Li Zhu;Ray Kai-Leung Su;Wei Liu;Tian-Nan Han;Chao Chen
Steel and Composite Structures
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제48권2호
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pp.207-233
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2023
Steel-concrete composite box girder bridges are widely used in the construction of highway and railway bridges both domestically and abroad due to their advantages of being light weight and having a large spanning ability and very large torsional rigidity. Composite box girder bridges exhibit the effects of shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip under various loads during operation. As one of the most commonly used calculation tools in bridge engineering analysis, one-dimensional models offer the advantages of high calculation efficiency and strong stability. Currently, research on the one-dimensional model of composite beams mainly focuses on simulating interface longitudinal slip and the shear lag effect. There are relatively few studies on the one-dimensional model which can consider the effects of restrained torsion, distortion and interface transverse slip. Additionally, there are few studies on vehicle-bridge integrated systems where a one-dimensional model is used as a tool that only considers the calculations of natural frequency, mode and moving load conditions to study the dynamic response of composite beams. Some scholars have established a dynamic analysis model of a coupled composite beam bridge-train system, but where the composite beam is only simulated using a Euler beam or Timoshenko beam. As a result, it is impossible to comprehensively consider multiple complex force effects, such as shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip of composite beams. In this paper, a 27 DOF vehicle rigid body model is used to simulate train operation. A two-node 26 DOF finite beam element with composed box beams considering the effects of shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip is proposed. The dynamic analysis model of the coupled composite box girder bridge-train system is constructed based on the wheel-rail contact relationship of vertical close-fitting and lateral linear creeping slip. Furthermore, the accuracy of the dynamic analysis model is verified via the measured dynamic response data of a practical composite box girder bridge. Finally, the dynamic analysis model is applied in order to study the influence of various mechanical effects on the dynamic performance of the vehicle-bridge system.
The noise from the elevated lines of rail transit has become a growing problem. This paper presents a new method for the rapid prediction of the structure-borne noise from steel or composite bridges, based on the receptance and Statistical Energy Analysis (SEA), which is essential to the study of the generation mechanism and the design of a low-noise bridge. First, the vertical track-bridge coupled vibration equations in the frequency domain are constructed by simplifying the rail and the bridge as an infinite Timoshenko beam and a finite Euler-Bernoulli beam respectively. Second, all wheel/rail forces acting upon the track are computed by taking a moving wheel-rail roughness spectrum as the excitation to the train-track-bridge system. The displacements of rail and bridge are obtained by substituting wheel/rail forces into the track-bridge coupled vibration equations, and all spring forces on the bridge are calculated by multiplying the stiffness by the deformation of each spring. Then, the input power to the bridge in the SEA model is derived from spring forces and the bridge receptance. The vibration response of the bridge is derived from the solution to the power balance equations of the bridge, and then the structure-borne noise from the bridge is obtained. Finally, a tri-span continuous steel-concrete composite bridge is taken as a numerical example, and the theoretical calculations in terms of the vibration and noise induced by a passing train agree well with the field measurements, verifying the method. The influence of various factors on wheel/rail and spring forces is investigated to simplify the train-track-bridge interaction calculation for predicting the vibration and noise from steel or composite bridges.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제3권4호
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pp.64-71
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2002
Recently, mechanical systems such as a high-speed vehicles and railway trains moving on flexible beam structures have become a very important issue to consider. Using the general approach proposed in the first part of this paper, it is possible to predict motion of the constrained mechanical system and the elastic structure, with various kinds of foundation supporting conditions. Combined differential-algebraic equation of motion derived from both multibody dynamics theory and finite element method can be analyzed numerically using a generalized coordinate partitioning algorithm. To verify the validity of this approach, results from the simply supported elastic beam subjected to a moving load are compared with the exact solution from a reference. Finally, parametric study is conducted for a moving vehicle model on a simply supported 3-span bridge.
To avoid the cracks of cast-in-place concrete in shear pockets and seams in the traditional composite beam with precast decks, this paper proposed a new type of prefabricated steel truss-concrete composite beam (ab. PSTC beam) with pre-embedded shear studs (ab. PSS connector). To study the initial cracking load of concrete deck, the development and distribution laws of the cracks, 3 PSTC beams were tested under hogging moment. And the crack behavior of the deck was compared with traditional precast composite beam, which was assembled by shear pockets and cast-in-place joints. Results show that: (i) the initial crack appears on the deck, thus avoid the appearance of the cracks in the traditional shear pockets; (ii) the crack of the seam appears later than that of the deck, which verifies the reliability of epoxy cement mortar seam, thus solves the complex structure and easily crack behavior of the traditional cast-in-place joints; (iii) the development and the distribution laws of the cracks in PSTC beam are different from the conventional composite beam. Therefore, in the deduction of crack calculation theory, all the above factors should be considered.
Mechanic behavior of Y-shape thin-walled box girder bridge structure is complex, so one can not exactly hold the mechanical behavior of the Y-shape thin-walled box girder bridge structure through general calculation theory and analytical method. To hold the mechanical behavior better, based on elementary beam theory, by increasing the degree of freedom analytical method, taking account of restrained torsiondistortion angledistortion warp and shearing lag effect at the same time, authors obtain a thin-walled box beam analytical element of 10 degrees of freedom of every node, derive stiffness matrix of the element, and code a finite element procedure. In addition, authors combine the obtained procedure with spatial grillage analytical method, meanwhile, they build a new analytical method that is the spatial thin-walled box girder element grillage analysis method. In order to validate the precision of the obtained analysis method, authors analyze a type Y-shape thin-walled box girder bridge structure according to the elementary beam theory analytical method, the shell theory analytical method and the spatial thin-walled box girder element grillage analysis method respectively. At last, authors test a type Y-shape thin-walled box girder bridge structure. Comparisons of the results of theory analysis with the experimental text show that the spatial thin-walled box girder element grillage analysis method is simple and exact. The research results are helpful for the knowledge of the mechanics property of these Y-shape thin-walled box girder bridge structures.
In the 2000s, a lot of cable-type grand bridges are being built in consideration of economic aspects such as the reduction of logistics costs and the distribution of traffic volume due to rapid economic development. In addition, because the recently installed grand bridges are designed in an aesthetic form that matches the surrounding environment as well as the original function of the road bridge, and serves as a milestone in an area and is used as an excellent tourism resource, attracting many vehicles and people, there is an urgent need for a safety structure that can ensure the safety of not only vehicles but also people. In order to make cable-stayed bridge safe on wind for additional five safety structures, main girder models with and without safety structures for wind-tunnel experiments was made, and wind tunnel experiments was carried out to measure aerodynamic force coefficients. Also, wind-resistant analyses of 3D cable-stayed bridge were performed on the basis of wind-tunnel experiment results. From the wind tunnel experiments for the aerodynamic force coefficients of main girder with five safety structures and the wind resistant analyses of cable-stayed bridge without safety structure and with safety structure, it was concluded that the best form of wind-resistant safety was shown in the order of mesh, standard, bracing, hollow, and closed type. And wind-resistant safety of cable-stayed bridge with hollow and closed type on design wind speed 68.0m/sec was not secured. Finally, as five safety structures are installed, maximum rate of stress increments was shown in the order of steel main beam, steel floor beam, concrete floor beam and cables.
Huang, Dunwen;Wei, Jun;Liu, Xiaochun;Zhang, Shizhuo;Chen, Tao
Steel and Composite Structures
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제28권1호
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pp.39-49
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2018
The concrete bridge decks are usually precast and in-situ assembled with steel girders with post-pouring joint in the construction practice of super-wide steel-concrete composite beam. But the difference of concrete age between the precast slabs and the post-pouring joint has been not yet considered for the long-term performance analysis of this kind composite beam. A simply supported precast-assembled T-shaped beam was taken as an example to analyze the long-term performance of steel-concrete composite beam with post-pouring joint. Based on the deformation coordination conditions of the old-new concrete deck and steel girder, a theoretical model for the long-term behavior of precast-assembled composite beam is proposed in this paper according to age-adjusted effective modulus method. Then, the feasibility of the proposed model is verified by the available test data from the Gilbert's composite beams. Parametric studies were preformed to evaluate the influences of the cross-sectional area ratio of the post-pouring joint to the whole bridge deck, as well as the difference of concrete age between the precast slabs and the post-pouring joint, on the long-term performance of the composite beam. The results indicate that the traditional method without considering the age difference would seriously underestimate the effect of creep and shrinkage of concrete bridge decks. The concrete age difference between the precast slabs and the post-pouring joint should be demonstrated for the life cycle design and long-term performance analysis of precast-assembled steel-concrete composite beams.
본 연구에서는 장기공용 중 외부강선보강공법에 의하여 보강된 PSC Beam교량에 대한 강선 파단 시험을 통하여 보강효과를 분석하였다. 외부강선 보강효과를 분석하기 위하여 기 보강된 강선을 인위적으로 절단하면서, 교량의 처짐과 변형률을 측정하였다. 또한 강선절단 전과 후에 재하시험을 실시하여 교량의 거동변화를 평가하였다. 실험결과에 의하면 외부강선 절단 전과 후의 재하시험을 통하여 보강효과가 교량의 거동특성을 크게 변화시키지는 않지만, 보강시의 긴장력에 의하여 고유진동수는 증가하였다. 외부강선 절단시의 처짐과 응력 계측결과로부터 보강효과가 충분히 유지되고 있다는 것을 확인할 수 있었으며, 구조해석 결과와도 잘 일치하였다. 따라서 외부강선을 이용하여 노후교량을 보강할 경우 정밀구조해석을 통하여 그 효과를 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
Fujie, Wataru;Taguchi, Miki;Kang, Lan;Ge, Hanbin;Xu, Bin
Steel and Composite Structures
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제36권4호
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pp.463-480
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2020
Although detailed shell analysis is suitable to predict the ductile crack initiation life of steel members, such detailed method adds time expense and complexity. In order to simply predict the ductile crack initiation life of stiffened steel bridge piers, a total of 33 cases are simulated to carry out the parametric analyses. In the analysis, the effects of the width-to-thickness ratio, slenderness ratio, plate thickness and so on are considered. Both shell analyses and beam analyses about these 33 cases are conducted. The plastic strain and damage index obtained from shell and beam analyses are compared. The modified factor βs is determined based on the predicted results obtained from both shell and beam analyses in order to simulate the strain concentration at the base corner of the steel bridge piers. Finally, three experimental results are employed to verify the validity of the proposed method in this study.
The widened Seoul-Bridge is the first continuous 8-span prestressed concrete(PSC) girder bridge in domain. The construction sequence of the bridge consists of S steps in a large way. The measuring in construction stage includes the determination of the allowable fluctuation value of beam stress in each step and the measurement beam stress during prestessing. The measured tendon prestress force was compared with the design value. When it was compared with the analytic result, the difference between the measured stress and the analytic stress was below allowable error. The friction loss and the anchorage slip loss of the tendon prestress force was lower than the design loss value.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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