The buffeting response is a vital consideration for long-span bridges in typhoon-prone areas. In the conventional analysis, the turbulence and structural vibrations are assumed as stationary processes, which are, however, inconsistent with the non-stationary features observed in typhoon winds. This poses a question on how the stationary assumption would affect the evaluation of buffeting responses under non-stationary wind actions in nature. To figure out this problem, this paper presents a comparative study on buffeting responses of a long-span cable-stayed bridge based on stationary and non-stationary perspectives. The stationary and non-stationary buffeting analysis frameworks are firstly reviewed. Then, a modal analysis of the example bridge, Sutong Cable-stayed Bridge (SCB), is conducted, and stationary and non-stationary spectral models are derived based on measured typhoon winds. On this condition, the buffeting responses of SCB are finally analyzed by following stationary and non-stationary approaches. Although the stationary results are almost identical with the non-stationary results in the mean sense, the root-mean-square value of buffeting responses are underestimated by the stationary assumption as the time-varying features existing in the spectra of turbulence are neglected. The analytical results highlights a transition from stationarity to non-stationarity in the buffeting analysis of long-span bridges.
This paper aims to evaluate the effect of typhoons on fatigue damage accumulation in steel decks of long-span suspension bridges. The strain-time histories at critical locations of deck sections of long-span bridges during different typhoons passing the bridge area are investigated by using on-line strain data acquired from the structural health monitoring system installed on the bridge. The fatigue damage models based on Miner's Law and Continuum Damage Mechanics (CDM) are applied to calculate the increment of fatigue damage due to the action of a typhoon. Accumulated fatigue damage during the typhoon is also calculated and compared between Miner's Law and the CDM method. It is found that for the Tsing Ma Bridge case, the stress spectrum generated by a typhoon is significantly different than that generated by normal traffic and its histogram shapes can be described approximately as a Rayleigh distribution. The influence of typhoon loading on accumulative fatigue damage is more significant than that due to normal traffic loading. The increment of fatigue damage generated by hourly stress spectrum for the maximum typhoon loading may be much greater than those for normal traffic loading. It is, therefore, concluded that it is necessary to evaluate typhoon induced fatigue damage for the purpose of accurately evaluating accumulative fatigue damage for long-span bridges located within typhoon prone regions.
The streamlined box is a common type of girders for long-span suspension bridges. Spanning deep canyons, long-span bridges are frequently attacked by strong winds with large angles of attack. In this situation, the flow field around the streamlined box changes significantly, leading to reduction of the flutter performance. The wind fairings have different effects on the flutter performance. Therefore, this study examines the flutter performance of box girders with different wind fairings at large angles of attack. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were carried out to extract the flutter derivatives, and the critical flutter state of a long-span bridge was determined. Further comparisons of the wind fairings were investigated by a rapid method which is related to the input energy by the aerodynamic force. The results show that a reasonable type of wind fairings could improve the flutter performance of long-span bridges at large angles of attack. For the torsional flutter instability, the wind fairings weaken the adverse effect of the vortex attaching to the girder, and a sharper one could achieve a better result. According to the input energies on the girder with different wind fairings, the symmetrical wind fairings are more beneficial to the flutter performance
Jeong-Ji overbridge is designed to be 9.3km long, the longest for a high speed railway bridge ever constructed in Korea. This bridge is constituted of three types of structure. Standard type bridge is 35m PSC Box bridge which will be constructed by Precast Span Method. To cross the Cheonan Nonsan Expressway, 80m three-span steel arch bridge is designed to avoid rail expansion joint. Finally, Extradosed bridge is planned for high speed railway bridge for the first time in Korea based on originative and advanced design techniques. It is expected that this will contribute to the development of national technology for long-span high speed railway bridges.
By taking a cable-stayed-suspension hybrid bridge with main span of 1400 m as example, seismic response of the bridge under the horizontal and vertical seismic excitations is investigated numerically by response spectrum analysis and time history analysis, its seismic performance is discussed and compared to the cable-stayed bridge and suspension bridge with the same main span, and considering the aspect of seismic performance, the feasibility of using cable-stayed-suspension hybrid bridge in super long-span bridges is discussed. Under the horizontal seismic action, the effects of structural design parameters including the cable sag to span ratio, the suspension to span ratio, the side span length, the subsidiary piers in side spans, the girder supporting system and the deck form etc on the seismic performance of the bridge are investigated by response spectrum analysis, and the favorable values of these design parameters are proposed.
To gain understanding of the applicability of CFRP cables in super long-span cable-stayed bridges, by taking a 1400 m cable-stayed bridge as example, mechanics performance including the static behavior under service load, dynamic behavior, wind stability and seismic behavior of the bridge using either steel or CFRP cables are investigated numerically and compared. The results show that viewed from the aspect of mechanics performance, the use of CFRP cables in super long-span cable-stayed bridges is feasible, and the cross-sectional areas of CFRP cables should be determined by the principle of equivalent axial stiffness.
The replacement of damaged components is an important task for long-span bridges. Conventional strategy for component replacement is to close the bridge to traffic, so that the influence of the surrounding environment is reduced to a minimum extent. However, complete traffic interruption would bring substantial economic losses and negative social influence nowadays. This paper investigates traffic control technologies without interruption for component replacement of long-span bridges. A numerical procedure of traffic control technologies is proposed incorporating traffic microsimulation and site-specific data, which is then implemented through a case study of cable replacement of a long-span cable-stayed bridge. Results indicate traffic load effects on the bridge are lower than the design values under current low daily traffic volume, and therefore cable replacement could be conducted without traffic control. However, considering a possible medium or high level of daily traffic volume, traffic load effects of girder bending moment and cable force nearest to the replaced cable become larger than the design level. This indicates a potential risk of failure, and traffic control should be implemented. Parametric studies show that speed control does not decrease but increase the load effects, and flow control using lane closure is not effectual. However, weight control and gap control are very effective to mitigate traffic load effects, and it is recommended to employ a weight control with gross vehicle weight no more than 65 t or/and a gap control with minimum vehicle gap no less than 40 m for the cable replacement of the case bridge.
To ensure durability and light weight of bridges, high-strength concrete is required for long-span deck slabs. Such a technology eventually extends the life of bridges and improves the economic efficiency. The results of this study suggests a formula for calculating the minimum thickness of long-span deck slabs built with high strength concrete. The minimum thickness is proposed based on the limit states indicated in the CEB-FIP Model Code and the Korean Highway Bridge Design Code(limit state design). The design compressive strength of concrete used for the study is 80MPa. Moreover, the required thickness for satisfying the flexural capacity and limiting deflection is estimated considering the limit state load combination. The formula for minimum thickness of deck slabs is proposed considering the ultimate limit state(ULS) and the serviceability limit state(SLS) of bridges, and by comparing the Korean Highway Bridge Design Code and similar previous studies. According to the research finding, the minimum thickness of long-span deck slab is more influenced by deflection limit than flexural capacity.
최근 지자체들이 경쟁하듯이 건설하고 있는 장경간 케이블 보도교(일명 출렁다리)는 공원 시설로 인식되어 제대로 된 검토와 설계 없이 진행되는 경우가 있다. 케이블 보도교는 기존 도로 현수교보다 훨씬 유연한 특성으로 인하여 내풍안정성 확보는 반드시 필요하며, 오히려 더 기존의 도로교보다 다양한 관점에서 상세하게 검토되어야 한다. 이에 본 연구에서는 케이블 보도교의 내풍 특성을 파악하고, 고유진동수를 추정할 수 있는 추정식을 제시하였다. 또한 경간장에 따른 플러터 풍속 추정에 대한 추세선을 제시하여 평판 거더 보도교의 내풍안정성 확보의 어려움과 그 한계를 제시하였다. 그리고 풍동실험을 통해 바닥 데크 그레이팅 적용 비율 변화를 통해 내풍안정성을 만족하는 단면을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 방법은 향후 세장 케이블 보도교 계획시 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
Strong winds threaten the safety of vehicles on long-span bridges considerably, which could force traffic authorities to reduce speed limits or even close these bridges to traffic. In order to maintain the safe and economic operation of a bridge, a reasonable evaluation of the driving safety on that bridge is needed. This paper aims at carrying outdriving safety analyses for three types of vehicles on a long-span bridge in crosswinds by considering the aerodynamic interference between the bridge and the vehicles based on the wind-vehicle-bridge coupling vibration analysis. Firstly, CFD numerical simulations along with previously obtained wind tunnel testing results were used to determine the aerodynamic force coefficients of the three types of vehicles on the bridge. Secondly, the dynamic responses of the bridge and the vehicles under crosswinds were simulated, and based on those, the driving safety analyses for the three types of vehicles on the bridge were carried out for both cases considering and not considering the aerodynamic interference between the vehicles and the bridge. Finally, the effect of the aerodynamic interference on the safety of the vehicles was investigated. The results show that the aerodynamic interference between the bridge and the vehicles not only affectsthe accident critical wind speed but also the accident type for all three types of vehicles. Such effects are also different for each of the three types of vehicles being studied.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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