Hệ THốNG ĐO Tự ĐộNG Kỹ THUậT Số Và ứNG DụNG XáC ĐịNH TìNH TRạNG CầU AUTOMATIC DIGITAL MEASUREMENT SYSTEM AND APPLICATION IN VERIFYING STATUS OF BRIDGES Ngô Kiều Nhi, Phan Đức Huynh, Ng
Trang 1Hệ THốNG ĐO Tự ĐộNG Kỹ THUậT Số Và ứNG DụNG XáC
ĐịNH TìNH TRạNG CầU AUTOMATIC DIGITAL MEASUREMENT SYSTEM AND
APPLICATION IN VERIFYING STATUS OF BRIDGES
Ngô Kiều Nhi, Phan Đức Huynh, Nguyễn Nam Trang, Phan Quốc Thái
Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM
Tóm tắt
Dùng bộ giao tiếp với biến cảm điện trở dây (Strain-Connector) tự chế tạo, Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tiến hành thử nghiệm đo các thông số cơ học của cầu cần thiết trong quy phạm kiểm định cầu Bài báo giới thiệu các kết quả thu được trong các đợt thử nghiệm với cầu Rạch Chiếc (năm 2002- 03/2002) Các kết quả thử nghiệm cho ta thấy khả năng của hệ thống góp phần theo dõi thường xuyên tình trạng hoạt động thực tế của cầu
Abstract
With the self-manufactured Strain-Connector, the Laboratory of Applied Mechanics - University of Technology manages to measure mechanical parameters required in the bridge verifying process This article shows the results from the tests with Rach Chiec bridge (year 2000 and March 2002) The results from those tests prove the ability of the system to regularly verify the operation status of the bridge
I các đại lượng cần đo và các thiết bị hiện sử dụng trong quá trình kiểm định cầu
Chế độ kiểm tra đối với các công trình xây dựng nói chung và cầu nói riêng hiện chỉ tập trung ở khâu kiểm định Thực chất kiểm định là thử nghiệm sau khi hoàn tất xây dựng mới hay sau sửa chữa lớn hoặc thử nghiệm trước khi quyết định có sửa chữa lớn hay không Để xét toàn diện hiện trạng cơ học của cầu cần có nhiều giám sát ở các bộ phận khác nhau đặc biệt là trụ, mố, dầm, phổ biến nhất là đối với dầm Trên Bảng 1 ở cột 2 và 3 là các đại lượng cần đo và thiết bị sử dụng hiện hành [1] – [4] đối với kiểm định cầu
Bảng 1: Các đại lượng cần đo trong quá trình kiểm định
TT Các đại lượng cần đo
Các thiết bị được
sử dụng hiện nay [1] - [4]
Hệ thống tự động có thể đo
được không?
1
Độ võng
Độ võng lớn nhất
Độ võng theo thời gian
Võng kế
Đo trực tiếp
Đo trực tiếp
2
Biến dạng
Giá trị lớn nhất
Giá trị theo thời gian
Tenxơmet điện
Đo trực tiếp
Đo trực tiếp
3 Modun đàn hồi của bêtông
(cường độ bêtông) Súng bắn bêtông
Xác định giá trị tương đương bằng tính toán, dựa vào giá trị đo biến dạng, độ võng, hình học mặt cắt dầm
4 Tần số riêng Máy đo dao động
Máy ảnh Tính toán từ số liệu đo đạc
5 Hệ số giảm chấn Tính toán từ số liệu đo đạc
6 Hệ số xung kích Tính toán từ số liệu
đo đạc Tính toán từ số liệu đo đạc
7 Di chuyển trụ/ mố cầu Tenxơmet cơ học Đo trực tiếp
8 Độ mở rộng vết nứt Kính lúp
Máy siêu âm Không đo được
Trang 2Nhược điểm của các thiết bị hiện được sử dụng như sau:
1- Biện pháp ghi nhận là thủ công Đọc và ghi chép lại bằng tay: chậm, kém chính xác, huy động đông nhân lực, chỉ cho phép thu thập số liệu tĩnh
2- Mỗi thiết bị sử dụng cho việc lấy số liệu 1 thông số, số lượng thiết bị dùng mỗi lần đo lớn
3- Điều kiện an toàn kém vì phải tiếp cận trực tiếp với vị trí đo, thường là dưới gầm
cầu Trong quá trình kiểm nghiệm, tải đặt trên cầu lớn, do vậy rất không an toàn cho người thực hiện nhiệm vụ
4- Chỉ cho phép thực hiện đo đạc trong điều kiện thử nghiệm mà không thể thử nghiệm trong quá trình khai thác, tức khi có giao thông trên cầu
Chính vì các nhược điểm trên mà việc kiểm tra tình trạng cầu được thực hiện rất hạn chế Với tình trạng giao thông ngày càng ở trong trạng thái căng thẳng như lưu lượng, tải trọng lớn, vận tốc di chuyển trên cầu cao, thì việc giám sát trạng thái cơ học của cầu càng trở nên cấp bách đối với cơ quan quản lý nhằm tránh các tổn thất to lớn đối với xã hội do các hư hỏng xảy ra bất ngờ
a Hiện tại, bằng biện pháp thủ công b Tự động hóa bởi hệ thống thu số liệu kỹ thuật số.
Hình 1: Phương pháp nhận số liệu trong quá trình kiểm định cầu
II Bộ GIAO Tiếp Kỹ Thuật Số
2.1 đặc điểm kỹ thuật
Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng Trường
ĐH Bách Khoa TP.HCM (PTNCHUD) đã chế tạo thành công bộ giao tiếp với tấm biến cảm
điện trở dây từ năm 2000 (ký hiệu Strain connector) Thiết bị này cho phép lấy số liệu
đo từ các cảm biến khác nhau, đặc biệt tấm
điện trở dây (Strain gage)
Trên Hình 2 là hình ảnh một số loại tấm điện trở dây
Hình 2: Một số loại tấm điện trở dây
Vì số kênh (số tín hiệu cho phép lấy song song) là 20 nên thiết bị này được ký hiệu là Strain connector –20 Sơ đồ mạch thiết kế như trên Hình 3
Trang 3Hình 3: Sơ đồ khối thiết kế mạch kỹ thuật số của thiết bị Strain connector - 20
Mạch gồm 5 card Analog, mỗi card có 4 kênh đo dùng để khuyếch đại tín hiệu từ mạch cầu Wheatstone Tín hiệu từ tấm điện trở (Strain gage) rất nhỏ, do vậy được khuyếch đại và sau
đó đưa đến bộ chuyển đổi A/D Trên mỗi card có một bộ switch chọn kênh cho phép ta chọn kênh cần đo trong số kênh đầu vào, hoặc quét tiếp nối cả 20 kênh Nhờ card giao tiếp
mà Strain connector - 20 giao tiếp với vi tính
Một chương trình gồm 2 module được cài đặt trong máy tính:
- Module 1: chương trình giao tiếp giữa máy tính với phần cứng, cho phép điều khiển chuyển đổi A/D và thu nhận số liệu dạng số
- Module 2: chương trình tính toán để xử lý, hiển thị kết quả trên màn hình
Trên Hình 4 là hình ảnh phần cứng hệ thống đo cầu do PTNCHUD chế tạo: gồm cảm biến
đo chuyển vị (Hình 4a) và Strain Connector 20 kênh (Hình 4b)
a Cảm biến đo chuyển vị b Strain connector - 20
Hình 4: Phần cứng hệ thống đo cầu
2.2 Các đại lượng đo trực tiếp và gián tiếp trong quá trình đo cầu
a- Các đại lượng đo trực tiếp gồm biến dạng và độ võng Tín hiệu biến dạng tại 1 điểm trên bề mặt dầm cầu nhận trực tiếp từ các tấm biến trở dán lên mặt dầm Tín hiệu độ võng nhận được từ cảm biến đo độ võng Trên Hình 4b là cảm biến đo độ võng do PTNCHUD chế tạo, cho phép đo chuyển vị tối đa 5cm sai số tối đa 0.1mm
b- Các đại lượng đo gián tiếp:
- Độ võng được tính bằng các giải thuật [5]
- Tần số riêng được tính bằng giải thuật phân tích phổ
- Độ suy giảm loga và hệ số giảm chấn
- Hệ số xung kích
Mạch Analog
4 kênh
Mạch Analog
4 kênh
Mạch Analog
4 kênh
Mạch Analog
4 kênh
Màn hình hiển thị
Ngôn ngữ lập trình
Card giao tiếp với máy tính
Mạch chọn kênh và chuyển đổi AD
Mạch Analog
4 kênh
Trang 4III Tổ chức thí nghiệm
3.1 Thiết bị
Sơ đồ toàn bộ thiết bị như sau (Hình 5):
Hình 5: Sơ đồ hệ thống đo tự động kỹ thuật số
1- Các cảm biến hoặc là tấm biến trở hoặc cảm biến đo chuyển vị
2- Bộ giao tiếp 20 kênh
3- Máy tính
3.2 Đặc điểm đối tượng thí nghiệm
a- Việc thử nghiệm được tiến hành nhiều lần tại cầu Rạch Chiếc và cầu Bình Điền II Đặc
điểm của các cầu trên là dầm đều cùng loại bê tông ứng lực trước, với chiều dài 24.7m Riêng tại cầu Rạch Chiếc, việc đo đạc đã được tiến hành trong 2 năm 2000 và 2002 Sở
dĩ các cầu trên được tiến hành thí nghiệm vì đã có nhiều số liệu từ các lần kiểm định của các cầu có kết cấu tương tự như cầu Rạch Ông, cầu Ông Me, cầu Khánh Hội b- Các số liệu được thu thập ngay trong quá trình giao thông bình thường Điều này cho thấy ưu điểm về sự tiện ích, an toàn của thiết bị Tuy nhiên vì hạn chế về kinh phí nên nhóm nghiên cứu chưa thể thử nghiệm với tải chuẩn như quy trình kiểm định yêu cầu
3.3 Số liệu thu thập
Sau đây là một số số liệu trong đợt thử nghiệm từ ngày 24/03 đến 01/04 năm 2002 tại cầu Rạch Chiếc
3.3.1 Bố trí cảm biến
Các cảm biến bố trí trên dầm như trên Hình 6
Hình 6: Bố trí cảm biến đo và vị trí trên dầm
P - Tấm điện trở đo biến dạng
CV - Cảm biến đo chuyển vị
Mỗi cảm biến được đưa vào một kênh tương ứng như trên Bảng 2
Bảng 2: Số thứ tự kênh của các cảm biến
Số thự tự cảm
biến P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10
Số thứ thự kênh K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10
Số thự tự cảm
biến P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 CV1 CV2 CV3
Số thứ thự kênh K11 K12 K13 K14 K15 K16 K17 K18 K19 K20 (Trong đó, P: Strain gage, CV: Chuyển vị kế)
Trang 53.3.2 Phương pháp lấy số liệu
Tại mỗi thời điểm thu thập số liệu ở 20 kênh với tốc độ lấy mẫu là 64Hz (64 tín hiệu/s) Tổng số số liệu thu thập chứa hơn 1000 files, mỗi file lưu tín hiệu theo thời gian của 20 kênh, mỗi kênh tối thiểu có 512 số liệu Trên Hình 7 là các đồ thị thu được của 20 kênh
đồng thời
Hình 7: Đồ thị tín hiệu biến dạng theo thời gian của file số 30 thu được ở 20 kênh
Trên Hình 8 là đồ thị từ 1 kênh chứa trong 36 files liên tục tức trong khoảng thời gian 288s
Hình 8: Đồ thị kênh 5 chứa trong 36 files liên tục
3.4 Các thông số thu được
Ngoài các số liệu và đồ thị biểu diễn theo thời gian thể hiện trong các files và đồ thị, thì các
đại lượng quan tâm có thể rút ra được:
- Giá trị lớn nhất của đại lượng đo trực tiếp (chuyển vị, biến dạng) trên Bảng 3 cho ví dụ các số liệu chuyển vị lớn nhất
Bảng 3: Chuyển vị lớn nhất của dầm
Chuyển vị lớn nhất của dầm số 8 - Ngày 29-3-2002 (mm)
29-3-2002
17h30 17h50 19h30
1.662 0.520 2.754
-50 0 50 100 150
Time(s)
S tr ai n
-50 0 50 100 150
Time(s)
S tr ai n
-50 0 50 100
Time(s)
S tr ai n
Điểm đo 1 (CV1)
Trang 6- Tần số riêng của bản mặt nhịp cầu (Hình 9, 10)
Hình 9 Hình 10
- Hệ số suy giảm loga
Trên Hình 11 là đoạn đồ thị từ số liệu thu được, cho ta thấy rõ dao động tự do tắt dần
Hình 11: Đồ thị dao động tắt dần
- Hệ số xung kích
Trên Hình 12 là đoạn đồ thị cho ta thấy rõ hiện tượng dao động gây va chạm
Hình 12: Đồ thị dao động cưỡng bức
3.5 Đánh giá độ tin cậy của số liệu đo được
Do số liệu đo của nhóm nghiên cứu không phải trong điều kiện thử tải chuẩn, do vậy không
thể đối chiếu với số liệu kiểm định về 2 thông số: biến dạng và độ võng Tuy nhiên các số
liệu phản ảnh trạng thái động: tần số riêng, hệ số suy giảm loga, hệ số xung kích của hệ ở
các điều kiện tải khác nhau đều phải thể hiện như nhau
Cùng trên nhịp 2 của cầu Rạch Chiếc, năm 2000, PTN CHUD đã dùng hệ thống đo tự động
thực hiện đợt đo đạc tương tự như đợt này Trên Bảng 4 cho các số liệu xác định tần số
riêng và hệ số giảm chấn thực hiện trong 2 đợt đo năm 2000 và 2002
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 0
0.02 0.04
Tanso(Hz)
Bie n
o( m )
Pho phan tich tan so rieng
3.85Hz
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
0
0.2
Tanso(Hz)
Bie
n
(
m
)
Pho phan tich tan so rieng
3.95
D o thi dao dong tat dan
H e so giam chan: 0.1289
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
T hoi gian
Bieu do chuyen vi dong
V an toc tr ung binh: 25-35km/h
H e so xung kich: 1+H SX K =1.22
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
T hoi gian
Trang 7Bảng 4: Tần số riêng và hệ số giảm chấn Xác định bảng hệ thống đo tự động tại cùng nhịp của cầu Rạch Chiếc vào hai năm khác nhau
Tần số riêng Hệ số giảm chấn STT lần đo
Năm 2000 Năm 2002 Năm 2000 Năm 2002
1 3.86 3.8 0.12 0.132
2 3.84 3.85 0.117 0.1289
5 3.97 3.79 0.099 0.12134
6 3.81 3.9 0.126 0.11964
7 4.04 4 0.127 0.1201
8 3.9 3.77 0.126 0.1345
9 3.87 4.1 0.119 0.1178
10 4.25 3.82 0.117 0.10697
Trung bình 3.953 3.918 0.12094 0.120058
Sai lệch số đo giữa 2 năm
953 3
918 3 953
=0.88%
Hệ số giảm chấn = 0.73%
Trên Bảng 5 cho ta các kết quả về tần số riêng và hệ số giảm chấn của các cầu có cùng kết cấu bê tông cốt thép như sau:
Bảng 5:Tần số riêng và hệ số xung kích
Kiểm định Đo ngẫu nhiên bằng
hệ thống tự động Quá trình xác định
Rạch Ông Ông me Khánh Hội Cầu Rạch Chiếc Thời điểm xác định 11/97 [2] 9/97 [3] 11/97 [4] 3/2002
Theo kết quả trên Bảng 5 ta nhận thấy được các sai lệch số đo tần số riêng và hệ số xung kích giữa 2 phương pháp đo kiểm định và đo ngẫu nhiên bằng hệ thống đo của PTNCHUD như sau (Bảng 6):
Bảng 6: Sai lệch số đo tần số riêng và hệ số xung kích giưa 2 phương pháp đo kiểm định
và đo bằng hệ thống đo tự động của PTNCHUD
Rạch Ông Ông Me Khánh Hội
1+ Hệ số xung kích 11% 8% 10%
IV Kết luận
a- Qua các đợt thử nghiệm cho thấy việc sử dụng hệ thống đo tự động kỹ thuật số được chế tạo trong nước sẽ nâng cao rất nhiều chất lượng đo đạc, giảm giá thành và cho phép tăng số lần đo đạc kiểm tra
b- Hệ thống có thể được dùng không những trong quá trình kiểm định mà cả trong quá trình khai thác
c- Các số liệu sau đây có thể xác định ngay trong quá trình khai thác mà không phải tổ chức đặc biệt như hiện tại:
Trang 8- Các thông số đánh giá trạng thái động: tần số riêng, hệ số giảm chấn, hệ số xung kích
- Sự bất thường về phân bố độ võng theo chiều dài cầu
- Độ cứng tương đương của dầm
- Biến dạng dư
V TàI LIệU THAM KHảO
[1] Đề cương kiểm định cầu Bình Triệu - Quận Bình Thạnh, Tp HCM - Trường ĐH Giao
Thông Vận Tải, chi nhánh Công ty Tư Vấn Triển Khai Công Nghệ Và Xây Dựng Giao Thông, Tp.HCM 2001
[2] Hồ sơ báo cáo kết quả kiểm định Cầu Rạch Ông, Quận 8 - Tp HCM Sở Giao Thông
Công Chánh Tp HCM, khu Quản lý Công Trình QTCC, đơn vị thực hiện: Trung Tâm Nghiên Cứu ứng Dụng Công Nghệ Xây Dựng; 11/1997
[3] Thuyết minh kiểm định cầu Ông Me nhỏ, Km 2043+028 Quốc lộ 1A, tỉnh Vĩnh Long
Trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội – Trung tâm Kỹ Thuật Nền Móng – Công Trình
Hà Nội 9/97
[4] Hồ sơ báo cáo kết quả kiểm định cầu Khánh Hội, Quận 4 - Tp HCM Sở Giao Thông
Công Chánh TP HCM, khu Quản Lý Công Trình QTCC, đơn vị thực hiện: Trung tâm Nghiên Cứu ứng Dụng Công Nghệ Xây Dựng; 11/1997
[5] Ngô Kiều Nhi - Về đề nghị phương pháp thực nghiệm xác định độ võng cầu Tạp chí
Phát triển Khoa học Công nghệ, tập 3, tháng 04/2000, nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM
[6] Ngô kiều Nhi - Báo cáo nghiệm thu đề tài NCKH cấp Bộ Khảo sát hiệu quả sử dụng thiết bị đo dao động được chế tạo để theo dõi tình trạng cầu, Đơn vị thực hiện: Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng – Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
[7] Ngô Kiều Nhi - Báo cáo giám định đề tài cấp Thành phố Tự động hóa quá trình đo phục vụ kiểm định và theo dõi trạng thái cơ học một số loại cầu, Đơn vị thực hiện:
Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng - Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
