Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1998.04a
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pp.45-50
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1998
The coupled vibration occurs between traveling vehicle and bridge, when vehicle runs on it. The natural frequency of this coupled system is dependent on the contact position of vehicle and bridge, that is, time-varying system. The calculations of these natural frequencies are very complicated, and often carried out by using Green function theory, series. But, these methods have any limitations, such as, supporting condition, boundary condition. In this paper, on the coupled system constructed by the concentrated mass and elastically supported beam, an analytical method of natural frequency is proposed by using Fourier sine transformation. The results are compared and discussed with numerically calculated ones.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2003.09a
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pp.360-367
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2003
This paper presents passive vibration control method to suppress train-induced vibration on a long-span steel arch bridge. According to the train load frequency analysis, undesirable resonance of a bridge will occur when the impact frequency of the train axles are close to the modal frequencies of the bridge. Because the first mode shape of the long-span steel arch bridge may take anti-symmetric shape along the bridge direction, however, the optimal control configuration for resonance suppression should be considered carefully In this study, bridge-vehicle element is used to estimate the bridge-train interaction precisely. From the numerical simulation of a loom steel arch bridge under TGV-K train loading, dynamic magnification influences are evaluated according to vehicle moving speed and efficient control system with passive dampers are presented in order to diminish the vertical displacement and vertical acceleration.
A large number of bridges were built several decades ago, and most of which have gradually suffered serious deteriorations or damage due to the increasing traffic loads, environmental effects, and inadequate maintenance. However, very few studies were conducted to investigate the vibration behaviors of a damaged bridge under moving vehicles. In this paper, the vibration behaviors of such vehicle-bridge system are investigated in details, in which the effects of the concrete cracks and bridge surface roughness are particularly considered. Specifically, two vehicle models are introduced, i.e., a simplified four degree-of-freedoms (DOFs) vehicle model and a more complex seven DOFs vehicle model, respectively. The bridges are modeled in two types, including a single-span uniform beam and a full scale reinforced concrete high-pier bridge, respectively. The crack zone in the reinforced concrete bridge is considered by a damage function. The bridge and vehicle coupled equations are established by combining the equations of motion of both the bridge and vehicles using the displacement relationship and interaction force relationship at the contact points between the tires and bridge. The numerical simulations and verifications show that the proposed modeling method can rationally simulate the vibration behaviors of the damaged bridge under moving vehicles; the effect of cracks on the impact factors is very small and can be neglected for the bridge with none roughness, however, the effect of cracks on the impact factors is very significant and cannot be neglected for the bridge with roughness.
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.
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.
In the present study, a new methodology is presented to study the ride comfort and bridge responses of a long-span bridge-traffic-wind coupled vibration system considering stochastic characteristics of traffic flow and bridge surface progressive deterioration. A three-dimensional vehicle model with 24 degrees-of-freedoms (DOFs) including a three-dimensional non-linear suspension seat model and the longitudinal vibration of the vehicle is firstly presented to study the ride comfort. An improved cellular automaton (CA) model considering the influence of the next-nearest neighbor vehicles and a progressive deterioration model for bridge surface roughness are firstly introduced. Based on the equivalent dynamic vehicle model approach, the bridge-traffic-wind coupled equations are established by combining the equations of motion of both the bridge and vehicles in traffic using the displacement relationship and interaction force relationship at the patch contact. The numerical simulations show that the proposed method can simulate rationally the ride comfort and bridge responses of the bridge-traffic-wind coupled system; and the vertical, lateral, and longitudinal vibrations of the driver seat model can affect significantly the driver's comfort, as expected.
The natural frequency of a bridge is an important parameter in many engineering applications such as bridge seismic design and modal-based bridge health monitoring. The natural frequency of a bridge vibrating alone may differ from that vibrating along with a vehicle. Although such vehicle-induced variability in bridge frequency is revealed in several experimental and numerical simulation studies, few attempts have been made on the theoretical descriptions. In this study, both theoretically and experimentally, the variability in the bridge frequency induced by a parked vehicle is verified, and is therefore suggested to be considered in bridge-related engineering, especially for those cases with near vehicle-bridge resonance conditions or with large vehicle-to-bridge mass ratios. Moreover, the variability ranges could be estimated by an analytical formula presented herein.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.772-777
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2006
An acoustic finite element model of a bridge is developed to evaluate the noise generated by the traffic-induced vibration of the bridge. The dynamic response of a multi-girder bridge, modeled by a 3-dimensional frame element model, is analyzed with a 3-axle(8DOF) truck model and a 5-axle(l3DOF) semi-trailer. The flat plate element is used to analyze the acoustic pressure due to the fluid-structure interactions between the vibrating surface and contiguous acoustic fluid medium. The radiation fields of noise with a specified distribution of vibrating velocity and pressure on the structural surface are also computed using the Kirchhoff-Helmholtz integral. In an attempt to illustrate the influence of the structural vibration noise of a bridge to total noise level around the bridge, the random function is used to generate the vehicle noise source including the engine noise and the rolling noise interacting between the road and tire. Among the diverse parameters affecting the dynamic response of bridge, the vehicle velocity, the vehicle weight, the spatial distribution of the road surface roughness, the stiffness degradation of the bridge and the variation of the air temperature changing the air density are found to be the main factors that increase the level of vibration noise. Consequently, The amplification rate of noise increases with the traveling speed and the vehicle weight.
Measuring the bridge frequencies indirectly from an instrumented test vehicle is a potentially powerful technique for its mobility and economy, compared with the conventional direct technique that requires vibration sensors to be installed on the bridge. However, road surface roughness may pollute the vehicle spectrum and render the bridge frequencies unidentifiable. The objective of this paper is to study such an effect. First, a numerical simulation is conducted using the vehicle-bridge interaction element to demonstrate how the surface roughness affects the vehicle response. Then, an approximate theory in closed form is presented, for physically interpreting the role and range of influence of surface roughness on the identification of bridge frequencies. The latter is then expanded to include the action of an accompanying vehicle. Finally, measures are proposed for reducing the roughness effect, while enhancing the identifiability of bridge frequencies from the passing vehicle response.
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.
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