hệ thống đo tự động kỹ thuật số và ứng dụng xác định tình trạng cầu

Hệ THốNG ĐO Tự ĐộNG Kỹ THUậT Số Và ứNG DụNG XáC
ĐịNH TìNH TRạNG CầU
AUTOMATIC DIGITAL MEASUREMENT SYSTEM AND
APPLICATION IN VERIFYING STATUS OF BRIDGES
Ngô Kiều Nhi, Phan Đức Huynh, Nguyễn Nam Trang, Phan Quốc Thái
Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng - Trờng Đại Học Bách Khoa TP.HCM

Tóm tắt
Dùng bộ giao tiếp với biến cảm điện trở dây (Strain-Connector) tự chế tạo, Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng
Dụng - Trờng Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tiến hành thử nghiệm đo các thông số cơ học của cầu cần
thiết trong quy phạm kiểm định cầu. Bài báo giới thiệu các kết quả thu đợc trong các đợt thử nghiệm với cầu
Rạch Chiếc (năm 2002- 03/2002). Các kết quả thử nghiệm cho ta thấy khả năng của hệ thống góp phần theo
dõi thờng xuyên tình trạng hoạt động thực tế của cầu.
Abstract
With the self-manufactured Strain-Connector, the Laboratory of Applied Mechanics - University of
Technology manages to measure mechanical parameters required in the bridge verifying process. This
article shows the results from the tests with Rach Chiec bridge (year 2000 and March 2002). The results from
those tests prove the ability of the system to regularly verify the operation status of the bridge.

I. các đại lợng cần đo và các thiết bị hiện sử dụng trong quá
trình kiểm định cầu.
Chế độ kiểm tra đối với các công trình xây dựng nói chung và cầu nói riêng hiện chỉ tập
trung ở khâu kiểm định. Thực chất kiểm định là thử nghiệm sau khi hoàn tất xây dựng mới
hay sau sửa chữa lớn hoặc thử nghiệm trớc khi quyết định có sửa chữa lớn hay không. Để
xét toàn diện hiện trạng cơ học của cầu cần có nhiều giám sát ở các bộ phận khác nhau đặc
biệt là trụ, mố, dầm, phổ biến nhất là đối với dầm. Trên Bảng 1 ở cột 2 và 3 là các đại lợng
cần đo và thiết bị sử dụng hiện hành [1] [4] đối với kiểm định cầu.
Bảng 1: Các đại lợng cần đo trong quá trình kiểm định
TT
Các đại lợng cần đo
Các thiết bị đợc

sử dụng hiện nay
[1] - [4]
Hệ thống tự động có thể đo
đợc không?
(1)
(2) (3) (4)
1
Độ võng
Độ võng lớn nhất
Độ võng theo thời gian
Võng kế
Đo trực tiếp
Đo trực tiếp
2
Biến dạng
Giá trị lớn nhất
Giá trị theo thời gian

Tenxơmet điện
Đo trực tiếp
Đo trực tiếp
3
Modun đàn hồi của bêtông
(cờng độ bêtông)
Súng bắn bêtông
Xác định giá trị tơng đơng bằng
tính toán, dựa vào giá trị đo biến
dạng, độ võng, hình học mặt cắt
dầm
4

Tần số riêng
Máy đo dao động
Máy ảnh
Tính toán từ số liệu đo đạc
5
Hệ số giảm chấn
Tính toán từ số liệu đo đạc
6
Hệ số xung kích
Tính toán từ số liệu
đo đạc
Tính toán từ số liệu đo đạc
7
Di chuyển trụ/ mố cầu
Tenxơmet cơ học Đo trực tiếp
8
Độ mở rộng vết nứt
Kính lúp
Máy siêu âm
Không đo đợc



Nhợc điểm của các thiết bị hiện đợc sử dụng nh sau:
1- Biện pháp ghi nhận là thủ công. Đọc và ghi chép lại bằng tay: chậm, kém chính xác,
huy động đông nhân lực, chỉ cho phép thu thập số liệu tĩnh.
2- Mỗi thiết bị sử dụng cho việc lấy số liệu 1 thông số, số lợng thiết bị dùng mỗi lần
đo lớn.
3- Điều kiện an toàn kém vì phải tiếp cận trực tiếp với vị trí đo, thờng là dới gầm
cầu. Trong quá trình kiểm nghiệm, tải đặt trên cầu lớn, do vậy rất không an toàn cho

ngời thực hiện nhiệm vụ.
4- Chỉ cho phép thực hiện đo đạc trong điều kiện thử nghiệm mà không thể thử nghiệm
trong quá trình khai thác, tức khi có giao thông trên cầu.
Chính vì các nhợc điểm trên mà việc kiểm tra tình trạng cầu đợc thực hiện rất hạn chế.
Với tình trạng giao thông ngày càng ở trong trạng thái căng thẳng nh lu lợng, tải trọng
lớn, vận tốc di chuyển trên cầu cao, thì việc giám sát trạng thái cơ học của cầu càng trở nên
cấp bách đối với cơ quan quản lý nhằm tránh các tổn thất to lớn đối với xã hội do các h
hỏng xảy ra bất ngờ.









a. Hiện tại, bằng biện pháp thủ công b. Tự động hóa bởi hệ thống thu số liệu kỹ thuật số.
Hình 1: Phơng pháp nhận số liệu trong quá trình kiểm định cầu

II. Bộ GIAO Tiếp Kỹ Thuật Số
2.1. đặc điểm kỹ thuật
Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng Trờng
ĐH Bách Khoa TP.HCM (PTNCHUD) đã chế
tạo thành công bộ giao tiếp với tấm biến cảm
điện trở dây từ năm 2000 (ký hiệu Strain
connector). Thiết bị này cho phép lấy số liệu
đo từ các cảm biến khác nhau, đặc biệt tấm
điện trở dây (Strain gage).
Trên Hình 2 là hình ảnh một số loại tấm điện

trở dây.


Hình 2: Một số loại tấm điện trở dây

Vì số kênh (số tín hiệu cho phép lấy song song) là 20 nên thiết bị này đợc ký hiệu là
Strain connector 20. Sơ đồ mạch thiết kế nh trên Hình 3.

















Hình 3: Sơ đồ khối thiết kế mạch kỹ thuật số của thiết bị Strain connector - 20
Mạch gồm 5 card Analog, mỗi card có 4 kênh đo dùng để khuyếch đại tín hiệu từ mạch cầu
Wheatstone. Tín hiệu từ tấm điện trở (Strain gage) rất nhỏ, do vậy đợc khuyếch đại và sau
đó đa đến bộ chuyển đổi A/D. Trên mỗi card có một bộ switch chọn kênh cho phép ta
chọn kênh cần đo trong số kênh đầu vào, hoặc quét tiếp nối cả 20 kênh. Nhờ card giao tiếp
mà Strain connector - 20 giao tiếp với vi tính.

Một chơng trình gồm 2 module đợc cài đặt trong máy tính:
- Module 1: chơng trình giao tiếp giữa máy tính với phần cứng, cho phép điều khiển
chuyển đổi A/D và thu nhận số liệu dạng số.
- Module 2: chơng trình tính toán để xử lý, hiển thị kết quả trên màn hình.
Trên Hình 4 là hình ảnh phần cứng hệ thống đo cầu do PTNCHUD chế tạo: gồm cảm biến
đo chuyển vị (Hình 4a) và Strain Connector 20 kênh (Hình 4b).





a. Cảm biến đo chuyển vị b. Strain connector - 20
Hình 4: Phần cứng hệ thống đo cầu
2.2. Các đại lợng đo trực tiếp và gián tiếp trong quá trình đo
cầu.
a- Các đại lợng đo trực tiếp gồm biến dạng và độ võng. Tín hiệu biến dạng tại 1 điểm
trên bề mặt dầm cầu nhận trực tiếp từ các tấm biến trở dán lên mặt dầm. Tín hiệu độ
võng nhận đợc từ cảm biến đo độ võng. Trên Hình 4b là cảm biến đo độ võng do
PTNCHUD chế tạo, cho phép đo chuyển vị tối đa 5cm sai số tối đa 0.1mm.
b- Các đại lợng đo gián tiếp:
- Độ võng đợc tính bằng các giải thuật [5].
- Tần số riêng đợc tính bằng giải thuật phân tích phổ.
- Độ suy giảm loga và hệ số giảm chấn.
- Hệ số xung kích.


Mạch Analog
4 kênh
Mạch Analog
4 kênh

Mạch Analog
4 kênh
Mạch Analog
4 kênh
Màn hình
hiển thị
Ngôn ngữ
lập trình
Card giao tiếp
với máy tính
Mạch chọn kênh và
chuyển đổi AD
Mạch Analog
4 kênh
III. Tổ chức thí nghiệm
3.1. Thiết bị
Sơ đồ toàn bộ thiết bị nh sau (Hình 5):




Hình 5: Sơ đồ hệ thống đo tự động kỹ thuật số
1- Các cảm biến hoặc là tấm biến trở hoặc cảm biến đo chuyển vị
2- Bộ giao tiếp 20 kênh
3- Máy tính
3.2. Đặc điểm đối tợng thí nghiệm
a- Việc thử nghiệm đợc tiến hành nhiều lần tại cầu Rạch Chiếc và cầu Bình Điền II. Đặc
điểm của các cầu trên là dầm đều cùng loại bê tông ứng lực trớc, với chiều dài 24.7m.
Riêng tại cầu Rạch Chiếc, việc đo đạc đã đợc tiến hành trong 2 năm 2000 và 2002. Sở
dĩ các cầu trên đợc tiến hành thí nghiệm vì đã có nhiều số liệu từ các lần kiểm định

của các cầu có kết cấu tơng tự nh cầu Rạch Ông, cầu Ông Me, cầu Khánh Hội.
b- Các số liệu đợc thu thập ngay trong quá trình giao thông bình thờng. Điều này cho
thấy u điểm về sự tiện ích, an toàn của thiết bị. Tuy nhiên vì hạn chế về kinh phí nên
nhóm nghiên cứu cha thể thử nghiệm với tải chuẩn nh quy trình kiểm định yêu cầu.
3.3. Số liệu thu thập
Sau đây là một số số liệu trong đợt thử nghiệm từ ngày 24/03 đến 01/04 năm 2002 tại cầu
Rạch Chiếc.
3.3.1. Bố trí cảm biến
Các cảm biến bố trí trên dầm nh trên Hình 6








Hình 6: Bố trí cảm biến đo và vị trí trên dầm
P - Tấm điện trở đo biến dạng
CV - Cảm biến đo chuyển vị
Mỗi cảm biến đợc đa vào một kênh tơng ứng nh trên Bảng 2
Bảng 2: Số thứ tự kênh của các cảm biến
Số thự tự cảm
biến
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10
Số thứ thự kênh
K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10
Số thự tự cảm
biến
P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 CV1 CV2 CV3

Số thứ thự kênh
K11 K12 K13 K14 K15 K16 K17 K18 K19 K20
(Trong đó, P: Strain gage, CV: Chuyển vị kế)
Cảm biến Strain connecto
r
Máy tính
1 2
3
3.3.2. Phơng pháp lấy số liệu
Tại mỗi thời điểm thu thập số liệu ở 20 kênh với tốc độ lấy mẫu là 64Hz (64 tín hiệu/s).
Tổng số số liệu thu thập chứa hơn 1000 files, mỗi file lu tín hiệu theo thời gian của 20
kênh, mỗi kênh tối thiểu có 512 số liệu. Trên Hình 7 là các đồ thị thu đợc của 20 kênh
đồng thời.










Hình 7: Đồ thị tín hiệu biến dạng theo thời gian của file số 30 thu đợc ở 20 kênh
Trên Hình 8 là đồ thị từ 1 kênh chứa trong 36 files liên tục tức trong khoảng thời gian 288s.

Hình 8: Đồ thị kênh 5 chứa trong 36 files liên tục
3.4. Các thông số thu đợc
Ngoài các số liệu và đồ thị biểu diễn theo thời gian thể hiện trong các files và đồ thị, thì các
đại lợng quan tâm có thể rút ra đợc:
- Giá trị lớn nhất của đại lợng đo trực tiếp (chuyển vị, biến dạng) trên Bảng 3 cho ví dụ
các số liệu chuyển vị lớn nhất.
Bảng 3: Chuyển vị lớn nhất của dầm
Chuyển vị lớn nhất của dầm số 8 - Ngày 29-3-2002 (mm)

29-3-2002

17h30 17h50 19h30
1.662 0.520 2.754
Điểm đo 2 (CV2)
5.872 1.692 10.334
Điểm đo 3 (CV3) 1.555 0.857 2.521


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-50
0
50
100
150
Time(s)
S

t
r
a
i
n
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
-50
0
50
100
150
Time(s)
S
t
r
a
i
n
200 210 220 230 240 250 260 270 280
-50
0
50
100
Time(s)
S
t
r
a
i
n

Điểm đo 1 (CV1)
- Tần số riêng của bản mặt nhịp cầu (Hình 9, 10)










Hình 9 Hình 10
- Hệ số suy giảm loga
Trên Hình 11 là đoạn đồ thị từ số liệu thu đợc, cho ta thấy rõ dao động tự do tắt dần







Hình 11: Đồ thị dao động tắt dần
- Hệ số xung kích
Trên Hình 12 là đoạn đồ thị cho ta thấy rõ
hiện tợng dao động gây va chạm.

Hình 12: Đồ thị dao động cỡng bức
3.5. Đánh giá độ tin cậy của số liệu đo đợc
Do số liệu đo của nhóm nghiên cứu không phải trong điều kiện thử tải chuẩn, do vậy không
thể đối chiếu với số liệu kiểm định về 2 thông số: biến dạng và độ võng. Tuy nhiên các số
liệu phản ảnh trạng thái động: tần số riêng, hệ số suy giảm loga, hệ số xung kích của hệ ở
các điều kiện tải khác nhau đều phải thể hiện nh nhau.
Cùng trên nhịp 2 của cầu Rạch Chiếc, năm 2000, PTN CHUD đã dùng hệ thống đo tự động
thực hiện đợt đo đạc tơng tự nh đợt này. Trên Bảng 4 cho các số liệu xác định tần số
riêng và hệ số giảm chấn thực hiện trong 2 đợt đo năm 2000 và 2002.


0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
0
0.02
0.04
Tanso(Hz)
B
i
e
n
d
o
(
m
m
)
Pho phan tich tan so rieng
3.85Hz
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

0
0.2
Tanso(Hz)
B
i
e
n
d
o
(
m
m
)
Pho phan tich tan so rieng
3.95
Do thi dao dong tat dan
H e so giam chan: 0.1289
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
T hoi gian
Bien d

o
Bieu do chuyen vi dong
Van toc trung binh: 25-35km/h
H e so xung kich: 1+H SX K =1.22
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0
1 2 3 4 5 6 7 89
Thoi gian
Bien d
o
Bảng 4: Tần số riêng và hệ số giảm chấn. Xác định bảng hệ thống đo tự động tại cùng
nhịp của cầu Rạch Chiếc vào hai năm khác nhau.

Tần số riêng Hệ số giảm chấn
STT lần đo
Năm 2000 Năm 2002 Năm 2000 Năm 2002
1 3.86 3.8 0.12
0.132
2 3.84 3.85 0.117

0.1289
3 4 3.95 0.137
0.0959
4 3.99 4.2 0.1214
0.12343
5 3.97 3.79 0.099
0.12134
6 3.81 3.9 0.126
0.11964
7 4.04 4 0.127
0.1201
8 3.9 3.77 0.126 0.1345
9 3.87 4.1 0.119
0.1178
10 4.25 3.82 0.117
0.10697
Trung bình 3.953 3.918 0.12094 0.120058

Sai lệch số đo giữa 2 năm
Tần số riêng =
%100
953.3
918.3953.3
x

=0.88%
Hệ số giảm chấn = 0.73%
Trên Bảng 5 cho ta các kết quả về tần số riêng và hệ số giảm chấn của các cầu có cùng kết
cấu bê tông cốt thép nh sau:
Bảng 5:Tần số riêng và hệ số xung kích.

Kiểm định
Đo ngẫu nhiên bằng
hệ thống tự động
Quá trình xác định
Rạch Ông Ông me Khánh Hội Cầu Rạch Chiếc
Thời điểm xác định 11/97 [2] 9/97 [3] 11/97 [4] 3/2002
Tần số riêng (Hz) 3.5 4 3.5 3.918
1+Hệ số xung kích 1.15 1.19 1.16 1.2846
Theo kết quả trên Bảng 5 ta nhận thấy đợc các sai lệch số đo tần số riêng và hệ số xung
kích giữa 2 phơng pháp đo kiểm định và đo ngẫu nhiên bằng hệ thống đo của PTNCHUD
nh sau (Bảng 6):
Bảng 6: Sai lệch số đo tần số riêng và hệ số xung kích gia 2 phơng pháp đo kiểm định
và đo bằng hệ thống đo tự động của PTNCHUD.

Rạch Ông Ông Me Khánh Hội
Tần số riêng
10% 2% 10%
1+ Hệ số xung kích
11% 8% 10%

IV. Kết luận
a- Qua các đợt thử nghiệm cho thấy việc sử dụng hệ thống đo tự động kỹ thuật số đợc chế
tạo trong nớc sẽ nâng cao rất nhiều chất lợng đo đạc, giảm giá thành và cho phép tăng số
lần đo đạc kiểm tra
b- Hệ thống có thể đợc dùng không những trong quá trình kiểm định mà cả trong quá
trình khai thác.
c- Các số liệu sau đây có thể xác định ngay trong quá trình khai thác mà không phải tổ
chức đặc biệt nh hiện tại:
- Các thông số đánh giá trạng thái động: tần số riêng, hệ số giảm chấn, hệ số xung kích.
- Sự bất thờng về phân bố độ võng theo chiều dài cầu.

- Độ cứng tơng đơng của dầm.
- Biến dạng d.

V. TàI LIệU THAM KHảO
[1] Đề cơng kiểm định cầu Bình Triệu - Quận Bình Thạnh, Tp. HCM - Trờng ĐH Giao
Thông Vận Tải, chi nhánh Công ty T Vấn Triển Khai Công Nghệ Và Xây Dựng Giao
Thông, Tp.HCM 2001.
[2] Hồ sơ báo cáo kết quả kiểm định Cầu Rạch Ông, Quận 8 - Tp. HCM. Sở Giao Thông
Công Chánh Tp. HCM, khu Quản lý Công Trình QTCC, đơn vị thực hiện: Trung Tâm
Nghiên Cứu ứng Dụng Công Nghệ Xây Dựng; 11/1997.
[3] Thuyết minh kiểm định cầu Ông Me nhỏ, Km 2043+028 Quốc lộ 1A, tỉnh Vĩnh Long.
Trờng Đại Học Xây Dựng Hà Nội Trung tâm Kỹ Thuật Nền Móng Công Trình.
Hà Nội 9/97.
[4] Hồ sơ báo cáo kết quả kiểm định cầu Khánh Hội, Quận 4 - Tp. HCM. Sở Giao Thông
Công Chánh TP. HCM, khu Quản Lý Công Trình QTCC, đơn vị thực hiện: Trung tâm
Nghiên Cứu ứng Dụng Công Nghệ Xây Dựng; 11/1997.
[5] Ngô Kiều Nhi - Về đề nghị phơng pháp thực nghiệm xác định độ võng cầu. Tạp chí
Phát triển Khoa học Công nghệ, tập 3, tháng 04/2000, nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia
TP.HCM.
[6] Ngô kiều Nhi - Báo cáo nghiệm thu đề tài NCKH cấp Bộ Khảo sát hiệu quả sử dụng
thiết bị đo dao động đợc chế tạo để theo dõi tình trạng cầu
, Đơn vị thực hiện: Phòng
Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng Trờng ĐH Bách Khoa TP.HCM.
[7] Ngô Kiều Nhi - Báo cáo giám định đề tài cấp Thành phố Tự động hóa quá trình đo
phục vụ kiểm định và theo dõi trạng thái cơ học một số loại cầu, Đơn vị thực hiện:
Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng - Trờng ĐH Bách Khoa TP.HCM.