To gain understanding of the applicability of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) cable in cable-supported bridges, based on the Runyang Bridge and Jinsha Bridge, a suspension bridge using CFRP cables and a cable-stayed bridge using CFRP stay cables are schemed, in which the cable's cross-sectional area is determined by the principle of equivalent axial stiffness. Numerical investigations on the dynamic behavior, aerostatic and aerodynamic stability of the two bridges are conducted by 3D nonlinear analysis, and the effect of different cable materials on the wind resistance is discussed. The results show that as CFRP cables are used in cable-supported bridges, (1) structural natural frequencies are all increased, and particularly great increase of the torsional frequency occurs for suspension bridges; (2) under the static wind action, structural deformation is increased, however its aerostatic stability is basically remained the same as that of the case with steel cables; (3) for suspension bridge, its aerodynamic stability is superior to that of the case with steel cables, but for cable-stayed bridge, it is basically the same as that of the case with steel stay cables. Therefore as far as the wind resistance is considered, the use of CFRP cables in cable-supported bridges is feasible, and the cable's cross-sectional area should be determined by the principle of equivalent axial stiffness.
A new cable-supported bridge model consisting of suspension parts, self-anchored cable-stayed parts and earth-anchored cable-stayed parts is presented. The new bridge model can be used for suspension bridges, cable-stayed bridges, cable-stayed suspension bridges, and partially earth-anchored cable-stayed bridges by varying parameters. Based on the assumption that each structural member is in either an axial compressive or tensile state, and the stress in each member is equal to the allowable stress of the material, the material quantity for each component is calculated. By introducing the unit cost of each type of material, the estimation formula for the cost of the new bridge model is developed. Numerical examples show that the results from the estimation formula agree well with that from the real projects. The span limit of cable supported bridge depends on the span-to-height ratio and the density-to-strength ratio of cables. Finally, a parametric study is illustrated aiming at the relations between three key geometrical parameters and the cost of the bridge model. The optimization of the new bridge model indicates that the self-anchored cable-stayed part is always the dominant part with the consideration of either the lowest total cost or the lowest unit cost. It is advisable to combine all three mentioned structural parts in super long span cable supported bridges to achieve the most excellent economic performance.
Spatial cable systems can provide more transverse stiffness and torsional stiffness without sacrificing the vertical bearing capacity compared with conventional vertical cable systems, which is quite lucrative for long-span earth-anchored suspension bridges' development. Higher economy highlights the importance of refined form-finding analysis. Meanwhile, the internal connection between the lateral and vertical sags has not yet been specified. Given this, an analytic algorithm of form-finding for the earth-anchored suspension bridge with spatial cables is proposed in this paper. Through the geometric compatibility condition and mechanical equilibrium condition, the expressions for cable segment, the recurrence relationship between catenary parameters and control equations of spatial cable are established. Additionally, the nonlinear general reduced gradient method is introduced into fast and high-precision numerical analysis. Furthermore, the analytic expression of the lateral and vertical sags is deduced and discussed. This is very significant for the space design above the bridge deck and the optimization of the sag-to-span ratio in the preliminary design stage of the bridge. Finally, the proposed method is verified with the aid of two examples, one being an operational self-anchored suspension bridge (with spatial cables and a 260 m main span), and the other being an earth-anchored suspension bridge under design (with spatial cables and a 500 m main span). The necessity of an iterative calculation for hanger tensions on earth-anchored suspension bridges is confirmed. It is further concluded that the main cable and their connected hangers are in very close inclined planes.
Li, Zhijun;Feng, Dongming;Feng, Maria Q.;Xu, Xiuli
Smart Structures and Systems
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제19권5호
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pp.523-538
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2017
A series of field vibration tests are conducted on the Runyang Suspension Bridge during both the construction and operational stages. The purpose of this study is devoted to the analysis of the dynamic characteristics of the suspension tower. After the tower was erected, an array of accelerometers was deployed to study the evolution of its modal parameters during the construction process. Dynamic tests were first performed under the freestanding tower condition and then under the tower-cable condition after the superstructure was installed. Based on the identified modal parameters, the effect of the pile-soil-structure interaction on dynamic characteristics of the suspension tower is investigated. Moreover, the stiffness of the pile foundation is successfully identified using a probabilistic finite model updating method. Furthermore, challenges of identifying the dynamic properties of the tower from the coupled responses of the tower-cable system are discussed in detail. It's found that compared with the identified results from the freestanding tower, the longitudinal and torsional natural frequencies of the tower in the tower-cable system have changed significantly, while the lateral mode frequencies change slightly. The identified modal results from measurements by the structural health monitoring system further confirmed that the vibrations of the bridge subsystems (i.e., the tower, the suspended deck and the main cable) are strongly coupled with one another.
We consider the common and different results between the oscillation of galloping cable and the oscillation of suspension bridge cable through the long-term behavior. Numerical results are presented by using the second-order Runge-Kutta method under various initial conditions. There appeared to be nonlinear forms. Periodicity, symmetry, and longitudinality are differently appeared in two kinds of cables.
The sag effect of long stay cables is one of the key factors restricting further increase in the span of cable-stayed bridges. Based on the formerly proposed concept of long stay cables lifted by an auxiliary suspension cable in cross-strait cable-stayed bridges, corresponding static approximate calculations and analytical theory based on catenary and parabolic cable configurations are established. Taking a main span 1400 m cable-stayed bridge as the research object, three typical lifting conditions and the whole process of auxiliary cable lifting are analyzed and discussed. The results show that the sag effect is effectively reduced. The support efficiency is only improved when the cables are lifted above the original cable chord. Reduction of the horizontal component force of the cable is limited. The equivalent elastic modulus and the vertical support stiffness of the lifted cables are significantly increased with increased horizontal projection length and not sensitive to the change of the lifting point position. The scheme of lifting the cable to the chord midpoint is more economical because of the less steel required for the auxiliary suspension cable, but its effect on improving the vertical support efficiency is limited. The support efficiency is better when the cable is lifted to the cable end tangential to the original cable chord, but the lifting force and the cross-sectional area of the auxiliary suspension cable are doubled. The approximate calculation results of the lifted cables are very close to the numerical analysis results, which verifies the applicability of the approximation method proposed in this study. The results of parabolic approximation calculations are approximately equal to that of catenary cable geometry. As the parabolic approximation analysis theory of lifted cables is more convenient in mathematical processing, it is feasible to use parabolic approximation analysis theory as the analytical method for the conceptual design of lifted cables of super-long span cable-stayed bridges.
This paper presents an explicit analytical iteration method for form-finding analysis of suspension bridges. By extending the conventional analytical form-finding method predicated on the elastic catenary theory, two nonlinear governing equations are derived for calculating the accurate unstrained lengths of the entire cable systems both the main cable and the hangers. And for the gradient-based iteration method, the derivation of explicit calculation for the Jacobian matrix while solving the nonlinear governing equation enhances the computational efficiency. The results from sensitivity analysis show well performance of the explicit Jacobian matrix compared with the traditional finite difference method. According to two numerical examples of long span suspension bridges studied, the proposed method is also compared with those reported approaches or the fundamental criterions in suspension bridge structural analysis, which eventually confirms the accuracy and efficiency of the proposed approach.
By taking the Runyang Highway Bridge over the Yangtze River with 1490 m main span as example, structural response of the bridge under the horizontal and vertical seismic excitations is investigated by the response spectrum and time-history analysis of MIDAS/Civil software respectively, the seismic behavior and the influence of structural nonlinearity on the seismic response of the bridge are revealed. Considering the aspect of seismic performance, the suitability of employing the suspension bridge in super long-span bridges is investigated as compared to the cable-stayed bridge and cable-stayed-suspension hybrid bridge with the similar main span. Furthermore, the effects of structural parameters including the span arrangement, the cable sag to span ratio, the side to main span ratio, the girder height, the central buckle and the girder support system etc on the seismic performance of the bridge are investigated by the seismic response spectrum analysis, and the favorable earthquake-resistant structural system of suspension bridges is also discussed.
주케이블과 행어로프로 구성된 케이블 시스템은 현수교에서 가장 중요한 부재로서 외부의 하중을 장력을 통해 전달하여 구조물의 안전성을 확보하는 비선형 요소의 부재이다. 장기간 공용된 교량의 케이블 시스템은 유지관리 활동에 따른 보수 및 보강의 영향을 받아 장력의 증가 혹은 변형이 발생하나 정확한 거동파악이 쉽지 않다. 국내 건설된 사장교에서의 케이블은 상시 모니터링 시스템이 개발되어 관리되고 있으나, 현수교의 주케이블에 대해서는 여전히 관리방법 개발이 필요하다. 이를 위해서 본 논문은 약 35년 공용되어온 남해대교에 대해서, 사용년수 증가에 따른 영향과 과거에 수행되었던 보수 및 보강공사가 케이블 시스템에 어떠한 영향을 주었는지를 파악하기 위해 그 동안 조사되었던 케이블의 손상, 행어로프의 장력 측정 결과 및 주 케이블의 형상측량 결과를 통하여 장기적인 거동을 분석하고 주케이블의 장력 변화를 분석하였다.
The multi-span suspension bridge having double main cables in the vertical plane is investigated regarding endurance of live load distribution in the case of non-displaced pylon and pylon displacement. The coefficient formula of live load distribution described as the ratio of live load on the bottom cable to the top cable is obtained. Based on this formula, some function in respect of this bridge are derived and used to analyze its characteristics. This analysis targets the cable force, the cable sag and the horizontal displacement at the pylon top under live load etc. The results clarified that the performance of the live load distribution and the horizontal force of cables in the case of non-deformed pylon has a similar tendency to those in the case of deformed pylon, and the increase of pylon rigidity can increase live load distributed to the bottom cable and slightly raise the cable horizontal force under live load. However, effect on the vertical rigidity of bridge and the horizontal force increment of cables caused by live load is different in the case of non-deformed pylon and deformed pylon.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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