Nghiên cứu thiết kế hệ thống GPS quan trắc liên tục cầu hệ dây

Ở các nước phát triển, việc xây dựng cơ sở hạ tầng gần như hoàn thiện nêncông tác theo dõi, quan trắc, bảo trì bảo dưỡng công trình được quan tâm nhiều.Với nhu cầu phát triển tất yếu, sa

MỞ ĐẦU

Việt Nam là một nước đang phát triển, cở sở hạ tầng được đầu tư xây dựngnhiều trong khoảng 20 năm trở lại đây Nhiều nhà cao tầng, nhiều cây cầu lớn, hầmlớn, các công trình đường sắt trên cao, công trình ngầm được xây dựng liên tục vàViệt Nam đang luôn cố gắng để có thể bắt nhịp được với thế giới về công nghệ xâydựng, công nghệ vật liệu, công nghệ giám sát đảm bảo công trình trong quá trìnhxây dựng cũng như trong quá trình sử dụng

Ở các nước phát triển, việc xây dựng cơ sở hạ tầng gần như hoàn thiện nêncông tác theo dõi, quan trắc, bảo trì bảo dưỡng công trình được quan tâm nhiều.Với nhu cầu phát triển tất yếu, sau một thời gian dài tập trung vào công nghệ xâydựng, Việt nam cũng đã bắt đầu quan tâm đến công tác quan trắc công trình, đặcbiệt đối với công trình lớn có kết cấu mềm dẻo, độ cứng nhỏ, nhạy cảm với cácđiều kiện tải trọng, môi trường, thời tiết như cầu dây văng, dây võng…Ngày 10tháng 4 năm 2012 Bộ Giao thông Vận tải ra công văn số 2727/BGTVT - KCHT vềcông tác quản lý, khai thác và bảo trì cầu hệ dây quy định rõ “Bắt buộc tất cả cáccông trình cầu dạng dây treo phải lắp đặt hệ thống quan trắc nhằm theo dõi tìnhtrạng cầu và cảnh báo các nguy cơ tiềm ẩn xảy ra cho công trình”

Hệ thống quan trắc cũng đã được quan tâm ứng dụng trong thi công và khaithác cầu dây tại Việt Nam từ năm 2006 như cầu Bãi cháy, cầu Rạch Miễu đến nay

có thêm cầu Bính, cầu Trần Thị Lý, cầu Cần Thơ, cầu Nhật Tân Hầu hết các hệthống này đều do các hãng nước ngoài lắp đặt Kết quả của hệ thống quan trắcđược sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như lập kế hoạch duy tu bảo dưỡng,cảnh báo ngừng giao thông kịp thời trong trường hợp nguy hiểm, kiểm tra lại thiết

kế từ số liệu thực tế

Trong các giá trị quan trắc của hệ thống, chuyển vị tổng thể đóng vai trò quantrọng nhất trong đánh giá tình trạng của cầu hệ dây Để đo được chuyển vị tổng thểnày hiện tại chỉ có công nghệ GPS - RTK mới đáp ứng được độ chính xác yêu cầu.Ngoài ra, các cảm biến đo chuyển vị khác chỉ đo được chuyển vị cục bộ

Để góp phần làm chủ hệ thống quan trắc này trong thiết kế, em xin lựa chọn

đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống GPS quan trắc liên tục cầu hệ dây”.

và truyền số liệu về hệ thống xử lý trung tâm Sau khi hoàn thành công trình, cácthiết bị này sẽ được bàn giao lại cho đội ngũ quản lí vận hành trong quá trình khaithác cầu Hệ thống tiếp tục hoạt động và ghi lại dữ liệu trong giai đoạn này Nhờ có

cơ sở dữ liệu đầy đủ và liên tục cập nhật, người quản lý cầu sẽ nắm được chính xácgiá trị lực căng trong từng dây văng, độ võng, độ biến dạng, độ nghiêng trụ tháp, tốc

độ gió v.v…tại thời điểm bất kì

Đã có khoảng trên 40 cầu lớn (nhịp chính từ 100m trở lên) trên thế giới đượctrang bị hệ thống quan trắc ứng dụng công nghệ GPS - RTK như cầu Sutong, cầuTsing Ma, cầu KapshuiMun, cầu Ting Kau, cầu Stonecutters… Ngoài ra, còn cómột số các cầu khác nữa

+ Hệ thống quan trắc cầu Stonecutters (Hồng Kông)

Hình 1.1: Cầu dây văng Stonecutters (Hồng Kông)

Cầu Stonecutters (Hồng Kông) có nhịp chính dài nhất thế giới (L = 1018m),được trang bị một hệ thống SHM hiện đại, thiết kế bởi hãng COWI

Sự hiện đại trong công nghệ cảm biến và thu nhận dữ liệu làm tăng tính khảthi về kinh tế - kỹ thuật của chương trình quan trắc kết cấu và môi trường đượckiểm soát từ xa Các tham số môi trường như gió, nhiệt độ, độ ẩm tương đối cũngđược quan trắc bởi hệ thống này Các tham số kết cấu được quan trắc bởi các cảm

biến đo biến dạng, đo gia tốc, đo chuyển vị và đầu thu GPS Đầu thu GPS được sửdụng để đo chuyển vị của trụ tháp cầu và những bất thường xảy ra ở cầu với độchính xác 1mm [6]

Hình 1.2: Bố trí cảm biến đo và GPS trên cầu Stonecutters + Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản)

Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản) là cầu treo dây võng hiện đang giữ kỷ lục vềkhẩu độ nhịp lớn nhất (L = 1999m)

Hình 1.3: Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản)

Hệ thống GPS được lắp đặt trên mố neo 1A, trụ tháp 2P và giữa nhịp chính.Tọa độ của mố neo 1A được xem là điểm gốc (OPT - Original Point Terminal) vàcác điểm đo chuyển vị khác (MPT - Measure Point Terminal) được tính toán theocác phương dọc, thẳng đứng và phương ngang của cầu

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống quan trắc cầu Akashi Kaikyo bằngGPS [8]

+ Cầu Tsing Ma (Hồng Kông)

Cầu Tsing Ma là cầu treo dây võng dài nhất trên thế giới, vừa dùng chođường bộ vừa dùng cho đường sắt Cầu có dạng dầm kép với đường ô tô cao tốcchạy ở trên và đường sắt chạy phía dưới Về mặt kết cấu, mặt cắt ngang của dầmcầu có dạng kết hợp giữa kết cấu dàn và kết cấu dầm hộp (hình 1.5)

Hình 1.5: Cầu Tsing Ma (Hong Kong)

Hệ thống quan trắc bao gồm: Các cảm biến đo gia tốc, đo biến dạng, đochuyển vị, đo cao độ, đo gió, đo nhiệt độ,…được lắp đặt cố định trên cầu và hệthống thu thập dữ liệu, hệ thống xử lý số liệu Trên cầu bố trí 110 cảm biến để đobiến dạng của các bộ phận kết cấu, trong đó GPS được lắp đặt tại đỉnh tháp, ½ dầmchủ, ¼ dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị của cầu (hình 1.6)

Như là một phần của thiết kế, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc củacầu treo dây văng Neva được thực hiện rất chi tiết

Hình 1.7: Cầu Neva của Nga

Nghiên cứu này bao gồm việc đánh giá rủi ro của mỗi giai đoạn xây dựng vàtrong giai đoạn khai thác Thiết kế của hệ thống này đảm bảo tiêu chí dễ dàng sửdụng, bảo dưỡng, nâng cấp và mở rộng sau này

Hình 1.8: Bố trí các cảm biến đo trên cầu Neva [7]

Hệ thống quan trắc của cầu Neva cung cấp các thông tin quan trắc theo thờigian về điều kiện thực tế và trạng thái kết cấu của cầu trong quá trình xây dựng.Việc đo chuyển vị theo phương đứng và phương ngang của dầm chủ bằng GPSgiúp điều chỉnh hướng thoát gió của mặt cắt dầm chủ trong quá trình xây dựng(hình 1.8)

+ Cầu Sutong (Trung Quốc)

Cầu Sutong là cầu treo dây văng có nhịp lớn nhất thế giới dài 1088m, trụ thápbằng bê tông cốt thép cao 330m bắc qua sông Yangtze, tỉnh Jiangsu, Trung Quốc

Hình 1.9: Cầu Sutong (Trung Quốc)

Hệ thống quan trắc của cầu Sutong gồm 2 phần:

+ Hệ thống đo đạc thực hiện chức năng đo đạc, thu nhận và truyền dữ liệu;+ Hệ thống xử lý, quản lý dữ liệu đo thực hiện chức năng xử lý, quản lý dữliệu đo và thực hiện các phân tích tổng hợp

Các cảm biến đo lắp đặt cố định trên cầu, trong đó GPS được lắp đặt tại đỉnhtrụ tháp và giữa dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị của cầu theo phương dọc cầu,phương ngang cầu và phương thẳng đứng (hình 1.10)

Hình 1.10: Sơ đồ bố trí các cảm biến và GPS trên cầu Sutong

1.2 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG GPS TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU HỆ DÂY Ở VIỆT NAM

Ở Việt Nam, có khoảng hơn 10 cầu dây văng và dây võng đã xây dựng nhưngmới có khoảng một nửa trong số đó lắp hệ thống quan trắc là: cầu Bính, cầu RạchMiễu, cầu Bãi Cháy, cầu Nhật Tân, cầu Cần Thơ, cầu Trần Thị Lý Trong đó ba cầu

có hệ thống GPS được giới thiệu dưới đây

+ Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ

Cầu Cần Thơ là cầu dây văng hai mặt phẳng dây Cầu nối liền 2 tỉnh VĩnhLong và Cần Thơ Cầu Cần Thơ có chiều rộng 23.1m, chiều dài 15.850m, có 216dây văng, nhịp chính dài 550m, trụ tháp cao 164.8m

Hình 1.11: Cầu Cần Thơ

Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ do các nhà thầu Nhật Bản thiết kế và lắp đặt.GPS được lắp tại 9 vị trí trên cầu và có một trạm base ở nhà điều hành

Hình 1.12: Sơ đồ đo GPS tổng thể của Cầu Cần Thơ [2]

Đây là một hệ thống SHM đầy đủ và hiện đại số 1 của Việt Nam

+ Hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý

Cầu Trần Thị Lý nằm trong thành phố Đà Nẵng, là cầu dây văng với các nhịp

sẽ trải dài bắt ngang qua sông Hàn, nối liền quận Hải Châu, quận Sơn Trà và QuậnNgũ Hành Sơn Cầu có tổng chiều dài 731m, trong đó nhịp chính là nhịp dây văngdài 230m, bố trí một mặt phẳng dây neo với kết cấu nhịp tại giữa dải phân cách, trụtháp có mặt cắt ngang dạng hình chữ V bằng bê tông cốt thép, nghiêng 12 độ vềphía Tây cầu với chiều cao 145m

Hình 1.14: Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Trần Thị Lý [3]

+ Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân

Cầu Nhật Tân có kết cấu nhịp của cầu chính theo dạng cầu dây văng nhiềunhịp với 5 trụ tháp hình thoi và 6 nhịp dây văng, bắt đầu tại phường Phú Thượng,quận Tây Hồ đến điểm cuối giao với quốc lộ 3 tại km 7+100, xã Vĩnh Ngọchuyện Đông Anh (Hà Nội) Mặt cầu rộng 33.2m, cầu dài 3.9km và có đường dẫn4.5km, trong đó phần chính của cầu qua sông dài 1.5km.

Hình 1.15: Phối cảnh cầu Nhật Tân

Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân do VSL thiết kế và lắp đặt Trong đó có 13

vị trí trên cầu lắp đặt GPS và một trạm base ở ngoài cầu

Đây là công trình cầu dây văng có nhiều tháp, nhiều nhịp nhất Việt Nam nên hệ thống SHM được xác định đầu tư lắp đặt ngay trong quá trình thi công công trình.

Hình 1.16: Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Nhật Tân [4]

Nhận xét:

Từ phần tổng quan cho thấy:

- Các hệ thống quan trắc cầu dây ở Việt Nam đều do các chuyên gia nướcngoài thiết kế và lắp đặt

- Có nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTKtrong hệ thống quan trắc công trình cầu dây Tuy nhiên các nghiên cứu này, đặc biệt

là xử lý số liệu đều có bản quyền vì thế nên mỗi nước đều có một cách tiếp cận hệthống khác nhau, giao diện khác nhau, phương pháp xử lý số liệu khác nhau

- Việc điều hành và khai thác hệ thống chưa được quan tâm, hệ thống khôngđược đầu tư lắp đặt hoàn thiện, quá trình bảo hành, bảo trì không đầy đủ, thườngxuyên, kết quả quan trắc không được sử dụng hiệu quả

- Vậy muốn điều hành hệ thống hoạt động một cách có hiệu quả thì Việt Namphải 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 điều hành hệ thống

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU HỆ DÂY

2.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU HỆ DÂY

Cầu hệ dây bao gồm cầu dây văng và cầu dây võng, là cầu có kết cấu chịu lực đặc biệt, đặc trưng của cầu là chiều dài nhịp, chiều cao trụ và tháp lớn, độ cứng nhỏ, mặt cắt dầm và tháp thay đổi, có thể làm bằng bê tông, thép hay kết hợp cả bê tông và thép.

Hình 2.1: Một số cầu dây trên thế giới và Việt nam

Trong cầu hệ dây, tháp cầu là bộ phận rất quan trọng, chịu toàn bộ tĩnh tải vàhoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp thông qua trụ truyền tải trọng xuống đất nền Kiếntrúc tháp cầu cũng tương đối phức tạp, chiều cao tháp lớn (tháp cầu Bãi Cháy cao141m, cầu Cần Thơ cao 171m, tháp cầu Kiền cao 78m, tháp cầu Rạch Miễu cao109m ), tiết diện của tháp thay đổi theo độ cao, chuyển vị của tháp cầu rất lớn từvài cm đến vài m Dây có tác dụng truyền tải trọng từ dầm chủ đến tháp cầu, trongcầu dây thì biên độ và tần số dao động của dây là một giá trị quan trọng trong đánhgiá tình trạng cầu Dầm cầu dây văng, dây võng thường làm bằng bê tông, thép,hoặc liên hợp cả bê tông và thép, có độ cứng nhỏ chiều dài nhịp lớn (hàng trăm mđến vài nghìn m) nhưng tương ứng với chiều dài nhịp thì chuyển vị của dầm cầucũng lớn, đặc biệt chuyển dịch theo phương ngang cầu do gió và tải trọng động

2.2 HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU DÂY

- Trong giai đoạn thi công, mục đích quan trắc là: đánh giá chất lượng thicông theo hồ sơ thiết kế, đảm bảo an toàn cho công trình Hệ thống quan trắc trêncầu dây treo sẽ cung cấp các thông tin theo thời gian về điều kiện thực tế và trạngthái của kết cấu cầu trong quá trình xây dựng Ví dụ, việc đo đạc ứng suất, chuyển

vị ở các vị trí đặc trưng trên trụ tháp, dầm cầu sẽ cung cấp các thông tin về tính antoàn của kết cấu trong trường hợp có gió mạnh Ngoài ra, việc đo chuyển vị theophương đứng hay phương ngang của dầm cầu sẽ giúp điều chỉnh các phân đoạn đúchay lắp ráp từng đốt dầm trong khi thi công

- Trong giai đoạn khai thác, mục đích quan trắc là: hiệu chỉnh các giả thiết vàtham số thiết kế, phát hiện những bất thường về tải trọng tác động và đáp ứng củakết cấu cầu, đánh giá mức độ an toàn của công trình, cung cấp các dữ liệu cho việcbảo trì và sửa chữa công trình, đánh giá tính hiệu quả của công tác bảo trì và sửachữa công trình

Ưu điểm của hệ thống quan trắc (Stractural Health Monitoring - SHM) là đánhgiá tình trạng cầu một cách trực quan và định lượng thông qua mối quan hệ giữaứng xử của kết cấu và các dao động, chuyển vị đặc trưng Việc đánh giá không chỉthông qua các số liệu trực quan mà còn thông qua các dữ liệu thống kê, ngoài ra còncung cấp các dữ liệu khí tượng để tham gia điều tiết giao thông

Việc lắp đặt và vận hành thành công hệ thống quan trắc đã được ứng dụngtrong các công trình như: cầu Great Belt (Đan Mạch), cầu Confederation (Canada),cầu Tsing Ma (Hồng Kông), cầu Commodore Barry (USA), cầu Seohae (Hàn Quốc)

và bảng 2.1 là danh sách một số cầu lắp đặt hệ thống quan trắc trong đó có ứngdụng GPS trong hệ thống quan trắc trên thế giới

Bảng 2.1: Một số công trình cầu đã ứng dụng công nghệ GPS trong hệ thống quan

trắc cầu dây [1]

Jiangying Trung Quốc 1385 (1); (2); (3); (4);(5),(6);(9),(10); (13)

Sutong Trung Quốc 1088 (1); (2); (3); (4); (5),(6);(7); (8);(9),(10);

(11); (16); (18)Tsing Ma Hồng Kông - TQ 1377 (1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(9),(10);

(12); (18)Kap Shuimun Hồng Kông - TQ 430 (1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(9),(10);

(12); (18)Ting Kau Hồng kông - TQ 475 (1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(9),(10);

(12); (18)Stonecutters Hông Kông - TQ 1018 (1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(8);(9),(10);

(11);(13); (18)

Zhan Jiang Bay Quảng Đông - TQ 480 (1); (2); (3); (5),(6); (9),(11); (14); (16)Akashi KaiKyo Nhật 1999 (1); (2); (3); (4);(6); (9),(14); (16); (17)

2.2.1 Cấu trúc của hệ thống quan trắc

Một hệ thống quan trắc điển hình gồm 3 thành phần cơ bản:

- Hệ thống các cảm biến (sensors)

Các cảm biến đo sử dụng trong hệ thống quan trắc nhằm theo dõi không chỉtình trạng của kết cấu (ứng suất, chuyển vị, gia tốc…) mà còn theo dõi các tham sốmôi trường có ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu (tốc độ gió, nhiệt độ )

- Hệ thống thu nhận dữ liệu, truyền dữ liệu

Do có nhiều cảm biến gắn trong hệ thống quan trắc nên việc thu nhận dữ liệu,truyền và lưu trữ một lượng lớn số liệu quan trắc là rất phức tạp

Khối thu nhận dữ liệu có chức năng chuyển đổi các tín hiệu analog từ các cảmbiến của khối đo đạc sang dạng tín hiệu điện phù hợp cho việc lưu trữ và xử lý trongkhối tiếp theo Trong khối này thông thường bao gồm các mạch lọc tín hiệu, mạchkhuyếch đại và mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog (tương tự) sang dạng tín

được trên các máy tính đặt tại công trường tới cơ sở dữ liệu trên máy server.

+ Mạng Internet: mạng này phục vụ người sử dụng (người quản lý cầu, ngườithiết kế…) có thể truy cập tới cơ sở dữ liệu trên máy chủ tìm kiếm các thông tin cầnthiết về tình trạng kỹ thuật của công trình

- Hệ thống xử lý số liệu

Có chức năng lưu trữ dữ liệu (data storage) và đánh giá tình trạng công trình (structural health evaluation), bao gồm các phần mềm chẩn đoán, đánh giá và quản lý thông tin - một khâu quan trọng của trung tâm xử lý số liệu là phân tích các số liệu đo để đưa ra những đánh giá chính xác về khả năng chịu tải, độ tin cậy của hệ thống

Hình 2.2: Sơ đồ chung của hệ thống quan trắc

Khi đó, các thuật toán chẩn đoán dựa trên phân tích mô hình, nhận diện dạng

hư hỏng, phân tích theo chuỗi thời gian… là những phương pháp hiệu quả nhất đểphát hiện sự hiện diện, vị trí, độ lớn và sự mở rộng của các hư hỏng, khuyết tật kếtcấu

2.2.2 Các nội dung quan trắc cầu hệ dây

Cầu hệ dây ngày càng được sử dụng rộng rãi với nhiều ưu điểm, đặc biệt làkhả năng vượt được nhịp lớn, tính mỹ thuật cao, sử dụng vật liệu hiệu quả Tuynhiên, kết cấu cầu hệ dây là một hệ thống mềm dẻo, linh hoạt, mỗi tác động hoặc sự

cố của một bộ phận kết cấu đều tác động ngay tới toàn bộ hệ thống Vì vậy, nghiêncứu nội dung quan trắc cầu hệ dây không chỉ nghiên cứu từng dao động riêng củatừng bộ phận kết cấu mà còn phải đánh giá tổng hợp được mối quan hệ hay sự ảnhhưởng của từng tác động đó đến toàn bộ sự làm việc của kết cầu công trình cầu.Các nội dung quan trắc cầu hệ dây cần phải được xem xét chủ yếu dựa trêntính chất cơ học và đặc điểm kết cấu của công trình cầu cần quan trắc cũng như điềukiện môi trường tại nơi xây dựng công trình Do đó, trạng thái hình học và các đápứng tĩnh và động của cầu hệ dây cũng như các điều kiện môi trường, điều kiện giaothông được xác định để quan trắc trong hệ thống SHM Có thể tóm tắt các nội dungquan trắc trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Nội dung quan trắc cầu dây văng [1]

Hạng mục Đối tượng quan trắc Tham số quan trắc

Tác động

của môi

trường

- Đo gió

- Biểu đồ gió trung bình và gió giật

- Đường tốc độ gió giật

- Góc tới của gió

- Cường độ dòng gió hỗn loạn

- Chiều dài và thời gian của gió hỗn loạn

- Phổ gió hỗn loạn

- Quan hệ của gió đứng và gió ngang

- Đo nhiệt độ không khí - Nhiệt độ không khí

- Phổ đáp ứng của trụ tháp, dầm chủPhản ứng

của kết - Đo nhiệt độ các bộ phận kết cấu - Nhiệt độ dầm chủ, cột tháp, dây cáp- Nhiệt độ mặt đường