracting the cable shape from the acquired image and determining the center of the extracted cable shape to measure the cable response. The extracted natural frequencies of the vibration mode were obtained using the measured responses, and the tension was estimated by applying them to the vibration method. To verify the reliability of the vision-based method, cable images were obtained from the Hwatae Bridge in service under ambient vibration conditions. The reliability of the method proposed in this study was confirmed by applying it to the vibration method using a vision-based approach, resulting in estimated tensions with an error of less than 1% compared to tensions estimated using an accelerometer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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