Rain-wind induced vibrations of cables are a challenging problem in the design of cable-stayed bridges. The precise excitation mechanism of the complex interaction between structure, wind and rain is still unknown. A theoretical model that is able to accurately simulate the observed phenomena is not available. This paper presents a mathematical model describing rain-wind induced vibrations as movement-induced vibrations using the quasi-steady strip theory. Both, the vibrations of the cable and the movement of the water rivulet on the cable surface can be described by the model including all geometrical and physical nonlinearities. The analysis using the stability and bifurcation theory shows that the model is capable of simulating the basic phenomena of the vibrations, such as dependence of wind velocity and cable damping. The results agree well with field data and wind tunnel tests. An extensive experimental study is currently performed to calibrate the parameters of the model.
The recent research on proper orthogonal decomposition (POD) has revealed the linkage between proper orthogonal modes and linear normal modes. This paper presents an investigation into the modal identifiability of an instrumented cable-stayed bridge using an adapted POD technique with a band-pass filtering scheme. The band-pass POD method is applied to the datasets available for this benchmark study, aiming to identify the vibration modes of the bridge and find out the so-called deficient modes which are unidentifiable under normal excitation conditions. It turns out that the second mode of the bridge cannot be stably identified under weak wind conditions and is therefore regarded as a deficient mode. To judge if the deficient mode is due to its low contribution to the structural response under weak wind conditions, modal coordinates are derived for different modes by the band-pass POD technique and an energy participation factor is defined to evaluate the energy participation of each vibration mode under different wind excitation conditions. From the non-blind datasets, it is found that the vibration modes can be reliably identified only when the energy participation factor exceeds a certain threshold value. With the identified threshold value, modal identifiability in use of the blind datasets from the same structure is examined.
A design method of a Multiple Tuned Mass Damper (MTMD) system is presented for wind induced vibration control of a cable-supported roof structure. Modal contribution analysis is carried out to determine the dominating modes of the structure for the MTMD design. Two MTMD systems are developed for two most dominating modes. Each MTMD system is composed of multiple TMDs with small masses spread at multiple locations with large responses in the corresponding mode. Frequencies of TMDs are distributed uniformly within a range around the dominating frequencies of the roof structure to enhance the robustness of the MTMD system against uncertainties of structural frequencies. Parameter optimizations are carried out by minimizing objective functions regarding the structural responses, TMD strokes, robustness and mass cost. Two optimization approaches are used: Single Objective Approach (SOA) using Sequential Quadratic Programming (SQP) with multi-start method and Multi-Objective Approach (MOA) using Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II). The computation efficiency of the MOA is found to be superior to the SOA with consistent optimization results. A Pareto optimal front is obtained regarding the control performance and the total weight of the TMDs, from which several specific design options are proposed. The final design may be selected based on the Pareto optimal front and other engineering factors.
A series of wind tunnel tests, including 1:50 sectional model tests, 1:50 free-standing bridge tower tests and 1:70 full-bridge aeroelastic model tests were carried out to systematically investigate the aerodynamic performance of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge (HZMB). The test result indicates that there are three wind-resistant safety issues the HZMB encounters, including unacceptable low flutter critical wind speed, vertical vortex-induced vibration (VIV) of the main girder and galloping of the bridge tower in across-wind direction. Wind-induced vibration of HZMB can be effectively suppressed by the application of aerodynamic and mechanical measures. Acceptable flutter critical wind speed is achieved by optimizing the main girder form (before: large cantilever steel box girder, after: streamlined steel box girder) and cable type (before: central cable, after: double cable); The installations of wind fairing, guide plates and increasing structural damping are proved to be useful in suppressing the VIV of the HZMB; The galloping can be effectively suppressed by optimizing the interior angle on the windward side of the bridge tower. The present works provide scientific basis and guidance for wind resistance design of the HZMB.
The wind-resistant performance of bridges is generally evaluated based on the strip assumption. For the arch rib of arch bridges, the situation is different due to the curve axis and the variable cross-sectional size. In the construction stage, the arch rib supported by a cable system exhibits flexible dynamic characteristics, and the wind-resistant performance attracts specially attention. To evaluate the wind-induced vibration of an arch rib with the maximum cantilever state, the finite element model was established to compute the structural dynamic characteristics. Then, a three-dimensional (3D) fluid-solid coupling analysis method was realized. After verifying the reliability of the method based on a square column, the wind-induced vibration of the arch rib was computed. The vortex-induced vibration (VIV) performance of the arch rib was focused and the flow field characteristics were discussed to explain the VIV phenomenon. The results show that the arch rib with the maximum cantilever state had the possibility of VIV at high wind speeds but the galloping was not observed. The lock-in wind speeds were larger than the results based on the strip assumption. Due to the vibration of arch rib, the frequency of shedding vortices along the arch axis trended to be uniform.
Considering the wind barriers induced aerodynamic characteristic variations of both bridge deck and trains, this paper studies the effects of wind barriers on the safety and stability of trains as they run through an urban rail transit cable-stayed bridge which tends to be more vulnerable to wind due to its relatively low stiffness and lightweight. For the bridge equipped with wind barriers of different characteristics, the aerodynamic coefficients of trains and bridge decks are obtained from wind tunnel test firstly. And then, the space vibration equations of the wind-train-bridge system are established using the experimentally obtained aerodynamic coefficients. Through solving the dynamic equations, one can calculate the dynamic responses both the trains and bridge. The results indicate that setting wind barriers can effectively reduce the dynamic responses of both the trains and bridge, even though more wind forces acting on the bridge are caused by wind barriers. In addition, for urban rail transit cable-stayed bridges located in strong wind environment, the wind barriers are recommended to be set with 20% porosity and 2.5 m height according to the calculation results of cases with wind barriers porosity and height varying in two wide ranges, i.e., 10% - 40% and 2.0 m to 4.0 m, respectively.
This paper deals with the analysis of dynamic characteristics of mooring system of floating-type offshore wind turbine. A spar-type floating structure which consists of a nacelle, a tower and the platform excepting blades, is used to model the floating wind turbine and connect three catenary cables to substructure. The motion of floating structure is simulated when the mooring system is attached using irregular wave Pierson-Moskowitz model. The mooring system is analyzed by changing cable position of floating structure. The dynamic behavior characteristics of mooring system are investigated comparing with cable tension and 6-dof motion of floating structure. These characteristics are much useful to initial design of floating-type structure. From the simulation results, the optimized design parameter that is cable position of connect point of mooring cable can be obtained.
This paper focuses on the vibration control of long-span reticulated steel structures under multi-dimensional earthquake excitation. The control system and strategy are constructed based on Magneto-Rheological (MR) dampers. The LQR and Hrovat controlling algorithm is adopted to determine optimal MR damping force, while the modified Bingham model (MBM) and inverse neural network (INN) is proposed to solve the real-time controlling current. Three typical long-span reticulated structural systems are detailedly analyzed, including the double-layer cylindrical reticulated shell, single-layer spherical reticulated shell, and cable suspended arch-truss structure. Results show that the proposed control strategy can reduce the displacement and acceleration effectively for three typical structural systems. The displacement control effect under the earthquake excitation with different PGA is similar, while for the cable suspended arch-truss, the acceleration control effect increase distinctly with the earthquake excitation intensity. Moreover, for the cable suspended arch-truss, the strand stress variation can also be effectively reduced by the MR dampers, which is very important for this kind of structure to ensure that the cable would not be destroyed or relaxed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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