Load effect and fatigue damage of bridges under combined actions of traffic and wind: a case study

Study of load effects on bridges with large windward sides has to consider not only passing vehicles but also wind actions. This paper concerns the method to calculate actual load effect and fatigue damage under combined actions of traffic and wind, taking one of the steel rods of Anyang Bridge as an example project. Firstly, internal force time-history of the rod was simulated based on measured data of traffic load and wind field. Then, extreme values of internal force of the rod were extrapolated using an improved method based on level crossing, and stress spectra of three fatigue-prone details on the rod were gained using the rain-flow method. Finally, the rod was checked under ultimate limit state and fatigue limit state, respectively. It was found that characteristic values of internal force of the rod under combined actions of traffic and wind increased from +5 849/-4 063 kN (considering vehicle actions alone) to +6 350/-5 466 kN and the maximum damage degree of fatigue-prone details increased from 0.61 (considering vehicle actions alone) to 0.63. These results suggest that wind load contributes a significant increase to internal force characteristic values of the rod but a small increase to fatigue damage. However, high stress amplitudes due to wind load do not allow infinite life design. The actual load level is much higher than that prescribed in the design code. Hence, wind actions should be fully considered.

Lasteinwirkung und Ermüdungsschäden an Brücken unter kombinierter Belastung von Verkehr und Wind: Eine Fallstudie.
Bei Untersuchungen zu Lasteinwirkungen bei Brücken mit großer Windangriffsfläche müssen neben den Verkehrseinwirkungen auch die Windeinwirkungen berücksichtigt werden. Der vorliegende Beitrag erörtert anhand eines Stahlstabes der Anyang Bridge beispielhaft ein Verfahren zur Berechnung der tatsächlichen Lasteinwirkung und Ermüdungsschäden infolge kombinierter Einwirkung von Verkehr und Wind. Zunächst wurde anhand von Messdaten zu Verkehrslast und Windfeld die zeitliche Entwicklung der Schnittkraft des Stabes simuliert. Anschließend wurden anhand der verbesserten Methode auf Basis des Last-Kollektivs (Klassengrenzen-Überschreitungen) die Extremwerte der inneren Kräfte des Stabes extrapoliert. Die Belastungsspektren dreier ermüdungsanfälliger Details des Stabes wurden anhand des Rainflow-Verfahrens ermittelt. Abschließend wurde der Stab im Grenzzustand der Tragfähigkeit bzw. im Grenzzustand der Ermüdungsfestigkeit geprüft. Es wurde festgestellt, dass die charakteristischen Werte der Schnittkraft des Stabes unter kombinierter Einwirkung von Verkehrs- und Windlast von 5 849/-4 063 kN (bei ausschließlicher Betrachtung der Verkehrslast) auf 6 350/-5 466 kN anstiegen. Der maximale Schadensgrad ermüdungsanfälliger Details stieg von 0,61 (bei ausschließlicher Betrachtung der Verkehrslast) auf 0,63. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Windlast erheblich zum Anstieg der charakteristischen Werte der Schnittkraft des Stabes beiträgt und einen kleinen Anteil am Anstieg der Ermüdungsschäden hat. Dennoch erlauben die hohen Belastungsamplituden infolge der Windlast keine Auslegung für unbegrenzte Lebensdauer. Die tatsächliche Belastung ist deutlich höher als nach der Bemessungsnorm zulässig. Windeinwirkungen sind daher in vollem Umfang zu berücksichtigen.