Evaluation of the seismic responses of a long‐span cable‐stayed bridge located in complex terrain based on an SHM‐oriented model
Authors: Zheng Yue , Chen Bo , Chen Weizhen 
Published: April 2015

Long‐span cable‐stayed bridges often have multiple supports separated by certain distances. If a long‐span bridge is located in a complex terrain with different local soil conditions, the spatial variability may result in quantitative and qualitative differences in seismic responses compared with those produced by synchronous motion at all supports. To conduct such a multi‐support excitation analysis of a long‐span bridge, the ground motion excitations at different supports of the bridge are traditionally reproduced using the unconditional simulation technique, which cannot reflect the realistic propagation of ground motions at the site where the bridge is located. In addition, the finite element model of a cable‐stayed bridge cannot be calibrated before conducting the seismic analysis. Heretofore the difference in seismic responses between the FE model and an alternative model has not been investigated systematically. Furthermore, seismic response analyses of long‐span bridges using in situ ground motions are very rare.

Therefore, this paper proposes an analytical approach for conducting the seismic response analysis of a long‐span cable‐stayed bridge subjected to non‐uniform ground motions based on the updated FE model with the aid of a bridge structural health monitoring (SHM) system. The model updating approach is developed on the basis of the static and dynamic sensitivity analyses in order to establish the SHM‐oriented model. The excitations at all the supports of the bridge undergo conditional simulation based on the measured ground motions at limited points.

A real long‐span cable‐stayed bridge is taken as an example to examine the feasibility and validity of the proposed approach. The observations made indicate that the seismic responses based on the SHM‐oriented model are different to those based on the original FE model. The non‐uniform seismic responses are substantially different from those of the uniform seismic responses.

Beurteilung der Erdbebenreaktionen einer Schrägseilbrücke mit großer Spannweite bei uneinheitlichen Bodenbeschaffenheiten auf Basis eines SHM‐orientierten Modells. Schrägseilbrücken mit großer Spannweite besitzen oft mehrere Pfeiler in bestimmten Abständen. Bei Schrägseilbrücken mit großer Spannweite können unterschiedlich schwierige Bodenbeschaffenheiten zu qualitativen und quantitativen Unterschieden der Erdbebenreaktionen im Vergleich zu einem an allen Pfeilern einheitlichen Untergrund führen. Zur Durchführung einer Erdbebenbemessung für eine Brücke mit großer Spannweite und mehreren Pfeilern werden die Schwingungsanregungen durch die Bodenbewegung unter den Pfeilern bisher mit einer Simulation erzeugt. Diese Methode kann jedoch die Ausbreitung der Bodenbewegungen am realen Standort der Brücke nicht wirklich abbilden. Darüber hinaus kann das Finite‐Elemente‐Modell einer Schrägseilbrücke nicht vor der Durchführung der seismischen Analyse kalibriert werden. Weiterhin wurden die Unterschiede der Erdbebenreaktionen zwischen der FE‐Modellierung und einem alternativen Modell bisher noch nicht systematisch untersucht. Zudem erfolgte die Erdbebenbemessung von Brücken mit großer Spannweite nur selten unter Berücksichtigung der je Pfeiler am Standort real unterschiedlichen Bodenbewegungen.

Daher wird in diesem Beitrag ein analytischer Ansatz für Erdbebenreaktionen von Schrägseilbrücken mit großer Spannweite vorgeschlagen, die uneinheitlichen Bodenbewegungen ausgesetzt sind. Dieser Ansatz basiert auf einem aktualisierten FE‐Modell in Verbindung mit einem structural health monitoring (SHM)‐System (System zur Strukturüberwachung der Brücke). Der Ansatz des aktualisierten Modells wurde auf der Basis der statischen und dynamischen Empfindlichkeitsanalysen entwickelt, um ein SHM‐orientiertes Modell zu erstellen. Die Anregungen an den Brückenpfeilern sind auf Basis von an einer begrenzten Anzahl von Punkten gemessenen Bodenbewegungen simuliert worden.

Die Untersuchung der Durchführbarkeit und der Gültigkeit des vorgeschlagenen Ansatzes erfolgte an einer realen Schrägseilbrücke mit großer Spannweite. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede zwischen dem SHM‐orientierten Modell und dem ursprünglichen FE‐Modell. Die Erdbebenreaktionen unterscheiden sich grundlegend.