The effect of mean angle of wind attack on the flutter critical wind speed of two generic bridge deck cross-sections, viz, one closed box type streamlined section (deck-1) and closed box trapezoidal bluff type section with extended flanges/overhangs (deck-2) type of section have been studied using Computational Fluid Dynamics (CFD) based forced vibration simulation method. Owing to the importance of the effect of the amplitude of forcing oscillation on the flutter onset, its effect on the flutter derivatives and flutter onset have been studied, especially at non-zero mean angles of wind attack. The flutter derivatives obtained have been used to evaluate flutter critical wind speeds and flutter index of the deck sections at non-zero mean angles of wind attack studied and the same have been validated with those based on experimental results reported in literature. The value of amplitude of forcing oscillation in torsional degree of freedom for CFD based simulations is suggested to be in the range of 0.5° to 2°, especially for bluff bridge deck sections. Early onset of flutter from numerical simulations, thereby conservative estimate of occurrence of instability has been observed from numerical simulations in case of bluff bridge deck section. The study aids in gaining confidence and the extent of applicability of CFD during early stages of bridge design, especially towards carrying out studies on mean incident wind effects.
Long-span suspension bridges located in typhoon-prone regions face significant risks of flutter instability, particularly in girder erection. Despite the implementation of aerodynamic countermeasures designed for the service stage, the flutter stability of bridge in girder erection may not meet the required standards. Nowadays, the double-deck truss girder is increasingly common in practical engineering which exhibits different performance from the single-deck truss girder. To gain insights into the flutter performance of this girder type and determine temporary aerodynamic countermeasures for flutter suppression in girder erection, wind tunnel tests were conducted. The effects of affiliated members on the flutter performance were first examined. Subsequently, different aerodynamic countermeasures were designed and their effectiveness was tested. The results indicate that the stabilizers above and below the upper and lower decks are the most effective for the flutter stability of bridge at positive and negative angles of attack, respectively. The higher the stabilizers are, the better the effect on flutter suppression achieves. Considering the feasibility in practical engineering, a temporary stabilizer above the upper deck was considered. It is expected that the results could provide references for the aerodynamic design of double-deck truss girder during erection.
For the past three decades a significant amount of research has been conducted on bridge flutter. Wind tunnel tests for a 2000 m class twin-box suspension bridge have revealed that a twin-box deck carrying 4 m tall 50% open area ratio wind screens at the deck edges achieved higher critical wind speeds for onset of flutter than a similar deck without wind screens. A result at odds with the well-known behavior for the mono-box deck. The wind tunnel tests also revealed that the critical flutter wind speed increased if the bridge deck assumed a nose-up twist relative to horizontal when exposed to high wind speeds - a phenomenon termed the "nose-up" effect. Static wind tunnel tests of this twin-box cross section revealed a positive moment coefficient at 0° angle of attack as well as a positive moment slope, ensuring that the elastically supported deck would always meet the mean wind flow at ever increasing mean angles of attack for increasing wind speeds. The aerodynamic action of the wind screens on the twin-box bridge girder is believed to create the observed nose-up aerodynamic moment at 0° angle of attack. The present paper reviews the findings of the wind tunnel tests with a view to gain physical insight into the "nose-up" effect and to establish a theoretical model based on numerical simulations allowing flutter predictions for the twin-box bridge girder.
Xin-Jun Zhang;Fu-Bing Ying;Chen-Yang Zhao;Xuan-Rui Pan
Wind and Structures
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제37권1호
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pp.39-56
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2023
To ensure the wind stability of a long-span suspension bridge during deck erection under skew wind, based on the aerostatic and self-excited aerodynamic force models under skew wind, a computational approach of refined flutter analysis for long-span bridges under skew wind is firstly established, in which the effects of structural nonlinearity, the static wind action and full-mode coupling etc are fully considered, and the corresponding computational procedure is programmed. By taking the Runyang suspension bridge over the Yangtze River as example, the flutter stability of the bridge in completion under skew wind is then analyzed with the aerodynamic parameters of a similar bridge deck measured from the sectional model wind tunnel test under skew wind. Finally, through simulating the girder segments erected symmetrically from the midspan to towers, from the towers to midspan and simultaneously from the towers and midspan to the quarter points, respectively, the evolutions of flutter stability limits during the deck erection under skew wind are investigated numerically, the favorable aerodynamically deck erection sequence is proposed, and the influences of skew wind and static wind effect on the flutter stability of suspension bridge under construction are ascertained.
Stonecutters Bridge of Hong Kong is a cable-stayed bridge with two single-column pylons each 298 m high and an aerodynamic twin deck. The total length of the bridge is 1596 m with a main span of 1018 m. The top 118 m of the tower will comprise structural steel and concrete composite while the bottom part will be of reinforced concrete. The bridge deck at the central span will be of steel whilst the side spans will be of concrete. Stonecutters Bridge has adopted a twin-girder deck design with a wide clear separation of 14.3 m between the two longitudinal girders. Although a number of studies have been conducted to investigate the aerodynamic performance of twin-girder deck, the actual real life application of this type of deck is extremely limited. This therefore triggered the need for conducting the present studies, the main objective of which is to investigate the performance of Stonecutters Bridge against flutter at its in-service stage as well as during construction. Based on the flutter derivatives obtained from the 1:80 scale rigid section model experiment, flutter analysis was carried out using 3-D finite element based single parameter searching method developed by the second author of this paper. A total of 6 finite element models of the bridge covering the in-service stage as well as 5 construction stages were established. The dynamic characteristics of the bridge associated with these stages were computed and applied in the analyses. Apart from the critical wind speeds for the onset of flutter, the dominant modes of vibration participating in the flutter vibration were also identified. The results indicate that the bridge will be stable against flutter at its in-service stage as well as during construction at wind speeds much higher than the verification wind speed of 95 m/s (1-minute mean).
When evaluating flutter instability, it is often assumed that incident wind is normal to the longitudinal axis of a bridge and the flutter critical wind speed estimated from this direction is most unfavorable. However, the results obtained in this study via oblique sectional model tests of four typical types of bridge decks show that the lowest flutter critical wind speeds often occur in the yaw wind cases. The four types of bridge decks tested include a flat single-box deck, a flat ${\Pi}$-shaped thin-wall deck, a flat twin side-girder deck, and a truss-stiffened deck with and without a narrow central gap. The yaw wind effect could reduce the critical wind speed by about 6%, 2%, 8%, 7%, respectively, for the above four types of decks within a wind inclination angle range between $-3^{\circ}$ and $3^{\circ}$, and the yaw wind angles corresponding to the minimal critical wind speeds are between $4^{\circ}$ and $15^{\circ}$. It was also found that the flutter critical wind speed varies in an undulate manner with the increase of yaw angle, and the variation pattern is largely dependent on both deck shape and wind inclination angle. Therefore, the cosine rule based on the mean wind decomposition is generally inapplicable to the estimation of flutter critical wind speed of long-span bridges under skew winds. The unfavorable effect of yaw wind on the flutter instability of long-span bridges should be taken into consideration seriously in the future practice, especially for supper-long span bridges in strong wind regions.
As central-slotted box decks usually have excellent flutter performance, studies on this type of deck mostly focus on the vortex-induced vibration (VIV) control. Yet with the increasing span lengths, cable-supported bridges may have critical wind speeds of wind-induced static instability lower than that of the flutter. This is especially likely for bridges with a central-slotted box deck. As a result, the overall aerodynamic performance of such a bridge will depend on its wind-induced static stability. Taking a 1400 m-main-span cable-stayed bridge as an example, this study investigates the influence of a series of deck shape parameters on both static and flutter instabilities. Some crucial shape parameters, like the height ratio of wind fairing and the angle of the inner-lower web, show opposite influences on the two kinds of instabilities. The aerodynamic shape optimization conducted for both static and flutter instabilities on the deck based on parameter-sensitivity studies raises the static critical wind speed by about 10%, and the overall critical wind speed by about 8%. Effective VIV countermeasures for this type of bridge deck have also been proposed.
A passive control using flaps will be an alternative solution for flutter stability and buffeting response of a long suspension bridge. This method not only enables a lightweight economic stiffening girder without an additional stiffness for aerodynamic stability but also avoid the problems from the malfunctions of control systems and energy supply system of an active control by winglets and flaps. A time domain approach for predicting the coupled flutter and buffeting response of bridge deck with flaps is investigated. First, the flutter derivatives of bridge deck and flaps are found by experiment. Next, the derivation of time domain model of self-excited forces and control forces of sectional model is reported by using the rational function approximation. Finally, the effectiveness of passive flap control is investigated by the numerical simulation. The results show that the passive control by using flaps can increase the flutter speed and decrease the buffeting response. The experiment results are matched with numerical ones.
To ensure the flutter stability of three-tower suspension bridges under skew wind, by using the computational procedure of 3D refined flutter analysis of long-span bridges under skew wind, in which structural nonlinearity, the static wind action(also known as the aerostatic effect) and the full-mode coupling effect etc., are fully considered, the flutter stability of a three-tower suspension bridge-the Taizhou Bridge over the Yangtze River in completion and during the deck erection is numerically investigated under the constant uniform skew wind, and the influences of skew wind and aerostatic effects on the flutter stability of the bridge under the service and construction conditions are assessed. The results show that the flutter critical wind speeds of three-tower suspension bridge under service and construction conditions fluctuate with the increase of wind yaw angle instead of a monotonous cosine rule as the decomposition method proposed, and reach the minimum mostly in the case of skew wind. Both the skew wind and aerostatic effects significantly reduce the flutter stability of three-tower suspension bridge under the service and construction conditions, and the combined skew wind and aerostatic effects further deteriorate the flutter stability. Both the skew wind and aerostatic effects do not change the evolution of flutter stability of the bridge during the deck erection, and compared to the service condition, they lead to a greater decrease of flutter critical wind speed of the bridge during deck erection, and the influence of the combined skew wind and aerostatic effects is more prominent. Therefore, the skew wind and aerostatic effects must be considered accurately in the flutter analysis of three-tower suspension bridges.
The Maanshan Bridge over Yangtze River in China is a new long-span suspension bridge with double main spans of $2{\times}1080m$ and a closed streamline cross-section of single box deck. The flutter and buffeting performances were investigated via wind tunnel tests of a full bridge aeroelastic model at a geometric scale of 1:211. The tests were conducted in both smooth wind and simulated boundary layer wind fields. Emphasis is placed on studying the interference effect of adjacent span via installing a wind deflector and a wind separating board to shelter one span of the bridge model from incoming flow. Issues related to effects of mid-tower stiffness and deck supporting conditions are also discussed. The testing results show that flutter critical wind velocities in smooth flow, with a wind deflector, are remarkably lower than those without. In turbulent wind, torsional and vertical standard deviations for the deck responses at midspan in testing cases without wind deflector are generally less than those at the midspan exposed to wind in testing cases with wind deflector, respectively. When double main spans are exposed to turbulent wind, the existence of either span is a mass damper to the other. Furthermore, both effects of mid-tower stiffness and deck supporting conditions at the middle tower on the flutter and buffeting performances of the Maanshan Bridge are unremarkable.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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