Nghiên cứu chẩn đoán hư hỏng dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn bằng phương pháp dao động

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

---------------

NGUYỄN VĂN CĨ

NGHIÊN CỨU CHẨN ĐỐN HƢ HỎNG DẦM CẦU BÊ
TƠNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC NHỊP GIẢN ĐƠN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP DAO ĐỘNG

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng

Mã số: 60580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTNAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----

Đ c

-----

– Tự d – H
-----

c

-----

CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY.

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS MAI LỰU

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS NGUYỄN DANH THẮNG

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 27 tháng 08 năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng: TS. LÊ BÁ KHÁNH
2. Cán bộ chấm nhận xét 1: TS MAI LỰU
3. Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN DANH THẮNG
4. Ủy viên: PGS.TS TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG
5. Thƣ ký: TS NGUYỄN MẠNH TUẤN
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS LÊ BÁ KHÁNH

PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----

-----

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTNAM
Đ c

– Tự d – H
-----

c

-----

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I.

Họ và tên học viên: Nguyễn Văn Có

MSHV: 1570665

Ngày tháng năm sinh: 17/06/1992

Nơi sinh: Đắk lắk

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng

Mã số: 60580205

TÊN ĐỀT I

Nghiên cứu c ẩ đ á ƣ ỏ g dầm cầu bê tô g cốt t é dự
ứ g ực ị giả đơ bằ g ƣơ g á da đ g.
II. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Đề tài nghiên cứu chẩn đốn hƣ hỏng dầm cầu bê tơng cốt thép dự ứng lực nhịp
giản đơn bằng phƣơng pháp dao động là xác định các thơng số dao động của cơng
trình, sử dụng phƣơng pháp dao động để chẩn đoán vị trí, dạng hƣ hỏng và mức độ
hƣ hỏng của kết cấu nhịp cầu, đánh giá tình trạng làm việc của kết cấu nhịp dựa
trên chỉ số Mac và hệ số Kd từ đó đƣa ra những kiến nghị, kết luận về việc sử dụng
phƣơng pháp dao động đặc biệt là biên độ, tần số dao động trong chẩn đoán kết
cấu nhịp cầu.
Nhiệm vụ cụ thể:
1. Nghiên cứu t ng quan về chẩn đốn hƣ hỏng kết cấu nhịp cơng trình cầu bê tông
cốt thép dự ứng lực.
2. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp dao động trong chẩn đoán hƣ hỏng cơng trình
cầu.
3. Nghiên cứu thuật tốn nhận dạng hƣ hỏng dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực
nhịp giản đơn, từ đó xây dựng mơ hình thực trạng kết cấu nhịp cầu dựa trên các
đặc trƣng dao động, sự thay đ i tần số, biên độ dao động ở các mức độ hƣ hỏng
khác nhau và đánh giá vị trí, mức độ hƣ hỏng của kết cấu nhịp.
4. Xây dựng mơ hình thực trạng cho một kết cấu nhịp cầu cụ thể bằng phƣơng


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTNAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----

Đ c

-----

– Tự d – H
-----

c

-----

pháp dao động và trình tự chẩn đốn kết cấu nhịp cầu BTCT giản đơn bằng
phƣơng pháp dao động.
III. NG Y GIAO NHIỆM VỤ 16/01/2017.
IV. NG Y HO N TH NH NHIỆM VỤ 18/06/2017.
V. CÁN BỘ HƢ NG DẪN PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

TP. HCM, ngày 27 tháng 08 năm 2017

CÁN BỘ HƢ NG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN Đ OTẠO

PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

TS LÊ BÁ KHÁNH

TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM


1

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên Tôi xin cảm ơn sâu sắc đến Cơ hƣớng dẫn chính PGS.TS. Lê Thị
Bích Thủy, bộ môn Cầu Đƣờng, khoa Kỹ thuật Xây dựng trƣờng Đại học Bách
Khoa TP. HCM. Cô đã truyền đạt những kiến thức qúy báu, góp ý, hƣớng dẫn tận
tình và động viên trong suốt thời gian nghiên cứu gi p tơi hồn thành luận văn này.
Xin cảm ơn đến các thầy, cô trƣờng Đại học Bách Khoa TP. HCM đã tận tình giảng
dạy, truyền đạt kiến thức b ích trong suốt quá trình học tập tại trƣờng.
Cảm ơn gia đình và bạn b đã luôn động viên, tin tƣởng và tạo mọi điều kiện
thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.


2

TĨM TẮT LUẬN VĂN
ĐỀ T I
NGHIÊN CỨU CHẨN ĐỐN HƢ HỎNG DẦM CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP
DỰ ỨNG LỰC NHỊP GIẢN ĐƠN BẰNG PHƢƠNG PHÁP DAO ĐỘNG.
Dƣới sự phát triển kinh tế của đất nƣớc, hiện nay đa phần các cầu đều phải gánh
một lƣợng vận tải lớn, nhiều khi vƣợt q tải trọng cho phép. Mặt khác, những cơng
trình cầu cũ ở nƣớc ta còn chịu ảnh hƣởng của môi trƣờng, công tác duy tu bảo
dƣỡng không thƣờng xuyên. Chính vì vậy có rất nhiều cầu cũ đang trong tình trạng

hƣ hỏng và xuống cấp. Để tiếp tục sử dụng, khai thác và phát huy khả năng làm việc
của cơng trình cần phải đánh giá, phân loại hiện trạng và nguyên nhân gây hƣ hỏng,
từ đó nghiên cứu các giải pháp xử lý, với mục đích nâng cao hiệu quả quá trình khai
thác, phát huy khả năng làm việc, chịu tải của các cơng trình cầu BTCT trong điều
kiện Việt Nam. Do đó mục đích chính của đề tài là nghiên cứu phƣơng pháp chẩn
đốn vị trí và mức độ hƣ hỏng của cơng trình cầu bằng phƣơng pháp dao động. Đây
là một công cụ hiệu quả để nhận dạng, dự dốn và xác định chính xác các hƣ hại
của cơng trình để đề ra kế hoạch khai thác, bảo dƣỡng tiếp theo nhằm phòng, tránh
xa các thiệt hại.

THESIS SUMMARY
THEME
SIMPLE SPAN PRESTRESSED REINFORCED CONCRETE BRIDGE BEAM
DAMAGE DIAGNOSIS BY USING OSCILLATION METHOD.
Under the economic development of the country, most of bridges nowadays carry a
large amount of load, sometimes exceeding the limit permitted. On the other hand,
the old bridges in our country are affected by the environment and the maintenance
is not regular as well. Therefore, many old bridges are in bad condition and
degraded. To continuously use, exploit and promote the capability of the
construction in need of being evaluated and classified the current status and the
causes of damage, thereby studying the solutions to improve the efficiency in
exploitation, to promote the load capability of the reinforced bridges in Vietnam.


3

Hence, the main purpose of the research is to study bridge construction damage
level and location diagnosis methodology by using the oscillation method. This is
an effective tool for identifying, estimating and accurately spotting the damages of a
building to outline plans for further exploitation and maintenance in order to

prevent and avoid damage.


4

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ: “NGHIÊN CỨU CHẨN ĐỐN HƢ HỎNG
DẦM CẦU BÊ TƠNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC NHỊP GIẢN ĐƠN BẰNG
PHƢƠNG PHÁP DAO ĐỘNG” là đề tài do chính cá nhân tơi thực hiện. Đề tài
đƣợc thực hiện theo đ ng Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ, không phải sao chép của cá
nhân nào, các số liệu, mơ hình, thử nghiệm trong luận văn do chính tơi nghiên cứu,
thực hiện.

Tp. HCM, ngày 26 tháng 08 năm 2017

NGUYỄN VĂN CĨ
Học Viên Cao Học Khóa 2015
Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp. HCM.


5

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC K HIỆU, CÁC CH

VI T TẮT.................................................. 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 11
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................. 12

NỘI DUNG, MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .................................................................... 16
1. Tính cần thiết của đề tài. ........................................................................................... 16
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................. 17
3. Phạm vi nghiên cứu. .................................................................................................. 17
4. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................................... 18
5.

nhĩa thực tiễn của để tài......................................................................................... 18

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CƠNG TÁC QUẢN LÝ V CHẨN ĐỐN KỸ
THUẬT CƠNG TRÌNH CẦU. ................................................................................... 19
1.1 T ng quan cơng tác quản lý cầu ở Việt Nam và trên Thế Giới. ............................. 19
1.2 Công tác thử tải cầu................................................................................................. 23
1.2.1.1 Một số sự cố sập cầu tại Việt Nam và trên Thế giới. ........................................ 23
1.2.1.2 Công tác thử tải cầu........................................................................................... 27
1.3 Một số vấn đề trong công tác kiểm định cầu hiện nay. ........................................... 31
1.4 Chẩn đoán, sự cần thiết chẩn đoán hƣ hỏng cơng trình cầu................................... 31
1.4.1 T ng quan về chẩn đốn cơng trình cầu. ............................................................. 32
1.4.2 Nhận định về mức độ hƣ hỏng. ........................................................................... 34
1.5 Tình hình duy tu bảo dƣỡng cơng trình cầu hiện nay. ........................................... 34
1.6 Bài tốn chẩn đốn cơng trình................................................................................. 36
1.7 Nghiên cứu chẩn đốn cầu ở việt nam và trên thế giới. ......................................... 38
1.7.2 Tình hình nghiên cứu trên thê giới và Việt Nam. ................................................ 39
1.7.2.1 Về mơ hình hố kết cấu.................................................................................... 40
1.7.2.2 Các phƣơng pháp thử nghiệm và xử lý số liệu đo. .......................................... 40
1.7.2.3 Các thuật toán nhận dạng hƣ hỏng ................................................................... 40
1.7.2.4 Xây dựng mơ hình thực trạng của cầu .............................................................. 41
Kết luận chƣơng 1. ........................................................................................................ 42

6

CHƢƠNG 2 NHẬN DẠNG HƢ HỎNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BẰNG
PHƢƠNG PHÁP DAO ĐỘNG .................................................................................. 43
2.1 Nhận dạng trạng thái hƣ hỏng cầu. ......................................................................... 43
2.2 Tiêu chẩn bền vững dao động MAC của Ewins. .................................................... 44
2.3 Kỹ thuật lặp trực tiếp. ............................................................................................. 46
2.4 Phƣơng pháp ma trận lỗi......................................................................................... 48
2.5 Thuật tốn xác định vị trí hƣ hỏng. ......................................................................... 49
2.6 T ng quan về thiết lập mơ hình cầu. ....................................................................... 54
2.6.1 Mơ hình tính tốn của một sơ dạng kết cấu nhịp cầu. .......................................... 54
2.6.1.1 Vết nứt ............................................................................................................... 54
2.6.1.2 Đặc trƣng dao động và bài toán chẩn đoán kết cấu nhịp cầu. ........................... 54
2.6.2 Cơ sở xác định các thông số dao động. ................................................................ 55
2.6.2.1. Biểu diễn của hàm “FRF” đối với hệ cơ học. .................................................. 56
2.7 Xác định vị trí dao đông tại các mode dao động. ............................................ ….. 56
Kết luận chƣơng 2. ........................................................................................................ 58
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU CHẨN ĐOÁN HƢ HỎNG CẦU DẦM BTCT
NHỊP GIẢN ĐƠN BẰNG CÁC THÔNG SỐ DAO ĐỘNG. ................................... 59
3.1 Khảo sát trƣờng hợp dầm BTCT nhịp giản đơn bị hƣ hỏng tại một số điểm. ........ 59
3.2 Thiết lập mơ hình. ................................................................................................... 60
3.2.1 Xác định mơ hình thực trạng vật liệu dựa trên cơ sở dữ liệu (CSDL) của cầu. ... 60
3.2.2. Xác định mơ hình thực trạng kết cấu nhờ lý thuyết nhận dạng hệ cơ học. ....... ..61
3.3 Xác định các thông số dao động. ............................................................................ 64
3.3.1 Dao động cƣỡng bức. ........................................................................................... 65
3.3.2 Xác định tần số riêng và hệ số cản. ...................................................................... 67
3.3.2.1 Xác định dạng dao động riêng .......................................................................... 68
3.3.2.2 Phƣơng pháp Kennedy - Pancu ......................................................................... 68
3.3.3 Trực chẩn hoá dạng riêng. .................................................................................... 69
3.4 Cơ sở lý thuyết để xây dựng mơ hình thực trạng kết cấu nhịp. .............................. 69

3.4.1 Xác định vị trí hƣ hỏng bằng tƣơng quan dạng dao động riêng tại điểm đo. ...... 69
3.5. Hệ thống dữ liệu nhận dạng hƣ hỏng. .................................................................... 71


7

3.5.1 Khái niệm về cập nhật mơ hình. .......................................................................... 71
3.5.2 Phƣơng pháp trực tiếp .......................................................................................... 71
3.5.3 Phƣơng pháp thống kê.......................................................................................... 72
3.5.4 Tiêu chuẩn lựa chọn mơ hình phù hợp................................................................. 72
3.6. Quy trình chẩn đốn kết cấu nhịp cầu bằng phƣơng pháp dao động. .................... 73
3.6.1. Trong công tác kiểm tra thƣờng xun đối với cơng trình cầu. .......................... 73
3.6.2. Sử dụng phƣơng pháp dao động trong chẩn đoán nhịp cầu. ............................... 74
3.7. Mô phỏng hƣ hỏng và hệ thống dữ liệu nhận dạng hƣ hỏng. ................................ 74
3.7.1. Khái niệm mô phỏng hƣ hỏng. ............................................................................ 74
3.7.2. Nhận dạng trạng thái hƣ hỏng của kết cấu nhịp cầu ........................................... 74
3.8. Chẩn đoán xác định vị trí bị nứt của kết cấu nhịp.................................................. 75
3.8.1. Biến đ i Wavelet. ................................................................................................ 76
3.8.2. Một số ứng dụng của Wavelet ............................................................................ 79
3.8.3. Mơ hình dầm có nhiều vết nứt ............................................................................ 80
3.8.4. Mơ hình liên tục của dầm có vết nứt. .................................................................. 83
3.8.5. Mơ hình phần tử hữu hạn của dầm có vết nứt..................................................... 84
Kết luận chƣơng 3. ........................................................................................................ 87
CHƢƠNG 4 KHẢO SÁT CƠNG TRÌNH CẦU THỰC TẾ, CẦU BÌNH
THÀNH GỊ CƠNG – TIỀN GIANG ....................................................................... 88
A. Dữ liệu đầu vào. ....................................................................................................... 88
4.1 Tính tốn xác định dao động riêng của kết cấu nhịp I24.54m. ............................... 89
4.1.1. Ứng dụng phƣơng pháp biến đ i trên đƣờng tròn. ............................................. 91
4.1.2. Lập sơ đồ đo và xác định vị trí gây kích động. ................................................... 94
4.1.3. Cách xử lý các số liệu lân cận tại các vị trí đo. ................................................... 95

4.2 Xác định vị trí hƣ hỏng bằng thơng số dao động tại các mode dao động. ............. 99
4.2.1 Xét tƣơng quan giữa hai trạng thái trên ta có hệ số tƣơng quan nhƣ sau: .......... 102
4.2.2 Khi khơng có sai số trong bộ đo dữ liệu đo........................................................ 103
4.2.3 Khi có sai số trong bộ đo dữ liệu đo................................................................... 110
B. Xây dựng đƣờng trung bình. ................................................................................... 115
C. Biểu diễn đƣờng trung bình cho các trạng thái hƣ hỏng, với sai số 12% đã qua xử lý


8

………………………………………………………………………………………110.
4.3 Đánh giá sự thay đ i biên độ dao động của kết cấu dƣới tác dụng của động đất..115
4.4 Trình tự chẩn đốn kết cấu nhịp cầu bằng thơng số dao động. ............................ 127
4.4.1 Trong công tác kiểm tra thƣờng xun đối với cơng trình cầu .......................... 127
4.4.2 Sử dụng phƣơng pháp dao động trong chẩn đoán kết cấu nhịp. ........................ 127
PHẦN KẾT LUẬN V KIẾN NGHỊ. ..................................................................... 129
1. Kết luận. .................................................................................................................. 129
2. Kiến nghị. ................................................................................................................ 129
3.Tài liệu tham khảo. ................................................................................................... 131


9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CH

VIẾT TẮT

BTCT: bê tông cốt thép
TVTK: tƣ vấn thiết kế
QL: quản lý

KHCN GTVT: khoa học công nghệ giao thông vận tải
M- khối lƣợng
c - hệ số cản
k - độ cứng
f(t) - lực ngoài
λi - giá trị riêng thứ i
I - tần số dao động tự nhiên

i - vector riêng
NXE là t ng số các nhân tố kết cấu
K j là sự đóng góp của các yếu tố j đến độ cứng ma trận gộp

 j là tham số thiệt hại cho các phần tử thứ j và khoảng từ -1 đến 0
aiji, aijl, akji và akjl là dao động riêng, hệ số độ cứng nhạy cảm
Sij và zi là dao động riêng, ma trận độ cứng nhạy cảm và vector
m1 là khối lƣợng quy đối tại n t i

i ,  j là tẩn số riêng thứ i, dạng dao động riêng
XT(f), YT(F) là biến đ i Pourier của x(n), y(n)
Sx (f) là hàm mật độ ph
Sxy(f) là tƣơng quan chéo
Uj là biên độ phức của phản ứng tại j
Fk là biên độ phức của lực tác dụng tại k
H jk ( ) là phán ứng của kết cấu tại vị trí j do lực đơn vị có tần số co tại k gây ra
 j (l ), k (l ) là giá trị dao động riêng thứ l vị trí j và k

CSDL là cơ sở dữ liệu
a1, a2,... an là giá trị các biên độ tắt dần của dao động

10

T chu kỳ dao động, là thời gian thực hiện một vòng dao động ( s )
f = l/T(Hz) tần số dao động, là dao động trong một đơn vị thời gian
Tn - thời gian tắt dao động
e - cơ số của lôgarit tự nhiên
 - hệ số tắt dao động
T - chu kỳ dao động


11

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thống kê cầu Japan (04/2013)....................................................................... 20
Bảng 1.2 Một số sự cố sập cầu tại Việt Nam và trên Thế giới. .................................... 23
Bảng 1. 3 Bảng phân cấp mức độ hƣ hỏng kết cấu cơng trình và phƣơng hƣớng xử lý...
....................................................................................................................................... 34
Bảng 2.1 Tần số tự nhiên thực nghiệm cho các cầu bốn nhịp theo độ tu i .................. 47
Bảng 4.1 Tìm các thơng số dao động của kết cấu. ........................................................ 92
Bảng 4.2 Đƣờng tròn Nyquist đƣợc xác định tại các điểm. .......................................... 93
Bảng 4.3 Nội suy số liệu đo tại 05 và 03 điểm bằng đa thức bậc 3 cho mode thứ 3. ... 96
Bảng 4.4 Kết cấu chƣa xuất hiện hƣ hỏng .................................................................. 101
Bảng 4. 5 Kết cấu xuất hiện hƣ hỏng 10%.................................................................. 101
Bảng 4. 6 Mô đun dàn hồi ở các trƣờng hợp hƣ hỏng. ............................................... 101
Bảng 4. 7 Giá trị Kd tại các điểm khi phần tử số 10 hƣ hỏng 10%. ............................ 102
Bảng 4. 8 Giá trị Mac cho dầm chƣa hƣ hỏng ............................................................ 102
Bảng 4. 9 Giá trị Mac cho dầm hƣ hỏng 10% tại phần tử số 10 ................................. 103
Bảng 4. 10 Bảng hệ số tƣơng quan phần tử thứ 6 ....................................................... 104
Bảng 4. 11 Bảng hệ số tƣơng quan phần tử thứ 3 ....................................................... 106
Bảng 4. 12 Bảng hệ số tƣơng quan phần tử thứ 8 ....................................................... 108

12

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Thống kê cầu Japan (04/2013) ....................................................................... 20
Hình 1.2 Sự suy giảm khả năng chịu tải của cầu theo thời gian. .................................. 20
Hình 1.3 % số lƣợng cầu theo tu i, chi phí bảo dƣỡng cầu từ năm 2006-2009
(USA). ........................................................................................................................... 21
Hình 1.4 Số cầu có tu i thọ lớn hơn 50 năm ở Mỹ từ 1990 đến 2050. ......................... 21
Hình 1.5 Sự cố sập cầu nối ở Stambaugh và Cohen năm 2007 .................................... 26
Hình 2.1 Cao độ và mặt cắt ngang của một cầu điển hình............................................ 48
Hình 2.2 Cấu trúc mạng Neuro-Fuzzy sử dụng cho một phần tử, ENFj, j=1…N. ....... 51
Hình 2. 3 Cấu trúc mạng Neuro-Fuzzy sử dụng cho cầu, GNF. ................................... 51
Hình 2.4 Nhận dạng vị trí khuyết tật dựa vào GNFcs................................................... 52
Hình 2. 5 Mơ hình thí nghiệm. ...................................................................................... 53
Hình 3.1 Đ thị Rd(k)trƣờng hợp hƣ hỏng E-4 ............................................................ 70
Hình 3. 2 Đ thị Rd(k) trƣờng hợp hƣ hỏng E-1. ......................................................... 71
Hình 3.3 Scale và tần số (frequency). ........................................................................... 77
Hình 3.4 Sự xê dịch (shifting) của một Wavelet........................................................... 77
Hình 3.5 Một số họ Wavelet. ........................................................................................ 78
Hình 3.6 Ba kiểu vết nứt cơ bản.................................................................................... 81
Hình 3.7 Mơ hình vết nứt. ............................................................................................. 81
Hình 3.8 Mơ hình dầm có vết nứt. ................................................................................ 84
Hình 3. 9 Mơ hình một phần tử. .................................................................................... 86
Hình 4. 1 Mặt cắt ngan cầu ........................................................................................... 89
Hình 4. 2 Sơ đồ bố trí đo tại các điểm. ......................................................................... 89
Hình 4. 3 Mặt bằng bố trí sơ đồ đo và vị trí gây kích động. ......................................... 89
Hình 4. 4 Đồ thị hàm FRF (trích số liệu đo thực tế cầu Tân Khánh Tỉnh Đồng Tháp) 90
Hình 4. 5 Vd dao động riêng thứ 3 tại dầm bố trí 3 điểm đo. ....................................... 95

Hình 4. 6 Vd dao động riêng thứ 3 tại dầm bố trí 5 điểm đo. ....................................... 95
Hình 4.7 Hình dạng mode dao động thứ 3. .................................................................. 97
Hình 4. 8 Dạng dao động lý thuyết và dao động nội suy. ............................................. 97
Hình 4. 9 Vị trí đểm đo cho dạng dao động thứ 3 cho dầm cầu Bình Thành ............... 97


13

Hình 4. 10 Dạng và giá trị dao động thứ nhất khi kết cấu chƣa xuất hiện hƣ hỏng. .... 99
Hình 4. 11 Dạng và giá trị dao động thứ hai khi kết cấu chƣa xuất hiện hƣ hỏng. ...... 99
Hình 4. 12 Dạng và giá trị dao động thứ ba khi kết cấu chƣa xuất hiện hƣ hỏng......... 99
Hình 4. 13 Dạng và giá trị dao động thứ nhất khi kết cấu hƣ hỏng 10% phần tử thứ 10.
..................................................................................................................................... 100
Hình 4. 14 Dạng và giá trị dao động thứ hai khi kết cấu hƣ hỏng 10% phần tử thứ 10.
..................................................................................................................................... 100
Hình 4. 15 Dạng và giá trị dao động thứ ba khi kết cấu hƣ hỏng 10% phần tử thứ 10.100
Hình 4. 16 Biểu đồ hệ số Kd hƣ hỏng 10% tại phần tử thứ 10. ................................... 102
Hình 4. 17 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10% phần tử thứ 6..................................... 103
Hình 4. 18 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25% phần tử thứ 6..................................... 104
Hình 4. 19 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50% phần tử thứ 6..................................... 104
Hình 4. 20 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10%, 25%, 50% phần tử thứ 6 .................. 105
Hình 4. 21 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10% phần tử thứ 3..................................... 105
Hình 4. 22 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25% phần tử thứ 3..................................... 105
Hình 4. 23 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50% phần tử thứ 3..................................... 106
Hình 4. 24 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10%, 25%, 50% phần tử thứ 3 .................. 106
Hình 4. 25 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10% phần tử thứ 8..................................... 107
Hình 4. 26 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25% phần tử thứ 8..................................... 107
Hình 4. 27 Biểu đồ hệ số tƣơng quan hƣ hỏng khi hƣ 50% phần tử thứ 8 ................. 107
Hình 4. 28 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10%, 25%, 50% phần tử thứ 8 .................. 108
Hình 4. 29 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10%, 25%, 50% phần tử thứ 3, 6, 9. ......... 109

Hình 4. 30 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25%, 50% phần tử thứ 7, 10. .................... 109
Hình 4. 31 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50%, 10%, 25% phần tử thứ 2, 5, 11. ....... 110
Hình 4. 32 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng khi hƣ 10% phần tử thứ 6 ......................... 111
Hình 4. 33 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25% phần tử thứ 6..................................... 111
Hình 4. 34 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50% phần tử thứ 6..................................... 111
Hình 4. 35 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10% phần tử thứ 3..................................... 112
Hình 4. 36 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25% phần tử thứ 3..................................... 112
Hình 4. 37 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50% phần tử thứ 3..................................... 112


14

Hình 4. 38 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10% phần tử thứ 8..................................... 113
Hình 4. 39 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25% phần tử thứ 8..................................... 113
Hình 4. 40 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50% phần tử thứ 8..................................... 113
Hình 4. 41 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10%, 25%, 50% phần tử thứ 3, 6, 9. ......... 114
Hình 4. 42 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25%, 50% phần tử thứ 7, 10. .................... 114
Hình 4. 43 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50%, 10%, 25% phần tử thứ 2, 5, 11. ....... 114
Hình 4. 44 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10% phần tử thứ 6 sai số 12% .................. 117
Hình 4. 45 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25% phần tử thứ 6 sai số 12% .................. 117
Hình 4. 46 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50% phần tử thứ 6 sai số 12% .................. 118
Hình 4. 47 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10% phần tử thứ 3 sai số 12% .................. 118
Hình 4. 48 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25% phần tử thứ 3 sai số 12% .................. 118
Hình 4. 49 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50% phần tử thứ 3 sai số 12% .................. 119
Hình 4. 50 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10% phần tử thứ 8 sai số 12% .................. 119
Hình 4. 51 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25% phần tử thứ 8 sai số 12% .................. 119
Hình 4. 52 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50% phần tử thứ 8 sai số 12% .................. 120
Hình 4. 53 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 10%, 25%, 50% phần tử thứ 3, 6, 9 sai số
12%。.......................................................................................................................... 120
Hình 4. 54 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 25%, 50% phần tử thứ 7, 10 sai số 12% ... 120

Hình 4. 55 Biểu đồ hệ số Kd khi hƣ hỏng 50%, 10%, 25% phần tử thứ 2, 5, 11 sai số
12%.............................................................................................................................. 121
Hình 4. 56 Biểu đồ dao động kết cấu tại các General Link khi chịu tải động đất. ..... 121
Hình 4. 57 Biểu đồ ramp ............................................................................................. 122
Hình 4. 58 Biểu đồ dao động tại 1 nút trong thời gian 55s dƣới tác động động đất ... 122
Hình 4. 59 Biểu đồ ph khi chịu tác dụng của động đất trong thời gian 10s.............. 122
Hình 4. 60 Biểu đồ dao động Dx khi chƣa xuất hiện hƣ hỏng.................................... 123
Hình 4. 61 Biểu đồ dao động Dx khi xuất hiện hƣ hỏng 50% tại nút số 15 ............... 123
Hình 4. 62 Biểu đồ dao động Dy khi chƣa xuất hiện hƣ hỏng.................................... 123
Hình 4. 63 Biểu đồ dao động Dy khi xuất hiện hƣ hỏng 50% tại nút số 15 ............... 124
Hình 4. 64 Biểu đồ dao động Dz khi chƣa xuất hiện hƣ hỏng .................................... 124
Hình 4. 65 Biểu đồ dao động Dz khi xuất hiện hƣ hỏng 50% tại nút số 15 ............... 124


15

Hình 4. 66 Biểu đồ dao động Dxyz khi chƣa xuất hiện hƣ hỏng ................................ 125
Hình 4. 67 Biểu đồ dao động Dzyz khi xuất hiện hƣ hỏng 50% tại nút số 15 ............ 125


16

CHƢƠNG MỞ ĐẦU
NỘI DUNG, MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
1. Tí

cầ t iết của đề tài.

- Cầu là một phần quan trọng không thể tách rời của hệ thống giao thông hiện đại,
đóng vai trị quan trọng trong đời sống cộng đồng. Cầu đƣợc thiết kế để có tu i thọ

cao, những thay đ i về đặc tính tải suy giảm theo tu i thọ, ảnh hƣởng của môi
trƣờng, sự tác động ngẫu nhiên có thể gây ra thiệt hại kinh tế rất lớn đối với kinh tế
của một địa phƣơng, khu vực hay quốc gia. Đối với các sự cố sập cầu hay hiệu suất
làm việc của cầu kém sẽ phá vỡ hệ thống giao thông, ảnh hƣởng đến kinh tế khu
vực, tính mạng của ngƣời tham gia giao thơng. Do đó đảm bảo kết cấu cầu làm việc
an tồn, hiệu quả trong suốt thời gian khai thác bằng cách giám sát sự làm việc của
kết cấu và thực hiện các biện pháp khắc phục phù hợp khi có sự cố hoặc hƣ hỏng,
giám sát sức khỏe Kết cấu (SHM- Structural Health Monitoring) và phát hiện hƣ
hỏng biểu thị bằng khả năng làm việc của kết cấu cầu, đánh giá hƣ hỏng thiệt hại ở
giai đoạn sớm nhất để tránh ảnh hƣởng đến tu i thọ cơng trình đảm bảo an tồn
đƣợc đặt lên hàng đầu. Vì vậy, q trình giám sát tình trạng làm việc của kết cấu
cầu, chẩn đốn đánh giá hƣ hỏng trong giai đoạn đầu là hết sức quan trọng trong
việc đƣa ra các giải pháp kiểm sốt sửa chửa cơng trình cầu giảm thiểu chi phí duy
tu bảo dƣỡng và đảm bảo tu i thọ công trình phải đƣợc ch trọng.
- Bên cạnh đó trong vài thập kỷ qua, đã có những thay đ i lớn về tải trọng của các
phƣơng tiện giao thông tác động lên cơng trình vì vậy cần phải có phƣơng pháp
chẩn đốn hƣ hỏng phù hợp và chính xác để có những phƣơng pháp sửa chửa đáp
ứng đƣợc tình hình khai thác hiện tại, các phƣơng pháp đang đƣợc áp dụng kiểm tra
đánh giá hiện trạng cầu hiện nay còn nhiều mặt hạn chế nhƣ: khó phát hiện hƣ hỏng
ở những bộ phận ẩn khuất hay ảnh hƣởng của vùng hƣ hỏng này đến vùng hƣ hỏng
khác, cùng với sự phát triển của những kỹ thuật đo, tính tốn từ năm 2000 đến nay
trên thế giới đã đã có nhiều cơng trình khoa học đƣợc cơng bố về việc nghiên cứu
áp dụng, chẩn đoán hƣ hỏng cầu bằng phƣơng pháp dao động, đây là phƣơng pháp
chẩn đốn bệnh học cơng trình thông qua sự dao động của kết cấu, các thông số này
bao gồm đặt trƣng hình học, sơ đồ làm việc và điều kiện liên kết của kết cấu, từ các


17

thơng số trên hồn tồn có thể chẩn đốn đƣợc tình trạng làm việc của kết cấu cầu.

Phƣơng pháp này sẽ là một trong những công cụ hữu hiệu b sung cho lĩnh vực
kiểm định cầu hiện nay. Việc chọn đề tài “NGHIÊN CỨU CHẨN ĐOÁN HƢ
HỎNG DẦM CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC NHỊP GIẢN ĐƠN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP DAO ĐỘNG” nhằm tìm ra cơng cụ hiệu quả trong việc
nhận dạng, dự đốn, xác định chính xác hƣ hỏng kết cấu nhịp cầu bằng phƣơng
pháp dao động ở Việt Nam.
2. Mục tiêu g iê cứu.
- Nghiên cứu các dạng hƣ hỏng dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn,
một vài hƣ hỏng kết cấu nhịp điển hình và mơ hình thực trạng kết cấu cầu, dựa trên
các đặc trƣng dao đông, đánh giá chẩn đốn vị trí, dạng, mức độ hƣ hỏng kết cấu
nhịp.
- Xây dựng mơ hình kết cấu bằng phần mềm chun dụng dựa trên mơ hình thực và
các thuật tốn dao động, thơng số dao động từ đó xác định vị trí hƣ hỏng của kết
cấu nhịp bằng lý thuyết nhận biết hƣ hỏng của Ewins, phân tích mối tƣơng quan
giữa các tần số dao động ở hai trạng thái của cơng trình, đƣa ra kết luận, hƣớng phát
triển của đề tài.
- Xây dựng quy trình chẩn đốn hƣ hỏng kết cấu cầu bê tông cốt thép dự ứng lực
nhịp giản đơn bằng phƣơng pháp dao động thông qua các thông số dao động và áp
dụng vào thực tế.
3. P

m vi g iê cứu.

- Cơng trình cầu và thực trạng cơng tác quản lý cầu trên Thế giới và Việt Nam,
t ng quan quy trình thử nghiệm cầu tại Việt Nam.
- Nghiên cứu chẩn đốn mức độ, vị trí hƣ hỏng kết cấu nhịp cầu thông qua phƣơng
pháp dao động.
- Sử dụng phƣơng pháp thống kê, xác suất, ứng dụng các thuật toán nhận biết xử lý
hƣ hỏng cầu và xử lý sai số dữ liệu. Nghiên cứu các phƣơng pháp đo đạc xử lý số
liệu bằng phản ứng động với thiết bị kích tải trọng điều hịa. Từ đó thu đƣợc biên độ

18

dao động riêng của kết cấu nhịp ở tần số thấp nhất để xác định các vị trí hƣ hỏng
nhỏ và ít phản ứng với dao động.
- Mơ hình thực trạng kết nhịp cầu, so sánh kết quả của các phƣơng pháp nhận biết
hƣ hỏng.
- Xây dựng quy trình chẩn đốn kết cấu cầu bê tơng cốt thép dự ứng lực nhịp gian
đơn bằng phƣơng pháp dao động trên kết quả nghiên cứu và thực tế khai thác cầu
tại Việt Nam.
4. P ƣơ g
-

á

g iê cứu.

T ng quan tình hình nghiên cứu, chẩn đoán hƣ hỏng cầu trên Thế giới và Việt

Nam.
- Tìm hiểu lý thuyết nhận dạng hƣ hỏng của Ewins, phƣơng pháp chẩn đốn vị trí,
mức độ, dạng hƣ hỏng của kết cấu nhịp cầu thông qua các thơng số dao động.
- Áp dụng lý thuyết chẩn đốn hƣ hỏng cho kết cấu dầm I24.54m thơng qua thuật
tốn của Ewins để xác định chỉ số Mac từ đó đánh giá tình trạng làm việc của kết
cấu dầm, bất đẳng thức Bunnhiacopxiki để xác định vị trí và mức độ hƣ hỏng của
kết cấu nhịp.
- T ng hợp, xây dựng quy trình chẩn dốn hƣ hỏng kết cấu nhịp bằng phƣơng pháp
dao động.
5. Ý

ĩa t ực tiễ của để tài.

- Đề tài cung cấp cái nhìn t ng thể về phƣơng pháp chẩn đoán hƣ hỏng kết cấu nhịp
cầu bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn bằng các thơng số dao động, dự báo
tình trạng làm việc của cơng trình cầu, cung cấp sớm các thơng tin về tình trạng hƣ
hỏng để từ đó đề ra các biện pháp khai thác, duy tu bảo dƣỡng phù hợp đảm bảo
giao thơng và chi phí vận hành thấp nhất.
- Đề tài sử dụng các thuật toán liên quan đến dao động, biên độ dao động riêng và
các phƣơng trình tốn học nhận dạng hƣ hỏng. Các đại lƣơng trên đƣợc xác định
thơng qua mơ hình thực trạng kết cấu nhịp cầu và có thể xác định bằng phƣơng
pháp đo đạc, tính tốn và xử lý số liệu trên cơng trình thực. Đây là điểm quan trọng
để đƣa đề tài vào thực tiễn.


19

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG TÁC QUẢN LÝ V CHẨN ĐỐN
KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH CẦU.
1.1 Tổ g quan cơng tác quả

ý cầu ở Việt Nam và trê T ế Giới.

1.1.1 Tầm quan trọng của công tác quản lý, bảo dƣỡng cầu.
Duy trì cơ sở hạ tầng là một trong những vấn đề đặc biệt quan trọng trong sự phát
triển kinh tế của một quốc gia. Thực hiện một kế hoạch bảo trì sẽ kéo dài tu i thọ
của cơng trình, giảm thiểu chi phí đầu tƣ cơng trình mới, nhƣ vậy bảo trì cơng trình
cầu là một trong những nhiệm vụ hết sức quan trọng trong hệ thống giao thông hiện
nay, bên cạnh việc đầu tƣ cơng trình mới. Hàng năm khối lƣợng vận chuyển hàng
hóa khơng ngừng tăng lên, lƣợng xe chạy càng nhiều, tỉ lệ xe nặng càng lớn, do đó

đƣờng sá và cơng trình cầu càng chịu tác dụng nhiều của tải trọng xe. Hơn nữa, các
yếu tố khí hậu thƣờng xun tác dụng lên cơng trình cầu làm cho chất lƣợng cầu
không n định, tạo điều kiện cho việc phát sinh các hiện tƣợng biến dạng, hƣ hỏng.
Một vấn đề cơ bản cần lƣu ý là khơng có một cơng trình cầu nào tồn tại tốt đƣợc
vĩnh viễn dù đã đƣợc xây dựng đạt chất lƣợng cao. Những cơng trình cầu có lớp kết
cấu ở cấp hạng cao cũng khơng thốt khỏi thơng lệ này. Có thể nói rằng, tất cả cơng
trình cầu vừa mới làm xong đã bắt đầu suy giảm chất lƣợng vì những tác hại của
cƣờng độ vận chuyển, các nhân tố thiên nhiên. Với khí hậu nhiệt đới và xích đạo,
nhất là đối với các cơng trình cầu có kêt cấu bê tơng cốt thép, q trình suy giảm
này thƣờng diễn ra một cách nhanh chóng. Chỉ có sự quản lý cẩn thận, chăm sóc
liên tục mới hạn chế q trình suy giảm chất lƣợng trong quá trình khai thác.
Việc xem nhẹ vai trị của cơng tác bảo dƣỡng sửa chữa cơng trình cầu sẽ đối mặt
với những chi phí lớn hơn rất nhiều vì phải sửa chữa lớn hoặc xây dựng lại. Hiện
nay ở Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới, số lƣợng các cơng trình cầu cũ đang chiếm
phần lớn, hơn 50% cầu trên thế giới có tu i thọ trung bình trên 20 năm nhƣ vậy bài
tốn đặt ra là đâu tƣ xây dựng mới hay duy tu bảo dƣỡng các cơng trình hiện có
đánh giá đựa trên tính kinh tế và thời gian, việc duy tu bảo dƣỡng đƣợc ƣu tiên hàng
đầu. Do đó việc cần làm trƣớc mắt là phải đầu tƣ công tác duy tu bảo dƣỡng nhằm


20

sớm phát hiện đƣợc các dấu hiệu bất thƣởng của cơng trình cầu từ đó đề ra phƣơng
pháp giải quyết giảm thiểu tối đa chi phí, ít ảnh hƣởng đến kết cấu nhất.
Ở các nƣớc phát triển hầu hết công trình cầu đã đƣợc xây dựng phần lớn từ thế kỹ
trƣớc tính đến thời gian hiện tại tu i thọ các cơng trình này đã bắt đầu qua 20 năm
sử dụng vì vậy vấn đề lớn đặt ra là cơng tác kiểm định, khai thác, chẩn đoán khả
năng chịu tải của cơng trình cầu phải đặt lên hàng đầu.
Bảng 1.1 Thống kê cầu ở Nhật (04/2013)
P â

i cơ g trì

Số cầu trê đƣờ g b

Đƣờng cao tốc Quốc gia (Chủ đầu tƣ là Bộ
giao thông vận tải và đƣợc vận hành bởi
Công ty quản lý đƣờng cao tốc.)
Đƣờ g quốc đƣợc đầu tƣ và v
bởi B gia t ô g v tải

à

Đƣờng quốc lộ đƣợc đầu tƣ và vận hành
bởi nguồn ngân sách Tỉnh

Số ƣợ g xe tru g bì
ƣu t ô g tr g 24 / Cầu
9,068

7,246(1.1%)
27,884
20,763(3.1%)
30,200(4.4%)

3,326
16,641
1,127
8,120

Đƣờng Tỉnh

100,152(14.7%)

568

Đƣờng Đô thị

521,173(76.7%)

4,941

Tổ g c

679,534(100%)

‐‐‐

g

Hình 1.1 Thống kê cầu ở Nhật (04/2013)

Hình 1.2 Sự suy giảm khả năng chịu tải của cầu theo thời gian.


21

Ở Mỹ năm 2013 có 607.380 cây cầu Trong số này, 200.000 cây cầu thép,
235.000 là bê tông cốt thép thông thƣờng, 108.000 cây cầu đƣợc xây dựng bằng
bê tông dự ứng lực, và đ c hẫng cân bằng. Khoảng 30 phần trăm cầu có kết cấu

yếu hoặc q cũ.

Hình 1.3 % số lƣợng cầu theo tu i, chi phí bảo dƣỡng cầu từ năm 2006-2009
(USA).

Hình 1.4 Số cầu có tu i thọ lớn hơn 50 năm ở Mỹ từ 1990 đến 2050.
1.1.2 Thực trạng việc kiểm định khai thác cầu tại Việt Nam.
- Hiện nay ở nƣớc ta có khá nhiều cơng trình cầu quy mơ lớn, có tiêu chẩn kỹ thuật
thấp, xây dựng từ khá lâu, thời gian khai thác dài, chịu ảnh hƣởng nhiều của thời
tiết khắc nghiệt cũng nhƣ tải trọng thay đ i tăng lên theo thời gian nhƣng cơng tác
kiểm định, bảo trì vẫn chƣa đƣợc thực hiện thƣờng xuyên và đầu tƣ đ ng mức.
Đồng thời cho đến hiện tại Việt Nam vẫn chƣa có tiêu chuẩn chính thức nào để