The vibration response of the bridges under the moving vehicular load is of importance for engineers to estimate the serviceability of existing bridges and to design new bridges. This paper deals with the three dimensional vibration analysis of prestressed concrete bridges under moving vehicles. The prestressed bridges are modeled by four-node isoparametric flat shell elements with the transverse shearing deformation taken into account. The usual five degrees-of-freedom (DOFs) per node of the element are appended with a drilling DOF to accommodate the transformation of the local stiffness and mass matrices to the global coordinates. The vehicle is modeled as a single or two-DOF system. A single-span prestressed Tee beam and two-span prestressed box-girder bridge are studied as the two numerical examples. The effects of prestress forces on the natural frequencies and dynamic responses of the bridges are investigated.
Free vibration analysis for continuous bridge under any number of vehicles is conducted in this paper. Calculation strategy for natural frequency and mode shape is proposed based on Euler-Bernoulli beam theory and numerical assembly method. Firstly, a half-car planar model is adopted; equations of motion and displacement functions for bridge and vehicle are established, respectively. Secondly, the undermined coefficient matrices for wheels, vehicles, intermediate support, left-end support and right-end support are derived. Then, the numerical assembly technique for conventional finite element method is adopted to construct the overall matrix of coefficients for whole system. Finally, natural frequencies and corresponding mode shapes are determined based on iterative method and overall matrix solution. Numerical simulation is presented to verify the effectiveness of the proposed method. The results reveal that the solutions of present method are exact ones. Natural frequencies and associate modal shapes of continuous bridge under different conditions of vehicles are investigated. The influences of vehicle parameters on natural frequencies are also demonstrated.
본 연구는 교량/궤도 종방향 해석 및 교량/차량 동적영향을 고려한 설계기법에 대한 효율성 및 경제성을 증명하기 위하여 수행하였다. 신뢰성에 기초한 생애주기비용 최적설계는 기존 설계기법에 의한 설계, 초기비용에 기초한 최적설계, 등가 생애주기비용 최적설계에 의한 최적설계와 비교하기 위하여 5$\times$(1@50m) 경간 소수주형 교량을 대상으로 적용하였다. 신뢰성에 기초한 최적설계 결과 교량/궤도 종방향 해석 및 교량/차량 동적영향을 고려한 고속철도 교량 설계 단면이 교량/궤도 종방향 해석 및 교량/차량 동적영향을 고려하지 않은 설계 단면보다 훨씬 효율적임을 확인 하였다.
본 연구에서는 교량 구조물-궤도 종방향 상호작용, 교량 구조물-차량 상호작용을 고려한 신뢰성 최적설계 방법을 제안하고, 알고리즘의 개발을 통하여 본 연구에서 제안한 방법의 효율성을 검증하였다. 구조해석 프로그램은 ABAQUS를 사용하였으며, 최적화 방법은 Automated Design Synthesis(ADS)에서 신뢰성면에서 우수한 ALM-BFGS방법을 사용하였다. 일반적으로 ALM-BFGS방법은 최적해 방향을 탐색하는데 있어 1방향 탐색을 하지 않으며 Push-Off Factor 값이 보통 0.1~0.2에서 대부분 수렴하나 본 연구에서는 'Heuristic Decision Method' 의하여 결정된 Push-Off Factor 값이 90일 때 1방향 탐색인 Golden Section Method의 적용이 필요하였으며, 알고리즘이 잘 수렴함을 확인하였다. 구조물-궤도 종방향 상호작용, 구조물-차량의 상호작용에 의한 응답을 제약조건으로 설정하여 단면 설계시 반영될 수 있도록 하였다. 본 연구는 구조물-궤도 종방향 상호작용 및 구조물-차량 상호작용을 고려한 설계기법에 대한 효율성 및 경제성을 증명하기 위하여 5${\times}$(1@50m) 2주형 강합성 거더교에 대한 최적설계를 수행하였으며, 본 연구에서 제안하는 상호작용을 고려하는 설계기법이 기존의 상호작용을 고려하지 않은 설계방법보다 경제적이며 효율적임을 확인하였다.
In this study, a new three-dimensional finite element analysis model of high-speed railway bridges considering train-bridge interaction, in which various improved finite elements are used for modeling structural members, is proposed. The box-type bridge deck of a railway bridge is modeled by the NFS(Nonconforming Flat Shell) elements with 6 degrees of freedom. Track structures are idealized using the beam finite elements with the offset of beam nodes and those on Winkler foundation with two parameters. And, the vehicle model devised for a high-speed train is employed, which has an articulated bogie system. By Lagrange's equations of motion, the equations of motion of a bridge-train system can be formulated. Finally, by deriving the equations of the forces acting on a bridge considering bridge-train interaction the complete system matrices of total bridge-train system can be constructed. As numerical examples of this study, 2-span PC box-girder bridge is analyzed and results are compared with experimental results.
The Pseudo-Excitation Method (PEM) is applied to study the stochastic space vibration responses of train-bridge coupling system. Each vehicle is modeled as a four-wheel mass-spring-damper system with two layers of suspension system possessing 15 degrees-of- freedom. The bridge is modeled as a spatial beam element, and the track irregularity is assumed to be a uniform random process. The motion equations of the vehicle system are established based on the d'Alembertian principle, and the motion equations of the bridge system are established based on the Hamilton variational principle. Separate iteration is applied in the solution of equations. Comparisons with the Monte Carlo simulations show the effectiveness and satisfactory accuracy of the proposed method. The PSD of the 3-span simply-supported girder bridge responses, vehicle responses and wheel/rail forces are obtained. Based on the $3{\sigma}$ rule for Gaussian stochastic processes, the maximum responses of the coupling system are suggested.
Due to the rugged terrain, metro lines in mountain city across numerous wide rivers and deep valleys, resulting in instability of high-pier bridge and insecurity of metro train under crosswind. Compared with the conditions of no-wind, crosswind triggers severer vibration of the dynamic system; compared with the short-pier viaduct, the high-pier viaduct has worse stability under crosswind. For these reasons, the running safety of the metro vehicle traveling on a high-pier viaduct under crosswind is analyzed to ensure the safe operation in metro lines in mountain cities. In this paper, a dynamic model of the metro vehicle-track-bridge system under crosswind is established, in which crosswind loads model considering the condition of wind zone are built. After that, the evaluation indices and the calculation parameters have been selected, moreover, the basic characteristics of the dynamic system with high-pier under crosswind are analyzed. On this basis, the response varies with vehicle speed and wind speed are calculated, then the corresponding safety zone is determined. The results indicate that, crosswind triggers drastic vibration to the metro vehicle and high-pier viaduct, which in turn causes running instability of the vehicle. The corresponding safety zone for metro vehicle traveling on the high-pier is proposed, and the metro traffic on the high-pier bridge under crosswind should not exceed the corresponding limited vehicle speed to ensure the running safety.
Wind-vehicle-bridge (WVB) interaction can be regarded as a coupled vibration system. Aerodynamic forces and moment on vehicles and bridge decks play an important role in the vibration analysis of the coupled WVB system. High-speed vehicle motion has certain effects on the aerodynamic characteristics of a vehicle-bridge system under crosswinds, but it is not taken into account in most previous studies. In this study, a new testing system with a moving vehicle model was developed to directly measure the aerodynamic forces and moment on the vehicle and bridge deck when the vehicle model moved on the bridge deck under crosswinds in a large wind tunnel. The testing system, with a total length of 18.0 m, consisted of three main parts: vehicle-bridge model system, motion system and signal measuring system. The wind speed, vehicle speed, test objects and relative position of the vehicle to the bridge deck could be easily altered for different test cases. The aerodynamic forces and moment on the moving vehicle and bridge deck were measured utilizing the new testing system. The effects of the vehicle speed, wind yaw angle, rail track position and vehicle type on the aerodynamic characteristics of the vehicle and bridge deck were investigated. In addition, a data processing method was proposed according to the characteristics of the dynamic testing signals to determine the variations of aerodynamic forces and moment on the moving vehicle and bridge deck. Three-car and single-car models were employed as the moving rail vehicle model and road vehicle model, respectively. The results indicate that the drag and lift coefficients of the vehicle tend to increase with the increase of the vehicle speed and the decrease of the resultant wind yaw angle and that the vehicle speed has more significant effect on the aerodynamic coefficients of the single-car model than on those of the three-car model. This study also reveals that the aerodynamic coefficients of the vehicle and bridge deck are strongly influenced by the rail track positions, while the aerodynamic coefficients of the bridge deck are insensitive to the vehicle speed or resultant wind yaw angle.
An analysis framework for vehicle-bridge dynamic interaction system under turbulent wind is proposed based on the relevant theory of wind engineering and dynamics. Considering the fluctuating properties of wind field, the stochastic wind velocity time history is simulated by the Auto-Regressive method in terms of power spectral density function of wind field. The bridge is represented by three-dimensional finite element model and the vehicle by a multi-rigid-body system connected by springs and dashpots. The detailed calculation formulas of unsteady aerodynamic forces on bridge and vehicle are derived. In addition, the form selection of wind barriers, which are applied as the windbreak measures of newly-built railways in northwest China, is studied based on the suggested evaluation index, and the suitable values about height and porosity rate of wind barriers are studied. By taking a multi-span simply-supported box-girder bridge as a case study, the dynamic response of the bridge and the running safety indices of the train traveling on the bridge with and without wind barriers are calculated. The limit values of train speed with respect to different wind velocities are proposed according to the allowance values in the design code.
AASHTO LRFD 및 도로교한계상태설계기준에서는 신뢰도 기반 활하중 모델로부터 결정된 트럭하중과 차로하중을 동시에 재하하도록 하고 있으며, 트럭하중은 충격계수를 고려하되 차로하중은 충격계수를 적용하지 않도록 규정하고 있다. 본 연구에서는 중앙경간 230m, 400m 및 540m의 멀티케이블 강합성 사장교를 대상으로 트럭하중과 차로하중이 동시에 주행하는 경우에 대해 차량-교량 상호작용 해석을 수행하고 케이블과 보강거더의 충격계수를 평가하였다. 트럭하중은 6-자유도의 차량 모델을 사용하였으며, 차로하중은 일련의 1축 차량이 연행해서 주행하는 것으로 모사하였다. 교량의 감쇠비가 충격계수에 미치는 영향을 평가하였으며, 충격에 영향을 미치는 주요 인자인 노면조도와 주행속도를 해석변수로 고려하였다. 노면조도는 ISO 8608 규정에 근거하여 랜덤 생성하였으며, 차량-교량 상호작용해석 시 노면조도는 트럭하중에만 적용하였다. 한편, 사장교의 충격계수 평가를 위해 실무에서 사용되고 있는 영향선 기법에 의한 충격계수를 동적 상호작용 해석에 의한 결과와 비교하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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