Proceedings VCM 2012 20 khả năng sử dụng số liệu đo dao động thực tế trong

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 133

Mã bài: 34
Khả Năng Sử Dụng Số Liệu Đo Dao Động Thực Tế Trong
Công Tác Quản Lý Kỹ Thuật Hệ Thống Cầu
Ability to Use Data Actual vibration in Engineering Systems
Management Work of Bridge
Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn
Trường ĐHBK Tp. Hồ Chí Minh
e-Mail: , ,
,
Tóm tắt:
Bài báo trình bày kết quả thí điểm tổ chức đại trà biện pháp dùng số liệu dao động thực tế để hỗ trợ công
tác quản lý hệ thống cầu. Nội dung nghiên cứu gồm: Kiểm tra khả năng tổ chức thu thập số liệu thường xuyên
đối với hệ thống gồm số lượng lớn cầu và khảo sát khả năng các số liệu đo được phản ảnh tình trạng “sức
khỏe” của chúng. Các đề xuất về quy trình tổ chức đo, quy trình xử lý số liệu cũng như quy trình phân loại tình
trạng kỹ thuật theo mức độ ưu tiên đã được đưa ra để các cơ quan quản lý xem xét và áp dụng.
Abstract:
The report presents the results of experimental organizations measures the actual vibration used to support
the management of system bridges. The contents of the study include: Testing the ability to organize regular
data collection system for large number of bridges and the ability to use survey data to measure. The proposed
organization process measurement, data processing, as well as state of the art classification process as priority
was given to the authorities to consider and apply.


Ký hiệu:
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

max
x
Giá trị cực đại của số liệu.
min
x
Giá trị cực tiểu của số liệu.
2
x
S

Phương sai của số liệu.
x
D
Độ lệch chuẩn.


x
S


Hàm mật độ phổ.
( )
x
R t
Hàm tự tương quan
2
[ ]
E x

Kỳ vọng

X(α) Hàm mật độ phổ
r

rad/s Tần số góc
y mm Độ võng
Chữ viết tắt
BTDƯL Bê Tông Dự Ứng Lực
T-LHT Thép-Liên Hợp Thép
Hsxk Hệ số xung kích
Bd Biên độ
SGTVT-Tp
HCM
Sở Giao Thông Vận Tải
Thành phố Hồ Chí Minh.
PTNCHUD Phòng thí nghiệm Cơ Học
Ứng Dụng

1. Mở đầu
Các địa phương thuộc khu vực đồng bằng sông
Cửu Long có một hệ thống sông ngòi, kênh rạch
chằng chịt. Hầu hết các đô thị trong khu vực
này đều nằm trên bờ sông hoặc ngã ba sông
trong hệ thống giao thông thủy lợi [1][2]. Thành
phố Hồ Chí Minh có khoảng 1000 cầu, các cầu
này luôn đóng vai trò quan trọng trong mọi hoạt
động kinh tế xã hội, vì vậy việc đảm bảo hoạt
động an toàn của chúng được đặc biệt chú trọng.
Tại Việt Nam việc theo dõi tình trạng cầu được
thực hiện bởi hai biện pháp:
- Tuần tra định kỳ hàng ngày hay hàng tuần,

nhiệm vụ là phát hiện kịp thời các hư hỏng trên
bề mặt của công trình và các bất thường về kết
cấu, các nguy cơ do môi trường gây ra.
- Kiểm định: nhằm xác định khả năng chịu tải
theo qui định nhà nước ban hành [3,4,5]. Theo
biện pháp này, tải dự kiến mà cầu sẽ chịu được
đặt lên cầu, khả năng chịu tải được thể hiện bởi
các số liệu đo: độ võng của nhịp, biến dạng, hệ
số xung kích, tần số riêng, độ xê dịch các bộ
phận như mố, gối, trụ… Biện pháp này xác định
các giá trị thực của các thông số cơ học tại thời
điểm tổ chức kiểm định. Nếu công tác kiểm định
thực hiện theo đúng chu kỳ quy định thì công tác
đánh giá khả năng làm việc, dự báo các hư hỏng
134 Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn

VCM2012
không gặp khó khăn. Tuy nhiên, tình hình thực
tế hoàn toàn khác. Do kinh phí tổ chức kiểm
định quá lớn, nên kiểm định chỉ được thực thi
khi tình trạng cầu có dấu hiệu hư hỏng nhiều,
cần thiết sửa chữa ngay. Vì vậy phần lớn các cầu
hoặc chưa từng được kiểm định hoặc chỉ được
kiểm định một lần trong suốt thời gian cầu được
xử dụng.
Trên thế giới, từ 20 năm nay, xuất hiện các hệ
thống đo liên tục các thông số trong điều kiện
chịu tải lưu thông thực tế. Trạng thái ứng xử của
cầu khi có lưu thông là dao động với các tần số
phụ thuộc vào tình trạng lưu thông. Tuy rằng

không thể xác định giá trị tải trong thật, nhưng
việc nắm bắt các thông số dao động thực của cầu
cho phép hình dung các ứng xử của toàn bộ cơ
hệ và từ đó suy ra tình trạng “sức khỏe” của nó.
Ý tưởng dùng các số liệu đo dao động thực tế
của các bộ phận để góp phần giải tỏa khó khăn
cho công tác quản lý về việc thiếu thông tin đo
đạt, đây là cơ sở hình thành dự án thử nghiệm tổ
chức đo dao động thực tế [6] trên một số khá
lớn tại thành phố Hồ Chí Minh được thực hiện
từ tháng 10 năm 2011 đến nay.
Mục tiêu của Dự án thử nghiệm nhằm đắnh giá:
- Khả năng tổ chức đo thường xuyên dao động
thực của đa số cầu trong mang lưới cầu thuộc
thành phố Hồ Chí Minh.
- Khả năng các số liệu thu thập được cho phép
đánh giá sơ bộ mức độ không hoàn thiện của kết
cấu, phân loại tình trạng cầu nhằm phục vụ cho
công tác lập kế hoạch duy tu của đơn vị quản lý.

2. Cơ sở lý thuyết
2.1. Lý thuyết cơ học
Với chiều dài đáng kể so với bề rộng các nhịp
hay các trụ thường được mô hình dạng thanh với
trạng thái chịu lực chủ yếu là uốn ngang phẳng.
Khi này ta coi nhịp tương ứng vơi mô hình dầm.

Hình 1: Dầm đơn chịu tải trọng tĩnh
Trong trường hợp mô hình như trên (H.1), nếu
P là lực tĩnh thì độ võng và biến dạng kéo lớn
nhất lần lượt cho bởi các công thức sau [6]:
 
 
 
2 2 2
2 2
0
6
2
6
Pbz
l z b z a
EJl
y
Pa l z
lz z a a z l
EJl

   







   


(1)

Trong đó:
y
: Độ võng của dẩm.

EJ
: Độ cứng chống uốn.

E
: Modun đàn hồi.
P : Tải trọng trên dầm.

J
: Moment quán tính diện tích đối
với trục
quán tính chính trùng với phương trục x.
Biến dạng tại vị trí lớn nhất được xác định bởi
[6] :

max
,max max
x
k
M
h
EJ


 (2)
Trong đó:

max
x
M : Moment uốn có giá trị lớn nhất

max
h
: Khoảng cách từ trục trung hòa
đến biên tiết diện, trong vùng kéo.








Hình 2: Dầm đơn chịu tải trọng di chuyển với
vận tốc
v
di chuyển dọc theo thanh dầm.
Nếu P di chuyển với vận tốc
v
dọc theo chiều
dài dầm (H.2) thì dao động cưỡng bức của dầm
[7].

 
 
3
2
2 2 2 2 2 2
1
4 2 2
3 2
3 2 2 2 2 2
1
sin
2
sin
sin
2
sin
i
i
i
i
i x
gPl i x
l
y
l
A
i i a v l
i x
gPl v i at
l

A a l
i i a v l


















(3)
Với:


:Khối lượng riêng trên đơn vị thể tích.

A
:Diện tích tiết diện mặt cắt ngang.
Và:
EJ

a
A









Hình 3: Dầm đơn chịu tải trọng biến thiên điều
hoà, di chuyển với vận tốc
v
dọc theo thanh
dầm.
Trong trường hợp (H.3) và P là lực biến thiên
với P= P
0
.cosωt và di chuyển với vận tốc
v
thì
dao động cưỡng bức của dầm theo [7].
l

v
P
z

y

x

z

y

v
l

P=P
0
.cos
(
ωt
)

x

P

b

a

l

y

x

z

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 135

Mã bài: 34

   
   
3
4 2 2
4 4
1
2 2 2 2
3
2 2
4 2 2
2 2 2 2 2 2
1
sin sin
sin
sin sin
sin
i
i
i
i
i v i v
t t
Pl i x

l l
y
lEJ
i i i i
i at i at
Pl i x
l l
l iEJ
i i i i
 
 


   
 
 

   




 
   
 
   
 
 
   
  

 
   
 
 
 
 
 
 
 
 
  
 
 
     
 
 
 
 
 


(4)
Trong đó:
vl
a


 ;
2





;
2
2
l
a


 ;
1
l
v


;
2
2




Dao động tự do không giảm chấn của dầm tựa
đơn có dạng:

 
1
sin cos sin
i

i i i i
i
i z
y C p t D p t
l



 

(5)
Trong đó:

i
C
;
i
D
: là các hằng số.

i
p
: là tần số riêng thứ i

2
i
i EJ
p
l A



 

 
 
(6)
Ứng xử thực tế của nhịp cầu có thể mô phỏng
bởi dần chịu uốn ngang phẳng, hoặc có thể chịu
uốn xoắn đồng thời hay dầm liên tục có nhiều
liên kết (H.4). Khi này việc tính độ võng cũng
như các tần số riêng sẽ phải thực hiện bằng các
giải thuật phức tạp hơn.




Hình 4: Dầm liên tục liên kết bởi các gốc tựa
đơn.
2.2. Lý thuyết xử lý số liệu
Theo định lý Fourier,thì mọi hàm biến thiên có
chu kỳ x(t), có thể thay thế bởi tổng của các
hàm dạng sin (hoặc cos, hoặc tổ hợp của chúng).
Trong Kỹ thuật, ý tưởng này được áp dụng, để
biểu hiện gần đúng cho các hàm x(t) bất kỳ
[8,11,12]:






1 1 1
( ) cos cos
i i i
x t A t A t
   
     
(7)
Mỗi hạng thức trong (7) gọi là 1 hài.
Trong đó:
i
A
- là biên độ của hài thứ i

i

- tần số của hài thứ i

i

- góc lệch pha của hài thứ i
Phép phân tích Fourier thuận thường được biểu
diễn ở dạng:

   
1
2
i t
X x t e dt










(8)


X

được gọi là hàm phổ của


x t

Khi phân tích một biến ngẫu nhiên, người ta
thường thông qua hàm tự tương quan


x
R

[8].












. .
x
R E x t x t E x t x t
  
   
   
   
(9)
Khi đó:
       
.
x
R x t x t p t dt
 


 

(10)
Nếu biến ngẫu nhiên thỏa mãn điều kiện thì:

( ) 0
x t dt






Khi
t
 
thì
( ) 0
x
R t
  

Hàm phổ cuả


x
R

được ký hiệu


x
S

[8]:

 
1
( )

2
i t
x x
S R t e dt








(11)
Với


x
S

được gọi là phổ mật độ công suất.
3. Nội dung thực hiện.
3.1. Thử nghiệm về khả năng triển khai tổ
chức đo.
Để đo thường xuyên toàn thể (hoặc gần như
vậy) các cầu trong mang lưới quản lý trở thành
một biện pháp trong quy trình quản lý tình trạng
của chúng thì cần xem xét các vấn đề sau:
- Khả năng thực thi trong điều kiện thực tiễn.
- Mức độ ích lợi của các thông tin từ số liệu đo
đem lại để phục vụ cho công tác quản lý.

3.1.1 Các yêu cầu về điều kiện tổ chức.
- Thao tác thu thập số liệu không cản trở lưu
thong. Yêu cầu này sẽ đáp ứng nếu quá trình đo
không đòi hỏi lắp đặt các dàn giáo, không sử
dụng các thiết bị cồng kềnh.
- Kinh phí thực hiện giới hạn, để thỏa mãn điều
kiện này cần giải quyết hai khâu:
 Thiết bị: khả năng chủ động về số lượng
và về công tác bảo trì, khả năng vận chuyển, di
chuyển gọn nhẹ, dễ xử dụng, quy trình thu thập
và lưu trữ dơn giản và tin cậy.
 Số lượng nhân sự thự thi ít, tốc độ thao
tác cao.
3.1.2 Yêu cầu khối lượng thực thi để kiểm
chứng.
- Số lượng cầu: 37, các cầu được chỉ định hoàn
toàn ngẫu nhiên, tập trung ở các khu vực quận 2,
9, Thủ Đức.
- Thông số đo: biến dạng, gia tốc dao động.
- Các bộ phận được đo: Về biến dạng mỗi cầu
một nhịp, tại mỗi nhịp và là 4 điểm đo (H.6a ),
thông thường sẽ chọn nhịp đầu tiên để tiện cho
việc lắp đặt thiết bị và thao tác đo đạc. Đối với
dao động, tất cả các nhịp có vị trí điểm đặt thiết
bị đo ngay tại điểm giữa của nhịp và đo theo 2
phương (x,z), tất cả các trụ, mố, gối đều đo theo
3 phương (x,y,z) (H 6.b).
136 Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn

VCM2012

- Số lượt đo: 4 lượt với tiến độ thực hiện như sau
(H.5).

Hình 5: Tiến độ thực hiện dự án đo 37 cầu của
SGTVT Tp HCM do phòng thí nghiệm Cơ Học
Ứng Dụng thực hiện.
- Tổng các đối tượng đo: 170 trụ, 205 nhịp, 60
gối. tổng số điểm đo 1 đợt là 1386 điểm đo giao
động và 165 điểm đo biến dạng

(a)

(b)
Hình 6a, Sơ đồ bố trí vị trí đo biến dạng thực tế.
6b, Sơ đồ bố trí vị trí đo dao động thực tế.
3.2. Thiết bị
3.2.1 Thiết bị đo biến dạng.
Cảm biến (sensor) dùng để đo biến dạng là cảm
biến biến dạng điện trở dây (H.7).

Hình 7: Cảm biến điện trở dây.
Dùng cảm biến điện trở dây trực tiếp để đo biến
dạng của cầu, ta sẽ gặp các khó khăn như sau:
- Thao tác gắn khó khăn, mất nhiều thời gian,
khó đảm bảo khối lượng công việc.
- Tín hiệu đầu ra bé.
- Tuổi thọ ngắn nên mỗi lần đo cần phải tổ chắc
gắn cảm biến mới
Được thử nghiệm bao gồm 4 lần đo kéo dài gần
1 năm với 148 vị trí gắn cảm biến. Để giải

quyết tốc độ thao tác, chuẩn lượng hệ thống đo,
tính kinh tế, chúng tôi đã đề xuất quy trình chế
tạo cảm biến như sau:
- Cảm biến sẽ bao gồm cảm biến biến dạng điện
trở dây gắn trên tấm đế mỏng. Cảm biến này
được nối với mặt cải thiện, toàn bộ 2 bộ phận
này sẽ được gắn cố định tại vị trí đo ở cầu
(H.8)(H.9).

Hình 8: Sơ đồ thiết bị đo biến dạng được gắn cố
định tại vị trí đo ở cầu.

Hình 9: Sơ đồ cảm biến được gắn thực tế tại
cầu.
Thao tác chuẩn hóa gồm 2 giai đoạn: Chuẩn hóa
riêng cảm biến (cảm biến điện trở dây và đế).
Chuẩn hóa toàn hệ thống bao gồm cụm thu nhận
tín hiệu. Độ sai số tối ta với toàn bộ hệ thống
được đảm bảo có phương sai dưới 1% trong điều
kiện phòng thí nghiệm.
P3500 vs 64K
y = 497.22x
R
2
= 1
0
100
200
300
400

500
600
700
800
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
64K_2
P3500_2 (Nhôm)
Lượt đi
Linear (Lượt
đi)

Hình 10: Đường hồi quy của quá trình chuẩn
hóa của một hệ thống đo biến dạng M76.
Bảng 1: Phương sai của hệ thống M76.


Hình 11: Cảm biến và bộ cải thiện sau khi
chuẩn hóa.


Hình 12: Sơ đồ thu nhận và xử lý số liệu biến
dang.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 137

Mã bài: 34

Hình 13: Quy trình thu nhận và xử lý tín hiệu
biến dạng thực tế.
Bộ thu nhận tín hiệu có các đặc điểm sau:
- Tổng số kênh lấy mẫu: 64 kênh

- Tần số lấy mẫu: 4kHz
- Cấu hình : ¼, ½ cầu Wheatstone, có tích
hợp datalogger, thu nhận tín hiệu đồng thời
nhiều kênh…
- Lưu file số liệu tự động.
3.2.2 Thiết bị đo dao động.

Hình 14: cảm biến và bộ thu thập tín hiệu dao
động.
Cảm biến dùng để đo dao động là cảm biến gia
tốc. Hệ thống đo dao động này cũng có các đặc
tính sau:
- Số kênh lấy mẫu: 4
- Tần số lấy mẫu: từ 1 đến 5kHz
- Sử dụng phần mềm ACC
- Thu nhận tín hiệu 4 kênh, giao tiếp trực
tiếp với máy tính, điều khiển và thu nhận tín
hiệu đồng thời, có khả năng đo theo cả 3 phương
x, y, z.
- Hiện đồ thị dao động, biểu điễn tín hiệu
theo thời gian, phân tích phổ theo tần số.
- Lưu file số liệu tự động.

Hình 15: Sơ đồ thu nhận và xử lý tín hiệu dao
động.
Toàn bộ quy trình chế tạo, lắp ráp và chuẩn hóa
được đưa ra và thực thi tại phòng thí nghiệm Cơ
Học Ứng Dụng trường đại học Bách Khoa
Thành phố Hồ Chí Minh.
3.3. Phân tích số liệu.

3.3.1 Các thông số cần xác định.
Theo quy trình kiểm định thì các thông số biểu
thị ứng xử khi chịu tải trọng cần được xác định
bao gồm như bảng 2:
Bảng 2: Các thông số theo quy trình Kiểm định

(*) : Tải trọng theo quy định .
(**): Dao động tự do.
Trong nghiên cứu này các tín hiệu đo thu thập
trong điều kiện lưu thông thực tế, do vậy trạng
thái ứng xử của cầu luôn là trạng thái động, và
các tải trọng của các phương tiện trên cầu tại
thời điểm thu thập số liệu hoàn toàn không xác
định được. Trạng thái dao động của cầu là ngẫu
nhiên, có lúc là dao động tự do, nhưng đa số thời
gian là dao động cưỡng bức phức tạp.
Một trong các mục tiêu khảo sát là đánh giá khả
năng xác định các thông số động được quy định
trong quy trình kiểm định từ các số liệu thu được
trong điều kiện đo ngẫu nhiên. Trên bảng 3 cho
các thong số cần xác định nêu trong Kiểm định
và khả năng đặc điểm xác định chúng trong điều
kiện thực tế.
Bảng 3: So sánh các thông số khảo sát.

Trong các thông số trên thì tần số riêng có thể
coi là đại lượng không phu thuộc vào lưu lượng
giao thông, nên sự thay đổi giá trị của nó thể
hiện cho sự thay đổi cơ tính, cũng như các điều
kiện liên kết của cơ hệ. Các thông số khác thì

phụ thuộc vào lưu lượng giao thông, điều này
cho biết ứng xử thực tế của cầu do đó không thể
dùng để làm thông số đặc trưng cho thông số cơ
bản biểu thị khả năng chịu lực của cầu.
- Biểu thị kết quả đo của các thông số phụ thuộc
lưu lượng giao thông.
Như (H.16) là đồ thị thu được từ một đoạn tín
hiệu tắn dần, hệ số xung kích dùng để đánh giá
khả năng giảm chấn của cầu, được đánh giá theo
công thức (12)
1 1
tinh
tinh
i
 


  
dong
(12)
138 Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn

VCM2012
Với: là giá trị đo.

Hình 16: Đồ thị từ thời điểm bắt đầu tắt dần
của số liệu đo thực tế tại cầu Bến Nọc.
Trên bảng 5 là giá trị tính của 9 mẫu số liệu thu
được khi dao động ở trạng thái suy giảm.
Đối với biến dạng, đáp ứng của cản biến biến

dạng khá chậm, vì vậy trong điều kiện xe lưu
thông liên tục thì đồ thị có dạng dao động, song
chứa thông tin tần số thấp (H.17a), trong trường
hợp chỉ có một xe đi qua thì đồ thị có dạng
(H.17b).

(a)

(b)
NUT 3
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250 300 350

(c)
Hình 17a: đồ thị biến dạng khi có nhiều xe lưu
thông tại cầu Mỹ Thủy 2
17b: đồ thị biến dạng khi có một xe lưu
thông tại cầu Làng.
17c: Đồ thị biến dạng của cầu Sài Gòn.
Các thông số phụ thuộc lưu lượng giao

thông được thể hiện bởi 2 yếu tố: giá trị lớn nhất
và biểu đồ phân bố tần suất. Điều kiện được gọi
là an toàn nếu giá trị lớn nhất không vượt quá
giá trị cho phép.



max
A A
 (13)
Trong đó:


A
được gọi là giá trị cho phép, các
giá trị này được cho bởi văn bản quy định của
Nhà nước – Quy định kiểm định cầu [9,10].
Trong (H.18) là biểu đồ phân bố tần suất giá trị
đo biến dạng trong một file đo của cầu Tăng
Long.

Hình 18: biểu đồ phân bố giá trị biến dạng có
tồn tại các giá trị vượt quá giới hạn cho phép.
Với:
Plim : tỉ lệ phần trăm (%) các giá trị vượt
ngưỡng
P : xác suất xuất hiện các giá trị vượt
ngưỡng.
Các biểu thị này cho phép đánh giá mức độ an
toàn phù hợp hơn so với sử dụng công thức (12)

- Biểu thị kết quả đo của các thông số không phụ
thuộc lưu lượng giao thông.
Trong các thông số trong Bảng 3 thì về mặt lý
thuyết chỉ có tần số riêng không phụ thuộc vào
trạng thái lưu thông. Trên bảng 4 là tần số riêng
nhịp dầm bê tông thứ 15 của cầu Sài Gòn qua
một lần kiểm định vào năm 2011 và 4 đợt kiểm
tra thuộc dự án vào năm 2012:
Bảng 4: So sánh giá trị tần số riêng của nhịp 15
tại cầu Sài Gòn qua các lần đo.

Theo quy định thì công trình cầu được coi là an
toàn nếu chúng tuần theo các điều kiện sau:
- Biến dạng < [biến dạng cho phép] ( phụ thuộc
vào vật liệu của đối tượng).
- Độ võng
1
1000
L
 với L là chiều dài của nhịp.
- Tần số riêng nằm ngoài khoảng 3,3
th
f


- Hệ số xung kích < 1,3
- Biên độ dao động < 7 mm
3.3.2 Đề xuất phương pháp thống kê.
Giá trị của các thông số được xác định theo quy
trình Kiểm định chỉ có 1, tuy nhiên trong điều

kiện lưu thông thực thế thì các giá trị này phân
tán trong một lần đo và trong các lần đo khác
nhau. Vì vậy chúng tôi đề xuất phương án biểu
thị chúng theo phương pháp thống kê bởi các
biểu đồ phân bố tần xuất. Trên (H.19a) và
(H.19b) là biều đồ phân bố tần xuất các giá trị
biến dạng và biều đồ phân bố tần số.

dong
tinh


Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 139

Mã bài: 34

(a) (b)
Hình 19(a): biểu đồ phân bố tần suất giá trị biến
dạng
(b): biểu đồ phân bố tần suất giá trị tần
số
4. Kết quả.
Sau 4 đợt đo tại 37 cầu chúng tôi có các kết quả
sau:
4.1. Biến dạng.
Giá trị biến dạng lớn nhất ở phần lớn điểm đo
nằm dưới giá trị cho phép. Trên (H. 20) là biên
độ phân bố tần suất.

Hình 20: Biểu đồ phân bố các giá trị biến dạng

tại cầu Tăng Long.
Trên hình, đường thẳng được tô đậm phía bên
phải biểu thị giá trị biến dạng cho phép tối đa.
Các trường hợp có giá trị của biến dạng lớn nhất
với giá trị cho phép xảy ra không đáng kể, dựa
vào biểu đồ thì tần suất xuất hiện của các trường
hợp này rất nhỏ.
4.2. Biên độ dao động.
Biên độ của tất cả các bộ phận bao gồm nhịp,
trụ, mố, gối đều nằm trong khoảng [0.5,5] mm,
nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị cho phép [biên
độ]= 7mm.

Hình 21: biểu đồ phân bố các giá trị biên độ
dao động với trục x thể hiện độ lớn của biên độ
và trục y thể hiện xác suất suất hiện của các giá
trị.
4.3. Hệ số xung kích.
Giá trị của hệ số xung kích dao động của các
nhịp của tất cả các cầu đều nằm trong khoảng
[1.01,1.47] cũng nhỏ hơn so với mức giá trị cho
phép.
Bảng 5: giá trị hsxk tính được từ các đoạn giảm
chấn khác nhau của đồ thị tín hiệu của (H.17)


4.4. Tần số riêng.
Quy trình kiểm định đưa ra phương pháp xác
định tần số riêng thấp nhất bởi tín hiệu dao động
tự do. Phổ công suất tín hiệu lúc này có dạng

như (H.23).

Hình 22: (a) Tín hiệu dao động.
(b) Phổ công suất thực tế.
Theo phổ này cho phép xác định tần số riêng
thấp nhất. Trên (H.23) là phổ công suất xây
dựng từ tín hiệu dao động thực tế đo tại nhịp 15
của cầu Sài Gòn.

Hình 23: Phổ công suất của 1 file tại nhịp 15
của cầu Sài Gòn.
Theo phổ này cho thấy sự hiện diện của 3 tần số
riêng. (H.24) là phổ công suất thống kê từ 10 file
dữ liệu tại nhịp 15 của cầu Sài Gòn.

Hình 24: Phổ công suất của 10 file dữ liệu tại
nhịp 15 của cầu Sài Gòn.
4.5. Đề xuất phương pháp đánh giá tình
trạng cầu.
4.5.1 Một số đặc điểm về tần số riêng thu
được từ tín hiệu ngẫu nhiên:
- Số lượng các tần số riêng thấp nhất xác định
được có thể lớn hơn 1, các nhịp của các cầu vượt
có 4 tần số riêng, nhịp cầu Sài Gòn có 3 tần số
riêng. Một số cầu, tùy vào thời điểm lưu thông
trong lúc thu thập các số liệu mà số tần số riêng
có thể xác định được là 1 hoặc 2.
- Tần số riêng tập trung vào các nhóm:
1. Nhóm cầu bê tông dự ứng lực.
(a)

(b)

140 Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn

VCM2012
2. Nhóm cầu thép, bê tông liên hợp thép.
3. Nhóm cầu vượt.
4. Nhóm trụ.
- Giá trị thu được của các tần số qua mỗi đợt đo
có thể xê dịch, tuy nhiên chúng được lập lại qua
các lần đo khác nhau, điều này lý giải bởi sự
khác biệt về tải trọng tại các thời điểm thu nhận
số liệu.
- Tỉ lệ giá trị giữa các tần số kề nhau cho thấy
trại thái chịu lực của nhịp có thể không uốn
thuần túy trong mặt phẳng thẳng đứng của từng
nhịp riêng lẻ, sự liên kết thực tế giữa chúng hay
trạng thái uốn xoắn có thể xảy ra.
- Sự phù hợp của giá trị tần số cùng phương
trong mặt phẳng ngang giữa trụ và nhịp kề nhau
cho thấy mức độ không cứng, vững của trụ.
- Phổ công suất cho thấy miền tần số cưỡng bức,
vùng này càng rộng khi lượng giao thông càng
lớn.
4.5.2 Cơ sở đề xuất đánh giá dựa trên các
nguyên tắc sau:
- Quy định do Nhà nước ban hành bao gồm hệ
số xung kích lớn nhất cho phép [hsxk]= 1,3, biên
độ dao động lớn nhất cho phép [bd] = 7 mm,

ứng suất lớn nhất cho phép đối với từng loại cầu,
tần số riêng nhỏ nhất cho phép [
z
f
] = 2,2 Hz
(theo tiêu chuẩn Việt Nam) hay [
z
f
] = 3,3 Hz
(theo tiêu chuẩn Nga) .
- Với các thông số phụ thuộc vào lưu lượng giao
thông, giá trị lớn nhất có thể đạt hoặc vượt quy
định. Việc quy định tần suất xuất hiện của chúng
là bao nhiêu còn cần nguyên cứu thêm để đề
xuất.
- Quan hệ giá trị tần số riêng theo 3 phương (x,
y, z) của nhịp đặc biệt giữa phương thẳng đứng
(z) và phương ngang (x), giữa các phương của
nhịp với các phương trong mặt phẳng nằm
ngang (x, y) của trụ: đối với nhịp tần số theo
phương z (
z
f
) và tần số theo phương x (
x
f
) là
dấu hiệu của uống xoắn. Trong trường hợp
z
f

bé thì nguy cơ xảy ra mất ổn định cao.
- Giá trị tần số
z
f
của nhịp và của trụ: giá [
z
f
]
này càng gần giá trị thì càng nguy hiểm. Hai
dạng thường tổng kết được đề xuất:
a, Thể hiện các giá trị được xác định, đánh dấu
sự hiện diện các giá trị nằm ngoài mức cho
phép. Qua (H. 25) đối với nhóm cầu BTDUL
vẫn tồn tại một số cầu nằm ngoài vùng giá trị
cho phép. Tuy nhiên lại không xảy ra tình trạng
này ở nhóm cầu T-LHT như hình (H 26).

Hình 25: thể hiện giá trị tần số của nhóm cầu
BTDUL.

Hình 26: thể hiện giá trị tần số của nhóm cầu T-
LHT.
4.5.3 Phân loại nhịp và trụ trên cơ sở phối hợp
trên các nguyên tắc (4.5.2) nêu trên. Từ đó các
nhịp và trụ phân làm 4 loại. Các đề xuất này mới
được đưa ra lần đầu trên cơ sở khảo sát 37 cầu
với 205 nhịp trong Dự án “thí điểm đo dao động
– biến dạng công trình cầu” mà chúng tôi được
tiếp cận. Việc phân loại cầu cần có thêm thời

gian cũng như số lượng cầu được khảo sát nhiều
hơn. Kết quả phân loại nhịp, theo phương pháp
được đề xuất bên trên, đối với 37 cầu của Dự án,
như trong bảng 6:
Bảng 6: Thống kê và phân loại các nhịp cầu.

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 141

Mã bài: 34

Đối với trụ cũng được xem xét và phân loại như
trên nhằm đưa ra nhưng cảnh báo sớm về tình
trạng trụ cầu. Với 170 trụ được chia thành 3
nhóm như trong bảng 7.
Bảng 7: Thống kê và phân loại các trụ cầu.

Mục tiêu:
- Với cách phân loại này giúp các cơ quan quản
lý tập trung vào các bộ phận yếu nhất, cụ thể
nhất để việc kiểm tra kỹ càng hơn. Kiểm định sẽ
không dàn trải.
- Dự trù kế hoạch, kinh phí có cơ sở định lượng
rõ ràng hơn. Trên bảng 8 là hình ảnh báo cáo
của CẦU CÁ TRÊ 2 phối hợp cả số liệu đo và
chỉ ra các thông số có giá trị vượt ngưỡng và
phân loại các đối tượng ( đối tượng chỉ có một
nhịp)
Bảng 8: mẫu báo cáo cầu Cá Trê 2

5. Kết luận.

- Khả năng đưa biện pháp đo dao động thực tế
theo định kỳ để kiểm soát tình trạng của toàn bộ
hệ thống cầu được minh chứng khả thi thông
qua việc tổ chức đo 4 lần trong vòng 8 tháng với
tổng số 37 cây cầu. Khả năng này được đảm bảo
bởi các biện pháp công nghệ cho phép chủ động
về mặt thiết bị đo.
- So với số liệu cung cấp bởi kiểm định về tình
trạng động thì số liệu thu được trong đợt thử
nghiệm này phong phú hơn nhiều ( bảng 9). Khả
năng quan sát đồng bộ mọi chi tiết cầu cho phép
đánh giá các liên kết, trạng thái chịu lực liên
hợp.
- Biện pháp đo dao động thực tế cho phép cập
nhật thường xuyên thông tin toàn bộ các cầu,
khắc phục hiện tượng khan hiếm thông tin hiện
tại bởi sự hạn chế về mặt kinh phí.
- Bước đầu khai thác các số liệu, nhóm nguyên
cứu đề xuất phương án phân loại các chi tiết chủ
yếu ( nhịp, trụ) hỗ trợ công tác quản lý của các
đơn vị chức năng.
- Kết quả phân loại chi tiết đang được sở GTVT-
Tp HCM xem xét ứng dụng thử nghiệm, tuy
nhiên công việc này cần thời gian lâu dài để
hoàn thiện hơn.
Bảng 9: so sánh thông tin Kiểm định và đo dao
động thực tế.

6. Tài liệu tham khảo.
[1] Van Thai Tran, Van An Huynh, Tuong Long

Nguyen,Solution for The Steel Bridge in Mekong
Delta River, Ho Chi Minh University of
Technoloy, Viet Nam
[2] Quy hoạch tổng thể các vùng kinh tế trọng
điểm, Bộ Kế Hoạch và Đầu Tư
[3] Quy trình về kiểm định 22TCVN 18-79
142 Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn

VCM2012
[4] Quy trình về kiểm định 22TCVN – 272 - 01
[5] Quy trình về kiểm định 22TCVN – 272 – 05
[6] Ngô Kiều Nhi, Đề xuất phương án bổ sung số
liệu đo và quy trình phân loại sơ bộ cầu, báo cáo
hội thảo cầu, Sở Giao Thông Vận Tải, Tp Hồ Chí
Minh, 12/2011
[7] Timoshenko.S, Vibration Problems In
engineering, “Hayka” (nhà xuất bản Nga),1967
[8] D.E.Newland, An introduction to Random
Vibrations and Spectral analysis, second edition,
Copublished in the United States with John Wiley
& Sons, Inc., New York.
[9] Quy trình về kiểm định 22TCVN 243-98.
[10] Quy định thử nghiệm cầu 22TCVN 170-87.
[11] Phạm Thượng Hàn, Xử lý số tín hiệu và ứng
dụng, NXB Giáo Dục -2007
[12] Christian Lalanne, Mechanical Vibration &
Shock Randon Vibration, volume III, Inc. 1999.

7. Lời cảm ơn.
Nhóm nghiên cứu cám ơn Sở GTVT- Tp HCM

đã tài trợ cho dự án thí điểm đưa biện pháp đo
dao động thực tế để bổ sung thông tin phục vụ
quản lý mạng lưới cầu.




Ngô Kiều Nhi nhận bằng kỹ
sư thạc sĩ chuyên ngành Động
lực học và Sức bền máy, bằng
tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành
Nguyên lý máy tại trường Đại
học Bách Khoa thành phố
Kharkov, Liên Xô. 1970-
1974 – là cán bộ giảng dạy của trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội.Từ 1975 đến nay là cán bộ
giảng dạy của trường Đại Học Bách Khoa Tp.
Hồ Chí Minh. Năm 2004- được nhận chức danh
Giáo sư. Năm 2006 được nhận danh hiệu Nhà
Giáo Nhân Dân. Là trưởng phòng PTN CHUD
trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM từ 1993
đến nay. Hướng nghiên cứu chính :Theo dõi và
chẩn đoán tình trạng máy móc, kết cấu công
trình;Kỹ thuật đo lường, cân bằng và thiết kế chế
tạo thiết bị đo, máy cân bằng; Động lực học và
điều khiển máy ,thiết kế chế tạo bộ điều khiển
CNC nhiều bậc tự do và các thiết bị tự động trên
nền bộ CNC được chế tạo.
Đã nhận được các giải thưởng lớn: giải
“Kovalevskaia”, năm 2002 , giải thưởng Khoa

học Công nghệ Việt nam “Nghiên cứu chế tạo
các thiết bị đo lường để phục vụ sản xuất” của
Chủ tịch nước khen tặng, năm 2005.
Phạm Bảo Toàn sinh năm
1986. Nhận bằng thạc sỹ Cơ
học kỹ thuật năm 2012 tại
trường Đại Học Bách Khoa Tp.
HCM về nghiên cứu dao động
cấu trúc, thu thập và xử lý tín
hiệu. Hiện là nghiên cứu viên của bộ môn Cơ
Kỹ Thuật (DEM) và PTN CHUD trường Đại
Học Bách Khoa Tp. HCM. Hướng nghiên cứu
chính: Các phương pháp khai thác dữ liệu (data
mining) trong việc theo dõi tình trạng và phát
hiện sớm hư hỏng của máy móc và cấu trúc.

Nguyễn Quang Thành sinh
năm 1988. Nhận bằng kỹ sư
ngành Cơ Học Kỹ Thuật năm
2011 tại trường Đại Học Bách
Khoa Tp. Hồ Chí Minh về
tính toán – mô phỏng – tối ưu
tháp truyền hình. Hiện tại
đang làm nghiên cứu tại PTN Cơ Học Ứng
Dụng của trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ
Chí Minh. Hướng nghiên cứu chính là nhận biết
khuyết tật thông qua việc nhận dạng và xử lý các
tín hiệu đo ngẫu nhiên nhằm phục vụ cho công
tác đánh giá trình trạng cầu.