بررسی تأثیر رویکردهای گوناگون مدل‌سازی پل‌های کابلی خود ایستا با استفاده از تحلیل مودال

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی ، صفحه 1-8 (8)

کد مقاله : 1008-ISAV2022 (R1)

نویسندگان

گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

پل‌های کابلی خود ایستا یکی از مهم‌ترین سازه‌ها در خطوط حمل‌ونقل هستند. برای مدل‌سازی این ابرسازه‌ها بر مبنای روش اجزای محدود، شیوه‌های مختلفی وجود دارد. تفاوت این روش‌ها بیش‌تر در مدل‌سازی عرشه نمایان است. استفاده از روش تیر اساسی و مدل‌سازی کامل عرشه از جمله شیوه‌های مرسوم مدل‌سازی عرشه پل‌های کابلی خود ایستا هستند. باتوجه به اینکه این ابرسازه‌ها با دهانه‌های بسیار بلند ساخته می‌شوند، بررسی رفتار دینامیکی آنها از اهمیت بالایی برخوردار است؛ بنابراین در پژوهش حاضر تأثیر روش‌های مختلف مدل‌سازی عرشه بر فرکانس‌های اصلی پل یادبود بیل امرسون با استفاده از تحلیل مودال مورد بررسی قرار گرفته است. عرشه کامپوزیت این پل از دو شاه‌تیر فولادی در طرفین و یک دال بتنی تشکیل شده است. جهت مدل‌سازی بر پایه روش اجزای محدود از نرم‌افزار متن‌باز اپنسیز و محیط برنامه‌نویسی متلب استفاده شده است. در رویکرد اول کل عرشه شامل شاه‌تیر و دال بتنی توسط المان پوسته و تیر مدل‌سازی شده است. در رویکرد دوم عرشه توسط المان تیر و با مشخصات مکانیکی معادل با عرشه مدل‌سازی شد و اصلاحات جرم روی آن انجام پذیرفت. سپس با استفاده از تحلیل مودال درنظرگرفتن اثر بارگذاری ثقلی ناشی از وزن پل به‌عنوان شرایط اولیه بررسی شد. با محاسبه فرکانس پنج مود اول، نتایج بیانگر آن است که علی‌رغم اینکه شکل مودی مدل‌های گوناگون شبیه یکدیگر هستند، اما مدل‌سازی کامل عرشه، دارای پاسخ‌های نزدیک‌تری به رفتار واقعی سازه است؛ اما این برآورد نزدیک به واقعیت، مستلزم پرداخت هزینه محاسباتی به‌مراتب بالاتری است. همچنین مشخص شد که درنظرگرفتن شرایط بارگذاری اولیه، تأثیر چندانی بر فرکانس‌های اصلی پل ندارد.

کلیدواژه ها

پل‌های کابلی خود ایستا؛ تحلیل مودال؛ مدل‌سازی کامل عرشه؛ مدل‌سازی به روش تیر معادل

موضوعات

Dynamics of bridges

Title

A Study of Modeling Techniques of Cable-Stayed Bridges Based on Modal Analysis

Authors

Davood Farahani, Mahdi Yazdani

Abstract

cable-stayed bridges are one of the most important infrastructures in transportation lines. There are different approaches to model these megastructures based on the finite element method. Single Central Spine and complete deck modeling are two most common methods for bridge deck modeling in cable-stayed bridges. It is very important to know the dynamic behavior of these megastructures because they are constructed in long spans. In this paper, the effect of different deck modeling on modal analysis has been considered. The cable-stayed bridge used for this study is the Bill Emerson Memorial Bridge. The composite deck is constructed by steel beams and prestressed concrete slabs. Based on the Single Central Spine and full deck modeling, three-dimensional finite-element model of the bridge has been developed by using OpenSees and MATLAB. In the complete deck approach, the deck was modeled by shell and beam elements. In the second approach the deck is modeled as a central beam (the spine) and Lumped masses are employed to model the mass of the deck, which mass corrections have been considered on it. Then, the modal analysis was performed with and without consideration of gravity loading as initial conditions to extract the first five modes of the natural frequencies. The results show that the full deck modeling is more similar to the real dynamic behavior of the considered bridge, but it takes much more computational effort. The results also showed that considering the gravity loading as the initial condition does not have a great effect on the fundamental frequencies.

Keywords

Cable-stayed Bridges, Modal Analysis, Complete deck modeling, Single central spine modeling

مراجع

1 .C. H. Kao, C. H. Kou, "The influence of broken cables on the structural behavior of long-span cable-stayed bridges", Journal of Marine Science and Technology, 18 (3), 9 (2010). 2. H. F. Hyppolito, "Effect of Cable Damage on the Structural Behaviour of a Cable-Stayed Bridge", University of Porto, (2020). 3. E. A. Efthymiou, "The effect of multi-angle spatially variable ground motions on the seismic behaviour of cablestayed bridges", University of London, (2019). 4. L. Zhu, H. Xiang, Y. L. Xu, "Triple-girder model for modal analysis of cable-stayed bridges with warping effect", Journal of Engineering structures, 22 (10), 1313-1323 (2000). 5. W. X. Ren, M. Obata, "Elastic-plastic seismic behavior of long span cable-stayed bridges", Journal of Bridge Engineering, 4 (3), 194-203 (1999). 6. S .J. Dyke, J. M. Caicedo, G. Turan, L. A. Bergman, S. T. Hague, "Phase I benchmark control problem for seismic response of cable-stayed bridges", Journal of Structural Engineering, 129 (7), 857-872 (2003). 7. H. Pahlavan, A. Mirza Goltabar Roshan, A. Naseri, "Analytical Fragility Curves for Bridges Subjected to Near-Fault and Far-Field Ground Motion(Case Study: Bill Emerson Bridge)", Journal of Structural and Construction Engineering, 8 (5), 148-162 (2021). 8. Ç. Hızal, G. Turan, "Importance of static correction and damping in the analysis of a cable-stayed bridge subjected to displacement loading", Journal of Bridge Engineering, 22 (6) (2017). 9. M. Ismail, J. R. Casas, J. Rodellar, "Near-fault isolation of cable-stayed bridges using RNC isolator", Journal of Engineering Structures, 56, 327-342, (2013). 10 .م. اسماعیلنیا عمران، ع. حسینی کرانی، "ارزیابی عملکرد جداساز غلطکی درون قفس بر رفتار خرابی پیشرونده پلهای کابلی (مطالعه موردی پل کابلی بیل امرسون)"، نشریه مهن دسی عمران امیرکبیر، (2)، 53، 658-639 (1400) 11. G. Chen, D. Yan, W. Wang, M. Zheng, L. Ge, F. Liu, "Assessment of the Bill Emerson memorial cable-stayed bridge based on seismic instrumentation data", Missouri University of Science and Technology, (2007). 12 .م. علیخانی دهقی، غ. ر. قدرتی امیری، ع. زارع حسینزاده، س.ع. سید رازقی، "شناسایی آسیب در پل های کابلی با استفاده از اطالعات مودال"، نشر یه مهندسی سازه و ساخت، (2)، 7، 24-45 (1399) 13. J. Wen, Q. Han, Y. Xie, J. Zhang, "Performance-based seismic design and optimization of damper devices for cable-stayed bridge", Journal of Engineering Structures, 237 (2021). 14. J. C. Wilson, W. Gravelle, "Modelling of a cable‐stayed bridge for dynamic analysis". Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 20(8), 707-721, (1991)