Proposal for health monitoring system for extradosed an dong bridge (ninh thuan province)

Trong đề tài này, tác giả đưa ra một trong những biện pháp mang lại nhiều triển vọng để đánh giá quá trình làm việc và khai thác của các công trình cầu là lắp đặt các thiết bị quan trắc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VŨ ĐỨC NGUYÊN

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU

EXTRADOSED AN ĐÔNG (TỈNH NINH THUẬN)

PROPOSAL FOR HEALTH MONITORING SYSTEM FOR EXTRADOSED AN DONG BRIDGE (NINH THUAN PROVINCE)

Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 60580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2020

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS HỒ THU HIỀN

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VŨ ĐỨC NGUYÊN MSHV: 1770399

Ngày, tháng, năm sinh: 05/08/1994 Nơi sinh: Lâm Đồng

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông

Mã số: 60580205

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU EXTRADOSED

AN ĐÔNG (TỈNH NINH THUẬN)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu cấu tạo, cách vận hành và công dụng của một hệ thống quan trắc

cầu (SHM)

2 Tìm hiểu một số hệ thống quan trắc cầu trên thế giới và ở Việt Nam

3 Phân tích cầu An Đông bằng phần mềm Midas civil và đề xuất hệ thống

SHM cho cầu như loại cảm biến, số lượng, vị trí và một số nguồn báo giá của sản phẩm, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế cho hệ thống SHM của cầu

An Đông

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HỒ THU HIỀN

TS NGUYỄN DANH THẮNG Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến:

 Cô TS Hồ Thu Hiền và thầy TS Nguyễn Danh Thắng – Giảng viên

Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em có thể nghiên cứu và hoàn thành tốt luận văn này

 Thầy TS Mai Lựu và thầy TS Nguyễn Duy Liêm đã dành nhiều thời

gian đọc và viết nhận xét cho luận văn

 Các Thầy Cô ở bộ môn Cầu đường đã nhiệt tình gúp đỡ, đóng góp ý kiến cho quá trình nghiên cứu của em

Mặc dù rất cố gắng trong quá trình thực hiện luận văn nhưng vì kinh nghiệm

và quỹ thời gian hạn chế nên không tránh khỏi sai sót Em kính mong được sự chỉ dẫn thêm rất nhiều từ quý thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, tháng 12 năm 2019

Vũ Đức Nguyên

Trong quá trình thiết kế, việc đặt ra các giả thuyết nhằm đơn giản hóa mô hình tính toán dẫn đến bài toán phân tích và tính toán không thể phản ánh hết trạng thái hoạt động và ứng xử của công trình trong điều kiện hoạt động bình thường cũng như trong điều kiện khai thác Một cách khác, có sự chênh lệch khá lớn giữa mô phỏng trong thiết kế và thực tế Trong

đề tài này, tác giả đưa ra một trong những biện pháp mang lại nhiều triển vọng để đánh giá quá trình làm việc và khai thác của các công trình cầu là lắp đặt các thiết bị quan trắc tại các

vị trí hợp lý của công trình cầu nhằm đo lường liên tục các tham số ảnh hưởng đến của công trình như ngoại lực (gió, động đất, tải trọng xe…) và ứng xử của công trình cầu (dao động, chuyển vị, ứng suất…) Những dữ liệu thu thập được sẽ là căn cứ cho việc kiểm tra quá trình phân tích và tính toán công trình

Đề tài tập trung nghiên cứu thành phần của một hệ thống quan trắc cầu nhịp lớn Qua

đó phân tích cầu An Đông bằng phần mềm Midas civil và đề xuất hệ thống SHM cho cầu như loại cảm biến, số lượng, vị trí và một số nguồn báo giá của sản phẩm, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế cho hệ thống SHM của cầu An Đông

The topic focuses on studying the components of a large span bridge monitoring system Thereby analyzing An Dong bridge with Midas civil software and proposing SHM system for bridges such as sensor type, quantity, location and some quotation sources of the product, thereby proposing a solution for the SHM system of An Dong Bridge

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

TP Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 12 năm 2019

Tác giả luận văn

Vũ Đức Nguyên

Học viên cao học khóa 2017 Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU (SHM) 8

1.2 SỰ CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 10

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 11

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 11

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 11

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ QUAN TRẮC 12

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 12

2.1.1 Các cấp độ đánh giá của hệ thống quan trắc cầu (SHM) 12

2.1.2 Cấu tạo của một SHM 13

2.2 HỆ THỐNG CÁC CẢM BIẾN (SENSORS) 14

2.2.1 Thiết bị đo lực (Load Cell) 14

2.2.2 Gia tốc kế (Accelerometer) 14

2.2.3 Thiết bị đo địa chấn (Seismometer) 15

2.2.4 Thiết bị đo lực căng dây (Tension force sensor) 15

2.2.5 Thiết bị đo chuyển vị (Displacement Sensor) 16

2.2.6 Thiết bị đo nghiêng (Inclinometer) 16

2.2.7 Thiết bị đo nhiệt độ (Thermometer) 17

2.2.8 Thiết bị đo gió (Anemometer) 17

2.2.9 Vũ kế (Rain gauge) 18

2.2.10 Hệ thống giám sát hình ảnh (Network camera) 19

2.2.11 Hệ thống định vị GPS hoặc GNSS (Global Navigation Satellite System) 19

2.2.12 Cảm biến sợi quang (Fiber Optical Sensor) 20

2.3 HỆ THỐNG THU NHẬN DỮ LIỆU 21

2.4 HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU 23

2.4.1 Thiết bị truyền dẫn dự liệu trực tiếp 24

2.4.2 Thiết bị truyền dẫn dữ liệu qua mạng 25

2.5 HỆ THỐNG XỬ LÝ DỮ LIỆU 25

2.5.1 Khối quản lý dữ liệu 25

2.5.2 Khối xử lý số liệu 26

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU 27

3.1 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU TRÊN THẾ GIỚI 27

3.1.1 Cầu Akashi Kaikyo, Nhật Bản 27

3.1.2 Cầu Tatara, Nhật Bản 28

3.1.3 Cầu Tsingma, Hồng Kong 29

3.2 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU Ở VIỆT NAM 30

3.2.1 Cầu Bính, Hải Phòng 31

3.2.2 Cầu Cần Thơ 32

3.2.3 Cầu Rạch Miễu 34

CHƯƠNG 4: CẦU AN ĐÔNG (EXTRADOSED) 36

4.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU AN ĐÔNG 36

4.1.1 Giới thiệu chung 36

4.1.2 Các đặc trưng kỹ thuật [10] 37

4.2 PHÂN TÍCH CẦU AN ĐÔNG BẰNG MIDAS CIVIL 39

4.2.1 Giới thiệu về phần mềm Midas/Civil 39

4.2.2 Thông số đầu vào 40

4.2.3 Mô hình hóa kết cấu 41

4.2.4 Kiểm tra tính chính xác của mô hình 55

CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG SHM CHO CẦU AN ĐÔNG 57

5.1 MỤC TIÊU BỐ TRÍ HỆ THỐNG SHM 57

5.1.1 Quan trắc ứng xử của kết cấu 57

5.1.2 Quan trắc các yếu tố môi trường 58

5.1.3 Quan trắc giao thông 59

5.1.4 Độ tin cậy và hiệu quả kinh tế 59

5.2 ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SHM CẦU AN ĐÔNG 60

5.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC 61

5.3.2 Cảm biến đo gia tốc 65

5.3.3 Cảm biến đo nhiệt 71

5.3.4 Cảm biến đo biến dạng 74

5.3.5 Camera giao thông 77

5.3.6 Trạm quan trắc khí tượng 79

5.3.7 Cân động (W.I.M) 82

5.4 TỔNG HỢP THIẾT BỊ VÀ CHI PHÍ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG SHM CHO CẦU AN ĐÔNG 84

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

6.1 KẾT LUẬN 87

6.2 KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Cấu trúc của hệ thống quan trắc cầu và các thiết bị đi kèm [2] 13

Hình 2.2 Thiết bị Loadcell và bố trí Loadcell đo lực trên cáp dây văng 14

Hình 2.3 Một số cảm biến đo dao động 14

Hình 2.4 Cảm biến đo chấn động địa chấn MS2002+ của hãng SYSCOM 15

Hình 2.5 Cấu tạo thiết bị đo lực căng dây 16

Hình 2.6 Bố trí cảm biến đo chuyển vị khe co giãn (cầu Ting Kau) 16

Hình 2.7 Đầu dò máy đo độ nghiêng di động bên trong đường ống [3] 17

Hình 2.8 Cảm biến đo nhiệt 17

Hình 2.9 Cảm biến đo gió cánh quạt và siêu âm 18

Hình 2.10 Thiết bị đo mưa nhỏ giọt 18

Hình 2.11 Một số loại camera theo dõi 19

Hình 2.12 Thiết bị GPS hãng Trimble 19

Hình 2.13 Một số ví dụ về cảm biến sợi quang FOS 20

Hình 2.14 Lắp đặt cảm biến đo biến dạng FBG ở cầu TsingMa 20

Hình 2.15 Cấu tạo sợi cáp quang 24

Hình 3.1 Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản) 27

Hình 3.2 Hệ thống quan trắc của cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản) [15] 28

Hình 3.3 Cầu Tatara (Nhật Bản) 28

Hình 3.4 Hệ thống quan trắc của cầu Tatara (Nhật Bản) [15] 29

Hình 3.5 Cầu Tsingma (Hồng Kong) 29

Hình 3.6 Hệ thống quan trắc của cầu Tsingma (Hồng Kong) [15] 30

Hình 3.7 Cầu Bính (Hải Phòng) 31

Hình 3.8 Hệ thống quan trắc cầu Bính (Hải Phòng) [12] 31

Hình 3.9 Cầu Cần Thơ 32

Hình 3.10 Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ [13] 33

Hình 3.11 Cầu Rạch Miễu 34

Hình 4.1 Mặt cắt dọc cầu An Đông [10] 38

Hình 4.2 Kích thước dầm tại vị trí khối đỉnh trụ và giữa nhịp [10] 39

Hình 4.3 Các đốt dầm nhịp biên [10] 39

Hình 4.5 Thiết lập kiểu kết cấu 42

Hình 4.6 Thiết lập đơn vị tính toán 42

Hình 4.7 Khai báo vật liệu thép cho cáp dự ứng lực 43

Hình 4.8 Khai báo vật liệu thép dây văng 43

Hình 4.9 Khai báo vật liệu bê tông trụ và tháp 44

Hình 4.10 Khai báo vật liệu bê tông dầm 44

Hình 4.11 Khai báo tiết diện tháp 45

Hình 4.12 Mặt cắt điển hình thân tháp 45

Hình 4.13 Mặt cắt điển hình thân trụ 46

Hình 4.14 Mặt cắt điển hình thân trụ 46

Hình 4.15 Mặt cắt điển hình dầm chủ 47

Hình 4.16 Mô hình mặt cắt dầm chủ 47

Hình 4.17 Các khối đúc nhịp biên trụ T2 (T5) 48

Hình 4.18 Nhịp biên trụ T2 (T5) sau khi mô hình 48

Hình 4.19 Mô hình toàn bộ các đốt dầm 48

Hình 4.20 Mô hình trụ và tháp cầu 49

Hình 4.21 Liên kết Elastic link giữa dầm với trụ cầu và giữa các node cáp với tháp 49

Hình 4.22 Nút cáp được nối cứng Elastic Link(Rigid) vào dầm 50

Hình 4.23 Mô hình sau khi hoàn thiện 51

Hình 4.24 Thông số của cáp dự ứng lực được nhập từ hồ sơ thiết kế 51

Hình 4.25 Bảng nhập thông số cáp dự ứng lực tại 2 điển hình trụ T2 52

Hình 4.26 Cáp dự ứng lực căng trong dầm tại trụ T2 sau khi mô hình 52

Hình 4.27 Khai báo các trường hợp tải trọng 53

Hình 4.28 Nhập hoạt tải xe thiết kế HL93 53

Hình 4.29 Nhập hoạt tải xe tải 2 trục HL-93 54

Hình 4.30 Nhập hoạt tải người 54

Hình 4.31 Traffic line lanes sau khi khai báo 55

Hình 4.32 Độ võng của cầu mô hình ở trạng thái ban đầu 55

Hình 4.33 Mode dao động riêng đầu tiên theo phương đứng Dz (Mode 4) 55

Hình 4.34 Mode dao động riêng đầu tiên theo phương ngang Dy (Mode 14) 56

Hình 5.1 Bố trí chung thiết bị của hệ thống SHM 61

Hình 5.2 Bộ máy thu GPS GNSS RTK Hitarget V30 [HI-TARGET] 62

Hình 5.3 Biểu đồ chuyển vị của dầm (Mô hình Midas Civil) 63

Hình 5.4 Sơ đồ bố trí GPS tổng thể 63

Hình 5.5 Bố trí bộ đo GPS đỉnh tháp 63

Hình 5.6 Bố trí bộ đo GPS bản mặt cầu 64

Hình 5.7 Phương thức đo chuyển vị bằng hệ thống GPS 65

Hình 5.8 Cảm biến gia tốc MMF KS78B100 của hãng MMF 66

Hình 5.9 Cảm biến gia tốc 3 phương BDI TA2512-005 của hãng BDI 67

Hình 5.10 Biểu đồ lực căng cáp (Mô hình Midas Civil) 67

Hình 5.11 Bố trí cảm biến gia tốc tổng thể 68

Hình 5.12 Bố trí cảm biến gia tốc đo dao động của cáp 68

Hình 5.13 Bố trí cảm biến gia tốc đo dao động dầm chủ 68

Hình 5.14 Bố trí cảm biến gia tốc 3 phương đo rung động đài cọc 69

Hình 5.15 Cảm biến đo nhiệt độ Omron E52-CA6D [OMRON] 72

Hình 5.16 Bố trí cảm biến nhiệt độ tổng thể 73

Hình 5.17 Chi tiết bố trí cảm biến nhiệt độ trên tháp 73

Hình 5.18 Cảm biến đo biến dạng Geokon 4151 [GEOKON] 75

Hình 5.19 Bố trí cảm biến đo biến dạng 76

Hình 5.20 Camera HIKVISION DS-2CD1221-I3 [HIKVISION] 77

Hình 5.21 Bố trí camera giao thông 78

Hình 5.22 Trạm quan trắc khí tượng AIPT (Công ty Cổ phần AIPT Việt Nam) 80

Hình 5.23 Bố trí trạm quan trắc khí tượng 82

Hình 5.24 Hệ thống W.I.M của cầu Tokyo Tech Solution., Inc (TTES) 83

Hình 5.25 Bố trí cảm biến đo biến dạng hệ thống W.I.M 83

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các thiết bị quan trắc cầu Bính 32

Bảng 3.2 Hệ thống đo lường SHM cầu Cần Thơ 33

Bảng 3.3 Thống kê hệ thống quan trắc cầu Rạch Miễu 35

Bảng 4.1 Lực căng ban đầu theo hồ sơ thiết kế 50

Bảng 4.2 So sánh tần số dao động riêng giữa mô hình và hồ sơ thiết kế 56

Bảng 5.1 Số lượng và vị trí lắp đặt các thiết bị hệ thống SHM 60

Bảng 5.2 Các loại thiết bị GPS phổ biến 61

Bảng 5.3 Các loại cảm biến gia tốc phổ biến 65

Bảng 5.4 Các loại cảm biến đo nhiệt phổ biến 72

Bảng 5.5 Các loại cảm biến đo biến dạng phổ biến 74

Bảng 5.6 Các loại camera phổ biến 77

Bảng 5.7 Các loại trạm quan trắc khí tượng phổ biến 79

Bảng 5.8 Bảng tổng hợp thiết bị và chi phí lắp đặt 84

CHƯƠNG 1

TỒNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU (SHM)

Lịch sử phát triển trong lĩnh vực quan trắc kết cấu và cầu bao gồm các giai đoạn sau: [1]

 Thế kỷ 19: Phát triển của động lực học của kết cấu

 1920-1945: Thực hiện các thí nghiệm giản đơn các kết cấu thường gặp

 1965-1975: Phát triển các phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính

 1970-1980: Phát triển của phương pháp dao động

 1975-1990: Bổ sung của phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính

 1990-2000: Bổ sung của phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến

 1992-1995: Bổ sung các phương pháp dao động xung quanh

 1993-1996: Giới thiệu công nghệ máy tính đo dữ liệu

 Từ 1994: Áp dụng phương pháp đo dao động

 Từ 1995: Áp dụng phương pháp thu nhận kết quả quan trắc “quan trắc thông minh”

 Từ 1996: Thương mại hóa các kết quả đo

Hệ thống quan trắc công trình cầu SHM bắt đầu được đưa vào ứng dụng và phát triển trên thế giới trong những năm gần đây Phần lớn các công trình cầu lớn trên thế giới đều được lắp đặt những hệ thống quan trắc khác nhau nhằm liên tục theo dõi và thu thập các dữ liệu trong suốt quá trình hoạt động và khai thác của cầu

Mỹ, Nhật và châu Âu là những nơi mà các hệ thống quan trắc được đưa vào ứng dụng rộng rãi và rất hiệu quả, mặc dù chi phí cho hệ thống quan trắc không hề nhỏ,

Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu công trình (Structure Health Monitoring System) nói chung là quá trình xác định hư hỏng, xuống cấp của kết cấu công trình xây dựng

Hội thảo về SHM tại Stanford năm 2005, Farrar và các cộng sự đã quy định các tiên đề cho việc quan trắc, đây là những nỗ lực để xây dựng các nguyên tắc chung Với mục tiêu tạo lập phương pháp, sẽ là cần thiết để thêm các thuật toán để đưa dữ liệu ra quyết định Các nguyên tắc của mô hình thống kê được đề xuất Các tiên đề xây dựng là: [1]

 Tiên đề 1: Việc đánh giá đòi hỏi so sánh giữa 2 trạng thái hệ thống

 Tiên đề 2: Xác định sự tồn tại và vị trí của hư hỏng có thể thực hiện trong

chế độ không kiểm soát, nhưng xác định loại và mức độ thiệt hại phải được thực hiện trong chế độ kiểm soát (Supervised Learning Mode)

 Tiên đề 3: Nếu không khai thác tính năng thông minh, phép đo càng chính

xác, càng dễ thay đổi điều kiện hoạt động và môi trường

 Tiên đề 4: Phải cân bằng sự nhạy với hư hỏng và khả năng giảm thiểu sai sót

của một thuật toán

 Tiên đề 5: Kích thước hư hỏng có thể phát hiện bằng những thay đổi trong

hệ thống động lực học, tỉ lệ nghịch với tần số kích thích

So với việc thử tải cầu cũng như các phương pháp truyền thống khác thì quan trắc cầu có nhiều ưu điểm khác biệt lớn như:

 Cung cấp thời gian thực trong giám sát, phân tích và liên tục nhằm phát hiện

sự bất thường trong khả năng chịu lực hoặc hư hỏng mà không làm tổn hại đến kết cấu cũng như khả năng khai thác của cầu trong suốt thời gian vận hành của công trình

 Có thể theo dõi và ghi lại các ứng xử của kết cấu trong trường hợp đặc biệt (như bão lũ, thiên tai hoặc sự cố tai nạn nghiêm trọng) mà các phương pháp truyền thống khác không thể giám sát được

1.2 SỰ CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Lĩnh vực về SHM đã được phát triển mạnh mẽ trong 20 năm Các nhà khoa học đã tiến tới đưa ra những nguyên tắc chung, và đã được chấp nhận Tuy nhiên những nguyên tắc này vẫn còn là thách thức và tiếp tục được phát triển bởi nhiều nhóm nghiên cứu khác

Mặc dù việc thiết kế, thi công, khai thác cầu đã có nhiều bước tiến dài trong thời gian gần đây, vẫn còn rất nhiều vấn đề của kết cấu công trình vẫn chưa có lời giải đáp thỏa đáng Trong số đó, việc phát hiện hư hỏng của công trình cầu trước khi có những dấu hiệu cụ thể xảy ra là một trong những vấn đề đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu và kỹ sư cầu

Do vai trò đặc biệt quan trọng và giá thành xây dựng rất đắt đỏ, các cầu nhịp lớn thường phải kiểm tra thường xuyên để đảm bảo chúng vẫn an toàn Quá trình kiểm tra này thường tốn rất nhiều thời gian và chi phí, nhưng đôi khi vẫn không thể kiểm soát được tất cả các nguy cơ hư hỏng xảy ra với công trình cầu Chính vì vậy,

đề tài này giúp nghiên cứu việc xây dựng và phát triển hệ thống quan trắc cầu tự động là điều mà các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Châu Âu đã và đang làm nhằm tiết kiệm chi phí duy tu bảo dưỡng và vận hành cầu, cũng như đảm bảo an toàn giao thông cho các công trình này

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các phần mềm tính toán, mô phỏng được phát triển mạnh mẽ nhưng những kết quả tính toán lý thuyết nhận được chỉ là sự tương đối gần với ứng xử thực tế của công trình Trong quá trình thiết kế, việc đặt ra các giả thuyết nhằm đơn giản hóa mô hình tính toán dẫn đến bài toán phân tích và tính toán không thể phản ánh hết trạng thái hoạt động và ứng xử của công trình trong điều kiện hoạt động bình thường cũng như trong điều kiện khai thác Một cách khác, có sự chênh lệch khá lớn giữa mô phỏng trong thiết

kế và thực tế Đề tài này cũng đưa một trong những biện pháp mang lại nhiều triển vọng để đánh giá quá trình làm việc và khai thác của các công trình cầu là lắp đặt các thiết bị quan trắc tại các vị trí hợp lý của công trình cầu nhằm đo lường liên tục các tham số ảnh hưởng đến của công trình như ngoại lực (gió, động đất, tải trọng

xe…) và ứng xử của công trình cầu (dao động, chuyển vị, ứng suất…) Những dữ liệu thu thập được sẽ là căn cứ cho việc kiểm tra quá trình phân tích và tính toán công trình

Cầu An Đông là chiếc cầu hùng tráng và thẩm mỹ nhất từ trước tới nay ở tỉnh Ninh Thuận, là điểm nhấn trên tuyến đường ven biển Bình Tiên-Cà Ná Đây là cây cầu có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với tỉnh Ninh Thuận, kết nối Tp Phan Rang-Tháp Chàm, trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa, xã hội của tỉnh với trung tâm sản xuất giống thủy sản huyện Ninh Phước và khu vực phát triển công nghiệp huyện Thuận Nam Đặc biệt, tạo các chuỗi liên kết, mở ra triển vọng lớn phát triển

du lịch, kinh tế biển trong tỉnh cũng như khu vực Nam Trung Bộ Cho đến thời điểm hiện tại, ở tỉnh Ninh Thuận chưa có công trình nào tạo dấu ấn mạnh như cầu

An Đông, không chỉ ở vai trò kết nối tuyến đường ven biển, mà còn ở chất lượng kỹ thuật và mỹ thuật cao Do cầu An Đông có vai trò quan trọng đối với tỉnh Ninh Thuận, vị trí cầu nằm ở khu vực khí hậu khắc nghiệt gần biển, nên việc nghiên cứu

đề xuất bố trí hệ thống quan trắc cho cầu An Đông để phát hiện hư hỏng và đảm bảo khả năng làm việc ổn định của cầu, phục vụ cho công tác khai thác, duy tu bảo dưỡng cầu trong thời điểm hiện tại là vô cùng cần thiết và cấp bách

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu cấu tạo, cách vận hành và công dụng của một hệ thống quan trắc cầu (SHM) Qua đó tiến hành phân tích, nghiên cứu và đề xuất hệ thống SHM cho cầu extradosed (cụ thể là cầu An Đông tại tỉnh Ninh Thuận)

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu thành phần của một hệ thống quan trắc cầu nhịp lớn Qua đó phân tích cầu An Đông bằng phần mềm Midas civil và đề xuất hệ thống SHM cho cầu như loại cảm biến, số lượng, vị trí và một số nguồn báo giá của sản phẩm, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế cho hệ thống SHM của cầu An Đông

CHƯƠNG 2

THIẾT BỊ QUAN TRẮC

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

2.1.1 Các cấp độ đánh giá của hệ thống quan trắc cầu (SHM)

Kiến thức về tình trạng của cây cầu hoặc các thành phần của nó là thông tin cần thiết nhất Quan trắc sức khỏe tạo cơ hội để định lượng điều kiện và cung cấp

cơ sở cho quyết định Các phương pháp và công cụ sẽ được miêu tả ở chương tiếp theo Dưới đây là các trường hợp cần đánh giá điều kiện cấp thiết nhất Hiện nay người ta sử dụng 5 cấp độ để đánh giá độ sâu của công tác điều tra như sau: [1]

 Cấp độ 1: Đánh giá tổng quát Điều này thể hiện sự đánh giá thông thường

của các cấu trúc, bắt đầu bằng quan sát bằng mắt, cung cấp ấn tượng ban đầu

về tình trạng cây cầu Một số hồ sơ điều tra sơ bộ dùng để đánh giá, làm cơ

sở đưa ra quyết định Các hệ thống quan trắc như PONTIS và DANBro là ví

dụ điển hình Nhiều chủ đầu từ dùng CSDL để lưu trữ kết quả

 Cấp độ 2: Đánh giá tình trạng Dữ liệu thô từ quan sát là một thành phần của

hệ thống quan trắc, kiểm tra dữ liệu thô là một yếu tố thiết yếu của bất kì hệ thống SHM Sau đó, phải đưa ra một quyết định, phương pháp thông thường hay mở rộng hơn, thậm chí tiếp cận phức tạp hơn Điều này quyết định loại

và số lượng thiết bị đo đạt Để đánh giá tình trạng thì một thiết bị đơn giản là

đủ và hệ thống hỗ trợ quyết định sẽ cung cấp thêm các thông tin cần thiết

 Cấp độ 3: Đánh giá hiệu suất Mức độ trung cấp này sử dụng cách thức

tương tự như mô tả cho Cấp 2 Các mức độ đánh giá được xem là cao hơn đáng kể khi có thêm thông tin chẳng hạn như hình dạng mode được đo đạc

và xây dựng Điều này cung cấp các chỉ số bổ sung cho việc đánh giá và sẽ

chứng minh hiệu suất của công trình Rõ ràng nó đòi hỏi một bộ thiết bị dày đặc hơn và giám sát đồng bộ

 Cấp độ 4: Đánh giá chi tiết và xếp hạng Đây là bước tiếp theo để thiết lập

một mô hình phân tích đại diện Mô hình này sẽ được so sánh với kết quả giám sát Nếu xác định đó là đơn giản, chu trình quay ngược lại là bước 3 Nếu có bất thường và không thể giải thích được từ các hồ sơ, các bước tiếp theo phải được thực hiện rõ ràng

 Cấp độ 5: Dự đoán tuổi thọ Mô phỏng phải được chạy từ các mô hình phân

tích sao cho đạt được một hiệu suất lý thuyết để so sánh Để xử lý số lượng lớn dữ liệu, cần có phần mềm đặc biệt để hỗ trợ quyết định Thử tải sẽ được nhắm mục tiêu và bao quát Ngoài ra, kiểm tra cấu vi có thể có ích trong để xem xét hiệu suất của từng yếu tố duy nhất của công trình Quá trình cập nhật sẽ được mở rộng và xem xét một số điều kiện của cấu trúc

2.1.2 Cấu tạo của một SHM

Một hệ thống quan trắc cầu tổng thể thường bao gồm 4 thành phần sau: [2]

 Hệ thống quan trắc trạng thái kết cấu (ứng suất, độ võng)

 Hệ thống quan trắc khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, hướng và tốc độ gió…)

 Hệ thống giám sát hình ảnh (camera giám sát giao thông, vận hành cầu)

 Hệ thống quan trắc chuyển vị và biến dạng

Các thông tin dữ liệu thu thập được từ các thiết bị quan trắc và các cảm biến

sẽ được ghi lại bởi máy chủ lắp đặt trên cầu rồi được chuyển đến trung tâm lưu trữ bằng mạng Internet hoặc GSM (GPRS) như Hình 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc của hệ thống quan trắc cầu và các thiết bị đi kèm [2]

2.2 HỆ THỐNG CÁC CẢM BIẾN (SENSORS)

2.2.1 Thiết bị đo lực (Load Cell)

Thiết bị đo lực có thể được sử dụng để đo lực kéo, nén và lực cắt, với nguyên

lý chuyển các tác động của lực và tải trọng thành tín hiệu điện Thiết bị này được sử dụng trong việc theo dõi và kiểm soát lực căng trong dây văng ở cả giai đoạn thi công và khai thác

Nhược điểm của thiết bị đo lực là phải gắn trực tiếp với các tao hay cả bó cáp, việc bố trí Loadcell cả bó cáp và việc lắp đặt Loadcell trong giai đoạn khai thác

sẽ rất khó khăn và gần như không thực hiện được

Hình 2.2 Thiết bị Loadcell và bố trí Loadcell đo lực trên cáp dây văng 2.2.2 Gia tốc kế (Accelerometer)

Gia tốc kế (Accelerometer) là các cảm biến và thiết bị dùng để đo, hiển thị và phân tích gia tốc, dao động Gia tốc kế có thể đo được gia tốc theo 1D, 2D và 3D, dùng để đo dao động của dây văng và dầm cầu

Hình 2.3 Một số cảm biến đo dao động

Các thiết bị này hoạt động theo nhiều nguyên lý như là: điện áp, điện dung, biến dạng, cộng hưởng, trở áp và cảm ứng

2.2.3 Thiết bị đo địa chấn (Seismometer)

Thiết bị đo chấn động địa chấn dùng để đo và quan sát chuyển động của đất nền có tần số thấp gây ra bởi các hoạt động địa chấn Nó đo các sóng chấn động và

độ lớn của chuyển động đất nền bằng các phương pháp cơ học, điện tử, điện từ, hoặc quang-cơ rồi chuyển thành tín hiệu điện

Cảm biến đo chấn động địa chấn dùng trong hệ thống SHM phải là loại đầu

đo gia tốc 3D, có khả năng chịu va đập tốt (tới 6000g), chịu được các điều kiện khắc nghiệt khi đo ngoài trời

Hình 2.4 Cảm biến đo chấn động địa chấn MS2002+ của hãng SYSCOM

2.2.4 Thiết bị đo lực căng dây (Tension force sensor)

Thiết bị đo lực căng dây quan sát những thay đổi theo thời gian bằng việc đo đạc lực căng của dây cáp Nguyên lý hoạt động: dưới tác dụng của lực căng trong dây văng các đặc trưng từ tính (độ nhiễm từ của thép) của vật liệu dây văng sẽ thay đổi Bằng việc đo độ nhiễm từ của dây văng khi không có lực và khi có lực căng, độ chênh lệch từ tính của dây văng giữa hai thời điểm được xác định và sẽ xác định được lực căng trong dây văng bằng công thức quan hệ giữa lực căng và độ nhiễm từ của vật liệu

Hình 2.5 Cấu tạo thiết bị đo lực căng dây 2.2.5 Thiết bị đo chuyển vị (Displacement Sensor)

Thiết bị đo chuyển vị được đặt tại điểm cuối của dầm tại vị trí khe co giãn, nhằm đánh giá được sự chuyển vị của cầu khi có hoạt tải và do tác động của nhiệt

độ

Hình 2.6 Bố trí cảm biến đo chuyển vị khe co giãn (cầu Ting Kau)

2.2.6 Thiết bị đo nghiêng (Inclinometer)

Thiết bị đo độ nghiêng tạo ra một đường giả định và đo góc nghiêng so với đường đó Tiêu chuẩn quan trọng xem xét khi lựa chọn cảm biến đo độ nghiêng

là phạm vi đo (độ) và số trục đo Các cảm biến đo độ nghiêng thường sử dụng nguyên lý đo gia tốc, điện dung, điện phân, con lắc…

Thiết bị đo độ nghiêng có thể có nhiều dạng khác nhau: phần tử cảm biến (sensor element) hoặc chip, cảm biến (sensor) hoặc bộ chuyển đổi (transducer), thiết

bị (instrument) hoặc bộ đo (meter), đầu đo (gauge) hoặc bộ chỉ thị (indicator), và bộ ghi (recorder)

Hình 2.7 Đầu dò máy đo độ nghiêng di động bên trong đường ống [3]

2.2.7 Thiết bị đo nhiệt độ (Thermometer)

Thiết bị đo nhiệt độ sử dụng 2 phương pháp cơ bản để đo nhiệt độ là phương pháp tiếp xúc và không tiếp xúc Thường người ta hay lựa chọn cảm biến đo tiếp xúc với 6 loại: nhiệt ngẫu (thermocouples), trở nhiệt RTD, tia hồng ngoại, thiết bị lưỡng kim, thiết bị dãn nở bằng chất lỏng, thiết bị thay đổi trạng thái Thiết bị đo nhiệt không tiếp xúc điển hình là đo bằng hồng ngoại

Hình 2.8 Cảm biến đo nhiệt 2.2.8 Thiết bị đo gió (Anemometer)

Thiết bị đo gió có thể đo tốc độ và hướng gió Có nhiều cách để đo các thông

số của gió như: cánh quay kiểu turbin, hiệu ứng điện trở từ trường mạnh hay

nguyên lý siêu âm Nguyên lý siêu âm có nhiều ưu điểm thường được sử dung gần đây vì nó không có bộ phận chuyển động do vậy độ bền sẽ tốt hơn

Đầu đo gió kiểu siêu âm gồm 4 đầu siêu âm đặt trên mặt phẳng ngang, đầu

đo sẽ đo thời gian truyền sóng siêu âm từ đầu này sang đầu khác trong cả 2 chiều Thời gian truyền sóng sẽ phụ thuộc vào tốc độ gió đi qua Khi tốc độ gió bằng không thì thời gian truyền đi và về là như nhau, khi gió đi qua theo truyền âm thanh thì thời gian truyền đi tăng lên và thời gian truyền chiều ngược lại giảm Bộ vi điều khiển bên trong sẽ tính ra tốc độ và hướng gió song song cho mỗi cặp đầu siêu âm,

bộ xử lý sẽ xác định được tốc độ và hướng gió đi qua

Hình 2.9 Cảm biến đo gió cánh quạt và siêu âm 2.2.9 Vũ kế (Rain gauge)

Vũ kế dùng để đo lượng mưa trong một thời gian Các loại máy đo gồm các loại có một ống chia độ, máy đo khối lượng, máy đo nhỏ giọt và một ống gom được gắn vào Mỗi loại có những ưu điểm và khuyết điểm riêng trong việc nhận thông tin

về mưa

Hình 2.10 Thiết bị đo mưa nhỏ giọt

Các máy đo mưa cũng có những giới hạn của nó Thí dụ trong trường hợp bão nhiệt đới, thì việc đo mưa hầu như không thể thực hiện hoặc cho kết quả không chính xác (giả sử rằng thiết bị không bị ảnh hưởng do bão) do gió quá mạnh

2.2.10 Hệ thống giám sát hình ảnh (Network camera)

Hệ thống giám sát hình ảnh được sử dụng để giám sát và theo dõi từ xa, các

vị trí mà mắt thường không thể theo dõi được Một số hệ thống giám sát hình ảnh còn có thể được sử dụng để ghi lại các sự kiện và để bật các chuông cảnh báo

3 phương (phương dọc cầu, phương ngang cầu và phương đứng) tại vị trí đỉnh tháp, giữa dầm chủ, 1 phần tư dầm chủ và chân 2 trụ tháp

Hình 2.12 Thiết bị GPS hãng Trimble

2.2.12 Cảm biến sợi quang (Fiber Optical Sensor)

Sợi quang (Optical fibers) có thể được sử dụng như là các cảm biến để đo biến dạng, nhiệt độ, áp lực/áp suất, và một số tham số khác Với đặc điểm kích thước nhỏ gọn và không cần nguồn điện, cảm biến sợi quang FOS có ưu điểm hơn

so với cảm biến điện (dựa trên nguyên lý thay đổi điện áp) truyền thống trong nhiều ứng dụng thực tế, trong đó có công trình cầu

Hình 2.13 Một số ví dụ về cảm biến sợi quang FOS

Trong lĩnh vực cảm biến sợi quang, cảm biến FBG (Fiber Bragg Grating) đang được quan tâm phát triển trong thời gian gần đây Nó có nhiều ưu điểm so với cảm biến FOS, nổi bật nhất là đại lượng đo được mã hóa trực tiếp dưới dạng chiều dài sóng, đây là tham số tuyệt đối và không bị nhiễu trên đường đi của ánh sáng

Hình 2.14 Lắp đặt cảm biến đo biến dạng FBG ở cầu TsingMa

Ngoài ra, hệ thống các cảm biến còn có các thiết bị khác như:

 Cảm biến tốc độ;

 Cảm biến đo lượng mưa cung cấp dữ liệu thông tin về mưa;

 cảm biến đo chuyển vị cực đại đo chuyển vị tại gối cầu như góc xoay hay chuyển vị theo phương ngang, v.v

Hệ thống thu nhận dữ liệu – Data Acquisition System viết tắt là DAS có nhiệm vụ thu nhận từ các cảm biến đo, xử lý số liệu sơ bộ, lưu trữ tạm thời sau đó truyền dữ liệu về bộ phận trung tâm đối với các cầu nhỏ, số lượng cảm biến quan trắc ít, có thể bố trí 1 DAS, đối với các cầu có kích thước lớn, số lượng cảm biến nhiều thường bố trí nhiều trạm thu nhận dữ liệu con – Data Acquisition Unit viết tắt

là DAU, các cầu lớn thường có nhiều DAU truyền dữ liệu về trung tâm Mỗi DAU thu nhận dữ liệu từ một số các cảm biến nhất định, có thể là các cảm biến có vị trí gần nhau, mục đích để giảm thiểu chiều dài cáp, hạn chế tác động nhiễu Các dữ liệu sau khi được xử lý sơ bộ được truyền qua hệ thống các dây cáp hoặc qua mạng không dây về trung tâm điều khiển chính

Hệ thống thu nhận dữ liệu gồm có 2 phần cơ bản: phần cứng, phần mềm thu nhận dữ liệu và phần phụ là ngoại vi phục vụ [5]

 Phần cứng thu nhận dữ liệu có nhiệm vụ thu nhận, hiệu chỉnh, chuyển đổi và truyền tới máy tính Các cảm biến sau khi chuyển đổi các dạng năng lượng khác nhau thành tín hiệu điện hoặc tín hiệu tương tự, sẽ được truyền tới bộ hiệu chỉnh và biến đổi của phần cứng, bộ hiệu chỉnh và biến đổi sẽ biến đổi thành dạng số tương ứng để máy tính có thể làm việc được Các bộ thu nhận

dữ liệu phải có bộ nhớ đệm để làm bộ nhớ tạm thời khi tính toán và lưu trữ trong một khoảng thời gian nhất định trước khi truyền đi

 Khi số điểm đo lớn hơn 30 hoặc cự ly xa hơn 80m, để tối thiểu hóa số lượng

và chiều dài cáp, các điểm đo sẽ được nối với một cáp chung tới thiết bị đo

Cấu trúc này thuận lợi cho quản lý hơn là mỗi điểm đo lại nối với thiết bị bằng một đường cáp riêng Nếu số điểm đo hoặc cự ly lớn hơn nhiều, có thể tách thành các mạng con, đường truyền trong mạng con bằng dây đồng, sau

đó nối với cáp chính bằng sợi cáp quang (cáp quang có nhiều ưu điểm như có thể truyền dữ liệu xa, không gây chập mạch… nhưng giá thành vẫn còn đắt) Nguyên tắc chung để thiết kế phần cứng là: dùng từ 5-60 điểm đo cho một DAU, lớn hơn 60 thì tách thành hai DAU để thuận tiện cho quản lý và bảo trì

 Phần mềm thu nhận dữ liệu: có nhiệm vụ cho phép người sử dụng thao tác và giao diện với máy tính Phần mềm gồm có 2 dạng: phần mềm kích hoạt và phần mềm ứng dụng Sau khi trao đổi thông tin giữa phần thu nhận dữ liệu

và phần mềm ứng dụng, phần mềm ứng dụng liên kết người sử dụng với hệ thống thu nhận dữ liệu, cho phép người sử dụng cấu hình và điều khiển phần cứng

 Ngoại vi phục vụ thu nhận dữ liệu bao gồm cáp dẫn tín hiệu, cọc đấu nối và dắc cắm, hộp che, hộp đấu nối và các thiết bị phụ trợ khác Trong đó, cáp dẫn đóng vai trò cần thiết để cấp nguồn cho mạch điện và truyền tín hiệu từ các cảm biến đến hệ thống thu nhận dữ liệu và máy tính Khi lắp đặt cáp truyền dẫn cần chú ý giảm thiểu chiều dài và số lượng cáp, trong trường hợp cần thiết có thể kết hợp dùng hệ không dây Ngoài ra, các thiết bị đấu nối, hộp che… là các thiết bị không thể thiếu để đấu nối các cáp dẫn và bảo vệ chống nước, tác động môi trường, v.v…

Từ đó, chúng ta có một số tiêu chí để lựa chọn hệ thống thu nhận dữ liệu cho

hệ thống quan trắc độ tin cậy, quy mô của nhà sản xuất, dễ sử dụng, được hỗ trợ kỹ thuật là tiêu chí chủ quan Tiêu chí khách quan là xem xét các tính năng kỹ thuật của thiết bị như bộ xử lý tín hiệu, bộ chuyển đổi tín hiệu, tốc độ, độ chính xác, v.v

Mỗi loại cảm biến cần những bộ xử lý khác nhau, sẽ không có bộ xử lý vạn năng nào cho tất cả các loại cảm biến do vậy sẽ có nhiều bộ xử lý trong hệ thống Yêu cầu của các bộ xử lý tín hiệu bao gồm:

 Khuếch đại hoặc giảm tín hiệu từ đầu ra của cảm biến tùy theo mức tín hiệu

 Lọc các tín hiệu không mong muốn và cách ly tín hiệu cảm biến tránh gây nhiễu tới bộ chuyển đổi tín hiệu

Các bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số được lựa chọn dựa trên tốc độ và độ chính xác của yêu cầu đề ra:

 Tốc độ là đại lượng để xác định xem hệ thống thu nhận dữ liệu nhanh đến đâu để tương thích với sự thay đổi theo thời gian của tín hiệu mà vẫn đảm bảo được độ chính xác của phép đo đặc tính này biểu thị ở dạng tần số (Hz)

 Độ phân giải là khả năng đo được nhỏ nhất khi có sự thay đổi đầu vào và nó

là một tham số để xác định độ chính xác của phép đo Một bộ chuyển đổi có

độ phân giải cao sẽ cho độ chính xác lớn hơn

2.4 HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU

Hệ thống truyền dẫn dữ liệu có nhiệm vụ truyền tín hiệu từ các DAU đến khối điều khiển trung tâm Trước tiên, để có hệ thống truyền dữ liệu phù hợp ta phải xem xét một số các tiêu chuẩn như giao thức truyền tín hiệu, hệ thống bus và đường truyền

Giao thức truyền tín hiệu chính là ngôn ngữ chung để bên cung cấp dịch vụ cũng như bên sử dụng dịch vụ đều phải tuân thủ để trao đổi Quy chuẩn về giao thức bao gồm một số thành phần cơ bản như cú pháp, ngữ nghĩa và trình tự thủ tục giao tiếp

Hệ thống bus được ví như là hệ thống giao thông huyết mạch của cả hệ thống truyền dẫn dữ liệu để chuyển tải dữ liệu giữa các bộ phận, nhiều tuyến mạch kết nối đã được lập ra Do có chức năng tương đồng với tuyến xe buýt trong cuộc sống

mà tuyến mạch kết nối này cũng được đặt tên là bus để lựa chọn một hệ thống bus phù hợp cần đảm bảo: đáp ứng yêu cầu về tính tin cậy và bảo toàn, giao thức truyền

dữ liệu và truy nhập dữ liệu đơn giản, đáp ứng được cự ly và tốc độ truyền thông cho hệ thống quan trắc

Lựa chọn đường truyền đồng bộ với hệ thống bus đã chọn theo các tiêu chuẩn kỹ thuật về: số trạm tham gia (số điểm đơn vị, số trạm thu phát), tốc độ

truyền tải và chiều dài dây dẫn, cấu hình mạng, cáp nối (dây xoắn, cáp trơn…), điện trở đầu cuối, nối đất

Dữ liệu sau khi thu thập được, phân tích và có thể được truyền bằng nhiều cách đến với hệ thống quản lý dữ liệu

2.4.1 Thiết bị truyền dẫn dự liệu trực tiếp

Một trong những phương pháp phổ biến truyền dữ liệu từ các thiết bị thu nhận đến các thiết bị xử lý dữ liệu là truyền trực tiếp thông qua hệ thống các dây dẫn

Một phương pháp khác để truyền dữ liệu đến bộ phận quản lý và xử lý tín hiệu trung tâm là sử dụng các sợi cáp quang Không giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, nguyên lý truyền tín hiệu của sợi cáp quang dựa trên hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần và công nghệ mã hóa thông tin vào các xung ánh sáng

có bước sóng khác nhau Chính vì sự khác biệt đó mà cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao và truyền xa hơn

Hình 2.15 Cấu tạo sợi cáp quang

Trong quá trình truyền, các xung ánh sáng bị vật chất làm cáp quang hấp thụ với một tỷ lệ nhất định nên trên đường truyền dẫn vẫn tồn tại sự mất mát Sự mất mát này tuy phụ thuộc vào chất lượng vật liệu làm cáp nhưng nói chung là thấp hơn rất nhiều so với mất mát tín hiệu trong môi trường truyền dẫn bằng dây lõi đồng

Một phương pháp nhằm khắc phục những hạn chế trên là sử dụng hệ thống truyền dẫn thông qua mạng không dây hoặc hệ thống mạng Internet truyền dữ liệu đến các máy trạm ở những vị trí bất kỳ hoặc kết hợp những phương pháp trên

2.4.2 Thiết bị truyền dẫn dữ liệu qua mạng

Do những hạn chế về khoảng cách truyền trong quá trình truyền dẫn dữ liệu sang các thiết bị lưu trữ, phân tích, xử lý mà các thiết bị truyền dẫn trực tiếp không còn được sử dụng rộng rãi, đặc biệt đối với các cầu lớn cần phân tích, xử lý và quản

lý dữ liệu đo ở nhiều nơi khác nhau thậm chí cách xa hàng nghìn km

Hiện nay, việc truyền số liệu quan trắc trong một hệ thống SHM thường sử dụng kết hợp 3 mạng sau:

 Mạng Lanworks: mạng này được sử dụng để truyền dữ liệu từ các cảm biến

đo và các bộ khuyếch đại tín hiệu (amplifier) tới các máy tính đặt tại công trường,

 Mạng cục bộ (mạng LAN): mạng này sử dụng để truyền các dữ liệu thu thập 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, người thiết kế…) có thể truy cập tới cơ sở dữ liệu trên máy chủ tìm kiếm các thông tin cần thiết về tình trạng kỹ thuật của công trình

2.5 HỆ THỐNG XỬ LÝ DỮ LIỆU

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

2.5.1 Khối quản lý dữ liệu

Khối quản lý dữ liệu có chức năng phân tích các tín hiệu được truyền tới từ khối thu thập để đưa ra các đặc trưng phục vụ cho việc đánh giá trạng thái kỹ thuật của cầu Khối này phân tích các yếu tố do môi trường và phương tiện giao thông tác động lên cầu như sóng, gió, nhiệt độ, địa chấn, mật độ giao thông… và phân tích các đặc trưng của đáp ứng của cầu đối với các tác động đó Sau đó, khối này có nhiệm vụ lưu trữ các đặc trưng này theo thứ tự thời gian và phân tích xu hướng phát

triển của chúng Công cụ chính của khối này là máy tính với khả năng lưu trữ lớn và các phần mềm phân tích chuyên dùng kèm theo

2.5.2 Khối xử lý số liệu

Khối xử lý dự liệu có chức năng đánh giá tổng hợp sức khỏe của cầu một cách trực quan và định lượng thông qua mối quan hệ giữa cách ứng xử của kết cấu

và các dao động đặc trưng Việc đánh giá không chỉ thông qua các số liệu trực quan

mà còn qua các dữ liệu thống kê

Nội dung chính trong hệ khối xử lý số liệu tóm tắt như sau:

 Đo đạc và quan sát sự thay đổi về dao động riêng và các yếu tố môi trường tác động lên cầu

 Đánh giá định lượng cả ứng xử của cầu và dao động riêng của hệ thống

 So sánh một cách có hiệu quả giữa cách đánh giá và các yêu cầu thiết kế

 Ghi lại các dao động bất thường ví dụ như khi có xe quá trọng vượt qua, có

va chạm gây bởi tàu và đối chiếu chúng với các tiêu chí thiết kế

 Quan trắc trực quan và định lượng sức khỏe của cầu dựa trên dữ liệu thực tế

và dữ liệu qua phân tích

 Đưa ra cảnh báo dựa trên các giá trị tới hạn hay giá trị biên thu được từ phân tích độ nhạy của cầu

 Đưa ra các cảnh báo cho các phương tiện qua cầu dựa trên các giá trị tới hạn được thiết lập sẵn

 Cung cấp các thông tin cần thiết về công tác bảo dưỡng cho người làm nhiệm

vụ kiểm tra cầu

CHƯƠNG 3

HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU

3.1 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU TRÊN THẾ GIỚI

3.1.1 Cầu Akashi Kaikyo, Nhật Bản

Cầu dây võng Akashi Kaikyo (Hình 3.1) hiện đang giữ kỷ lục thế giới về chiều dài nhịp (1991m), được khánh thành vào ngày 05 tháng 4 năm 1998 Mặc dù cây cầu được xây dựng trong môi trường tự nhiên khắc nghiệt tại cửa biển, thời gian khai thác của cầu phải đảm bảo hơn 100 năm vì vai trò quan trọng của nó và chi phí xây dựng rất đắt (khoảng 500 tỷ Yên Nhật, tương đương với 3,6 tỷ USD)

Hình 3.1 Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản)

Hệ thống quan trắc của cầu Akashi Kaiyo (Hình 3.2) bao gồm 75 cảm biến (đo địa chấn, đo gió, gia tốc, vận tốc, chuyển vị, nhiệt độ, …)

Hình 3.2 Hệ thống quan trắc của cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản) [15]

3.1.2 Cầu Tatara, Nhật Bản

Cầu Tatara (Hình 3.3), nối đảo Ikuchi và Oumishima của Nhật, là cây cầu dây văng dài nhất thế giới tại thời điểm hoàn thành (tháng 4 năm 1999) với nhịp chính dài 890m và tổng chiều dài là 1,480m

Hình 3.3 Cầu Tatara (Nhật Bản)

Tương tự như cầu Akashi Kaikyo, cầu Tatara được lắp đặt nhiều cảm biến cho công tác giám quan trắc nhưng với số lượng ít hơn (Hình 3.4)

Hình 3.4 Hệ thống quan trắc của cầu Tatara (Nhật Bản) [15]

3.1.3 Cầu Tsingma, Hồng Kong

Cầu Tsing Ma (Hình 3.5), khánh thành ngày 27/04/1997, là cây cầu treo có nhịp lớn thứ bảy thế giới (1.377m), được thiết kế cho cả giao thông đường sắt lẫn đường bộ Cầu có hai tầng: tầng trên có sáu làn xe cao tốc, tầng dưới gồm 2 làn tàu hỏa và 2 làn đơn dành cho việc bảo dưỡng

Hình 3.5 Cầu Tsingma (Hồng Kong)

Hệ thống cảm biến sử dụng cho quan trắc cầu Tsingma (Hình 3.6) gồm: máy

đo gia tốc, máy đo biến dạng, phong kế, cảm biến nhiệt, hệ thống cân động Hệ thống này tiến hành đo tất cả mọi thứ, từ nhiệt độ mặt đường nhựa, biến dạng trong các phần tử cho tới tốc độ gió, độ võng và bất kỳ những chuyển động nào của hệ mặt cầu và tháp Với hơn 350 cảm biến, các ứng xử của cầu được ghi nhận suốt 24 giờ một ngày, bảy ngày một tuần và hệ thống cảnh báo sớm cho cầu, cũng như cung cấp các thông tin cần thiết giúp Sở Giao thông Hồng Kông để theo dõi chính xác các điều kiện làm việc nói chung của cầu

Hình 3.6 Hệ thống quan trắc của cầu Tsingma (Hồng Kong) [15] 3.2 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU Ở VIỆT NAM

Nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn của công tác duy tu, bảo dưỡng cầu, nhất là cầu nhịp lớn tại Việt Nam, hệ thống quan trắc cầu đã từng bước được áp dụng tại Việt Nam, đặc biệt sau khi Bộ GVTV ban hành Thông tư 52/2013/TT-BGTVT quy định về quản lý, khai thác và bảo trì công trình đường bộ, trong đó yêu cầu các công trình cầu có nhịp dài hơn 150m hoặc trụ cầu cao hơn 50m phải được lắp đặt hệ thống quan trắc [11]

Đến cuối năm 2013, đã có 7 hệ thống quan trắc được lắp đặt tại cầu Rạch Miễu, Cần Thơ, Bãi Cháy, Bính, Rào 2, Trần Thị Lý, Nhật Tân, cung cấp cho các đơn vị quản lý cầu những dữ liệu quan trọng trong công tác duy tu, bảo dưỡng công trình cầu [4]

3.2.1 Cầu Bính, Hải Phòng

Cầu Bính (Hình 3.7) bắc qua sông Cấm ở Thành phố Hải Phòng, Cầu Bính

có chiều dài 1.280 m, rộng 22,5 m, cho bốn làn xe cơ giới và hai làn xe thô sơ, chiều cao thông thuyền 25 m cho phép tàu 3.000 tấn qua lại, kết cấu dầm thép bêtông liên hợp, liên tục 17 nhịp, hai tháp cầu bằng bêtông cốt thép có chiều cao tới 101,6 m với 80 bó cáp bố trí thành hai mặt

Bảng 3.1 Các thiết bị quan trắc cầu Bính [12]

3.2.2 Cầu Cần Thơ

Cầu Cần Thơ (Hình 3.9) là cầu dây văng có nhịp chính dài nhất Đông Nam

Á (550m) tại thời điểm khánh thành (tháng 4/2010), nối thành phố Cần Thơ và tỉnh Vĩnh Long với tổng mức đầu tư khoảng 342.6 triệu USD

Hình 3.9 Cầu Cần Thơ

Năm 2012, cầu được lắp đặt hệ thống quan trắc (Hình 3.10 và Bảng 3.2) do công ty CHODAI thiết kế, NNT Data thi công và Tổng cục đường bộ quản lý nhằm mục đích tăng cường khả năng khai thác cầu

Hình 3.10 Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ [13]

Bảng 3.2 Hệ thống đo lường SHM cầu Cần Thơ [13]

Nhiệt kế

Nhiệt độ tháp phía Nam Tháp phía Nam 4 Nhiệt độ tại MC mối nối Nhịp phía Nam 4

Cạnh tháp phía Bắc 1 Văn phòng quản lý 1

Gia tốc kế (di động) Đặc trưng rung động Phân tán 3 Máy đo biến dạng Biến dạng dầm thép Giữa dầm thép 8 Gia tốc kế (cố định) Rung động cảm ứng Cáp dài nhất 8

3.2.3 Cầu Rạch Miễu

Cầu Rạch Miễu (Hình 3.11), khánh thành tháng 1/2009, là cây cầu dây văng hiện đại đầu tiên do Việt Nam tự đầu tư, thiết kế và xây dựng Với nhịp chính dài 270m, cầu Rạch Miễu đóng vai trò rất quan trọng trong việc kết nối các tỉnh duyên hải miền Tây với TP Hồ Chí Minh, giảm tải cho quốc lộ 1A

Hình 3.11 Cầu Rạch Miễu

Để đảm bảo cho việc khai thác cầu được thuận lợi, một hệ thống quan trắc cũng đã được lắp đặt cho cầu (bảng 3.3), trong đó các thông số liên quan đến biến dạng và dao động của cầu sẽ được cập nhập thường xuyên, cung cấp cho chủ đầu tư những thông tin liên quan đến tình hình thực tế của cầu