Nghiên cứu đề xuất hệ thống quan trắc cho cầu extradosed an đông (tỉnh ninh thuận)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
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 cơng trình giao thơng
Mã số:

60580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2020


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS. HỒ THU HIỀN
..........................................................
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. NGUYỄN DANH THẮNG
..........................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. MAI LỰU
..........................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. NGUYỄN DUY LIÊM
..........................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM

ngày 11 tháng 01 năm 2020.
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)
1. TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG
2. TS. NGUYỄN DUY LIÊM
3. TS. MAI LỰU
4. TS. HỒ THU HIỀN
5. TS. HUỲNH NGỌC THI
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

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

Chun ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng 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.

Tp. HCM, ngày 08 tháng 12 năm 2019
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)

TS. Hồ Thu Hiền
TS. Nguyễn Mạnh Tuấn
TS. Nguyễn Danh Thắng

TS. Lê Anh Tuấn


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lịng biết ơn đến:
 Cơ 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 Cơ ở bộ mơn Cầu đường đã nhiệt tình gúp đỡ, đóng góp ý
kiến cho q 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 khơng 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


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Trong q trình thiết kế, việc đặt ra các giả thuyết nhằm đơn giản hóa mơ hình tính

tốn dẫn đến bài tốn phân tích và tính tốn không thể phản ánh hết trạng thái hoạt động và
ứng xử của cơng 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 mơ 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 cơng trình cầu là lắp đặt các thiết bị quan trắc tại các
vị trí hợp lý của cơng trình cầu nhằm đo lường liên tục các tham số ảnh hưởng đến của cơng
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 q trình
phân tích và tính tốn cơng 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.

ABSTRACT
In the design process, setting up assumptions to simplify the calculation model led to
the problem of analysis and calculation can not fully reflect the operational status and behavior
of the building under normal operating conditions often as well as under mining conditions.
Alternatively, there is a big difference between simulation in design and reality. In this topic,
the author presents one of the promising measures to evaluate the working and exploitation
process of bridge constructions, which is to install monitoring equipment at reasonable
locations of the public. Bridge process to continuously measure the parameters affecting the
building such as external forces (wind, earthquake, vehicle load ...) and the behavior of the
bridge structure (vibration, displacement, stress ...). The collected data will be the basis for
checking the process of analyzing and calculating the building.
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.

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tơi 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 cơng trình giao thơng
Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh


1
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

2.2

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

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
2.4.2
2.5

Thiết bị truyền dẫn dữ liệu qua mạng ...................................................25

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

3.2

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

MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU Ở VIỆT NAM ..........................30
3.2.1

Cầu Bính, Hải Phịng ............................................................................31

3.2.2

Cầu Cần Thơ .........................................................................................32

3.2.3

Cầu Rạch Miễu .....................................................................................34

CHƯƠNG 4: CẦU AN ĐÔNG (EXTRADOSED) ...............................................36
4.1

4.2

TỔNG QUAN VỀ CẦU AN ĐÔNG ..............................................................36
4.1.1

Giới thiệu chung ...................................................................................36

4.1.2

Các đặc trưng kỹ thuật [10] ..................................................................37

PHÂN TÍCH CẦU AN ĐƠNG 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

Mơ hình hóa kết cấu..............................................................................41

4.2.4

Kiểm tra tính chính xác của mơ hình ....................................................55

CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG SHM CHO CẦU AN ĐƠNG .................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

5.3.1

Hệ thống GPS .......................................................................................61


3
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


4
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 dị 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 Phịng) ..............................................................................31
Hình 3.8. Hệ thống quan trắc cầu Bính (Hải Phịng) [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 Đơng [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 4.4. Các đốt dầm nhịp giữa [10] ......................................................................39


5
Hình 4.5. Thiết lập kiểu kết cấu ...............................................................................42
Hình 4.6. Thiết lập đơn vị tính tốn .........................................................................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 tơng trụ và tháp........................................................44
Hình 4.10. Khai báo vật liệu bê tơng 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. Mơ 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 mơ hình ..................................................48
Hình 4.19. Mơ hình tồn bộ các đốt dầm .................................................................48
Hình 4.20. Mơ 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. Mơ hình sau khi hồn thiện ....................................................................51
Hình 4.24. Thơng số của cáp dự ứng lực được nhập từ hồ sơ thiết kế .....................51
Hình 4.25. Bảng nhập thơng 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 mơ 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 mơ 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


6
Hình 5.2. Bộ máy thu GPS GNSS RTK Hitarget V30 [HI-TARGET] ....................62
Hình 5.3. Biểu đồ chuyển vị của dầm (Mơ 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 (Mơ 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 thơng ........................................................................78
Hình 5.22. Trạm quan trắc khí tượng AIPT (Cơng 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


7
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 mơ 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


8

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 cơng 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

thơng minh”
 Từ 1996:

Thương mại hóa các kết quả đo

Hệ thống quan trắc cơng trình cầu SHM bắt đầu được đưa vào ứng dụng và
phát triển trên thế giới trong những năm gần đây. Phần lớn các cơng 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 khơng hề nhỏ,
khoảng 10,000 Euro cho 100m cầu.


9
Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu cơng trình (Structure Health Monitoring
System) nói chung là q trình xác định hư hỏng, xuống cấp của kết cấu cơng 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 ngun tắc của mơ 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 khơng kiểm sốt, 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 khơng khai thác tính năng thơng 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 tốn.
 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 cơng 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..


10
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 cơng, khai thác cầu đã có nhiều bước tiến dài trong
thời gian gần đây, vẫn còn rất nhiều vấn đề của kết cấu cơng trình vẫn chưa có lời
giải đáp thỏa đáng. Trong số đó, việc phát hiện hư hỏng của cơng 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 tồn. Q trình
kiểm tra này thường tốn rất nhiều thời gian và chi phí, nhưng đơi khi vẫn khơng thể
kiểm sốt được tất cả các nguy cơ hư hỏng xảy ra với cơng 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 tồn giao
thơng cho các cơng trình này.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các phần mềm tính
tốn, mơ phỏng được phát triển mạnh mẽ nhưng những kết quả tính tốn lý thuyết
nhận được chỉ là sự tương đối gần với ứng xử thực tế của cơng trình. Trong q
trình thiết kế, việc đặt ra các giả thuyết nhằm đơn giản hóa mơ hình tính tốn dẫn
đến bài tốn phân tích và tính tốn không thể phản ánh hết trạng thái hoạt động và
ứng xử của cơng 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 mơ 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 cơng trình cầu là lắp đặt
các thiết bị quan trắc tại các vị trí hợp lý của cơng trình cầu nhằm đo lường liên tục
các tham số ảnh hưởng đến của cơng trình như ngoại lực (gió, động đất, tải trọng


11

xe…) và ứng xử của cơng 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 tốn
cơng trình.
Cầu An Đơng 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 cơng trình nào tạo dấu ấn mạnh như cầu
An Đơng, khơng chỉ ở vai trị kết nối tuyến đường ven biển, mà còn ở chất lượng kỹ
thuật và mỹ thuật cao. Do cầu An Đơng có vai trị 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.

12

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 thơng 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 thơng 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 thơng 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

`


13
chứng minh hiệu suất của cơng 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 mơ hình phân tích đại diện. Mơ 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 khơng 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 qt. Ngồi ra, kiểm tra cấu vi có thể có ích trong để
xem xét hiệu suất của từng yếu tố duy nhất của cơng trình. Q 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 thơng, 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]

`


14
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 khơng 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

`

15
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 ngồi 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 khơng 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.

`


16

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).

`


17

Hình 2.7. Đầu dị 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 khơng 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 thơng
số của gió như: cánh quay kiểu turbin, hiệu ứng điện trở từ trường mạnh hay

`


18
nguyên lý siêu âm. Nguyên lý siêu âm có nhiều ưu điểm thường được sử dung gần
đây vì nó khơng 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
khơng 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 thơng tin
về mưa.

Hình 2.10. Thiết bị đo mưa nhỏ giọt

`


19

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 khơng chính xác (giả sử rằng thiết bị khơng 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 khơng thể theo dõi được. Một số hệ thống giám sát hình ảnh
cịn có thể được sử dụng để ghi lại các sự kiện và để bật các chng cảnh báo.

Hình 2.11. Một số loại camera theo dõi
2.2.11 Hệ thống định vị GPS hoặc GNSS (Global Navigation Satellite System)
Hệ thống định vị GPS tương tự như các thiết bị quang học tầm nhìn. Cơ sở
của các hệ thống này là thời gian truyền tín hiệu giữa hai hoặc nhiều điểm. 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.

Hình 2.12. Thiết bị GPS hãng Trimble

`