Structural analysis of innovative steel cable-stayed-string bridge

Abstract

Cable-stayed bridges are a type of bridge structure with a rich history spanning a couple of centuries. They are known for their distinctive architectural expression and ability to span some of the longest distances in the world. It is essential to recognise that beneath the elegant aesthetics of cable-stayed bridges lies a complex interaction of forces that can lead to undesirable behavioral issues. Engineers and scientists actively seek new solutions, design innovative forms of these bridges, and develop methodologies to evaluate them. One such example is the application of pedestrian bridges with intersecting cable-stays. Although these structural solutions show promise, they remain relatively new. It is noted that detailed analysis of bridge behavior and calculation methodologies are lacking. This dissertation examines a novel structural system for a cable-stayed-string steel bridge with intersecting cables and intermediate pylons. Its behavior is investigated through experimental model studies and numerical and analytical analysis. The work aims to develop an innovative pedestrian bridge design with crossed cables and create a calculation methodology for its analysis. The First Chapter provides a brief history of cable-stayed pedestrian bridges, the current research outlook, and a literature review of their structures and load-bearing elements. It also discusses methods for calculating cable-stayed bridges and inclined cables. The Second Chapter introduces the calculation methodology for two types of bridge constructions: one with a stiffening beam and another with a string. The composition of the hybrid cable-stayed-string bridge is performed, and rational parameters are identified. The rational heights and arrangements of pylons are provided. A proposed assembly sequence for construction is provided. The Third Chapter analyses the behaviour of the intersecting cable system using experimental model studies and numerical analysis. It presents the stresses and displacements of symmetrically and asymmetrically loaded bridge systems and compares the results of physical experiments and numerical analyses. The influence of pretensioning in the string and intersecting cable-stays on the bridge structure’s behaviour is demonstrated. The dissertation findings have been published in two scientific articles in peer-reviewed journals, and the results of the research conducted in the dissertation have been presented at two scientific conferences.

Vantiniai tiltai – tiltų konstrukcijos tipas, turintis turtingą, porą šimtmečių besitęsiančią istoriją bei garsėjantis išskirtine architektūrine išraiška ir gebėjimu įveikti vienus ilgiausių atstumų pasaulyje. Tačiau po elegantiška vantinių tiltų estetika slypi sudėtinga jėgų sąveika, kuri gali sukelti nepageidaujamų problemų. Inžinieriai ir mokslininkai aktyviai ieško naujų sprendimų, kuria naujas šio tipo tilto formas ir metodikas šioms formoms vertinti. Toks naujas sprendinys yra kryžminių vantų pėsčiųjų tiltai. Nors tokie konstrukciniai sprendiniai yra perspektyvūs, jie vis dar yra ganėtinai nauji. Pastebima, kad trūksta detalesnės tiltų elgsenos analizės ir skaičiavimo metodikų. Disertacijoje aptariama nauja vantinio-styginio plieninio tilto konstrukcinė sistema su kryžminiais vantais ir tarpiniais pilonais. Tilto elgesena nagrinėjama atliekant eksperimentinio modelio tyrimą, skaitinę ir analitinę analizę. Darbo tikslas – sukurti inovatyvią kryžminių vantų pėsčiųjų tilto konstrukciją bei parengti jos inžinerinę skaičiavimo metodiką. Pirmame skyriuje pateikiama trumpa vantinių pėsčiųjų tiltų istorija, dabartinė tyrimų kryptis bei jų konstrukcijų ir laikančiųjų elementų literatūros apžvalga. Apžvelgiamos vantinių tiltų, pasvirusių lynų skaičiavimo metodikos. Antrame skyriuje pristatoma dviejų tipų tilto konstrukcijų – su standumo sija ir su styga – inžinerinė skaičiavimo metodika. Atliekamas vantinio-styginio tilto komponavimas ir parenkami racionalūs parametrai. Pateikti racionalūs pilono aukščiai ir galimas jų išdėstymas. Trečiame skyriuje analizuojama kryžminių vantų sistemos elgesena vykdant modelio eksperimentą ir skaitinę analizę. Pateikiamos simetriškai ir asimetriškai apkrautos tilto sistemos įrąžos ir poslinkiai, palyginami fizinio eksperimento ir skaitinės analizės rezultatai. Parodyta stygų ir kryžminių vantų išankstinio įtempimo įtaka tilto konstrukcijos elgsenai. Disertacijos medžiaga paskelbta dviejuose moksliniuose straipsniuose, kurie yra recenzuojamuose mokslo žurnaluose, o disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai – dviejose mokslinėse konferencijose.