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

1

MỞ ĐẦU
Việt Nam là một nước đang phát triển, cở sở hạ tầng được đầu tư xây dựng
nhiều trong khoảng 20 năm trở lại đây. Nhiều nhà cao tầng, nhiều cây cầu lớn, hầm
lớn, các công trình đường sắt trên cao, công trình ngầm được xây dựng liên tục và
Việt Nam đang luôn cố gắng để có thể bắt nhịp được với thế giới về công nghệ xây
dựng, công nghệ vật liệu, công nghệ giám sát đảm bảo công trình trong quá trình
xây dựng cũng như trong quá trình sử dụng.
Ở các nước phát triển, việc xây dựng cơ sở hạ tầng gần như hoàn thiện nên
công 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 xây
dựng, Việt nam cũng đã bắt đầu quan tâm đến công tác quan trắc công trình, đặc
biệt đối với công trình lớn có kết cấu mềm dẻo, độ cứng nhỏ, nhạy cảm với các
điều kiện tải trọng, môi trường, thời tiết như cầu dây văng, dây võng…Ngày 10
tháng 4 năm 2012 Bộ Giao thông Vận tải ra công văn số 2727/BGTVT - KCHT về
công tác quản lý, khai thác và bảo trì cầu hệ dây quy định rõ “Bắt buộc tất cả các
công trình cầu dạng dây treo phải lắp đặt hệ thống quan trắc nhằm theo dõi tình
trạng 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 khai
thác 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 hệ
thống này đều do các hãng nước ngoài lắp đặt. Kết quả của hệ thống quan trắc
được 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 quan
trọng nhất trong đánh giá tình trạng của cầu hệ dây. Để đo được chuyển vị tổng thể
này 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”.


2
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG GPS TRONG HỆ THỐNG
QUAN TRẮC CẦU HỆ DÂY
1.1. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG GPS TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU HỆ
DÂY TRÊN THẾ GIỚI

Tại các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Canada,...các thiết bị đo của hệ thống
quan trắc được đơn vị thi công lắp đặt ngay từ giai đoạn xây lắp sẽ liên tục thu thập
và truyền số liệu về hệ thống xử lý trung tâm. Sau khi hoàn thành công trình, các
thiết bị này sẽ được bàn giao lại cho đội ngũ quản lí vận hành trong quá trình khai
thác 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 xác
giá 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 được
trang bị hệ thống quan trắc ứng dụng công nghệ GPS - RTK như cầu Sutong, cầu
Tsing Ma, cầu KapshuiMun, cầu Ting Kau, cầu Stonecutters… Ngoài ra, còn có một
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 khả
thi về kinh tế - kỹ thuật của chương trình quan trắc kết cấu và môi trường được

kiểm soát từ xa. Các tham số môi trường như gió, nhiệt độ, độ ẩm tương đối cũng
được quan trắc bởi hệ thống này. Các tham số kết cấu được quan trắc bởi các cảm


3

biến đo biến dạng, đo gia tốc, đo chuyển vị và đầu thu GPS. Đầu thu GPS được sử
dụng để đo chuyển vị của trụ tháp cầu và những bất thường xảy ra ở cầu với độ
chính 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 về
khẩu 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) và
các điểm đo chuyển vị khác (MPT - Measure Point Terminal) được tính toán theo
các phương dọc, thẳng đứng và phương ngang của cầu.


4

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 cho đường
bộ vừa dùng cho đường sắt. Cầu có dạng dầm kép với đường ô tô cao tốc chạy ở
trên và đường sắt chạy phía dưới. Về mặt kết cấu, mặt cắt ngang của dầm cầu 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, đo
chuyển vị, đo cao độ, đo gió, đo nhiệt độ,…được lắp đặt cố định trên cầu và hệ
thống thu thập dữ liệu, hệ thống xử lý số liệu. Trên cầu bố trí 110 cảm biến để đo
biến dạng của các bộ phận kết cấu, trong đó GPS được lắp đặt tại đỉnh tháp, ½ dầm
chủ, ¼ dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị của cầu (hình 1.6).


5

Hình 1.6: Sơ đồ

bố trí cảm biến biến

dạng trên cầu

Tsing Ma [9]

+ Cầu Neva (LB

Nga)

Như là một phần của thiết kế, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc của
cầu 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 và
trong giai đoạn khai thác. Thiết kế của hệ thống này đảm bảo tiêu chí dễ dàng sử
dụng, bảo dưỡng, nâng cấp và mở rộng sau này.

6

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 thời
gian 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 GPS
giúp 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 tháp
bằng 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 dữ
liệu 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 đỉnh
trụ 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).


7

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 nhưng
mới có khoảng một nửa trong số đó lắp hệ thống quan trắc là: cầu Bính, cầu Rạch
Miễu, 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 Vĩnh
Long và Cần Thơ. Cầu Cần Thơ có chiều rộng 23.1m, chiều dài 15.850m, có 216
dây 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.


8

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 Quận
Ngũ Hành Sơn. Cầu có tổng chiều dài 731m, trong đó nhịp chính là nhịp dây văng
dài 230m, bố trí một mặt phẳng dây neo với kết cấu nhịp tại giữa dải phân cách, trụ
tháp có mặt cắt ngang dạng hình chữ V bằng bê tông cốt thép, nghiêng 12 độ về
phía Tây cầu với chiều cao 145m.

Hình 1.13: Phối cảnh cầu Trần Thị Lý
Bố trí các thiết bị quan trắc của hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý (hình
1.16). Trong đó, hệ thống GPS gồm có một trạm rover được lắp đặt ở đỉnh trụ tháp
để đo chuyển vị (theo phương dọc cầu, phương ngang cầu và phương thẳng đứng)

của cầu và có một trạm base.


9

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 nhiều
nhịp 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 Ngọc
huyện Đông Anh (Hà Nội). Mặt cầu rộng 33.2m, cầu dài 3.9km và có đường dẫn
4.5km, 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.


10

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 nước
ngoài thiết kế và lắp đặt.
- Có nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK
trong 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 hệ
thống 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 không
được đầu tư lắp đặt hoàn thiện, quá trình bảo hành, bảo trì không đầy đủ, thường
xuyên, 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 Nam
phải có chuyên gia chuyên sâu trong lĩnh vực quan trắc, từ khâu thiết kế hệ thống,
xử lý số liệu hệ thống, chế tạo hệ thống, quản lý điều hành hệ thống.

CHƯƠNG 2


11

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.

Cầu Akashi-Kaikyo

Cầu Nhật Tân

Cầu Great Belt
Cầu Cần Thơ
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 và

hoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp thông qua trụ truyền tải trọng xuống đất nền. Kiến
trúc tháp cầu cũng tương đối phức tạp, chiều cao tháp lớn (tháp cầu Bãi Cháy cao
141m, cầu Cần Thơ cao 171m, tháp cầu Kiền cao 78m, tháp cầu Rạch Miễu cao
109m...), tiết diện của tháp thay đổi theo độ cao, chuyển vị của tháp cầu rất lớn từ
vài cm đến vài m. Dây có tác dụng truyền tải trọng từ dầm chủ đến tháp cầu, trong
cầu dây thì biên độ và tần số dao động của dây là một giá trị quan trọng trong đánh
giá 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 m
đến vài nghìn m) nhưng tương ứng với chiều dài nhịp thì chuyển vị của dầm cầu
cũng lớn, đặc biệt chuyển dịch theo phương ngang cầu do gió và tải trọng động.


12
2.2. HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU DÂY

Các công trình cầu ở Việt Nam hiện nay thường được đánh giá bằng quá trình
quan trắc định kỳ, nên các dữ liệu thu thập được không phù hợp với điều kiện thực
tế, không thể dự đoán và cảnh báo chính xác những biến động bất thường có thể xảy
ra, không đề xuất hiệu quả việc duy tu bảo dưỡng và không kiểm tra chính xác các
giả thiết thiết kế có phù hợp với điều kiện thực tế hay không. Vì thế việc xây dựng
một cách thích hợp hệ thống quan trắc giúp giải quyết vấn đề trên là cần thiết, đặc
biệt đối với cầu dây treo là kết cấu có giá trị chuyển vị lớn bởi ảnh hưởng từ các yếu
tố khí, động học.
- Trong giai đoạn thi công, mục đích quan trắc là: đánh giá chất lượng thi
công theo hồ sơ thiết kế, đảm bảo an toàn cho công trình. Hệ thống quan trắc trên
cầu dây treo sẽ cung cấp các thông tin theo thời gian về điều kiện thực tế và trạng
thái 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 an
toàn của kết cấu trong trường hợp có gió mạnh. Ngoài ra, việc đo chuyển vị theo
phương đứng hay phương ngang của dầm cầu sẽ giúp điều chỉnh các phân đoạn đúc

hay lắp ráp từng đốt dầm trong khi thi công.
- Trong giai đoạn khai thác, mục đích quan trắc là: hiệu chỉnh các giả thiết và
tham số thiết kế, phát hiện những bất thường về tải trọng tác động và đáp ứng của
kết cấu cầu, đánh giá mức độ an toàn của công trình, cung cấp các dữ liệu cho việc
bảo trì và sửa chữa công trình, đánh giá tính hiệu quả của công tác bảo trì và sửa
chữa công trình.
Ưu điểm của hệ thống quan trắc (Stractural Health Monitoring - SHM) là đánh
giá tình trạng cầu một cách trực quan và định lượng thông qua mối quan hệ giữa
ứng xử của kết cấu và các dao động, chuyển vị đặc trưng. Việc đánh giá không chỉ
thông qua các số liệu trực quan mà còn thông qua các dữ liệu thống kê, ngoài ra còn
cung 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 dụng
trong 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 ứng
dụng GPS trong hệ thống quan trắc trên thế giới.


13

Bảng 2.1: Một số công trình cầu đã ứng dụng công nghệ GPS trong hệ thống quan
trắc cầu dây [1]
Tên cầu

Tên nước

L(m)

Loại cảm biến

Jiangying
Runyang North

Trung Quốc
Trung Quốc

1385
1490

Sutong

Trung Quốc

1088

(1); (2); (3); (4);(5),(6);(9),(10); (13)
(1); (2); (3); (4);(6)
(1); (2); (3); (4); (5),(6);(7); (8);(9),(10);

Tsing Ma

Hồng Kông - TQ

1377

Kap Shuimun

Hồng Kông - TQ

430

Ting Kau

Hồng kông - TQ

475

Stonecutters

Hông Kông - TQ

1018

(11); (16); (18)
(1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(9),(10);
(12); (18)
(1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(9),(10);
(12); (18)
(1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(9),(10);
(12); (18)
(1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(8);(9),(10);

(11);(13); (18)
Humen
Quảng Đông - TQ 838
(3); (6); (11); (12);
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)
Neva
Nga
(1); (2); (3); (4); (6); (7)
Ghi chú: (1) - đo gió; (2) - Đo nhiệt độ; (3) - Đo biến dạng; (4) - Gia tốc kế; (5) Chuyển vị kế; (6) - GPS; (7) - WIM; (8) - Đo gỉ; (9) - Cảm biến từ đàn hồi; (11) - Đo
độ nghiêng; (10) - Cảm biến sợi quang FOS; (12) - Đo cao độ; (13) - Trạm đo cao độ;
(14) - Đo địa chấn; (15) - Đo khí áp; (16) - Đo độ ẩm; (17) - Đo mưa; (18) - Camera
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 chỉ
tình trạng của kết cấu (ứng suất, chuyển vị, gia tốc…) mà còn theo dõi các tham số
môi 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 cảm
biến của khối đo đạc sang dạng tín hiệu điện phù hợp cho việc lưu trữ và xử lý trong
khối tiếp theo. Trong khối này thông thường bao gồm các mạch lọc tín hiệu, mạch


14

khuyếch đại và mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog (tương tự) sang dạng tín
hiệu số (digital) gọi tắt là bộ chuyển đổi A/D để thuận lợi cho việc lưu trữ trên máy
tính.
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. Hiện nay, việc truyền số liệu quan trắc trong
một hệ thống quan trắc thường sử dụng kết hợp 3 mạng sau:
+ Mạng Lonworks: 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 trình.
+ 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.
-

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.


15

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 để
phát hiện sự hiện diện, vị trí, độ lớn và sự mở rộng của các hư hỏng, khuyết tật kết
cấu.
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 là
khả năng vượt được nhịp lớn, tính mỹ thuật cao, sử dụng vật liệu hiệu quả. Tuy

nhiên, kết cấu cầu hệ dây là một hệ thống mềm dẻo, linh hoạt, mỗi tác động hoặc sự
cố của một bộ phận kết cấu đều tác động ngay tới toàn bộ hệ thống. Vì vậy, nghiên
cứu nội dung quan trắc cầu hệ dây không chỉ nghiên cứu từng dao động riêng của
từng bộ phận kết cấu mà còn phải đánh giá tổng hợp được mối quan hệ hay sự ảnh
hưởng 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 trên
tính chất cơ học và đặc điểm kết cấu của công trình cầu cần quan trắc cũng như điều
kiện môi trường tại nơi xây dựng công trình. Do đó, trạng thái hình học và các đáp
ứng tĩnh và động của cầu hệ dây cũng như các điều kiện môi trường, điều kiện giao


16

thông được xác định để quan trắc trong hệ thống SHM. Có thể tóm tắt các nội dung
quan trắc trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Nội dung quan trắc cầu dây văng [1]
Hạng mục

Đối tượng quan trắc

- Đo gió

Tác động
của môi
trường

- Đo nhiệt độ không khí
- Đo độ ẩm tương đối của
không khí
- Đo lượng mưa

- Đo chấn động địa chấn
- Đo nhiệt độ các bộ phận
kết cấu
- Đo ứng suất / biến dạng
- Đo ảnh hưởng tĩnh

Phản ứng
của kết
cấu

- Đo chuyển vị

- Đo lực căng của dây cáp
- Đo độ nghiêng trụ tháp
- Đo dao động
- Đo độ ăn mòn
Theo dõi
và phân
tích giao
thông

- Trọng lượng xe (WIM)
- Theo dõi bằng camera

Tham số quan trắc
- 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
- Nhiệt độ không khí
- Sự chênh lệch nhiệt độ
- Độ ẩm
- Lượng mưa
- Phổ gia tốc chấn động đo ở móng trụ
tháp, hố neo cáp
- Phổ đáp ứng của trụ tháp, dầm chủ
- Nhiệt độ dầm chủ, cột tháp, dây cáp
- Nhiệt độ mặt đường
- Phân bố ứng suất / biến dạng trong các
bộ phận kết cấu
- ĐAH tại các mặt cắt đặc trưng trên dầm
chủ, cột tháp, dây cáp
- Độ võng dầm chủ
- Chuyển vị đỉnh cột tháp
- Chuyển vị khe co giãn
- Đo dịch chuyển của mố, trụ, hố neo
cáp…sau các trận động đất
Lực căng trong từng bó cáp văng, dây cáp
chủ
- Độ nghiêng
- Tần số, dạng dao động, tỷ số cản, hệ số
phân bố khối lượng
- Tốc độ thấm nhập clo
- Trọng lượng từng xe
- Phân bố tải trọng trục
- Phổ tải trọng khai thác
- Hệ số làn, Phân loại phương tiện

Theo thống kê hệ thống quan trắc các cầu dây trên thế giới, nhìn chung các
yếu tố quan trắc được cũng đồng nhất theo (bảng 2.2). Tùy vào kết cấu, điều kiện
khu vực xây dựng cầu, điều kiện về kinh tế để chọn nội dung quan trắc cho phù
hợp.


17

2.2.3. Quy trình thiết kế hệ thống quan trắc cầu hệ dây
Thực hiện bất cứ một công việc gì phải hiểu cặn kẽ về mục tiêu, yêu cầu,
phạm vi, nội dung thực hiện nhưng quyết định chất lượng của công việc hoặc sản
phẩm lại chính là quy trình thực hiện.
Trong việc thiết kế hệ thống quan trắc cầu hệ dây, từ cấu trúc và các nội dung
quan trắc của hệ thống xin đưa ra quy trình thực hiện giúp cho việc thiết kế đáp ứng
được mục tiêu đề ra về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế.
Các bước trên được thể hiện qua sơ đồ quy trình thiết kế (hình 2.3).


18
CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GPS TRONG QUAN TRẮC
LIÊN TỤC CẦU HỆ DÂY
3.1. HỆ THỐNG GPS TRONG QUAN TRẮC LIÊN TỤC CẦU HỆ DÂY

Trong hệ thống quan trắc của cầu hệ dây, GPS đóng vai trò cốt yếu, là bộ phận
chính của hệ thống. GPS có thể quan trắc chuyển vị tổng thể của cầu hệ dây theo
nguyên tắc so sánh tọa độ. Có 1 hoặc 2 trạm base đặt tại điểm đã biết tọa độ cố định
không nằm trên công trình, các máy thu rover khác được lắp tại các điểm cần quan

trắc chuyển vị (tại các vị trí đặc trưng) trên công trình như đỉnh tháp, giữa dầm chủ,
chân tháp...., từ đó tính ra các đặc trưng khác của kết cấu như tần số dao động riêng,
phổ năng lượng, mode dao động để so sánh với kết quả thí nghiệm hầm gió khi thiết
kế và từ các kết quả này đánh giá tình trạng sức khỏe công trình cầu.
Hệ thống GPS trong quan trắc liên tục cầu hệ dây bao gồm 3 phần chính: hệ
thống thu nhận GPS; hệ thống truyền dẫn dữ liệu; hệ thống quản lý dữ liệu và theo
dõi quan trắc. Mối quan hệ của 3 phần được trình bày trong hình 3.1:

Hình 3.1: Hệ thống GPS quan trắc liên tục cầu hệ dây


19

3.1.1. Hệ thống thu nhận GPS (Anten GPS và máy thu GPS)

Hình 3.2: Anten và máy thu GPS
Các đầu thu GPS có thể đo dữ liệu liên tục chủ yếu là hãng Trimble, Leica đều
là các thiết bị có thể đo RTK độ chính xác cao, tần số lên đến 50 Hz. Phải căn cứ
vào dải chu kỳ và tần số dao động cơ bản của công trình cầu để thiết lập tần số lấy
mẫu. Các thiết bị này được thiết kế và chế tạo riêng cho quan trắc liên tục
(monitoring).
Bảng 3.1: Tiêu chuẩn kỹ thuật của hệ thống GPS trong quan trắc cầu hệ dây
Cảm biến
Anten tại trạm cố
định
Anten tại điểm quan
trắc

Thông số
Tần số thu

Tần số thu
Chế độ đo
Tần số lấy mẫu
Độ chính xác đo tĩnh

Máy thu trạm cố định

Độ chính xác đo động
GPS - RTK
Xử lý số liệu

Máy thu tại điểm
quan trắc

Kiểu định vị
Tần số lấy mẫu

Tiêu chuẩn
GPS (L1,L2,L2C);
GLONASS (L1, L2)
GPS (L1,L2,L2C);
GLONASS (L1, L2)
Đo tĩnh, đo động GPS - RTK
20HZ
5mm+0,5ppm (mặt bằng)
10mm+0,5ppm (độ cao)
10mm+1ppm (mặt bằng)
20mm+1ppm (độ cao)
Dữ liệu thô được lưu trữ và xử lý
bằng phần mềm trên máy tính

Đo tĩnh, đo động GPS - RTK
20HZ


20

Độ chính xác đo tĩnh
Độ chính xác đo động
GPS - RTK
Xử lý số liệu

5mm+0,5ppm (mặt bằng)
10mm+0,5ppm (Độ cao)
10mm+1ppm (mặt bằng)
20mm+1ppm (độ cao)
Dữ liệu thô được lưu trữ và xử lý
bằng phần mềm trên máy tính

3.1.2. Hệ thống truyền dẫn dữ liệu
Hệ thống truyền dẫn dữ liệu có nhiệm vụ truyền tín hiệu giữa các thành phần
anten, receiver, converter với nhau và 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.
a. Thiết bị truyền dẫn dữ 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


21

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 3.3: 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 tùy 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.
b. Thiết bị truyền dẫn dữ liệu qua mạng

Một phương pháp nhằm khắc phục những hạn chế của truyền dẫn bằng dây 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.
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.
Tuy nhiên, ở Việt Nam truyền dữ liệu theo phương thức này bị hạn chế do hệ
thống mạng không ổn định, đối với hệ thống quan trắc cho cầu dây thường dùng
phương pháp truyền dữ liệu bằng cáp quang là chủ yếu.
3.1.3. Hệ thống quản lý dữ liệu và theo dõi quan trắc


22

Trong phần này giới thiệu phần mềm Leica GNSS Spider của hãng Leica,
phần mềm này được thiết kế cho Leica GR/GM series, GNSS 1200, GNSS 900,
GPS 500 với một hoặc nhiều trạm tham chiếu và nhiều trạm quan trắc.
Phần mềm Spider gồm 2 phần cơ bản: phần 1 là GNSS Spider thực hiện các
tính toán cơ bản của trạm tham chiếu và trạm quan trắc trong hệ tọa độ WGS - 84,
tọa độ tương đối được tính theo thời gian thực; trung bình theo phút, giờ, ngày
tháng. Phần thứ 2 là phần Monitoring nhận kết quả tính toán từ Spider, chuyển kết
quả sang hệ tọa độ địa phương hoặc hệ tọa độ công trình, chuyển cơ sở dữ liệu đến
máy chủ, quản lý tập tin.

Hình 3.4: Sơ đồ kết nối dữ liệu của GPS trong hệ thống quan trắc
Muốn hệ thống đo có thể hoạt động được, trong phần mềm phải cài đặt các
thông số về trạm base, trạm rover, hệ tọa độ, trạng thái “0” của máy thu rover
ngoài ra còn phải thiết lập các giá trị tới hạn.

Một trong các ưu điểm của hệ thống đánh giá tổng hợp là việc đánh giá sức
khỏe của cầu một cách trực quan, định lượng dựa trên các giá trị tới hạn. Các giá trị
tới hạn này còn được sử dụng trong cảnh báo giao thông, kiểm tra lại thiết kế. Các
giá trị này có thể thay đổi qua quá trình sử dụng cầu.
3.2. THIẾT KẾ MẪU MỘT HỆ THỐNG GPS QUAN TRẮC CẦU HỆ DÂY


23

GPS phù hợp để quan trắc các yếu tố đặc trưng hình học của cầu, cụ thể là đo
chuyển vị theo 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. Tùy theo
chiều dài nhịp, chiều cao trụ tháp, loại hình kết cấu mà quyết định vị trí lăp đặt GPS.
Khi có các thông số đầu vào của công trình, mục đích thiết kế của hệ thống,
lựa chọn máy thu và nhận dữ liệu GPS, bộ chuyển đổi dữ liệu, hình thức kết nối,
cáp dẫn, GPS trong hệ thống quan trắc được thiết kế và lắp đặt phù hợp như các
hình ảnh sau:

Hình 3.5: Sơ đồ bố trí GPS

Trạm base
Chiều sâu
móng
cọc
trạm base là
120m,
khoan sâu
vào tầng đá
gốc là 35m.

Hình 3.6: Móng trạm base


24

Hình 3.7: Bố trí trạm rover trên đỉnh tháp

Hình 3.8: Bố trí trạm rover trên bản mặt cầu


25

Hình 3.9: Bộ thu và lưu dữ liệu trạm base (receiver)