nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc cầu hệ dây

Trên thế giới các cầu treo dây võng, dây văng mới xây dựng gần ựây ựều ựược trang bị hệ thống SHM nhằm mục ựắch kiểm soát sự an toàn ựối với công trình một cách liên tục: - Cầu Sunshine

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ thống

quan trắc cầu hệ dây trên thế giới và Việt Nam 9

1.2 Tình hình ứng dụng hệ thống quan trắc SHM trên thế giới 10 1.3 Tình hình ứng dụng hệ thống quan trắc SHM ở Việt Nam 16

1.3.2 Hệ thống SHM chuẩn bị ñược lắp ñặt tại Việt Nam 24

Chương 2: Nghiên cứu các nội dung quan trắc cầu hệ dây và tiêu chuẩn

2.1.2.4 Quan trắc ñộng ñất 40

2.1.3.2 Phương pháp theo dõi giao thông bằng hình ảnh 42

Chương 3: Nghiên cứu cấu trúc của hệ thống quan trắc SHM 47

Chương 4: Nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc SHM cầu hệ dây 71

4.1 Nghiên cứu quy trình thiết kế hệ thống quan trắc cầu hệ dây 71 4.2 Thiết kế hệ thống GPS trong hệ thống SHM Cầu Cần Thơ 72

4.2.1.1 Chuyển vị các ñiểm ño GPS theo vận tốc gió thiết kế 73 4.2.1.2 Chuyển vị các ñiểm ño GPS theo tải trọng ñộng 74 4.2.1.3 Chuyển vị các ñiểm ño GPS theo hiệu ứng nhiệt 75 4.2.2 ðề xuất và lựa chọn phương án thiết kế hệ thống quan trắc SHM 76 4.2.3 Thiết kế hệ thống quan trắc GPS trong hệ thống SHM 78

Tài liệu tham khảo

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Hệ thống 20 cầu lớn ở Trung Quốc ñược trang bị hệ thống SHM 12 Bảng 1.2: Hệ thống quan trắc cầu Kiền trong giai ñoạn thi công 17 Bảng 1.3: Hệ thống quan trắc cầu Kiền trong giai ñoạn khai thác 17

Bảng 1.5: Hệ thống quan trắc cầu Bãi Cháy trong giai ñoạn thi công 22 Bảng 1.6: Hệ thống quan trắc cầu Bãi Cháy trong giai ñoạn khai thác 22

Bảng 1.8: Các thiết bị cảm biến của hệ thống SHM cầu Nhật Tân 27

Bảng 2.2: Các số liệu ño ñạc về xe yêu cầu ñối với hệ thống WIM 41 Bảng 2.3: Tiêu chuẩn cảm biến ño tác ñộng môi trường 43 Bảng 2.4: Tiêu chuẩn cảm biến theo dõi ñáp ứng của kết cấu 44 Bảng 2.5: Tiêu chuẩn cảm biến theo dõi và phân tích giao thông 45 Bảng 2.6: Tiêu chuẩn kỹ thuật của hệ thống GPS trong quan trắc cầu 45 Bảng 4.1: Chuyển vị tính toán của ñiểm GPS theo vận tốc gió thiết kế 73 Bảng 4.2: Chuyển vị tính toán của ñiểm GPS do tải trọng ñộng 74 Bảng 4.3: Chuyển vị của GPS theo hiệu ứng nhiệt (Nhiệt ñộ tăng) 75

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ðỒ THỊ

Hình 1.10: Bố trí thiết bị quan trắc trên cầu Rạch Miễu 18 Hình 1.11: Thiết bị quan trắc lắp ñặt trên trụ tháp (1) và trong neo cáp (2) 19

Hình 1.13: Bố trí thiết bị quan trắc trên cầu Bãi Cháy 21

Hình 1.15: Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Cần Thơ 25 Hình 1.16: Sơ ñồ bố trí trạm thu nhận xử lí dữ liệu quan trắc cầu Cần Thơ 26

Hình 1.18: Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Nhật Tân 27 Hình 2.1 Bố trí cảm biến ño dao ñộng riêng của dây văng 33 Hình 2.2: Biểu ñồ gió ở cao ñộ mặt cầu tại giữa nhịp cầu TsingMa 36 Hình 2.3: Phổ gió hỗn loạn ở cao ñộ mặt cầu khi bão (cầu Tsing Ma) 37 Hình 2.4: Sự biến thiên nhiệt ñộ của dầm chủ và nhiệt ñộ không khí (cầu

Tsing Ma)

38 Hình 2.5: Sự biến thiên lực căng trong cáp chủ và nhiệt ñộ trung bình tháng (cầu

TsingMa)

39

Hình 3.1: Sơ ñồ hệ thống quan trắc trong giai ñoạn khai thác 48

Hình 3.3: Sơ ñồ vị trí lắp ñặt GPS của cầu Ting Kau 50 Hình 3.4: Sơ ñồ vị trí lắp ñặt GPS của cầu Cần Thơ 50 Hình 3.5: Biểu ñồ chuyển vị- thời gian quan trắc bằng GPS (cầu Tsing Ma) 51

Hình 3.6: Cảm biến ño gió cánh quạt và siêu âm 52

Hình 3.11: Bố trí cảm biến ño chuyển vị khe co giãn (cầu Ting Kau) 56 Hình 3.12: Thiết bị Loadcell và bố trí Loadcell ño lực trên cáp dây văng 57

Hình 3.14: Một số ví dụ về cảm biến sợi quang FOS 58 Hình 3.15: Lắp ñặt cảm biến FOS và bộ thu nhận dữ liệu ño 58

Hình 3.17: Lắp ñặt cảm biến ño biến dạng FBG ở cầu TsingMa 59 Hình 3.18: Cảm biến ño chấn ñộng ñịa chấn MS2002+ (hãng SYSCOM) 60

Hình 3.20: Sơ ñồ khối phần cứng hệ thống quan trắc 62 Hình 3.21: Nguyên lý truyền dữ liệu và cấu tạo sợi cáp quang 65 Hình 3.22, 3.23: Hình mẫu về sóng gia tốc và phổ năng lượng 68 Hình 3.24: Hiển thị chuyển vị tức thời: dầm chủ, cáp chủ và ñỉnh tháp 68 Hình 3.25: Hiển thị chuyển vị theo thời gian của dầm chủ 69

Hình 4.2: Bố trí chung thiết bị quan trắc cầu Cần Thơ 77

Hình 4.4: Bố trí GPS cùng các thiết bị khác trên bản mặt cầu 80

Hình 4.7: Chi tiết hệ ñỡ bộ ño GPS trên ñỉnh tháp 83

Hình 4.9: Tương quan giữa ñơn vị ño và ñơn vị trạm 85

Hình 4.11: Trạm cơ sở GPS số 1 tại bệ cọc của cầu tháp 87

PHẦN MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài:

Việt Nam là một ñất nước có vị trí ñịa lý ñặc thù với khí hậu nhiệt ñới gió mùa

và ñịa hình nhiều khe núi, sông, suối Vì vậy, trong sự phát triển công nghệ xây dựng

cơ sở hạ tầng, thì công nghệ xây dựng cầu cũng phát triển mạnh mẽ ñể phục vụ cho yêu cầu thực tiễn trên Kết cấu cầu hệ dây là một lựa chọn trong nhiều kết cấu cầu ñã ñược ứng dụng ở Việt Nam vì nó ñáp ứng ñược yêu cầu về mặt kiến trúc, thẩm mỹ, kỹ thuật (chiều dài nhịp, trọng lượng), v.v… ði kèm với sự phát triển ñó, công tác ñảm bảo an toàn cho cầu hệ dây cũng ñược ñặt ra như là một nhiệm vụ bắt buộc khi xây dựng cầu

Trên thế giới, hệ thống SHM (Structural Health Monitoring) ñã ñược nghiên cứu

từ lâu (khoảng 20 năm nay) và hầu hết các cầu hệ dây ñều ñược lắp hệ thống này một cách hoàn chỉnh Tuy nhiên, Việt Nam có hơn 10 cầu dây văng và dây võng ñã ñược xây dựng, trong ñó chỉ có 1 cầu ñược lắp ñặt hệ thống SHM là cầu Rạch Miễu nhưng cũng chưa hoàn chỉnh (không có phần mềm ñánh giá tình trạng công trình qua số liệu quan trắc), các cầu còn lại thì một số cầu ñang chuẩn bị ñược lắp hệ thống này như cầu Cần Thơ, cầu Bãi Cháy, cầu Nhật Tân và ñều do các chuyên gia nước ngoài thực hiện

Hệ thống SHM này ñược lắp ñặt trên cầu và hoạt ñộng liên tục theo suốt tuổi ñời của cầu, vì thế nhất thiết phải có chuyên gia chuyên sâu theo dõi thường xuyên trong quá trình sử dụng hệ thống, phát triển hệ thống ñể làm sao hệ thống có tuổi thọ cao nhất, sử dụng ñơn giản và phù hợp nhất ñáp ứng việc ñánh giá kết cấu cầu hiệu quả theo ñúng mục tiêu ñề ra và từ ñó chế tạo hệ thống một các hiệu quả

ðể tiếp cận dần với mục tiêu chung ñó, ñề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc cầu hệ dây” ñược thực hiện với mục ñích ñưa ra một quy trình thiết kế thích hợp chặt chẽ, góp phần kiểm soát chất lượng của hệ thống và làm cho kết quả quan trắc của

hệ thống phản ánh ñúng tình trạng của kết cấu ngoài thực tế Và ñây cũng chính là một khâu không thể thiếu ñược trong việc chế tạo hệ thống quan trắc SHM cho cầu hệ dây

2 Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài:

Nghiên cứu các nội dung quan trắc của cầu hệ dây, tiêu chuẩn kỹ thuật của các ñầu ño và cấu trúc của hệ thống SHM, từ ñó ñưa ra quy trình thiết kế hệ thống SHM cho cầu hệ dây

3 Phương pháp nghiên cứu:

- Áp dụng phương phát nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực tế và phương pháp

nghiên cứu thống kê

4 Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc SHM cho cầu dây văng, dây võng

5 Nội dung nghiên cứu của ñề tài:

- Nghiên cứu về mục tiêu quan trắc liên tục của cầu hệ dây, từ ñó xác ñịnh các nội dung quan trắc lựa chọn thiết bị quan trắc phù hợp (các loại sensor, loại DAU chuyển ñổi dữ liệu, ñường truyền dữ liệu, lưu trữ, quản lý dữ liệu…)

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống GPS trong hệ thống quan trắc cho một cầu dây văng ở Việt Nam

6 Cấu trúc của luận văn:

Luận văn có các phần sau:

Mở ñầu: Nêu tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ thống quan trắc cầu dây trên thế giới và ở Việt Nam

1.1 Mục ñích quan trắc cầu dây

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ thống quan trắc cầu hệ dây trên Thế giới 1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ thống quan trắc cầu hệ dây ở Việt Nam 1.3 Nhận xét

Chương 2: Nghiên cứu các nội dung quan trắc cầu dây và tiêu chuẩn kỹ

2.1 Nội dung quan trắc

2.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật các cảm biến ño

Chương 3: Cấu trúc của hệ thống SHM

3.1 Hệ thống các cảm biến

3.2 Hệ thống thu nhận dữ liệu, truyền dữ liệu

3.3 Hệ thống xử lý số liệu

Chương 4: Nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc SHM cầu hệ dây

4.1 Nghiên cứu quy trình thiết kế hệ thống quan trắc cầu hệ dây

4.2 Thiết kế hệ thống GPS trong hệ thống SHM Cầu Cần Thơ

4.2.1 Các giá trị thiết kế cầu

4.2.2 ðề xuất và lựa chọn phương án thiết kế hệ thống quan trắc SHM

4.2.3 Thiết kế hệ thống quan trắc GPS trong hệ thống SHM

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU DÂY TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.1 MỤC ðÍCH QUAN TRẮC CẦU DÂY

Mục ñích chính của công tác quan trắc là cải thiện hiểu biết về ứng xử của kết cấu và các hư hỏng tiềm ẩn trong kết cấu dưới các tác ñộng bên ngoài Từ ñó, có thể hiệu chỉnh công tác thiết kế và xây dựng cầu ñể làm giảm thiểu các hư hỏng có thể xảy

ra trong quá trình khai thác công trình

Một hệ thống SHM (Structural Helth Monitoring) - hệ thống quan trắc kết cấu

công trình hoàn chỉnh của một công trình cầu bao gồm: các sensor quan trắc phản ứng của kết cấu, quan trắc về môi trường, quan trắc tình trạng giao thông, hệ thống truyền

dữ liệu và trung tâm lưu trữ, phân tích và xử lý số liệu Tùy ñiều kiện ở mỗi công trình

và khả năng tài chính mà xây dựng quy mô hệ thống SHM thích hợp hoặc phân kỳ ñầu

tư xây dựng

Hình 1.1: Tiện ích của công tác quan trắc cầu

Hệ thống SHM trên cầu hệ dây sẽ cung cấp các thông tin theo thời gian về ñiều kiện thực tế và trạng thái của kết cấu cầu trong quá trình xây dựng Ví dụ, việc ño ñạc ứng suất, chuyển vị ở các vị trí ñặc trưng trên trụ tháp, dầm cầu sẽ cung cấp các thông tin về tính an toàn của kết cấu trong trường hợp có gió mạnh Và việc ño chuyển vị theo phương ñứng hay phương ngang của dầm cầu sẽ giúp ñiều chỉnh các phân ñoạn ñúc hay lắp ráp từng ñốt dầm trong khi thi công Ngoài ra, các ñại lượng ño sẽ ñược

so sánh với giá trị tính toán lý thuyết nhằm xem xét các giả thiết và phương pháp áp dụng trong thiết kế ñã phù hợp với thực tế hay chưa

Hầu hết các cảm biến ñược lắp ñặt trong khi thi công cầu, sau ñó sẽ tiếp tục ñược sử dụng ñể quan trắc trong quá trình khai thác cầu Các giá trị ño ñược khi thi công sẽ là giá trị tham khảo rất quan trọng khi quan trắc cầu trong giai ñoạn khai thác Việc hiểu biết ñầy ñủ các giá trị ño về trạng thái công trình sẽ giúp người kỹ sư ñưa ra các quyết ñịnh ñúng ñắn liên quan ñến việc sử dụng và bảo dưỡng cầu trong suốt quá trình khai thác

Tóm lại, trong giai ñoạn xây dựng mục ñích quan trắc là: ñánh giá chất lượng thi công theo hồ sơ thiết kế; ñảm bảo an toàn cho công trình Trong giai ñoạn khai thác, mục ñích quan trắc là: hiệu chỉnh các giả thiết và tham số thiết kế; phát hiện những bất thường về tải trọng tác ñộng và ñáp ứng của kết cấu cầu; ñánh giá mức ñộ an toàn của công trình; cung cấp các dữ liệu cho việc bảo trì và sửa chữa công trình; ñánh giá tính hiệu quả của công tác bảo trì và sửa chữa công trình

1.2 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG HỆ THỐNG QUAN TRẮC SHM TRÊN THẾ GIỚI

Tại các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Canada, các cảm biến của hệ quan trắc ñược ñơn vị thi công lắp ñặt ngay từ giai ñoạn xây lắp sẽ liên tục thu thập và truyền số liệu về hệ thống xử lí trung tâm Sau khi hoàn thành công trình, các cảm biến này sẽ ñược bàn giao lại cho ñội ngũ quản lí vận hành trong quá trình khai thác cầu Hệ thống tiếp tục hoạt ñộng và ghi lại dữ liệu trong giai ñoạn này Nhờ có cơ sở dữ liệu ñầy ñủ

và liên tục cập nhật, người quản lý cầu sẽ nắm ñược chính xác giá trị lực căng trong từng dây văng, ñộ võng, ñộ biến dạng, ñộ nghiêng trụ tháp, tốc ñộ gió v.v…tại thời ñiểm bất kì

đã có khoảng trên 40 cầu lớn (nhịp chắnh từ 100m trở lên) trên thế giới ựược trang bị hệ thống SHM kết cấu này Các vắ dụ tiêu biểu như: cầu Great Belt (đan Mạch), cầu Confederation (Canada), cầu Tsing Ma (Hồng Kông), cầu Commodore Barry (USA), cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản) và cầu Seohae (Hàn Quốc) Dưới ựây liệt

kê 20 cầu lớn ở Trung Quốc là nước láng giềng của Việt Nam ựược trang bị hệ thống SHM (Bảng 1.1)

Trên thế giới các cầu treo dây võng, dây văng mới xây dựng gần ựây ựều ựược trang bị hệ thống SHM nhằm mục ựắch kiểm soát sự an toàn ựối với công trình một cách liên tục:

- Cầu Sunshine Skyway ở Florida, với nhịp giữa là 365.8m, ựược quan trắc bởi trên 500 cảm biến ựể kiểm soát sự làm việc của kết cấu trong suốt quá trình thi công

và khai thác cầu

Hình 1.2: Cầu Sunshine Skyway (Florida, US)

Bảng 1.1: Hệ thống 20 cầu lớn ở Trung Quốc ñược trang bị hệ thống SHM [6]

STT Tên cầu Loại cầu Vị trí L (m) Lắp ñặt cảm biến

1 Jiangying Dây võng Jiangsu 1385 (1), (2), (3), (4), (5), (6), (9), (10),(13)

2 Nanjing Yangtze 1 Dàn thép Jiangsu 160 (1), (2), (3), (4), (5),(7), (14)

3 Nanjing Yangtze 2 Dây văng Jiangsu 628 (1), (2), (3), (4), (7), (9), (13), (16)

4 Runyang South Dây võng Jiangsu 1490 (1), (2), (3), (4), (6)

5 Runyang North Dây văng Jiangsu 406 (1), (2), (3), (4)

6 Sutong Dây văng Jiangsu 1088 (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9),

(10),(11), (16), (18)

7 Tsing Ma Dây võng HongKong 1377 (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (12),(18)

8 Kap Shui Mun Dây văng HongKong 430 (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (12),(18)

9 Ting Kau Dây văng HongKong 475 (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (12),(18)

10 Shenzhen Westem Dây văng HongKong 210 (1), (2), (3), (4), (5), (7), (8), (15),

(16), (17), (18)

11 Stonecutters Dây văng HongKong 1018 (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9),

(10),(11), (15), (16), (17), (18)

12 Tongling Yangtze Dây văng Anhui 432 (1), (2), (4), (11), (13),

13 Wuhu Dây văng Anhui 312 (2), (3), (4), (5), (10), (12)

14 Humen Dây võng Guangdong 888 (3), (6), (11), (12)

15 Zhanjiang Bay Dây văng Guangdong 480 (1), (2), (3), (5), (6), (9), (11), (14), (16)

16 Xupu Dây văng Shanghai 590 (2), (3), (4), (7), (12)

17 Lupu Vòm Shanghai 550 (2), (3), (4), (12)

18 Dafosi Dây văng Chongqing 450 (2), (3), (4), (5), (10), (12)

19 Binzhou Yellow Dây văng Shangdong 300 (1), (2), (3), (4), (6), (10)

20 Qianjiang 4 Vòm Zhejiang 580 (1), (2), (3), (4), (9), (12)

Ghi chú : (1) - ðo gió ; (2) - ðo nhiệt ñộ; (3)-ðo biến dạng ; (4) – Gia tốc kế ; (5) – Chuyển vị

kế ; (6) – hệ thống GPS ; (7) – hệ thống WIM ; (8) – ðo gỉ ; (9) – Cảm biến từ ñàn hồi ; (10) – Cảm biến sợi quang FOS ; (11) – ðo ñộ nghiêng ; (12) – ðo ñộ cao ; (13) – Trạm ño ñộ cao ; (14) – ðo chấn ñộng ñịa chấn ; (15) – ðo khí áp ; (16) – ðo ñộ ẩm ; (17) – ðo mưa ; (18) – Camera

- Cầu Faro ở ðan Mạch, với nhịp giữa là 290m, ñược lắp ñặt các cảm biến gia tốc, cảm biến gió, cảm biến nhiệt ñộ ñể kiểm tra dao ñộng do gió trước khi khánh thành cầu Ngoài ra, có 11 cảm biến dao ñộng các dây cáp cũng ñược lắp ñặt Các dao ñộng ở mức không chấp nhận ñược của dây cáp do gió sẽ ñược phát hiện, từ ñó có giải pháp ñiều chỉnh thích hợp ðộ ẩm không khí bên trong lòng dầm hộp, ñộ nghiêng của dầm hộp ở trụ tháp, dịch chuyển của dầm hộp tại vị trí mố, ñộ nghiêng của trụ tháp, áp lực dầu trong xi lanh thủy lực ở vị trí trụ tháp … ñều ñược ño ñạc

Hình 1.3: Cầu Faro ( ðan Mạch)

- Cầu Pereira-Dos Quebradas (Columbia) có tổng chiều dài là 615m (nhịp chính dài 211m), bề rộng cầu là 24m Kết cấu nhịp là dầm thép và bản BTCT DƯL Cầu có

72 bó cáp văng Hệ thống quan trắc của cầu Pereria-Dos Quebradas gồm 300 ñầu ño (gia tốc kế, chuyển vị kế, máy ño ñộ nghiêng, cảm biến nhiệt và một loạt cảm biến khác) ñược bố trí trên toàn bộ phần kết cấu thép, trụ bê tông và cáp dây văng Tín hiệu

từ cảm biến truyền về trạm ño ñặt gần cầu dẫn phía Dos Quebradas thông qua cáp nối tiếp Các thiết bị ño do Công ty SIG của Thụy sĩ và Công ty AGISCO của Ý cung cấp

Hình 1.4: Cầu Pereira-Dos Quebradas (Columbia)

- Cầu Rion Antition là cầu dây văng, chiều dài nhịp 2883m (3x560m+2x 286m+392m+259m) với 4 trụ tháp cao 164m và 141 m Hệ thống quan trắc cầu Rion Antition bao gồm hơn 100 cảm biến (300 kênh), 4 trạm thu nhận dữ liệu (dữ liệu vận hành và các cảnh báo ñược chuyển ñổi trực tiếp tới trạm ñiều khiển)

Hình 1.5: Cầu Rion-Antition (Hi Lạp)

- Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản) là cầu treo dây võng hiện ñang giữ kỷ lục về khẩu ñộ nhịp lớn nhất (L=1999m) Hệ thống quan trắc của cầu Akashi Kaiyo bao gồm75 cảm biến (ño ñịa chấn, ño gió, gia tốc, vận tốc, chuyển vị, nhiệt ñộ,…)

Hình 1.6: Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản)

- Cầu Stonecutters (Hồng Kông) có nhịp chính dài (L=1018m) ñược trang bị một

hệ thống SHM hiện ñại, thiết kế bởi hãng COWI Hệ thống quan trắc trên cầu Stonecutters bao gồm 1131 cảm biến (biến dạng, dao ñộng , nhiệt ñộ, chuyển vị, )

Hình 1.7: Cầu dây văng Stonecutters (Hồng Kông)

1.3 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG HỆ THỐNG QUAN TRẮC SHM Ở VIỆT NAM 1.3.1 Hệ thống SHM ñã ñược lắp ñặt:

Tại Việt Nam ñến nay có khoảng 10 cầu dây võng và cầu dây văng ñã và ñang ñược xây dựng có thể kể ñến như: cầu Mỹ Thuận, cầu Bính, cầu Kiền, cầu Bãi Cháy, cầu Rạch Miễu, cầu Thuận Phước, cầu Phú Mỹ, cầu Cần Thơ, cầu Nhật Tân, cầu Trần Thị Lý…Trong số các cầu này, chỉ có một số cầu ñã và sắp ñược lắp ñặt hệ thống quan trắc như cầu Kiền, cầu Bãi Cháy, cầu Rạch Miễu, cầu Nhật Tân, cầu Cần Thơ, cầu Trần Thị Lý

Phần này ñi vào khảo sát tình hình ứng dụng và khai thác của hệ thống SHM ñối với một số công trình cầu ñã ñược lắp ñặt hệ thống này

a Hệ thống quan trắc cầu Kiền:

Cầu Kiền nằm trên quốc lộ 10 cắt qua sông Cấm, chiều dài toàn cầu 1860m, trong ñó phần cầu dây văng dài 470m (sợ ñồ nhịp dây văng 85m+200m+85m) Trụ tháp cầu dạng chữ H Chiều rộng mặt cầu 16.7m Mặt cắt ngang dầm dạng hình hộp, chiều cao dầm 2.2m Cầu ñược xây dựng hoàn thành năm 2003

Hệ thống quan trắc do công ty KYOWA cung cấp Theo kế hoạch, sau khi cầu ñược xây dựng xong và ñưa vào khai thác, toàn bộ cấc thiết bị theo dõi quan trắc ñược bàn giao cho ñơn vị quản lý – khai thác cầu, ñể cung cấp cho người quản lý các số liệu hữu ích ñối với việc khai thác sử dụng cầu

Hình 1.8: Cầu Kiền

Trong giai ñoạn thi công, hệ thống SHM của cầu có nhiệm vụ quan trắc các nội dung trong bảng 1.2:

Bảng 1.2: Hệ thống quan trắc cầu Kiền trong giai ñoạn thi công [8]

Quan trắc môi trường Máy quay video, thiết bị ño gió

Quan trắc KCCT Các cảm biến và một số Loadcell

-Thông số về lực căng trong các dây văng

-Ứng suất, nhiệt ñộ, chuyển

vị của kết cấu

Các thiết bị ño, thu nhận

dữ liệu

Các cảm biến, các bộ thu nhập dữ liệu

ðược kết nối ñược với máy tính ñể thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu ño

Hệ thống truyền dữ liệu Cáp truyền tín hiệu và phần mềm

Bảng 1.3: Hệ thống quan trắc cầu Kiền trong giai ñoạn khai thác [8]

Thiết bị ño gió KDE CU21(các cảm biến)

Kiểm tra các tín hiệu từ các cảm biến

Theo dõi

phản ứng của

KCCT

Lực căng của dây văng

2 gia tốc kế một phương Model Kyowa AS – 5GB

Lắp vào dây văng

Kiểm tra và hiệu chỉnh lực căng

b Hệ thống quan trắc cầu Rạch Miễu:

Cầu Rạch Miễu nằm trên quốc lộ 60, bắc qua sông Tiền, chiều dài 2200m, trong

ñó cầu dây văng dài 504m (sơ ñồ nhịp cầu dây văng 117m + 270m + 117m) Trụ tháp cầu dạng chữ A Chiều rộng mặt cầu 15,7m (2 làn xe cơ giới và 2 làn người ñi bộ) Mặt cắt ngang dầm dạng chữ II với 2 phiến dầm biên, chiều cao dầm tại mép 1,8m

Hình 1.9: Hình ảnh cầu Rạch Miễu

Do cầu chịu tác ñộng lớn của các yếu tố môi trường (ñặc biệt là gió) và tải trọng khai thác nên hệ thống SHM ñược lắp ñặt trong cả quá trình thi công và khai thác Hệ thống quan trắc do công ty VSL và TEDI xây dựng

Sơ ñồ bố trí thiết bị quan trắc của hệ thống SHM – cầu Rạch Miễu

Hình 1.10: Bố trí thiết bị quan trắc trên cầu Rạch Miễu

Hình 1.11: Thiết bị quan trắc lắp ñặt trên trụ tháp (1) và trong neo cáp (2)

Với cầu Rạch Miễu, các nội dung quan trắc là: dao ñộng của cáp văng; chuyển vị của ñỉnh tháp; nhiệt ñộ của trụ tháp và dầm; ứng suất của trụ tháp và dầm; lực căng của các bó cáp văng; dao ñộng của dầm và cột tháp; ảnh hưởng của gió tới khu vực cầu Hiện tại, hệ thống SHM này vẫn hoạt ñộng mặc dù có nhiều cảm biến ñã bị mất hoặc không hoạt ñộng so với số liệu thiết kế ( Bảng 1.4)

Bảng 1.4: Hệ thống quan trắc cầu Rạch Miễu [9]

Hạng

Số lượng thiết kế

Số lượng lắp ñặt

Cảm biến ño biến

dạng(Strain gauge)

28 0 Các mặt cắt ñặc trưng

của trụ tháp T18 và trên dầm**

Các cảm biến ñược gắn vào tao cáp chủ của

bó cáp văng trước khi ñóng nêm neo trên trụ tháp

Trên mỗi mặt cắt ngang bố trí

1 cảm biến ở giữa mặt cắt

Các thiết bị quan trắc ñược ñấu nối tập trung

về trạm thu nhân, xử lý

số liệu

c Hệ thống quan trắc cầu Bãi Cháy:

Cầu Bãi Cháy là cầu dây văng một mặt phẳng dây bằng BTCT dự ứng lực có khẩu ñộ nhịp lớn nhất hiện nay Chiều dài toàn cầu là 903m, trong ñó nhịp chính dài 435m Mặt cắt dạng hộp xiên, chiều rộng mặt cầu là 25,3m Cột tháp cầu cao 90m toàn cầu có 112 dây văng, ñược bố trí vào giữa cầu

Hình 1.12: Cầu Bãi Cháy

Cầu Bãi Cháy là công trình áp dụng nhiều công nghệ mới vì vậy công tác quan trắc cầu ñược ñặc biệt quan tâm

Hình 1.13: Bố trí thiết bị quan trắc trên cầu Bãi Cháy

Việc thiết kế hệ thống SHM ñã ñược thực hiện cùng với công tác xây dựng cầu Hệ thống quan trắc cầu Bãi Cháy do hãng ADVITAM ñảm nhận Trong quá trình thi công,

nhà thầu xây dựng ñã lắp ñặt các thiết bị quan trắc ñể theo dõi, kiểm soát ứng xử các bộ phận kết cấu cầu trong suốt quá trình thi công Có thể nói, cầu Bãi Cháy là công trình cầu ñầu tiên ở Việt Nam ñược thiết kế hệ thống SHM tương ñối hoàn chỉnh Các thông tin về

hệ thống SHM của cầu Bãi Cháy ñược tổng hợp trong bảng 1.5 và bảng 1.6

Bảng 1.5: Hệ thống quan trắc cầu Bãi Cháy trong giai ñoạn thi công [10]

Quan trắc môi trường Máy quay video, thiết

bị ño gió Quan trắc KCCT Các sensor ño sợi

quang

-ðo ñộ nghiêng cột tháp -ðo biến dạng trong các bộ phận kết cấu -ðo nhiệt ngẫu (thay ñổi nhiệt ñộ trong kết cấu)

-ðo dao ñộng các bộ phận kết cấu (ño gia tốc)

Các thiết bị ño, thu nhận

dữ liệu

Các máy tính ñặt tại công trình và máy chủ

Bố trí trong phòng kiểm soát trung tâm

ở chân cột tháp P3, thông qua hệ thống dây nối dẫn ñến các sensor ño bố trí trên cầu

Hệ thống truyền dữ liệu Hệ thống mạng LAN

và Internet

Các số liệu thu thập ñược tại trạm quan trắc sẽ ñịnh kì truyền về trung tâm quản

lí dữ liệu ở Tokyo

Hệ thống SHM ñược chuyển giao từ giai ñoạn thi công và ñược bổ sung

Bảng 1.6: Hệ thống quan trắc cầu Bãi Cháy trong giai ñoạn khai thác [10]

2 bộ cảm biến gió

-1 bộ ño những cơn gió mạnh và tốc ñộ gió tại ñiểm cao nhất của cầu -1 bộ ở giữa nhịp

Các bộ cảm biến này gắn trên cột angten mạ kẽm có thể ñiều chỉnh cao ñộ

Tác ựộng của ựịa chấn

2 bộ cảm biến

đáy trụ P3 và P4 Ghi lại các dao ựộng do

ựộng ựất gây ra

Nhiệt ựộ xung quanh và

tương ựối

2 bộ cảm biến

được theo dõi trên cầu ở

2 ựiểm

Các bộ cảm biến ựược bảo

vệ tránh khỏi bức xạ mặt trời và mưa

Nhiệt ựộ của cáp dây văng

6 bộ cảm biến

Các bộ cảm biến ựược lắp ựặt không ảnh hưởng ựến vị trắ, việc bảo vệ và

bố trắ tao cáp

được theo dõi trên 6 cáp

Nhiệt ựộ của bê tông

3 bộ cảm biến

-2 bộ ựược lắp ựặt gần

hệ neo cáp -1 bộ ựược lắp ựặt ở vị trắ giữa nhịp

đo lực căng trong cáp văng

-Theo dõi trên 6 cáp Việc lắp ựặt không gây

ảnh hưởng tới khả năng neo của bó cáp và phối hợp lắp ựặt ngay khi thi công cáp văng

đo dao ựộng của dây cáp văng

6 gia tốc

kế 2D

Lắp ựặt trên cáp văng, ựược cố ựịnh bằng bộ kẹp

Theo dõi

phản ứng

của KCCT

Dao ựộng của dầm chủ và cột tháp

2 gia tốc

kế 3D

Hai gia tốc kế ựược lắp ựặt tại tháp P3, 1 tại ựỉnh, 1 trong tháp và ở cao ựộ bản mặt cầu

Các cảm biến trên dầm chủ ựược lắp ựặt trực tiếp trên tầm bê tong và dùng các miếng thép không gỉ Thu nhận

dữ liệu

Máy tắnh, server, mạng

đặt trong hộp dầm cầu

và tại trạm ựiều hành

Tất cả các bộ cảm biến ựược kết nối với hệ thống

xử lắ dữ liệu trung tâm Hệ thống này ựược truy cập bằng các mức quyền truy cập khác nhau

Hiện tại, hệ thống quan trắc trong quá trình thi công ựược nhà thầu Simizu giữ lại một số ựầu ựo và hệ thống ựã bị cháy vào tháng 8/2010 Hệ thống SHM trong quá trình khai thác chưa ựược tiến hành lắp ựặt trên cầu

1.3.2 Hệ thống SHM chuẩn bị ñược lắp ñặt tại Việt Nam

a Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ:

Cầu Cần Thơ là cầu dây văng hai mặt phẳng dây Cầu nối liền 2 tỉnh Vĩnh Long

và Cần Thơ Cầu Cần Thơ có chiều rộng 23,1m – chiều dài 15.850m; có 216 dây văng; nhịp chính dài 550 m; trụ tháp cao 164,8 m

Hình 1.14: Cầu Cần Thơ

Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ do các nhà thầu Nhật Bản thiết kế và lắp ñặt.Các thông tin về hệ thống SHM của cầu Cần Thơ ñược tổng hợp trong bảng 1.7

Bảng 1.7: Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ [7]

1 Văn phòng quản lý Dữ liệu quan trắc và ghi âm khác nhau

Trạm ño GPS ( 1 bộ) Internet

Máy ño gió ( 1 bộ) Camera quan sát ( 2 bộ) Cặp nhiệt ( 4 bộ ở tháp ) Cặp nhiệt (4 bộ ở bản mặt bêton dự ứng lực) Chuyển tiếp kết nối ( cáp quang )

Nguồn ñiện

3 đáy tháp Nam Bộ ựo GPS ( 1 bộ)

4 Chắnh giữa mặt cầu Bộ ựo GPS ( 2 bộ)

Máy ựo gió ( 1 bộ) Máy ựo nhiệt ựộ không khắ ( 1 bộ) Máy ựo lượng mưa ( 1 bộ)

Cặp nhiệt ( 4 bộ trên bản mặt bêton) Cặp nhiệt ( 1 bộ trên cáp quan trắc ) Chuyển tiếp kết nối ( cáp quang)

Camera quan sát ( 2 bộ) Chuyển tiếp kết nối ( cáp quang ) Nguồn ựiện

Trạm ựo GPS ( 1 bộ)

7 Thiết bị yêu cầu bổ sung (theo yêu

cầu Bộ Giao thông Vận tải tháng

4/2010)

Trạm GPS trên mặt cầu ( 2 trạm ) Cặp nhiệt kế ở chổ nối ( 4 chiếc ) Ten xơ mét ( 8 chiếc )

Gia tốc kế cố ựịnh ( 8 chiếc )

Bố trắ các thiết bị quan trắc của hệ thống SHM Ờ cầu Cần Thơ (hình 1.15 và hình 1.16)

Hình 1.15: Bố trắ các thiết bị quan trắc trên cầu Cần Thơ

Hình 1.16: Sơ ựồ bố trắ trạm thu nhận xử lắ dữ liệu quan trắc cầu Cần Thơ

Hiện tại, hệ thống SHM do nhà thầu Nhật Bản trúng thầu tháng 04/2012 Dự kiến hệ thống này sẽ ựược bắt ựầu lắp trong năm 2012 đây là một hệ thống SHM ựầy

ựủ và hiện ựại số 1 của Việt Nam

b Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân:

Cầu Nhật Tân có kết cấu nhịp của cầu chắnh theo dạng cầu dây văng nhiều nhịp với 5 trụ tháp hình thoi và 6 nhịp dây văng, bắt ựầu tại phường Phú Thượng, quận Tây

Hồ ựến ựiểm cuối giao với quốc lộ 3 tại km 7+100, xã Vĩnh Ngọc huyện đông Anh (Hà Nội) Mặt cầu rộng 33,2m Cầu dài 3,9 km và có ựường dẫn 4,5 km, trong ựó phần chắnh của cầu qua sông dài 1,5km

Hình 1.17: Phối cảnh cầu Nhật Tân

Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân do VSL thiết kế và lắp ñặt Các thông tin về hệ thống SHM của cầu Nhật Tân ñược tổng hợp trong bảng 1.8

Bảng 1.8: Các thiết bị cảm biến của hệ thống SHM cầu Nhật Tân

Cảm biến ño chuyển vị GPS, bộ chuyển ñổi môi trường, hệ thống Internet

Cảm biến ño dao dộng Cảm biến dao ñộng, máy ghi dữ liệu số

Cảm biến ño lực căng cáp Cảm biến tải trọng, hộp chuyển ñổi và trung tâm ño lường Cảm biến ño nhiệt ñộ Cảm biến nhiệt ñộ, bộ chuyển ñổi và trung tâm ño lường Cảm biến ño lượng mưa Thiết bị ño ñơn vị lượng mưa, trung tâm ño lường

Thiết bị ño gia tốc ñịa chấn Cảm biến ño ñịa chấn, hộp kỹ thuật…

Hiện tại, các thiết bị này ñang ñược lắp ñặt theo tiến ñộ thi công của công trình ðây là công trình cầu dây văng có nhiều tháp, nhiều nhịp nhất Việt Nam nên hệ thống SHM ñược xác ñịnh ñầu tư lắp ñặt ngay trong quá trình thi công công trình

Hình 1.18: Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Nhật Tân

Nhận xét:

Từ kết quả tổng quan tình hình ứng dụng hệ SHM trên thế giới cho thấy:

1 Các cầu dây văng có nhịp lớn trên thế giới hầu như ñều ñược lắp ñặt hệ thống SHM, các nội dung cơ bản của kết cấu, môi trường và theo dõi giao thông ñều ñược quan trắc Hệ thống quan trắc của các cầu trên thế giới ñược lắp ñặt trọn vẹn, có kế hoạch duy tu, bảo trì và kiểm tra hệ thống ñịnh kỳ, phần mềm chủ yếu ñược mua từ nhà cung cấp thiết bị Ứng xử của cầu trong mọi thời ñiểm ñược truyền lên mạng ñể các nhà quản lý có thể theo dõi, các thông tin cảnh báo ñược tự ñộng chuyền ñến ñiện thoại di ñộng ñặt sẵn và truyền ñến hệ thống báo ñộng khi cần thiết

2 Ở Việt Nam, tỷ lệ cầu dây ñược lắp ñặt hệ thống SHM khoảng 50% Trong ñó,

hệ thống quan trắc của 3 cầu ñã ñược lắp ñặt là một hệ thống không ñầy ñủ, phần nhận dạng tình trạng công trình chưa ñược ñầu tư (trừ cầu bãi cháy), chưa

có quy trình chuyển giao công nghệ, kế hoạch bảo hành, sửa chữa, và không tìm thấy số liệu ñánh giá hệ thống ñộc lập Các hệ thống ñang chuẩn bị lắp ñặt (cho cầu Cần Thơ và cầu Nhật Tân) và chuẩn bị ñầu tư (cầu Bãi Cháy ) là một

hệ thống hiện ñại, ñầy ñủ Tuy nhiên ñể quản lý tốt hoạt ñộng của hệ thống cần

có chuyên gia chuyên nghiệp

3 Việc thiết kế và lắp ñặt các hệ thống SHM tại Việt Nam ñều do các chuyên gia nước ngoài thực hiện Việc ñiều hành và khai thác hệ thống chưa ñược quan tâm, hệ thống không ñược ñầu tư lắp ñặt hoàn thiện, quá trình bảo hành, bảo trì không ñầy ñủ, thường xuyên, kết quả quan trắc không ñược sử dụng hiệu quả Vậy muốn ñiều hành hệ thống hoạt ñộng một cách có hiệu quả thì Việt Nam phải

có chuyên gia chuyên sâu trong lĩnh vực quan trắc, từ khâu thiết kế hệ thống, xử lý số liệu hệ thống, chế tạo hệ thống, quản lý ñiều hành hệ thống

ðể góp phần ñẩy nhanh quá trình làm chủ hệ thống SHM ở Việt Nam, ñề tài ñược chọn là ”Nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc liên tục cầu hệ dây ở Việt Nam”

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC NỘI DUNG QUAN TRẮC CẦU HỆ DÂY

VÀ TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT CÁC BỘ CẢM BIẾN VÀ ðẦU ðO

2.1 NỘI DUNG QUAN TRẮC

Cầu hệ dây ngày càng ñược sử dụng rộng rãi với nhiều ưu ñiểm, ñặc biệt là khả năng vượt ñược nhịp lớn, tính mỹ thuật cao, sử dụng vật liệu hiệu quả Tuy nhiên, kết cấu cầu hệ dây là một hệ thống mềm dẻo, linh hoạt, mỗi tác ñộng hoặc sự cố của một

bộ phận kết cấu ñều tác ñộng ngay tới toàn bộ hệ thống Vì vậy, nghiên cứu nội dung quan trắc cầu hệ dây không chỉ nghiên cứu từng dao ñộng riêng của từng bộ phận kết cấu, mà còn phải ñánh giá tổng hợp ñược mối quan hệ hay sự ảnh hưởng của từng tác ñộng ñó ñến toàn bộ sự làm việc của kết cầu công trình cầu

Các nội dung quan trắc cầu hệ dây cần phải ñược xem xét chủ yếu dựa trên tính chất cơ học và ñặc ñiểm kết cấu của công trình cầu cần quan trắc cũng như ñiều kiện môi trường tại nơi xây dựng công trình Do ñó, trạng thái hình học và các ñáp ứng tĩnh

và ñộng của cầu hệ dây cũng như các ñiều kiện môi trường, ñiều kiện giao thông ñược xác ñịnh ñể quan trắc trong hệ thống SHM Có thể tóm tắt các nội dung quan trắc trong bảng 2.1:

Bảng 2.1: Nội dung quan trắc cầu hệ dây [6]

Hạng mục ðối tượng quan trắc Tham số và vị trí quan trắc

Tác ñộng

của môi

trường

- ðo gió

- Biểu ñồ gió trung bình và gió giật

- ðường tốc ñộ gió giật

- Góc tới của gió

- Cường ñộ dòng gió hỗn loạn

- Chiều dài và thời gian của gió hỗn loạn

- Phổ gió hỗn loạn

- Quan hệ của gió ñứng và gió ngang

- ðo nhiệt ñộ không khí - Nhiệt ñộ không khí

- Phổ ñáp ứng của trụ tháp, dầm chủ

- ðo nhiệt ñộ các bộ phận kết cấu

- Chuyển vị khe co giãn

- ðo dịch chuyển của mố, trụ, hố neo cáp…sau các trận ñộng ñất

- ðo lực căng của dây cáp - Lực căng trong từng bó cáp văng, dây

cáp chủ

- ðo ñộ nghiêng trụ tháp - ðộ nghiêng

- ðo dao ñộng - Tần số, dạng dao ñộng, tỷ số cản, hệ

số phân bố khối lượng

thông - Theo dõi bằng camera - Hệ số làn, phân loại phương tiện

2.1.1 Quan trắc phản ứng của kết cấu:

ðiều quan trọng nhất trong quan trắc là làm sao ño ñược các phản ứng ñặc trưng của cầu và là phản ứng thực của kết cấu ñể có thể ñánh giá ñược tình trạng của công trình

2.1.1.1 Quan trắc dầm chủ:

a Quan trắc dao ñộng dầm chủ:

Cầu hệ dây là hệ kết cấu có ñộ cứng, ñộ ổn ñịnh kém hơn so với các cầu khác Vì vậy nó bị ảnh hưởng nhiều của các tải trọng gió, hoạt tải xe cộ, khi chịu tác ñộng của tải trọng thì cầu hệ dây biến dạng nhiều hơn so với các cầu khác Chính vì vậy quan trắc dao ñộng của dầm chủ thể hiện một phần ñộ cứng của kết cấu từ ñó ñánh giá ñược khả năng làm việc của cầu

Cầu hệ dây về cơ bản làm việc giống như một cầu dàn hẫng có biên dưới cứng, trong ñó dây văng là các thanh biên chịu kéo, dầm chủ là biên dưới chịu nén, uốn, giữa hai dầm chủ là hệ mặt cầu

Hình dạng hình học của cáp chủ trong cầu dây võng, của dầm chủ trong cầu dây văng là dấu hiệu chính ñể ñánh giá ñiều kiện chịu tải của cầu Bất kỳ sự sai lệch nào

về hình dáng dầm chủ ñều cho phép suy diễn có sự thay ñổi về ñiều kiện chịu lực trong toàn bộ kết cấu cầu Sự sai lệch như vậy có thể ñược quan trắc thông qua việc

ño ñạc liên tục và so sánh với hình dạng thiết kế của dầm chủ Kết quả quan trắc dao ñộng dầm chủ nhằm mục ñích phân tích dao ñộng uốn xoắn của dầm

* Việc chọn lựa vị trí lắp ñặt cảm biến theo dõi dao ñộng dầm chủ cầu về cơ bản

là dựa trên việc phân tích dạng riêng của cầu và việc ño thử ngoài thực tế ðiều kiện quan trọng nhất ñối với các ñiểm ño là phải phản ánh ñược dao ñộng thực, phải là nơi nhạy cảm với các thay ñổi về ñộ cứng của kết cấu

Cảm biến ño dao ñộng của dầm thường ñược bố trí tại mặt cắt giữa nhịp chính

và trên mặt cắt ngang bố trí 2 cảm biến (phía thượng lưu và hạ lưu của dầm chủ) ño dao ñộng ở hai bên ñể có thể phân tích dao ñộng uốn xoắn của dầm

b Quan trắc ứng suất, biến dạng dầm chủ:

Cầu dây văng thường ñược thiết kế với hai dạng: một mặt phẳng dây và hai mặt phẳng dây Trong cầu một mặt phẳng dây, các dây văng thường ñược neo tại ñường tim của hệ mặt cầu Dầm cầu chủ yếu chịu tải trọng theo phương ñứng còn khả năng chịu xoắn rất kém Trong cầu hai mặt phẳng dây, các dây văng ñược neo dọc theo hai bên của hệ mặt cầu, trong trường hợp này, dầm chủ sẽ chịu cả tải trọng ñứng và xoắn Dầm chủ ngoài chịu mômen uốn còn chịu nén do các dây văng truyền vào Lực nén trong dầm cứng nói chung có khuynh hướng tăng dần vào khu vực tháp, tạo thành

lực nén trước có lợi cho KCBT Tuy nhiên, khi dầm quá mảnh, dưới tác dụng của hoạt tải cần kiểm tra ñiều kiện mất ổn ñịnh của dầm chịu nén uốn

ðối với kết cấu BTCT cần phải ño ứng suất trong bê tông và cả trong cốt thép

ðo ứng suất trong bê tông thường khó khăn vì rất khó xác ñịnh ñúng modul ñàn hồi thực tế của bê tông tại vị trí ño Trị số modul này phụ thuộc vào nhiều yếu tố và thay ñổi trong phạm vi rộng Như vậy, có sai số khi xác ñịnh ứng suất bê tông dựa trên trị

số biến dạng thực ño ñược là ñiều khó tránh

Quan trắc sự phân bố của ứng suất/biến dạng trong hệ thống SHM là nhằm theo dõi sự thay ñổi của ứng suất do hoạt tải trong: 1) các kết cấu dầm ở các vị trí lớn nhất; 2) các kết cấu chống gió theo phương ngang nếu có; 3) các gối cân bằng

ðể ño ứng suất trong các bộ phận kết cấu người ta sử dụng các thiết bị ño gắn trên dầm chủ Khi có hoạt tải tác dụng các thiết bị này sẽ cho chúng ta biết ñược ứng suất trong dầm ñể ñánh giá ñiều kiện làm việc của dầm

* Thiết bị ño ứng suất biến dạng dầm ñược bố trí ở các vị trí ñặc trưng của bộ phận kết cấu công trình như vị trí giữa dầm

2.1.1.2 Quan trắc dây văng:

Dây văng là bộ phận truyền lực giữa tháp và dầm chủ Cường ñộ của dây văng ảnh hưởng ñến ñộ cứng chung của kết cấu, dao ñộng của dây văng dưới tác ñộng của môi trường và tải trọng không những có tác ñộng ngược lại với dầm và tháp mà còn phụ thuộc vào ñộ bền mỏi của dây Quan trắc dây văng bao gồm quan trắc dao ñộng và lực căng dây văng Việc xác ñịnh lực căng trong cáp văng trong quá trình thi công, khai thác giúp chúng ta ñiều chỉnh nội lực của cáp văng theo thiết kế, giúp cho hệ thống dây làm việc hiệu quả nhất

Xác ñịnh lực căng bằng phương pháp dao ñộng: Xác ñịnh dao ñộng của cáp văng

ñể từ ñó tính ra dao ñộng riêng của cáp, xác ñịnh các ñặc trưng ñộng học của cáp, tính toán ra lực căng cáp văng giúp ñánh giá ñộ bền của cáp trong quá trình sử dụng Ngoài

ra số liệu này còn ñược dùng ñể so với trạng thái giới hạn sử dụng và trạng thái giới hạn cực hạn khi thiết kế Sử dụng số liệu dao ñộng cáp văng có thể tính ra ñược lực căng của dây theo bài toán ngược

* Vị trí bố trí cảm biến ño dao ñộng dây văng: thiết bị ño dao ñộng của cáp văng ñược gắn vào bó cáp ở các vị trí 1/4 chiều dài của chúng Với cách bố trí như vậy có

thể thu nhận ñược các mode dao ñộng 1,2,3,4 và nhiều hơn Cần chú ý các sensor ño dao ñộng phải là loại có khả năng ño dao ñộng của cáp ở cả trong và ngoài mặt phẳng của cầu

dữ liệu quan trọng kết hợp với số liệu dao ñộng dầm chủ ñể ñánh giá tình trạng tổng thế của cầu

* Vị trí ñể xác ñịnh dao ñộng của tháp thường là ở ñỉnh tháp, nơi có biên ñộ dao ñộng lớn nhất và ñược ño bằng GPS hoặc các ñầu ño gia tốc

b Quan trắc ñộ nghiêng của tháp:

Tháp cầu có thể chia làm hai loại: tháp mềm và tháp cứng Tháp mềm có kích thước theo chiều dọc cầu tương ñối nhỏ, ñộ cứng bé, khả năng chịu uốn kém Chuyển

vị ngang của ñỉnh tháp theo phương dọc cầu chủ yếu dựa vào ñộ cứng chịu kéo của dây neo Tháp cứng có kích thước tiết diện ngang lớn, ñộ cứng theo phương dọc cầu

ñủ lớn ñể hạn chế chuyển vị ngang ñỉnh tháp và chuyển vị ngang của các dây văng, tháp cứng liên kết cứng với trụ

Ngoài yếu tố về kết cấu là cột tháp chịu tác ñộng của lực căng của dây văng và các thành phần lực nén và uốn khác, mặt cắt ngang của cột tháp thường có dạng hộp rỗng ñể bố trí neo dây văng, thang lên xuống cùng một số các thiết bị khác như thiết bị cung cấp ñiện cho việc duy tu bảo dưỡng Vì thế nên tháp cầu có ñộ cứng và ñộ ổn ñịnh rất kém

ðộ nghiêng xác ñịnh ñược do nhiều nguyên nhân gây ra như lực căng dây văng, gió, mất cân bằng về giao thông, v.v Quan trắc ñộ nghiêng hay quan trắc chuyển vị ngang ñỉnh tháp nhằm mục ñích theo dõi ñộ ổn ñịnh trụ tháp theo phương dọc và phương ngang cầu

* Các cảm biến ño ñộ nghiêng thường là cảm biến trọng lực, ñược bố trí trên ñỉnh trụ tháp và dọc theo thân tháp bao gồm cả ñộ nghiêng của trụ tháp theo phương dọc và ngang cầu, từ ñó có thể ñánh giá hiện tượng xoắn vặn của trụ tháp

c Quan trắc ứng suất, biến dạng cột tháp:

Tháp cầu ñược liên kết ñàn hồi với các dây văng và dây neo, tháp chịu uốn và chuyển vị ngang làm tăng biến dạng ñàn hồi thẳng ñứng của nút treo dây và tăng mômen uốn trong dầm chủ

Quan trắc sự phân bố của ứng suất/biến dạng trong hệ thống SHM là nhằm theo dõi sự thay ñổi của ứng suất do hoạt tải trong: 1) các kết cấu cột tháp ở các vị trí lớn nhất; 2) các kết cấu chống gió theo phương ngang nếu có

ðể ño ứng suất trong các bộ phận kết cấu người ta sử dụng các thiết bị ño gắn trên cột tháp Khi có tải trọng tác dụng các thiết bị này sẽ cho chúng ta biết ñược ứng suất, từ ñó ñánh giá ñiều kiện làm việc của bộ phận

* Thiết bị ño ứng suất biến dạng trụ tháp ñược bố trí ở các vị trí ñặc trưng: dọc

thân tháp, ¼ chiều dài, ½ chiều dài tháp

2.1.1.4 Quan trắc chuyển vị tổng thể của cầu:

GPS có thể quan trắc chuyển vị tổng thể của cầu dây văng theo nguyên tắc so sánh tọa ñộ Có 1 hoặc 2 trạm base ñặt tại ñiểm ñã biết tọa ñộ cố ñịnh không nằm trên công trình, các máy thu rover khác ñược lắp tại các ñiểm cần quan trắc chuyển vị trên

công trình như ñỉnh tháp, giữa dầm chủ, chân tháp Từ ñây có số liệu chuyển vị phù hợp với dạng thu ñược từ thí nghiệm hầm gió, là cơ sở ñể ñánh giá tình trạng sức khỏe của cầu Số liệu quan trắc này là số liệu quan trọng nhất trong ñánh giá tình trạng công trình

2.1.2 Quan trắc các yếu tố môi trường:

Mặc dù kết cấu nhịp cầu dây văng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng kết cấu thanh mảnh lại làm cho công trình dễ bị ảnh hưởng bởi các tác ñộng của môi trường như nhiệt ñộ, mưa, v.v và ñặc biệt là gió Các yếu tố về môi trường này có mức ñộ ảnh hưởng ñến các bộ phận kết cấu khác nhau Nghiên cứu lắp ñặt hệ thống quan trắc môi trường nghĩa là tìm hiểu và xác ñịnh ñược các ñiểm yếu trên công trình cầu khi chịu tải trọng môi trường tác dụng

về gió ở vị trí công trình với các tham số và giả thiết thiết kế

Quan trắc về gió bao gồm:

- Quan trắc tốc ñộ gió, hướng gió 3 phương (theo phương ngang cầu và dọc cầu và thẳng ñứng) theo thời gian ở cao ñộ mặt cầu và ñỉnh trụ tháp, từ những số liệu này vẽ biểu ñồ gió trung bình và gió giật, vẽ biểu ñồ quan hệ giữa góc tới của gió và tốc ñộ gió, tính toán cường ñộ hỗn loạn của gió, mô tả gradien và tốc ñộ gió giật Từ

ñó ñối chiếu với ñáp ứng của cầu là các số liệu ño ñược từ gia tốc kế, GPS, cảm biến

ño chuyển vị và biến dạng Các số liệu này ñược so sánh với các số liệu trong thí nghiệm hầm gió khi thiết kế

- Nhờ vào việc thu nhận các số liệu ñầy ñủ về gió, các phân tích giá trị cực ñại

ñể dự kiến trạng thái làm việc giới hạn của kết cấu, ñưa ra những quyết ñịnh kịp thời trong tăng cường kết cấu, cấm giao thông ñảm bảo an toàn…

Dưới ñây là một số minh họa về quan trắc tải trọng gió ở cầu Tsing Ma, trong

ñó hình 2.2 là biểu ñồ gió ở cao ñộ mặt cầu ño tại giữa nhịp chính, số liệu ño từ tháng 7/1999-12/2002; hình 2.3 là phổ gió hỗn loạn ño ñược ở cao ñộ mặt cầu khi xảy ra bão York ngày 16/9/1999 [6]

Hình 2.2: Biểu ñồ gió (từ 7/1997-12/2002) ở cao ñộ mặt cầu tại giữa nhịp (cầu TsingMa)

Hướng vuông góc với mặt

Hướng mặt cầu

Hình 2.3: Phổ gió hỗn loạn ở cao ựộ mặt cầu khi bão (cầu Tsing Ma)

* Bố trắ các bộ cảm biến ựo gió tại 2 vị trắ trên cầu gồn: ựiểm cao nhất (ựỉnh trụ tháp) và ở cao ựộ mặt cầu Thông qua 2 vị trắ này có thể xác ựịnh ựược phân bố cường ựộ gió theo chiều cao và ựể ựối chiếu, so sánh, ựánh giá với các thông số về gió thiết kế, ựồng thời phục vụ cho công tác kiểm soát, quản lý khai thác công trình, ựiều hành giao thông

2.1.2.2 Quan trắc nhiệt ựộ:

Kết cấu công trình có phản ứng ựáng kể với nhiệt, sự thay ựổi của nhiệt sẽ sinh

ra sự thay ựổi về ứng suất, biến dạng, chuyển vị một số các vị trắ như chuyển vị thẳng ựứng ở giữa nhịp chắnh, chuyển vị theo phương dọc ựối với khe co giãn Quan trắc nhiệt ựộ là ựo nhiệt ựộ môi trường, kết cấu theo thời gian từ các ựiểm xác ựịnh trên dầm cầu, trụ tháp và dây cáp, vẽ biểu ựồ biến ựổi nhiệt ựộ theo thời gian, sự phân bố nhiệt ựộ lớn nhất, nhỏ nhất theo chiều cao mặt cắt

Nhiệt ựộ không khắ và ựộ ẩm môi trường cũng như nhiệt ựộ bó cáp văng, nhiệt

ựộ trụ tháp và nhiệt ựộ dầm cầu sẽ ựược theo dõi bằng các bộ cảm biến nhiệt và các bộ cảm biến ựo ựộ ẩm Các cảm biến ựo nhiệt ựộ và ựộ ẩm ựược bố trắ tại các mặt cắt ựặc trưng của mỗi bộ phận kết cấu cần ựo

đáp ứng do nhiệt của kết cấu cầu bị ảnh hưởng bởi biên ựộ nhiệt, sự thay ựổi bất

Phổ gió ựo theo Thời gian

thường của tốc ñộ gió, tính chất vật liệu, các ñặc trưng bề mặt, các hình dạng mặt cắt Quan trắc nhiệt ñộ hoặc ảnh hưởng của tải trọng nhiệt ñộ trong hệ thống SHM với mục ñích sau:

1) ðo nhiệt ñộ trong không khí, mặt ñường bê tông asphalt, kết cấu thép và vẽ

sự thay ñổi nhiệt ñộ theo thời gian;

2) Tính toán nhiệt ñộ cầu có hiệu và nhiệt ñộ khác nhau từ các ñiểm ño ở các mặt cắt xác ñịnh trên dầm cầu, trụ tháp và dây cáp, và vẽ các kết quả biểu diễn theo thời gian, sự phân bố của nhiệt ñộ lớn nhất, nhỏ nhất theo chiều cao mặt cắt ñối với các ñiểm ño

3) Tính toán ứng suất trong kết cấu nhịp cầu bằng gradient nhiệt ño ñược;

4) ñể vẽ quan hệ của dịch chuyển do nhiệt của dầm chủ ñối với nhiệt ñộ ở các vị trí xác ñịnh (giữa nhịp chính ñối với chuyển vị thẳng ñứng và vị trí khe co giãn ñối với dịch chuyển theo phương dọc)

Các kết quả ño sẽ ñược sử dụng ñể so sánh với giá trị thiết kế Các cảm biến ñối với loại quan trắc này là cảm biến ño nhiệt, cảm biến ño chuyển vị, cảm biến ño biến dạng và GPS (Hình 2.4; Hình 2.5)

Hình 2.4: Sự biến thiên nhiệt ñộ của dầm chủ và nhiệt ñộ không khí (cầu Tsing Ma)

Hình 2.5: Sự biến thiên lực căng trong cáp chủ và nhiệt ựộ trung bình tháng (cầu TsingMa)

Số liệu về nhiệt ựộ trong trụ tháp, trong dầm cầu rất cần thiết cho việc kiểm tra các giả thiết ựã sử dụng trong tắnh toán thiết kế (chênh lệch nhiệt ựộ, ựánh giá ảnh hưởng của nhiệt ựộ ựến sự làm việc của công trình, từ ựó có thể ựiều chỉnh thiết kế khi cần thiết)

* Các cảm biến nhiệt ựộ ựược lắp ựặt ựể ựo: a) Nhiệt ựộ không khắ ở trên, trong và dưới cao ựộ dầm chủ ; b) Nhiệt ựộ bên trong tiết diện kết cấu thép, cáp chủ, lớp sơn kết cấu thép, trong tiết diện kết cấu bê tông, lớp phủ mặt cầu

2.1.2.3 Quan trắc mưa:

Lượng mưa là ựại lượng thể hiện mức ựộ mưa nhiều hay ắt Nó ựược ựo bằng ựộ sâu của nước mưa thu ựược trên một bề mặt phẳng Lượng mưa thường ựược ựo bằng ựơn vị milimet đôi khi lượng mưa cũng ựược ựo bằng ựơn vị lắt trên mét vuông (1 L/mỗ = 1 mm)

Khi có mưa thì thường kéo theo có gió sẽ làm cho cầu dao ựộng Khi mưa thì tốc

ựộ xe chạy trên cầu thay ựổi, ma sát giữa bánh xe và ựường thay ựổi Vì vậy người ta thường kết hợp quan trắc ựo mưa và quan trắc ựo gió, nhiệt ựộ và ựo dao ựộng của cầu

từ ựó cho biết ựiều kiện làm việc của cầu

Các thiết bị cảm biến ựo lượng mưa sẽ cung cấp các dữ liệu thông tin có hệ thống

về lượng mưa, ựặc biệt là những dữ liệu khó có thể ựo ựạc ựược thông qua các quan sát/kiểm tra ựịnh kỳ

2.1.2.4 Quan trắc ñộng ñất:

ðộng ñất là hiện tượng chuyển ñộng hỗn loạn của vỏ trái ñất có phương và cường ñộ thay ñổi theo thời gian ðộng ñất là thảm họa không lường trước và không thể dự báo trước ðây là một thảm họa có thể gây hậu quả cực kì quan trọng Khi thiết

kế cầu người ta căn cứ vào bảng phân vùng ñộng ñất ñể tính ñộng ñất ứng với từng công trình cầu khác nhau Tính ñộng ñất tác dụng lên công trình người ta quy ước công trình chịu thêm 1 tải trọng nhất ñịnh trong tính toán cầu Thông số ñặc trung của ñộng ñất là gia số ñộng ñất

Người ta thường ñặt các thiết bị quan sát chấn ñộng tại chân trụ tháp nhằm quan trắc chấn ñộng ñịa chất do ñộng ñất gây ra, từ ñó cung cấp các số liệu phục vụ cho công tác duy tu, duy trì cầu, ñảm bảo cầu hoạt ñộng tốt và kéo dài tuổi thọ cầu

Tác ñộng của tải trọng ñộng ñất tới công trình ñược xác ñịnh dựa trên các gia tốc kế thường ñược ñặt ở phần móng khối neo, trụ tháp Dữ liệu này ñược dùng ñể xác ñịnh phổ gia tốc của ñất nền, nhằm ñánh giá tác ñộng của tải trọng ñộng ñất lên công trình

Hình 2.6: Bố trí cảm biến ño chấn ñộng ñịa chấn

Nhìn chung cầu dây văng là công trình thuộc kết cấu dạng mềm, nhịp lớn, khả năng chịu ñộng ñất tốt hơn các hệ cầu cứng Tác dụng ñộng ñất lên cầu dây văng thường chỉ nguy hiểm khi chịu các chuyển vị ngang theo mọi phương, các dao ñộng thẳng ñứng ít nguy hiểm hơn do ñộ ñàn hồi của các dây văng

Cảm biến ño chấn ñộng ñịa chấn

Cảm biến ño chấn ñộng