This paper presents an investigation into the seismic response characteristics of a proposed ligh-weight pedestrian cable-stayed bridge made entirely from Glass Fiber Reinforced Plastics(GFRP). The study employs three dimensional finite element models to study and compare the dynamic characteristics and the seismic response of the GFRP bridge to a conventional Steel-Concrete (SC) cable-stayed bridge alternative. The two bridges were subjected to three synthetic earthquakes that differ in the frequency content characteristics. The performance of the GFRP bridge was compared to that of the SC bridge by normalizing the live load and the seismic internal forces with respect to the dead load internal forces. The normalized seismically induced internal forces were compared to the normalized live load internal forces for each design alternative. The study shows that the design alternatives have different dynamic characteristics. The light GFRP alternative has more flexible deck motion in the lateral direction than the heavier SC alternative. While the SC alternative has more vertical deck modes than the GFRP alternative, it has less lateral deck modes than the GFRP alternative in the studied frequency range. The GFRP towers are more flexible in the lateral direction than the SC towers. The GFRP bridge tower attracted less normalized base shear force than the SC bridge towers. However, earthquakes, with peak acceleration of only 0.1 g, and with a variety of frequency content could induce high enough seismic internal forces at the tower bases of the GFRP cable-stayed bridge to govern the structural design of such bridge. Careful seismic analysis, design, and detailing of the tower connections are required to achieve satisfactory seismic performance of GFRP long span bridges.
본 연구는 데릭크레인과 인양중인 새그먼트 자중에 의한 외력이 작용하는 시공중인 폐합 직전 사장교의 기하비선형성 및 재료비선형성을 고려한 비선형 해석을 통해 극한 거동을 규명하였다. 시공중 사장교의 상태를 수치적으로 구현하기 위해 초기형상 해석과 역방향 시공단계 해석을 순차적으로 진행하였고, 이후에는 데릭크레인 및 인양중인 새그먼트 자중을 중앙경간 최 측단에 재하 하여 폐합 전 강사장교의 주요한 거동을 모사하였다. 또한 주요 매개변수에 따른 극한거동 및 극한하중계수의 변화를 정량적으로 분석하기 위한 방법으로 주탑-거더간 강성비와 케이블 면적을 변화하면서 거동을 관찰하였고, 기하비선형성과 재료비선형성 모두를 고려한 극한해석 결과를 기하비선형성만을 고려한 기하비선형 해석과 비교하여 보다 구체적이고 정량적인 극한거동에 대해 분석하였다.
본 논문에서는 최근 유지관리분야에서 중요한 분야로 대두되고 있는 대형구조물의 모니터링에 대한 연구 및 고찰을 바탕으로 대형 구조물의 계측데이터를 이용한 확률적 안전도분석에 대한 평가 모형을 제안하였다. 사장교의 계측 데이터를 이용하여 활하중에 대한 모델을 산정하고, 요소신뢰성 및 체계신뢰성 기법을 통하여 사장교의 실질적인 확률적 안전도를 평가하였다. 사장교의 체계신뢰성은 케이블, 보강형, 주탑의 조합파괴를 포함하는 주파괴경로를 찾아낼 수 있는 부분 ETA(Event Tree Analysis) 모델을 이용하여 산정하였으며 이는 기존 안전도 분석방법과 비교하였을 때 구조물의 여용성을 충분히 반영하는 데 상당히 합리적이며 실제적인 결과를 보여주는 실용적인 방법으로 판단된다.
본 논문은 강사장교의 극한강도를 다루고 있다. 강사장교의 극한강도를 평가하기 위하여 비선형 비탄성 해석 접근법과 분기점 좌굴 고유치해석 접근법인 유효접선탄성계수$(E_f)$법을 사용하여 예제를 수행하였다. 이를 위하여 초기형상을 고려한 실용적인 비선형 비탄성 해석기법을 제시하였다. 초기형상 해석 시각 형상해석 단계마다 보-기둥 부재의 부재력 대신 개선된 구조물형상을 고려하였다. 보-기둥 부재의 기하학적 비선형은 안정함수를 사용하여 고려하였고, 재료적 비선형은 CRC 접선계수와 포물선 함수를 사용하여 고려하였다. 또한, 케이블 부재의 기하학적 비선형은 할선탄성계수 값을 사용하여 고려하였다. 본 연구에서 제안한 해석기법으로 예측된 하중-변위 곡선들이 다른 연구에 의한 결과들과 비교 검증 되었으며, 제시된 3차원 강사장교 모델들에 대하여 제안한 해석기법과 비탄성 좌굴해석을 사용하여 극한강도를 비교하였다.
Variation of temperature is a primary environmental factor that affects the behavior of structures. Therefore, understanding the mechanisms of normal temperature-induced variations of structural behavior would help in distinguishing them from anomalies. In this study, we used the structural health monitoring data of the Shanghai Yangtze River Bridge, a steel girder cable-stayed bridge, to investigate the mechanisms of thermally induced vertical deflection ($D_T$) at mid-span of such bridges. The $D_T$ results from a multisource combination of thermal expansion effects of the cable temperature ($T_{Cab}$), girder temperature ($T_{Gir}$), girder differential temperature ($T_{Dif}$), and tower temperature ($T_{Tow}$). It could be approximated by multiple linear superpositions under operational conditions. The sensitivities of $D_T$ of the Shanghai Yangtze River Bridge to the above temperatures were in the following order: $T_{Cab}$ > $T_{Gir}$ > $T_{Tow}$ > $T_{Dif}$. However, the direction of the effect of $T_{Cab}$ was observed to be opposite to that of the other three temperatures, and the magnitudes of the effects of $T_{Cab}$ and $T_{Gir}$ were found to be almost one order greater than those of $T_{Dif}$ and $T_{Tow}$. The mechanisms of the thermally induced vertical deflection variation at mid-span of a cable-stayed bridge as well as the analytical methodology adopted in this study could be applicable for other long-span cable-stayed bridges.
The performance of passive control system for the seismic protection of a multi-tower cable-stayed bridge with the application of partially longitudinal constraint system is investigated. The seismic responses of the Jiashao Bridge, a six-tower cable-stayed bridge using the partially longitudinal constraint system are studied under real earthquake ground motions. The effects of the passive control devices including the viscous fluid dampers and elastic cables on the seismic responses of the bridge are examined by taking different values of parameters of the devices. Further, the optimization design principle of passive control system using viscous fluid dampers is presented to determine the optimized parameters of the viscous fluid dampers. The results of the investigations show that the control objective of the multi-tower cable-stayed bridge with the partially longitudinal constraint system is to reduce the base shears and moments of bridge towers longitudinally restricted with the bridge deck. The viscous fluid dampers are found to be more effective than elastic cables in controlling the seismic responses. The optimized parameters for the viscous fluid dampers are determined following the principle that the peak displacement at the end of bridge deck reaches to the maximum value, which can yield maximum reductions in the base shears and moments of bridge towers longitudinally restricted with the bridge deck, with slight increases in the base shears and moments of bridge towers longitudinally unrestricted with the bridge deck.
사장교는 특수목적으로 장 경간을 갖는 교량이다. 긴 경간으로 인하여 차량의 이동하중에 대한 동적응답이 매우 특별하다. 거동역시도 비선형을 갖고 있어 설계에 어려움이 많은 형식이다. 연구에서 다양한 차량하중을 고려하여 사장교의 응답을 구하고 장 경간 교량의 이동하중에 대한 거동을 파악한다. 특히, 한 방향과 양방향에 대한 하중이 속도를 가지고 이동할 때 교량의 부재에 대한 거동은 케이블의 유연성에 기인하는 것으로 나타났다. 차량하중의 영향은 케이블의 진동과 함께 수직변형을 증폭하는 경향을 나타내므로 케이블과 바닥판의 동적거동을 포함한 분석이 보다 효과적임을 알 수 있다.
In this study, an improved analysis model for the more efficient and accurate structural analysis of cable-stayed bridges is presented. In this model, beam elements, of which stability functions are stabilized by the use of Taylor's series expansions, are used to model space frame structures, and truss elements, of which equivalent elastic moduli are evaluated on the assumption that the deflected shape of a cable has a catenary function, are used to model cables. By using the proposed analysis model, nonlinear static analysis and natural vibration analysis of 2-dimensional and 3-dimensional cable-stayed bridges are carried out and are compared with the analysis results reported by other researchers.
To investigate the nonlinear aerostatic stability of the Hutong cable-stayed rail-cum-road bridge with ultra-kilometer main span, a FEM bridge model is established. The tri-component wind loads and geometric nonlinearity are taken into consideration and discussed for the influence of nonlinear parameters and factors on bridge resistant capacity of aerostatic instability. The results show that the effect of initial wind attack-angle is significant for the aerostatic stability analysis of the bridge. The geometric nonlinearities of the bridge are of considerable importance in the analysis, especially the effect of cable sag. The instable mechanism of the Hutong Bridge with a steel truss girder is the spatial combination of vertical bending and torsion with large lateral bending displacement. The design wind velocity is much lower than the static instability wind velocity, and the structural aerostatic resistance capacity can meet the requirement.
An automatic modal identification program is developed for continuous extraction of modal parameters of three cable-supported bridges in Hong Kong which are instrumented with a long-term monitoring system. The program employs the Complex Modal Indication Function (CMIF) algorithm for identifying modal properties from continuous ambient vibration measurements in an on-line manner. By using the LabVIEW graphical programming language, the software realizes the algorithm in Virtual Instrument (VI) style. The applicability and implementation issues of the developed software are demonstrated by using one-year measurement data acquired from 67 channels of accelerometers permanently installed on the cable-stayed Ting Kau Bridge. With the continuously identified results, variability in modal vectors due to varying environmental conditions and measurement errors is observed. Such an observation is very helpful for selection of appropriate measured modal vectors for structural health monitoring use.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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