High-speed railway bridge piers in seismically active area may be subjected to multiple earthquakes and then produce cumulative residual deformation. To study the cumulative residual deformation of high-speed railway bridge piers under multiple earthquakes, a nonlinear numerical analytical model with multi-DOF (MDOF) system is presented and validated against two shaking table tests in this paper. Based on the presented model, a simple supported beam bridge pier model of high-speed railway is established and used to investigate the cumulative residual deformation of high-speed railway bridge pier under mainshock-aftershock sequences and swarm type seismic sequences. The results show that the cumulative residual deformation of the bridge pier increases with earthquake number, and the increasing rates are different under different earthquake number. The residual deformation of bridge pier subjected to multiple earthquakes is accumulated and may exceed the limit of code.
Seismic strengthening is essential for existing bridge piers which are deficient to resist the earthquake. The concrete and CFRP jackets with a bottom-anchoring method are used to strengthen railway bridge piers with low reinforcement ratio. Quasi-static tests of scaled down model piers are performed to evaluate the seismic performance of the original and strengthened bridge pier. The fracture characteristics indicate that the vulnerable position of the railway bridge pier with low reinforcement ratio during earthquake is the pier-footing region and shows flexural failure mode. The force-displacement relationships show that the two strengthening techniques using CFRP and concrete jackets can both provide a significant improvement in load-carrying capacity for railway bridge piers with low reinforcement ratio. It is clear that the bottom-anchoring method by using planted steel bars can guarantee the CFRP and concrete jackets to work jointly with original concrete piers Furthermore, it can be found that the use of CFRP jacket offers advantages over concrete jacket in improving the energy dissipation capacity under lateral cyclic loading. Therefore, the seismic strengthening techniques by the use of CFRP and concrete jackets provide alternative choices for the large numbers of existing railway bridge piers with low reinforcement ratio in China.
In this paper, a framework is proposed for dynamic analysis of train-bridge systems with a damaged pier after barge collision. In simulating the barge-pier collision, the concrete pier is considered to be nonlinear-inelastic, and the barge-bow is modeled as elastic-plastic. The changes of dynamic properties and deformation of the damaged pier, and the additional unevenness of the track induced by the change of deck profile, are analyzed. The dynamic analysis model for train-bridge coupling system with a damaged pier is established. Based on the framework, an illustrative case study is carried out with a $5{\times}32m$ simply-supported PC box-girder bridge and the ICE3 high-speed train, to investigate the dynamic response of the bridge with a damaged pier after barge collision and its influence on the running safety of high-speed train. The results show that after collision by the barge, the vibration properties of the pier and the deck profile of bridge are changed, forming an additional unevenness of the track, by which the dynamic responses of the bridge and the car-body accelerations of the train are increased, and the running safety of high-speed train is affected.
Seismic isolation technology has a wide application to protect bridges from earthquake damage, a new designed bridge pier with seismic isolation are provided for railways in seismic regions of China. The pier with rocking isolation is a self-centering system under small and moderate earthquakes, and the unbonded prestressed tendons are used to prevent overturning under strong earthquakes. A numerical model based on pseudo-static testing results is presented to evaluate the seismic performance of isolation bridge piers, and is validated by the shaking table test. It is found that the rocking response and the loss of prestressing for the bridge pier increase with the increase of earthquake intensity. Besides, the intensity and spectral characteristics of input ground motion have great influence on displacement of the top and bottom of the bridge pier, while have less influence on the bending moment of the pier bottom. Experimental and numerical results show that the rocking-isolated piers presented in this study have good seismic performance, and it provides an alternative way for the railway bridge in the regions with high occurrence of earthquakes. Therefore, we provide the detailed procedures for seismic design of the rocking-isolated bridge pier, and a case study of the seismic isolation design with rocking piers is carried out to popularize the seismic isolation methods.
Park, Seung-Hee;Nam, Min-Jun;Yoon, Jong-Ku;Kim, Jin-Ho
Proceedings of the KSR Conference
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2011.10a
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pp.1220-1226
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2011
The purpose of this study is to assess the seismic performance of a reinforced concrete pier using ductility demand-based seismic design method and nonlinear earthquake analysis. A computer program named MIDAS/Civil(MIDAS IT,2009) for the analysis of the reinforced concrete pier was used. The bridge pier was designed by the ductility demand-based seismic design. In addition, a seismic performance was evaluated through both capacity spectrum method and nonlinear time history method. In order to determine the seismic performance of the bridge pier, the maximum response values from the capacity spectrum method and nonlinear time history analysis were compared each other.
Residual deformation of high-speed railway bridge piers is cumulative under repeated earthquakes, and influences the safety and ride comfort of high-speed trains. This paper investigates the effects of the peak ground acceleration, longitudinal reinforcement ratio, and axial compression ratio on the cumulative deformation through finite element analysis. A simply-supported beam bridge pier model is established using nonlinear beam-column elements in OpenSees, and validated against a shaking table test. Repeated earthquakes were input in the model. The results show that the cumulative deformation of the bridge piers under repeated earthquakes increases with the peak ground acceleration and the axial compression ratio, and decreases with the longitudinal reinforcement ratio.
Aiming at widely used high-pier bridges in Sichuan-Tibet Railway, this paper presents an investigation to design and evaluate the seismic vibration reduction effects of several measures, including viscous damper (VD), friction pendulum bearing (FPB), and tuned mass damper (TMD). Primarily, according to the detailed introduction of the concerned bridge structure, dynamic models of high-pier bridges with different seismic vibration reduction (SVR) measures are established. Further, the designs for these SVR measures are performed, and the optimal parameters of these measures are investigated. On this basis, the vibration reduction effects of these measures are analyzed and assessed subject to actual earthquake excitations in Wenchuan Earthquake (M=8.0), and the most appropriate SVR measure for high-pier bridges in Sichuan-Tibet Railway is determined at the end of the work. Results show that the height of pier does not obviously affect the performances of the concerned SVR measures. Comprehensively considering the vibration absorption performance, installation and maintenance of all the employed measures in this paper, TMD is the best one to absorb vibrations induced by earthquakes.
Recently rapid construction of bridge is a main interest in construction. A research on rapid construction of pier coping is urgently needed because pier, which is a bridge understructure, directly affect lane reduction and increase of social cost. Precast assembly method and pre-assembly method are the main subjects of rapid construction. But these researches have focused not on reduction of reinforcement amount, but on modifying production method of coping. Reinforcement amount of design specification is as much as that of coping under constructing. So different approach is needed for reduction of reinforcement amount. In this paper, design of pier coping using strut-tie model was proposed for reduction of reinforcement amount and improvement of constructability. Railway bridge pier coping under constructing was analyzed using a finite element method and designed using strut-tie model.
Kim, Jong-Min;Han, Sang-Yun;Lim, Nam-Hyoung;Kang, Young-Jong
Proceedings of the KSR Conference
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2007.05a
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pp.1460-1465
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2007
CWR(Continuous Welded Rail) and bridge interaction produce rail force, bridge displacement and rail/bridge relative displacement. Each of these has limitation by many codes. In this paper, analysis of interaction has been carried out by using foreign codes(UIC 774-3 R code of Europe etc.) because there is no code about interaction between rail and bridge in Korea. Recently, railway bridges with CWR has been constructed for structural and economical reasons. When designer plans railway bridges, design a bridge model first and then investigate railway forces and displacement by interaction analysis. If these results go out bounds from limitation, designer plans railway bridges again and again. In this paper, using the parametric study on CWR and railway bridge interaction, railway bridge parameters such as length of bridge span, area of bridge, moment of inertia, stiffness of pier, etc. are presented. It helps preliminary design of railway bridges.
The vertical forces in rail fasteners at areas of bridge transitions near the embankment and on the pier will occur due to different deformations of adjoining bridges caused by the trainloads, the settlement of supports, and the temperature gradients. The up-lifting forces is not large problem in the blast track because the elasticity of blast and rail pad buffs up-lifting effect. But, it is likely to be difficult to ensure the serviceability of the railway and the safety of the fastener in the end in that concrete slab track consist of rail, fastener, and track in a single body, delivering directly the up-lifting force to the fastener if the deck is bended because of various load cases, such as the end rotation of the overhang due to the vertical load, the bending of pier due to acceleration/braking force and temperature deviation, the settlement of embankment and pier, the temperature deviation of up-down deck and front-back pier, and the rail deformation due to wheel loads. The analysis of the rail fastener is made to verify the superposed tension forces in the rail fastener due to various load cases, temperature gradients and settlement of supports. The potential critical fasteners with the highest uplift forces are the fastener adjacent to the civil joint. The main influence factors are the geometry of the bridge such as, the beneath length of overhang, relative position of bridge bearing and fastener, deflection of bridge and the vertical spring stiffness of the fastener.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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