This paper uses the finite element method to simultaneously consider the coupled cable-deck vibrations and the parametric vibrations of stay cables in dynamic analysis of a cable-stayed bridge. The stay cables are represented by some cable finite elements, which can consider the parametric vibration of the cables. In addition to modeling stay cables using multiple link cable elements, a procedure for removing the self-weight term of cable element is proposed. A eigenvalue analysis process using dynamic condensation method for sorting out the natural modes of the girder-tower vibrations and the Rayleigh damping considering element damping for damping matrix are also proposed for dynamic analyses of cable-stayed bridges. The possibilities of using cable elements and of using global and local vibrations to evaluate the parametric vibrations of stay cables in a cable-stayed bridge are confirmed, respectively.
Tian, Zhui;Mokrani, Bilal;Alaluf, David;Jiang, Jun;Preumont, Andre
Smart Structures and Systems
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제19권5호
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pp.463-472
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2017
In a previous study, the potential of damping suspension bridges with active stay cables has been evaluated on a numerical model of a suspension bridge, and demonstrated experimentally on a laboratory mockup. In this paper, we extend our study to explore two different configurations of the active stay-cables: one classical configuration, corresponding to attaching the active stay-cables between the top of the pylons and the deck (configuration I) and, another configuration, consisting of attaching the stay-cables between the base of the pylons and the catenary (configuration II). The analysis confirmed that both configurations are effective with a slight superiority of the second configuration. The study is conducted numerically and experimentally on a suspension bridge mock-up, by considering two types of active stay-cables. The experimental results confirmed the numerical predictions, and demonstrated the effectiveness of the second configuration.
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.
When a cable-stayed bridge is under construction, the cable tension that changes according to the construction phase is the index indicating the proper construction management. In this study, the vibration method using the least-square estimation has been implemented to monitor changing tensions of two multi-strand cables of a cable-stayed bridge under construction. The test bridge is Hwamyung Bridge in Korea with a prestressed concrete box girder. The field tests are executed during the second tensioning stage just after the installation of the key segment. The tensions of two cables are measured before and after the tensioning and 5 days later (i.e., after finishing the tensioning of all cables). The accuracy of the estimated tensions by the vibration method has been improved by employing proper effective lengths of the cables. The measured tensions are compared with the result of the lift-off tests and design tensions. The vibration method shows very good performance in monitoring the changing tensions according to the construction phase with minimal error.
Huang, Ming-Hui;Thambiratnam, David P.;Perera, Nimal J.
Structural Engineering and Mechanics
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제21권4호
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pp.375-392
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2005
Cable supported structures offer an elegant and economical solution for bridging over long spans with resultant low material content and ease of construction. In this paper, a model of shallow cable supported footbridge with reverse profiled pre-tensioned cables is treated and its load deformation characteristics under different quasi-static loads are investigated. Effects of important parameters such as cable sag and pre-tension are also studied. Numerical results performed on a 3D model show that structural stiffness of this bridge (model) depends not only on the cable sag and cross sectional areas of the cables, but also on the pre-tension in the reverse profiled cables. The tension in the top supporting cables can be adjusted to a high level by the pre-tension in the reverse profiled bottom cables, with the total horizontal force in the bridge structure remaining reasonably constant. It is also evident that pre-tensioned horizontally profiled cables can greatly increase the lateral horizontal stiffness and suppress the lateral horizontal deflection induced by eccentric vertical loads.
A design procedure of stabilizing cable is proposed using buffeting analysis to stabilize the seesaw-like motion of the free cantilevered structure of a cable-stayed bridge during its construction. The bridge examined is a composite cable-stayed bridge having a main span length of 500 m. Based on the buffeting analysis, the stress in bare structure exceeded the allowable limit and a set of stabilizing cable was planned to mitigate the responses. The most efficient positions of the hold-down stabilizing cables were numerically investigated by means of an FE-based buffeting analysis and the required dimensions and pretension of the stabilizing cables were also calculated. The proposed stabilizing measure would be expected to secure the aerodynamic safety of a cantilevered structure under construction with considerable mitigation of buffeting responses.
Yim, Jinsuk;Wang, Ming L.;Shin, Sung Woo;Yun, Chung-Bang;Jung, Hyung-Jo;Kim, Jeong-Tae;Eem, Seung-Hyun
Smart Structures and Systems
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제12권3_4호
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pp.465-482
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2013
Recently, a novel stress sensor, which utilizes the elasto-magnetic (EM) effect of ferromagnetic materials, has been developed to measure stress in steel cables and wires. In this study, the effectiveness of this EM based stress sensors for monitoring of the cable tension force of a real scale cable-stayed bridge was investigated. Two EM stress sensors were installed on two selected multi-strand cables in Hwa-Myung Bridge, Busan, South Korea. Conventional lift-off test was conducted to obtain reference cable tension forces of two test cables. The reference forces were used to calibrate and validate cable tension force measurements from the EM sensors. Tension force variations of two test cables during the second tensioning work on Hwa-Myung Bridge were monitored using the EM sensors. Numerical simulations were conducted to compare and verify the monitoring results. Based on the results, the effectiveness of EM sensors for accurate field monitoring of the cable tension force of cable-stayed bridge is discussed.
In general, the tension fores of hanger cable in suspension bridges play an important role in evaluating the bridge state. The vibration method, as a conventional one, has been widely applied to estimate the tension fores by using the measured frequencies on hanger cables. However, the vibration method is not applicable to short hanger cables because the frequency of short cables is severely sensitive to the flexural rigidity. Thus, in this study, the tension forces of short hanger cables, of which the length is shorter than 10meters, were estimated through back analysis of the cable frequencies measured from Gwang-An suspension bridge in Korea. Direct approach to rock analysis is adopted using the univariate method among the direct search methods as an optimization technique. The univariate method is able to search the optimal tension forces without regard to the initial ones and has a rapid convergence rate. To verify the feasibility of back analysis, the results from back analysis and vibration method are compared with the design tension forces. From the comparison, it can be inferred that back analysis results are more reasonable agreement with the design tension forces of short hanger cable. Therefore, it is concluded that back analysis applied in this study is an appropriate tool for estimating tension forces of short hanger cables.
The Ting Kau Bridge in Hong Kong is a cable-stayed bridge comprising two main spans and two side spans. The bridge deck is supported by three towers, an end pier and an abutment. Each of the three towers consists of a single reinforced concrete mast which reduces its section in steps, and it is strengthened by transverse cables and struts in the transverse vertical plane. The bridge deck is supported by four inclined planes of cables emanating from anchorages at the tower tops. In view of the threat from typhoons, the dynamic behaviour of long-span cable-supported bridges in the region is always an important consideration in their design. This paper is devoted to the ambient vibration measurements of the bridge for evaluation of dynamic characteristics including the natural frequencies and mode shapes. It also describes the modelling of the bridge. A few finite element models are developed and calibrated to match with the field data and the results of subsequent structural health monitoring of the bridge.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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