The buffeting response is a vital consideration for long-span bridges in typhoon-prone areas. In the conventional analysis, the turbulence and structural vibrations are assumed as stationary processes, which are, however, inconsistent with the non-stationary features observed in typhoon winds. This poses a question on how the stationary assumption would affect the evaluation of buffeting responses under non-stationary wind actions in nature. To figure out this problem, this paper presents a comparative study on buffeting responses of a long-span cable-stayed bridge based on stationary and non-stationary perspectives. The stationary and non-stationary buffeting analysis frameworks are firstly reviewed. Then, a modal analysis of the example bridge, Sutong Cable-stayed Bridge (SCB), is conducted, and stationary and non-stationary spectral models are derived based on measured typhoon winds. On this condition, the buffeting responses of SCB are finally analyzed by following stationary and non-stationary approaches. Although the stationary results are almost identical with the non-stationary results in the mean sense, the root-mean-square value of buffeting responses are underestimated by the stationary assumption as the time-varying features existing in the spectra of turbulence are neglected. The analytical results highlights a transition from stationarity to non-stationarity in the buffeting analysis of long-span bridges.
Hangzhou Bay Bridge spans the Hangzhou Bay and is located at Zhejiang province in the southeast seacoast of China. The total length of the bridge is 36 km. The bridge is composed of bridge approaches made up of multi-span prestressed concrete box girders and two cable-stayed bridges over the north and south navigable spans respectively. The seismic response analysis of the bridge model shows that if the navigable spans are designed as the routine earthquake-resistance system, the displacements and internal forces in pylons, piers and deckes are too large to satisfy the anti-seismic requirement of the structure. Therefore, the seismic reduction design was carried out by using viscous dampers to dissipate the kinetic energy of the structure both longitudinally and transversely. Using the vibration reduction system and aiming at the reasonable optimal goal, the purpose to reduce the seismic responses in south and north navigable spans has been achieved.
The seismic response analysis of an existing bridge needs a mathematical model that can be calibrated with measured dynamic characteristics. These characteristics are the periods and the associated mode shapes of vibration and the modal damping coefficients. This paper deals with the measurements and the interpretation of the results of ambient vibration tests done on a newly erected cable stayed bridge across the Oued Dib River at Mila city in Algeria. The signal analysis of ambient vibration records will permit to determine the dynamic characteristics of the bridge. On the other hand, a 3-D model of the bridge is developed in order to assess the frequencies and the associated modes of vibration. This information will be necessary in the planning of the test on the site (locations of the sensors, frequencies to be measured and the associated mode shapes of vibration). The frequencies predicted by the finite element model are compared with those measured during full-scale ambient vibration measurements of the bridge. In the same way, the modal damping coefficients obtained by the random decrement method are compared to those of similar bridges.
This work addresses a three-dimensional nonlinear structural analysis of the constructive phases of a cable-stayed segmental concrete bridge using The Finite Element Method through ANSYS, version 14.5. New subroutines have been added to ANSYS via its UPF customization tool to implement viscoelastoplastic constitutive equations with cracking capability to model concrete's structural behavior. This numerical implementation allowed the use of three-dimensional twenty-node quadratic elements (SOLID186) with the Element-Embedded Rebar model option (REINF264), conducting to a fast and efficient solution. These advantages are of fundamental importance when large structures, such as bridges, are modeled, since an increasing number of finite elements is demanded. After validating the subroutines, the bridge located in Rio de Janeiro, Brazil, and known as "Ponte do Saber" (Bridge of Knowledge, in Portuguese), has been numerically modeled, simulating each of the constructive phases of the bridge. Additionally, the data obtained numerically is compared with the field data collected from monitoring conducted during the construction of the bridge, showing good agreement.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.5A
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pp.641-647
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2008
This paper introduces a new technique that can extract natural frequencies and damping ratios from output-only vibration data. Firstly, the free vibration data is obtained from the cross correlations of the output-only response data using a singular value decomposition process. Secondly, the well-known system identification algorithm is applied to extract the natural frequencies and damping ratios from the extracted free vibration data. Comparing to ERADC technique, the accuracy of the proposed modal parameter identification algorithm has been numerically examined. Furthermore, the practicability of the proposed algorithm has been examined through the output-only acceleration data collected from the Seohae cable-stayed bridge. Using the proposed technique, total 24 modes have been identified for the deck plate motions of the bridge.
Uncertainty quantification is the most important challenge in seismic fragility assessment of structures. The precision increment of the quantification method leads to reliable results but at the same time increases the computational costs and the latter will be so undesirable in cases such as reliability-based design optimization which includes numerous probabilistic seismic analyses. Accordingly, the authors' effort has been put on the development and validation of an approach that has reduced computational cost in seismic fragility assessment. In this regard, it is necessary to apply the appropriate methods for consideration of two categories of uncertainties consisting of uncertainties related to the ground motions and structural characteristics, separately. Also, cable-stayed bridges have been specifically selected because as a result of their complexity and the according time-consuming seismic analyses, reducing the computations corresponding to their fragility analyses is worthy of studying. To achieve this, the fragility assessment of three case studies is performed based on existing and proposed approaches, and a comparative study on the efficiency in the estimation of seismic responses. For this purpose, statistical validation is conducted on the seismic demand and fragility resulting from the mentioned approaches, and through a comprehensive interpretation, sufficient arguments for the acceptable errors of the proposed approach are presented. Finally, this study concludes that the combination of the Capacity Spectrum Method (CSM) and Uniform Design Sampling (UDS) in advanced proposed forms can provide adequate accuracy in seismic fragility estimation at a significantly reduced computational cost.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.24
no.5
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pp.77-85
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2020
In this study, the seismic fragility curve according to the boundary conditions is created for a two-pylon concrete cable-stayed bridge, and the effect of the boundary conditions on the seismic fragility of the target bridge is evaluated. An analysis model for the target bridge is constructed using Midas Civil, and a nonlinear time history analysis is performed by applying the fiber element, concrete and rebar material models. The boundary conditions between the pylon and the stiffened girder are classified into four types: rigid, unconstrained, pot bearing, and seismic isolation bearing, and the seismic fragility curves are created for each boundary condition. The plastic hinge section of the pylon, the connection part, and the cable are selected as weak members, and the earthquake vulnerability curve is created for them. As a result of the analysis, it is found that the seismic isolation bearing model shows the lowest damage probability in the pylon and the connection part, and the seismic fragility of the cable is less affected by the boundary conditions than other members.
In order to solve the problem of calculating the reasonable completed bridge state of a self-anchored hybrid cable-stayed suspension bridge (SA-HCSB), this paper proposes an analytical method. This method simplifies the main beam into a continuous beam with multi-point rigid supports and solves the support reaction forces. According to the segmented catenary theory, it simultaneously solves the horizontal forces of the main span main cables and the stay cables and iteratively calculates the equilibrium force system on the main beam in the collaborative system bridge state while completing the shape finding of the main span main cable and stay cables. Then, the horizontal forces of the side span main cables and stay cables are obtained based on the balance of horizontal forces on the bridge towers, and the shape finding of the side spans are completed according to the segmented catenary theory. Next, the difference between the support reaction forces of the continuous beam with multiple rigid supports obtained from the initial and final iterations is used to calculate the load of ballast on the side span main beam. Finally, the axial forces and strains of each segment of the main beam and bridge tower are obtained based on the loads applied by the main cable and stay cables on the main beam and bridge tower, thereby obtaining analytical data for the bridge in the reasonable completed state. In this paper, the rationality and effectiveness of this analytical method are verified through a case study of a SA-HCSB with a main span of 720m in finite element analysis. At the same time, it is also verified that the equilibrium force of the main beam under the reasonably completed bridge state can be obtained through iterative calculation. The analytical algorithm in this paper has clear physical significance, strong applicability, and high accuracy of calculation results, enriching the shape-finding method of this bridge type.
By taking the Runyang Highway Bridge over the Yangtze River with 1490 m main span as example, structural response of the bridge under the horizontal and vertical seismic excitations is investigated by the response spectrum and time-history analysis of MIDAS/Civil software respectively, the seismic behavior and the influence of structural nonlinearity on the seismic response of the bridge are revealed. Considering the aspect of seismic performance, the suitability of employing the suspension bridge in super long-span bridges is investigated as compared to the cable-stayed bridge and cable-stayed-suspension hybrid bridge with the similar main span. Furthermore, the effects of structural parameters including the span arrangement, the cable sag to span ratio, the side to main span ratio, the girder height, the central buckle and the girder support system etc on the seismic performance of the bridge are investigated by the seismic response spectrum analysis, and the favorable earthquake-resistant structural system of suspension bridges is also discussed.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.10a
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pp.365-372
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2003
In this study, the program which determine the initial cable tension force by tile initial shape analysis for cable stayed bridge is developed. Also, DSFEMP(Dynamic Stochastic Finite Element Analysis Program) is developed to consider the variance of random variables at each step of dynamic response analysis, not use existing methods that apply to the theory of reliability at the final step of structural analysis. In addition, the output from the developed program was compared with the results from DMCSP(Direct Monte Carlo Simulation Program) to prove its validity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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