Xác định đặc trưng động lực học công trình cầu bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------------------

PHAN BÁ TẠO

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG ĐỘNG LỰC HỌC
CƠNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP
PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng
Mã số: 8580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. HOÀNG TRỌNG LÂM

Đà Nẵng – Năm 2019


i
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến q Thầy Cơ giáo
trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng nói chung và q Thầy Cơ trong Khoa
Xây dựng Cầu Đường nói riêng. Cảm ơn Thầy Cơ đã tận tình dạy dỗ và chỉ bảo tôi
trong suốt 2 năm học vừa qua.
Tơi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo hướng dẫn
Tiến sĩ Hoàng Trọng Lâm – người đã định hướng, giúp đỡ tận tình tơi trong suốt thời
gian hồn thành luận văn tốt nghiệp.

Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót
là điều khó tránh khỏi. Tơi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của q Thầy Cơ
để đề tài được hồn thiện hơn và để tôi vững vàng hơn khi tiếp xúc với cơng việc sau
này.
Lời cuối cùng, tơi xin kính chúc q Thầy Cô luôn mạnh khỏe.
Trà Vinh, ngày tháng năm 2019
Học viên thực hiện

Phan Bá Tạo


ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến
sĩ Hồng Trọng Lâm là đề tài làm mới, khơng sao chép hay trùng với đề tài nào đã
thực hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo.
Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Nếu sai, tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Học viên thực hiện

Phan Bá Tạo


iii
XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU
BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG
Học viên: Phan Bá Tạo.
Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng
Mã số: 8580205. Khóa: K36. Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu (SHM) nhằm cung cấp dữ liệu định lượng
đáng tin cậy về các điều kiện thực tế của cầu qua việc quan sát sự thay đổi của nó cũng như
phát hiện sự xuống cấp. Bằng cách thiết lập lâu dài một số cảm biến, liên tục đo các thơng số
liên quan đến tình trạng kết cấu cũng như nghiên cứu các thông số môi trường quan trọng
khác, chúng ta có thể có được một bức tranh thời gian thực về tình trạng và sự thay đổi của
kết cấu. Trong SHM, các tham số dao động (bao gồm tần số tự nhiên, dạng dao động và hệ số
cản) đóng vai trị quan trọng trong việc phân tích ứng xử động của kết cấu. Một vài phương
pháp sẵn có để xác định đặc trưng dao động dựa vào sự chuyển động có thể kể đến là: phương
pháp biến đổi Fourier (FT) [14], phương pháp hàm phản ứng tần số (FRF) [15] và phương
pháp phân tích tại các đỉnh (PPM) [16]. Luận văn này tập trung nghiên cứu ứng dụng của
phương pháp phân tích theo giá trị riêng (ERA) [3] trong việc xác định dao động. Đây là hệ
thống duy nhất sử dụng kết quả đầu ra là dao động tự do hoặc phản ứng xung. Nghiên cứu
cũng cung cấp thuật toán toán học của phương pháp ERA và sử dụng nó nhằm phân tích phản
ứng dao động của cầu dưới tác dụng của xe tải di động. Kết quả thu được từ ERA đồng thời
được so sánh với phương pháp phần tử hữu hạn.
Từ khóa - Quan trắc sức khỏe kết cấu; thông số dao động kết cấu; phân tích dao động theo
giá trị riêng; phần tử hữu hạn; phương pháp hệ thống định dạng.
THE IDENTIFICATION OF DYNAMIC PARAMETERS OF BRIDGE
STRUCTURES USING EIGEN REALIZATION ALGORITHM
Abstract -Structural health monitoring (SHM) aims to provide quantitative and reliable
data on the real conditions of a bridge observe its evolution and detect the appearance of
degradations. By permanently installing a number of sensors, continuously measuring
parameters relevant to the structural conditions and other important environmental
parameters, it is possible to obtain a real-time picture of the structure’s state and evolution. In
structural health monitoring, the dynamic parameters (including natural frequencies, mode
shapes and damping properties) play an important role in the understanding of the dynamic
behavior of structures. Several methodologies are available to determine modal characteristics
based on vibration such as Fourier transform (FT) [14], Frequency Response Function (FRF)
[15] and Peak Picking Method (PPM) [16]. This study focuses on the using of the Eigen
Realization Algorithm (ERA) [3] for modal identification. This is an output-only system

identification using free vibration or impulse response. The study provides a mathematic
algorithm on ERA method and then application to analyze dynamic responses of the bridge
under excitation by difference truck modes. The results from ERA also compared with Finite
Element Method.
Key words - Structural health monitoring (SHM); Modal parameter; Eigen Realization
Algorithm (ERA); Finite Element Method (FEM); system identification method.


iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii
MỤC LỤC .....................................................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................vi
CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................................ix
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 1
2. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................................ 2
3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................... 2
4. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................... 2
6. Dự kiến kết cấu nội dung của luận văn: .................................................................. 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CẦU ...... 5
1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu............................................................................. 5
1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu ............................................................. 5
1.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống quan trắc kết cấu cầu .................................. 6
1.1.3. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu .................................................... 7
1.1.4 Các căn cứ của hệ thống quan trắc .................................................................. 9
1.1.5. Các cấp độ quan trắc ...................................................................................... 11

1.2. Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe ................................................ 14
1.2.1. Các thành phần của hệ thống quan trắc....................................................... 14
1.2.2. Các cảm biến .................................................................................................. 17
1.2.2.1. Giới thiệu về các cảm biến ........................................................................... 17
1.2.2.2. Cơ sở đo đạc của các cảm biến.................................................................... 17
1.2.2.3. Cảm biến quang học..................................................................................... 19
1.3. Một số phƣơng pháp xác định thông số động lực học kết cấu ......................... 21
1.3.1. Phương pháp biến đổi Fourier ...................................................................... 22
1.3.2. Phương pháp hàm phản ứng tần số .............................................................. 22
1.3.3. Phương pháp phân tích tại các đỉnh ............................................................. 23
1.3.4. Ưu, nhược điểm phương pháp phân tích theo giá trị riêng ERA ................ 24
Kết luận chƣơng 1........................................................................................................ 24
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG ĐỘNG
LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO
GIÁ TRỊ RIÊNG ......................................................................................................... 25
2.1. Thuật tốn phân tích theo giá trị riêng .............................................................. 25
2.2. Xây dựng thuật tốn ERA bằng ngơn ngữ Matlab ........................................... 30
2.2.1. Giới thiệu phần mềm Matlab ......................................................................... 30


v
2.2.2. Thuật tốn ERA ............................................................................................. 31
2.2.3. Thuật tốn tính tham số Markov ................................................................... 36
2.3. Cập nhật và hiệu chỉnh bằng phần mềm SAP2000 ........................................... 37
2.3.1. Giới thiệu phần mềm SAP2000 ..................................................................... 37
2.3.2. Mô phỏng cầu Thuận Phước bằng phần mềm SAP2000 ............................ 38
2.3.2.1. Tổng quan về cầu Thuận Phước .................................................................. 38
2.3.2.2. Kết quả mô phỏng cầu Thuận Phước ........................................................... 40
Kết luận chƣơng 2........................................................................................................ 40
CHƢƠNG 3: ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG CHƢƠNG TRÌNH

PHÂN TÍCH ................................................................................................................. 41
3.1. Đo đạc thực nghiệm và thu thập dữ liệu ............................................................ 41
3.1.1. Đo đạc thực nghiệm ....................................................................................... 41
3.1.2. Thu thập dữ liệu ............................................................................................. 43
3.2. Ứng dụng chƣơng trình phân tích kết quả......................................................... 47
3.3. Kết quả từ phần tử hữu hạn ................................................................................ 50
Kết luận chƣơng 3........................................................................................................ 52
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 53
Kết luận ........................................................................................................................ 53
Kiến nghị ...................................................................................................................... 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 54


vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 0.1: Mơ hình hệ thống quan trắc cầu ...................................................................... 1
Hình 1.1: Quá trình phát triển của hệ thống quan trắc .................................................... 7
Hình 1.2: Sơ đồ các cấp độ cùa hệ thống quan trắc ...................................................... 13
Hình 1.3: Sơ đồ các hệ thống quan trắc ......................................................................... 15
Hình 1.4: Sơ đồ của một hệ thống quan trắc ................................................................. 16
Hình 1.5: Chi tiết bố trí của một của một sợi cám biến ................................................. 18
Hình 1.6: Hình ảnh cảm biến sợi quang học ................................................................. 19
Hình 1.7: Biến đổi Fourier............................................................................................. 22
Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn dựa vào phương pháp Frequency
Response Function ......................................................................................................... 23
Hình 1.9: Phương pháp tính hệ số cản từ Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn ........ 24
Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ liên tục giữa z(t) và y(t) trong thực tế ................................ 26
Hình 2.2: Kết quả đo được mối quan hệ giữa z(t) và y(t) ............................................. 26
Hình 2.3: Sơ đồ thuật tốn ERA .................................................................................... 29

Hình 2.4: Giao diện Matlab ........................................................................................... 30
Hình 2.5: Sơ đồ khối thuật tốn ERA trên Matlab ........................................................ 31
Hình 2.6: Giao diện SAP2000 ....................................................................................... 38
Hình 2.7: Trắc dọc cầu Thuận Phước ............................................................................ 39
Hình 2.8: Mặt cắt ngang đại diện .................................................................................. 39
Hình 2.9: Mơ phỏng cầu Thuận Phước trong phần mềm SAP2000 .............................. 40
Hình 3.1: Cầu Thuận Phước .......................................................................................... 41
Hình 3.2: Ơ tơ tác dụng lực kích thích .......................................................................... 41
Hình 3.3: Hệ thống đo đạc BDI ..................................................................................... 42
Hình 3.4: Sơ đồ bố trí sensor ......................................................................................... 42
Hình 3.5: Đo đạc tại hiện trường ................................................................................... 43
Hình 3.6: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 1 ở vận tốc xe
chạy 20km/h .................................................................................................................. 43
Hình 3.7: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 1 giai đoạn dao
động tự do ...................................................................................................................... 44
Hình 3.8: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 2 ở vận tốc xe
chạy 20km/h .................................................................................................................. 44
Hình 3.9: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 2 giai đoạn dao
động tự do ...................................................................................................................... 45
Hình 3.10: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 3 ở vận tốc xe
chạy 20km/h .................................................................................................................. 45
Hình 3.11: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 3 giai đoạn dao
động tự do ...................................................................................................................... 46


vii
Hình 3.12: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 4 ở vận tốc xe
chạy 20km/h .................................................................................................................. 46
Hình 3.13: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 4 giai đoạn dao
động tự do ...................................................................................................................... 47

Hình 3.14: Tham số Markov ......................................................................................... 47
Hình 3.15: Biểu đồ giá trị riêng theo ham logarit ......................................................... 48
Hình 3.16: Xác định số bậc hệ thống ............................................................................ 48
Hình 3.17: Dạng dao động ứng với tần số f=0,73518 Hz từ kết quả ERA ................... 49
Hình 3.18: Tần số thu được từ phương pháp FFT ......................................................... 50
Hình 3.19: Dạng dao động ứng với mode 1 từ kết quả SAP2000 ................................. 51
Hình 3.20: Dạng dao động ứng với mode 2 từ kết quả SAP2000 ................................. 51
Hình 3.21: Dạng dao động ứng với mode 3 từ kết quả SAP2000 ................................. 52


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1:Thơng số động lực học tính bằng phương pháp ERA.................................... 49
Bảng 3.2: Tần số dao động riêng ................................................................................... 50


ix

CÁC TỪ VIẾT TẮT
SHM: Structural health monitoring (Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu)
FT: Fourier transform (Biến đổi Fourier)
FRF: Frequency Response Function (Hàm phản ứng tần số)
PPM: Peak Picking Method (Phân tích tại các đỉnh)
ERA: Eigen Realization Algorithm (Phân tích theo giá trị riêng)


1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Hệ thống giao thông là một trong những hệ thống rất quan trọng của nền kinh tế
quốc gia. Trong mối quan hệ tổng hòa với nền kinh tế, hệ thống giao thơng được ví
như mạch máu trong cơ thể sống, ở nước ta, trong điều kiện hội nhập và phát triển
kinh tế hiện nay, mạng lưới giao thông không ngừng được xây dựng mở rộng từ thành
thị đến nông thôn và vùng sâu, vùng xa...
Hiện nay, các cơng trình giao thơng tại Việt Nam đang được xây dựng với số
lượng lớn nhằm đáp ứng kịp thời với nhịp độ phát triển của nền kinh tế. Do đó, chất
lượng khai thác của cơng trình cũng phải được xem xét một cách thỏa đáng. Việc
nghiên cứu hệ thống theo dõi sự làm việc của cơng trình trong giai đoạn khai thác
mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Kết quả thu thập được là một bức tranh tổng thể về
ứng xử của cơng trình trong giai đoạn làm việc, là cơ sở quan trọng cho việc đưa ra các
đánh giá về khả năng khai thác phục vụ của cơng trình.
Với nhu cầu thực tế hiện nay, các cơng trình xây dựng nói chung và cơng trình
cầu nói riêng cần phải được theo dõi, đánh giá một cách liên tục. Sự theo dõi, quan sát
kết cấu một cách liên tục và tự động có thể chỉ ra sự cần thiết cần phải sửa chữa, tăng
cường hoặc thay thế tùy thuộc vào tình trạng sức khỏe của chúng. Cùng với sự phát
triển khoa học kỹ thuật và công nghệ mà việc theo dõi tình trạng của kết cấu cầu ngày
càng chính xác hơn.

Hình 0.1: Mơ hình hệ thống quan trắc cầu
Mỗi kết cấu cầu trong thực tế thường có sự khác biệt rất lớn so với dự đoán trong
giai đoạn thiết kế. Nó phụ thuộc vào rất nhiều vào các yếu tố bất định, kế cả yếu tố nội
tại và tác động bên ngoài. Một số yếu tố phát sinh ngay trong q trình thi cơng làm
cho các ứng xử về kết cấu khác với các ứng xử dự kiến hoặc được mơ hình trong bước


2
thiết kế. Khi được đưa vào sử dụng, kết cấu cầu còn chịu sự tác động trực tiếp của tải
trọng xe cộ và các tác động khác như gió, giãn nở nhiệt... thông thường các tác động

này khá khác biệt và trong rất nhiều trường hợp không thể biết được nguyên nhân xuất
hiện và cường độ của chúng [1].
Ở Việt Nam hiện nay, các cơng trình cầu thường được kiểm định và thử tải trước
khi được vào sử dụng hoặc thử tải định kỳ trong quá trình khai thác. Phương pháp thử
tải tĩnh thường được ứng dụng để xác định khả năng chịu tải của cơng trình cầu. Đối
với phương pháp thử tải động, phương pháp lực như là sử dụng xe tải di động để kích
thích dao động và xác định một số đặc trưng dao động kết cấu (thường chỉ có tần số
dao động bằng phương pháp phân tích FFT) hay được sử dụng [2].
Các phương pháp phân tích dao động trước đây hay được sử dụng như phép biến
đổi Fourier (FFT) chỉ thu được tần số dao động riêng, phương pháp Pick Peaking
Method thu được cả tần số dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản nhưng độ
chính xác lại khơng cao và khơng thể thực hiện khi đỉnh các tần số không tách biệt rõ
ràng.
Thuật tốn phân tích theo giá trị riêng áp dụng thông số đầu ra là dạng dao động
tự do thu được từ dao động của cầu cho chúng ta kết quả là các thông số dao động của
kết cấu (tần số dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản) với độ chính xác cao [3].
Kết quả thu được từ phương pháp phân tích theo giá trị riêng cho phép đánh giá mức
độ suy giảm của kết cấu và là cơ sở để cập nhật hiệu chỉnh mơ hình phần tử hữu hạn
và sử dụng nó để đánh giá khả năng chịu tải và phân tích ứng xử động của cơng trình
cầu.
2. Đối tƣợng nghiên cứu
- Dao động tự do của kết cấu nhịp cơng trình cầu.
3. Phạm vi nghiên cứu
- Xây dựng chương trình xác định các thơng số dao động của kết cấu cầu (tần số
dao động riêng, mode dao động và hệ số cản) bằng phương pháp phân tích theo giá trị
riêng.
- Thực hiện thí nghiệm đo dao động kết cấu cầu đối với mơ hình cầu thực tế.
- Phân tích kết quả thí nghiệm và cập nhật mơ hình phần tử hữu hạn.
4. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng chương trình xác định các thơng số dao động của kết cấu cầu bằng

phương pháp phân tích theo giá trị riêng.
- Ứng dụng kết quả từ chương trình phân tích kết quả đo đạc thực nghiệm để
phân tích và đánh giá năng lực phục vụ của cơng trình cầu.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu ứng xử kết cấu cầu dưới tác dụng tải trọng động, xây dụng thuật
tốn phân tích số liệu thí nghiệm cơng trình cầu bằng phương pháp phân tích theo giá
trị riêng.


3
- Đo đạc số liệu dao động thực nghiệm công trình cầu thực tế và sử dụng thuật
tốn để phân tích kết quả.
- Cập nhật mơ hình phần tử hữu hạn
6. Dự kiến kết cấu nội dung của luận văn:
PHẦN MỞ ĐẦU
- Lý do chọn đề tài (sự cần thiết phải nghiên cứu).
- Đối tượng nghiên cứu.
- Phạm vi nghiên cứu.
- Mục tiêu nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CẦU
1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu
1.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.3. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.4. Các căn cứ của hệ thống quan trắc
1.1.5. Các cấp độ quan trắc
1.2. Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe
1.2.1. Các thành phần của hệ thống quan trắc
1.2.2. Các cảm biến

1.3. Một số phương pháp xác định thông số động lực học kết cấu
1.3.1. Phương pháp biến đổi Fourier (FT)
1.3.2. Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency Response Function)
1.3.3. Phương pháp phân tích tại các đỉnh (Pick Peaking Method)
1.3.4. Ưu, nhược điểm phương pháp phân tích theo giá trị riêng ERA
Kết luận chương 1
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG ĐỘNG
LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO
GIÁ TRỊ RIÊNG
2.1. Thuật tốn phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization Algorithm-ERA)
2.2. Xây dựng thuật tốn ERA bằng ngơn ngữ Matlab
2.2.1. Giới thiệu phần mềm Matlab
2.2.2. Thuật tốn ERA
2.2.3. Thuật tốn tính tham số Markov
2.3. Cập nhật và hiệu chỉnh bằng phần mềm SAP2000
2.3.1. Giới thiệu phần mềm SAP2000
2.3.2. Mô phỏng cầu Thuận Phước bằng phần mềm SAP2000
Kết luận chương 2


4
CHƢƠNG 3: ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG CHƢƠNG TRÌNH
PHÂN TÍCH
3.1. Đo đạc thực nghiệm và thu thập dữ liệu
3.1.1. Đo đạc thực nghiệm
3.1.2. Thu thập dữ liệu
3.2. Ứng dụng chương trình phân tích kết quả.
3.3. Kết quả từ phần tử hữu hạn.
Kết luận chương 3.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CẦU
1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu
Quan trắc kết cấu cầu là một thuật ngữ dùng để mô tả việc giám sát tình trạng
tổng thể của kết cấu cầu, vì vậy nó được định nghĩa theo mục tiêu và yêu cầu đặt ra đối
với kết cấu cầu. Quan trắc cầu là một trong nhiều cách để theo dõi trạng thái ứng xử
của kết cấu cầu dưới các loại tải trọng khai thác khác nhau. Như vậy, việc tiến hành
xác định các hư hỏng của cầu như là sự thay đổi về tính chất của vật liệu, kích thước
hình học, điều kiện biên và hệ thống liên kết... chỉ là một khía cạnh của quan trắc kết
cấu cầu [1].
So với việc thử tải cầu cũng như so với các phương pháp kiểm tra truyền thống
khác thì quan trắc cầu có một ưu điểm khác biệt hơn như:
- Cung cấp thời gian thực trong giám sát, phân tích và liên tục phát hiện sự giảm
khả năng chịu lực, hư hỏng mà không làm tổn hại đến kết cấu trong suốt quá trình khai
thác của cơng trình.
- Đặc biệt hệ thống này cịn theo dõi và ghi lại các ứng xử của kết cấu trong
trường hợp đặc biệt (động đất, bảo…) mà các phương pháp truyền thống khác không
thể giám sát được.
Những lợi ích rõ ràng, quan trọng nhất của quan trắc kết cấu cầu như sau:
- Việc quan trắc sẽ làm giảm các rủi ro về các nguyên nhân không lường trước
giúp cho Cơ quan quản lý cầu có các quyết định kịp thời dựa trên số liệu thực tế làm
việc của cơng trình cầu.
- Cơng tác quan trắc giúp việc phát hiện kịp thời các khiếm khuyết về mặt kết cấu
và tăng độ an tồn cho cơng trình cầu: kết cấu cầu có thể có các khiếm khuyết mà
khơng thể phát hiện bằng các kiểm tra bằng mắt hoặc kiểm tra trên mơ hình. Trong

những trường hợp này u cầu đảm bảo sự sống còn của các cây cầu là phải có các
biện pháp khắc phục kịp thời trước khi tình hình trở nên q muộn. Cơng tác sửa chữa
nếu được tiến hành sớm và đúng thời điểm sẽ có chi phí thấp và thời gian phải ngừng
lưu thơng là ngắn nhất. Có được thơng tin từ hệ thống quan trắc được gắn sẵn trên cầu
sẽ làm tăng mức độ an toàn cả cho kết cấu và người sử dụng.
- Việc quan trắc đảm bảo chất lượng lâu dài: Bằng việc cung cấp số liệu liên tục
về sự làm việc của cây cầu, cơng tác quan trắc góp phần đánh giá chất lượng thi công,
vận hành, công tác duy tu bảo dưỡng và do đó có thể loại bỏ các chi phí ẩn cho cơng
việc khơng đạt chất lượng. Rất nhiều cơng trình có khiếm khuyết hoặc điểm yếu về kết
cấu được tạo ra ngay trong q trình thi cơng, nhưng các khiếm khuyết này chỉ có thể
nhìn thấy được sau một vài năm. Lúc này chi phí sửa chửa sẽ trở nên rất lớn và đã nằm
ngoài trách nhiệm bảo hành của nhà thầu.
- Cơng tác quan trắc giúp ích cho công tác quản lý duy tu kết cấu cầu: dữ liệu


6
quan trắc có thể giúp cho việc thực hiện cơng tác "bảo dưỡng theo nhu cầu". Các hoạt
động vận hành, duy tu bảo dưỡng, sửa chữa hoặc thay thế các bộ phận của kết cấu sẽ
được tối ưu hóa dựa trên các số liệu tin cậy phản ánh tình trạng làm việc thực của kết
cấu.
- Việc quan trắc sẽ xác định được mức độ dự trữ về cường độ của cây cầu: có
nhiều hạng mục của kết cấu có tình trạng tốt hơn so với dự kiến (nguyên nhân có thể là
thiết kế với hệ số an toàn lớn hoặc sử dụng vật liệu có chỉ tiêu cơ lý tốt hơn nhiều so
với số liệu tối thiểu dùng trong tính tốn thiết kế). Trong những trường hợp này, cơng
việc quan trắc sẽ xác định được biên độ cho phép có thể chịu đựng thêm của cây cầu,
giúp đơn vị quản lý nắm rõ tải trọng an tồn có thể đi trên cầu.
- Ngoài ra hệ thống quan trắc sẽ cung cấp các thơng tin tham khảo rất bổ ích
trong cơng tác thực hiện các dự án có quy mơ tương tự trong lương lai: thông tin về sự
làm việc thực tế của cây cầu sẽ giúp cho các Nhà thiết kế và đơn vị Quản lý thực hiện
các đồ án thiết kế rẻ hơn, an toàn hơn và bền vững hơn với độ tin cậy và tính năng làm

việc được nâng cao. Một chi phí đầu tư nhỏ thực hiện ngay từ đầu dự án sẽ có thể đạt
được các tiết kiệm lớn sau này nhờ việc tối ưu hóa thiết kế và phát hiện kịp thời các
điểm yếu.
Đối với cơng tác thiết kế thì hiệu quả cụ thể nhất của hệ thống quan trắc thể hiện
tại những điểm sau:
- Đánh giá và hiểu được ứng xử thực tế của kết cấu.
- Kiểm sốt và cập nhật phương pháp tính và mơ hình tính tốn.
- Xác minh các thơng số tính tốn được sử dụng.
- Đo các loại tải trọng, hiệu ứng và sự phân bố tải trọng.
- Nâng cấp cầu hiện tại cho tải trọng cao hơn và tốc độ lớn hơn.
1.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống quan trắc kết cấu cầu
Lịch sử phát triển trong lĩnh vực quan trắc kết cấu và cầu bao gồm các giai đoạn
sau:
- Thế kỷ 19: Phát triển cùa động lực học của kết cấu
- 1920-1945: Thực hiện các thí nghiệm giản đơn các kết cấu thường gặp
- 1965-1975: Phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính
- 1970-1980: Phát triển của phương pháp dao động
- 1975-1990: Bồ sung của phươnạ pháp phần tử hữu hạn tuyến tính
- 1990-2000: Bổ sung phưong pháp phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến
- 1992-1995: Giới thiệu các phương pháp dao động xung quanh
- 1993-1996: Giới thiệu cơng nghệ máy tính đo dữ liệu
- Từ 1994: Áp dụng các phương pháp đo dao động
- Từ 1995: Phát triển thêm phương pháp thu nhận kết quả quan trắc "quan trắc
thông minh".
- Từ 1996: Thương mại hóa các thiết bị đo.


7
Hoạt động quan trắc đã bùng nổ mạnh trong thập kỷ gần đây, do sự phát triển
không ngừng trong lĩnh vực khoa học máy tính, con nguời và hệ thống theo dõi "thơng

minh". Thuật ngữ "thơng minh" sau đó được sử dụng đế nhấn mạnh ý nghĩa của hệ
thống quan trắc thơng minh vì có độ bền, đáng tin cậy và kinh tế.

Hình 1.1: Quá trình phát triển của hệ thống quan trắc
Hiện nay với sự phát triền của khoa học kỹ thuật thì việc quan trắc kết cấu cầu
đang đứng trước cơ hội lớn để phát triền và dần hướng tới các hệ thống "quan trắc
thông minh".
1.1.3. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu
Hệ thống quan trắc có thể cung cấp những thơng tin cơ bản như là [4]:
- Chứng nhận rằng kết cấu cầu đáp ứng các u cầu của các quy trình, nó đưa đến
kỹ thuật mới trong công tác quản lý cầu và tạo ra môi trường cạnh tranh tốt trong
ngành Xây dựng.
- Việc chuyển giao trách nhiệm pháp lý của kết cấu về kỹ thuật và vận hành hệ
thống cần phải theo hướng tư nhân hóa, đang có sự truyền tải kho lưu trữ dữ liệu của
cầu thành sự kiểm soát tư nhân, từ đó thúc đẩy các cơng việc mới như là cung cấp sự
đổi mới và kế hoạch sửa chữa mới.
- Đối với các kết cấu cầu đặc biệt đòi hòi có những quan tâm đặc biệt, mà các ý
kiến của các chun gia khơng phải lúc nào cũng sẵn có, hơn nữa kiến thức của họ
cũng đòi hỏi phải cập nhật liên tục.
- Nhân viên thiếu năng lực, gặp khó khăn khi lên kế hoạch sửa chữa thường
xuyên và đánh giá cầu với các dữ kiện khổng lồ. Những kỹ thuật mới có thể khắc phục
được điểm yếu này.
- Trong tình huống khẩn cấp thì Chủ đầu tư cần phải đưa ra các quyết định nhanh
chóng và chính xác. Các đánh giá dựa trên kết quả đo đạc thì được dễ dàng chấp nhận
hơn ý kiến đánh giá chủ quan của các chuyên gia. Điều này làm cho Chủ đầu tư có thể


8
n tâm vì đã có một hệ thống đang theo dõi thường xuyên, tự động và kịp thời đưa ra
các cảnh báo cho họ.

- Lĩnh vực này cũng được áp dụng trong trường hợp ngẫu nhiên hoặc khẩn cấp,
việc sử dụng các đánh giá chủ quan làm tăng nhiều nhược điểm và độ tin cậy không
cao.
- Khái niệm tối ưu trong việc sửa chữa cần phải được đưa vào trong quá trình
thực hiện, càng nhiều dữ liệu, càng tổ chức tốt hơn và làm cho các công việc sửa chữa
được rõ ràng hơn, việc này làm giảm rủi ro và giúp đưa ra các quyết định có biên độ an
tồn thấp hơn, có nghĩa là tiết kiệm được chi phí.
- Việc đưa ra các quyết định thông qua các số liệu định lượng trên cơ sở đo lường
kết cấu cầu giúp đưa ra các biện pháp ngăn ngừa hư hại của kết cấu với nguồn vốn
nhỏ, chỉ một bộ phận nhỏ các kết cấu mới địi hỏi có sự can thiệp vào. Kỹ thuật đo đạc
mới nâng cao cơ sở dữ liệu và chất lượng của các kết quả để phục vụ cho việc đưa ra
các quyết định cần thiết.
- Dự đoán khả năng phục vụ của kết cấu cầu trong tương lai.
- Khó khăn trong việc nâng cao hiệu quả quan sát được đề xuất để đánh giá khi
số lượng kết cấu khổng lồ, việc này được chia thành nhiều giai đoạn phụ thuộc vào
mức độ sâu của thông tin yêu cầu.
Việc lựa chọn các tình huống quan sát phải được dựa trên các yếu tố chính, vì
vậy chỉ có một số các bộ phận kết cấu cầu được quan sát trong hệ thống với nguồn vốn
cố định. Tùy thuộc vào các mức độ khác nhau mà được chia thành nhiều điểm, chu kỳ,
chiến lược đánh giá tại chỗ, trực tuyến của kết cấu như sau:
- Điểm quan sát nên bao gồm các dụng cụ đo nhanh với các cảm biến đơn giản
cầm tay, nó cung cấp các thơng tin hiện trạng tổng quan của kết cấu cầu.
- Các đánh giá định kỳ có nghĩa là có một kế hoạch đo nhiều lần lặp lại trên kết
cấu cầu, nó được lặp lại sau một khoảng thời gian.
- Các quan sát và đánh giá dài hạn của kết cấu cầu trở nên cần thiết khi các giới
hạn của cầu bị vượt qua, các quan sát này cho phép đánh giá chi tiết dựa vào các dữ
liệu và giúp đưa ra các quyết định nhanh chóng.
- Quan sát và đánh giá trực tuyến cho phép cảnh báo thông qua các phương tiện
truyền thông, thông qua các đoạn tin nhắn (SMS) trong trường họp đơn giản hoặc theo
dõi trực tuyến từ internet. Các quyết định có thể được thực hiện trên các máy tính dựa

trên dữ liệu đo đạc. Hệ thống cành báo này áp đụng khi giới hạn của kết cấu bị vượt
qua.
- Trong trường hợp thơng thường thì Chủ đầu tư mong muốn công việc của họ
trờ nên đơn giản, các kỹ thuật mới này đòi hòi các yêu cầu phức tạp hơn và có mức độ
hiểu biết sâu sắc về động học cùa kết cấu, vật lí và các kĩ thuật đo lường. Kết quả cuối
cùng mà họ mong muốn là một bản báo cáo kỳ thuật đơn giản, cung cấp các thơng tin
rõ ràng, chính xác. Các thơng tin chính được cung cấp trên một cửa sổ đơn của chương


9
trình, ở đây ngưỡnẹ trên và ngưỡng dưới (giới hạn trên và dưới) được đưa ra và các kết
quả đo lường trong một khoảng thời gian được đặt trong ngưỡng này. Bằng cách nhìn
biểu đồ người ta có thể thấy có bị vượt qua ngưỡng này hay khơng.
Bảng báo cáo định kỳ cần cung cấp các thông tin dưới đây:
- Các hình ảnh và hệ thống biêu đồ khi quan sát kết cấu đề có thể xác định một
cách dễ dàng.
- Một cửa sổ cung cấp các kết quả có tính chu kỳ được đặt trong một ngưỡng
giới hạn.
- Cửa sổ thứ hai cung cấp các thông tin đặc biệt được yêu cầu như tốc độ gió
hoặc bất cứ số liệu mong muốn nào khác.
- Cuối cùng một sự phân loại được thực hiện dựa trên các thông số đo đạc trong
bàng báo cáo thường kỳ, dựa vào bảng phân loại này có thể thấy ngay lập tức là có bất
cứ sự thay đổi nào xảy ra hay không.
- Ngay cả các tiêu chuẩn liên quan đến khả năng khai thác của cầu có thể được
cung cấp nếu các dữ liệu cần thiết được ghi nhận.
1.1.4 Các căn cứ của hệ thống quan trắc
Căn cứ 1: Đánh giá các hư hại của kết cấu cầu đòi hỏi phải so sánh giữa hai
trạng thái của hệ thống.
Việc đánh giá mức độ hư hại cần phải có sự so sánh giữa các tình trạng của hệ
thống. Để đi đến một kết luận thống nhất đối với tiên đề này thì nhất thiết phải định

nghĩa được thế nào là đường chuẩn. Một số phương pháp luận về giám sát tình trạng
kết cấu cơng trình xây dựng khơng u cầu phải có một đường chuẩn được đo từ hệ
thống không bị hư hỏng. Một đường chuẩn có thể được tạo ra đơn giản từ sự chi tiết
hóa về mặt lý thuyết của tình trạng vận hành hệ thống theo mong muốn. Để phán đoán
yêu cầu có ước định vị trí và mức độ nghiêm trọng của hư hại đạt được cấp độ cao hơn
thì trong bộ dữ liệu hướng dẫn phải có dữ liệu mẫu ở điều kiện bình thường và cần
phải bổ sung thêm mẫu ở các điều kiện hư hại khác nhau. Trong trường hợp này, hiển
nhiên là dữ liệu trong điều kiện bình thường tạo nên đường cơ bản. Trong một cơ sở
hạ tầng xây dựng thì khơng thể có một điều kiện tốt đến mức không gây ra hư hỏng
nào. Cần phải thừa nhận rằng các mơ hình lý thuyết sẽ cho ra đường cơ bản của điều
kiện lý tưởng khơng hư hỏng. Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ở đây là phải tìm ra một
mơ hình phù hợp trong khả năng có thể. Đường cơ bản cũng có thể được tìm ra qua
thực nghiệm với các kết cấu khác nhau được quản lý bởi cùng một cơ sở dữ liệu. Đây
là phép so sánh với hiệu suất trung bình của các kết cấu tương tự nhau. Hơn nữa, ta có
thể xác định được tính linh động từ các thử nghiệm mang tính lịch sử và bất kỳ một sự
sai lệch nào cũng bị xem như là một hư hại. Bất cứ lúc nào ứng dụng một phưong pháp
nhận biết hư hại thì cần phải định dạng đường cơ bản theo đặc tính của nó.


10
Căn cứ 2: Xác định các tồn tại và vị trí cua hư hỏng có thể được thực hiện khơng
thơng qua các phương pháp, nhưng xác định các loại hư hỏng và mức độ quan trọng
chỉ có thể được thực hiện thông qua phuơng pháp nghiên cứu.
Việc xác định sự hiện hữu và vị trí của hư hại có thể được thực hiện bằng hình
thức nghiên cứu khơng giám sát nhưng việc nhận biết kiêu tình trạng hư hại và mức độ
hư hại chỉ có thề tiến hành bằng hình thức nghiên cứu có giám sát. Đối với ngành xây
dựng cơ bản thì câu hỏi quan trọng nhất là: Có bị hư hại khơng? Những câu hỏi xoay
quanh vị trí và mức độ nghiêm trọng, trong điều kiện bình thường, khơng quan trọng
lắm bởi vì một hư hại hiện hữu thuần túy sẽ kéo theo sự thay đổi của toàn bộ quy trình,
ở đây phải nói đến các câu hỏi về trách nhiệm mà sẽ có nhiều điểm khác biệt khi ứng

dụng trong các ngành kỹ thuật ô tô hay hàng khơng vũ trụ. Vì vậy, những lập luận này
đối với quan trắc trong xâv dựng mà nói thì nó khơng có vai trị quan trọng đến vậy.
Phần phát triển mơ hình thống kê của hệ thống quan trắc cần được xem xét cùng với
việc thực hiện các thuật toán làm việc trên các đặc tính dễ bị hư hại nhằm lượng hóa
tình trạng hư hại của cơng trình.
Các thuật tốn sử dụng trong việc phát triền mơ hình thống kê thường rơi vào 3
dạng:
- Khi có dữ liệu khả dụng từ cả cơng trình bị hư hại và khơng hư hại, thuật toán
nhận biết mẫu theo thống kê rơi vào dạne tổng quát được gọi là nghiên cứu có giám
sát.
- Phân loại theo nhóm và phân tích hồi quy là hai dạng của thuật tốn nghiên cứu
có quan sát và chúng nhìn chung là gắn liền với việc phân loại mẫu hoặc là rời rạc
hoặc là liên tục.
- Nghiên cứu khơng quan sát đề cập đến các thuật tốn ứng dụng đối với các dữ
liệu không chứa mẫu từ cơne trình bị hư hại. Phát hiện bất thường hay ngoại vi là dạng
cơ bản của thuật toán ứng dụng trong các mơ hình nghiên cứu khơng quan sát.
Tất cả các thuật tốn đều dựa trên phân tích phân phối thống kê của các đặc tính
thu thập được hoặc đo Iưịna; được nhằm đẩy mạnh quy trình nhận biết hư hại.
Căn cứ 3: Dụng cụ đo luờng có độ nhạy càng cao thì nó càng nhạy với sự thay
đổi của hệ thống và các tác động của môi truờng xung quanh.
Nếu khơng có tính năng trích xuất thơng minh thì một phép đo lường càng nhạy
cảm với thiệt hại thì nó càng nhạy cảm với sự thay đổi của các điều kiện hoạt động và
điều kiện mơi trưịng. Sự nhạy cảm của các cơng trình xây dựng đối với các điều kiện
hoạt động và môi trường cần được minh họa một cách chi tiết trong một phần riêng.
Điều kiện đặt tải và mơi trường càng tốt thì việc phát hiện hư hỏng càng hoạt động
hiệu quả. Về lý tưởng thì có thề loại trừ các điều kiện này bằng các chương trình bù trừ
dự kiến. Tuy nhiên, vẫn cịn tồn lại điểm bất định khá lớn vì các kỳ quan sát quá ngắn
và không thể lường trước được các điều kiện ngoại lệ. Vì vậy, cần phải thận trọng khi
nhận định kết quả, ví dụ như kết quả đo thấy độ cứng giảm đôi khi không phải là chỉ

11
số đo lường hư hại tốt mà vì độ nhạy cảm của phép đo hay dụng cụ đo kém. Vì độ
cứng không phải là chỉ số đo lường duy nhất nên việc kết hợp các phương pháp lại với
nhau xem ra sẽ mang lại kết quả tốt hơn. Những biến đổi riêng biệt về trạng thái có thể
sẽ điền hình hơn và lời giải thích cho những thay đổi này sẽ được đưa ra thảo luận.
Căn cứ 4: Tồn tại tác động qua lại giữa các thuật toán để phân tích các dữ liệu
hữu ích (dữ liệu để xác định hư hỏng) và những dữ liệu được loại bỏ đi.
Sẽ có sự đánh đổi giữa độ nhạy thiệt hại và khả năng loại bỏ tiếng ồn do một
thuật toán. Tỷ lệ này được thể hiện dưới dạng phần trăm của mức truyền tối đa trên
véctơ mơ hình chuẩn. Đối với một tỷ lệ tiếng ồn, bộ hướng dẫn và bộ kiểm định phân
tích ngoại lai được hình thành như sau: Bộ hướng dẫn chứa 1000 mẫu lấy từ mơ hình
chuẩn; bộ kiểm định đơn giản là số tương đương với bộ hướng dẫn trung bình này. Bộ
hướng dẫn có thể là một phép đo đường cơ bản của kết cấu trong điều kiện khơng hư
hỏng có tính đến điều kiện thực tế hiện thời.
Căn cứ 5: Mức độ hư hỏng có thể được nhận biết từ những thay đổi động đặc
trưng động của hệ thống là nó tỷ lệ nghịch với miền tần số kích thích.
Kích thước của hư hại có thể được phát hiện từ những thay đổi trong động lực
học hệ thống tỷ lệ nghịch với dải tần số kích từ. Rõ ràng rằng kích thước hư hại phụ
thuộc vào phạm vi của đợt đo bao gồm số luợng các điểm đo trên một cơng trình cũng
như tỷ lệ lấy mẫu đạt được. Chỉ có thể phát hiện được hư hại nếu thực sự đo lường các
đặc tính của nó.
Một vấn đề cần phải đề cặp đến ở đây là các yếu tố phi tuyến liên quan đến trạng
thái hoạt động và những thay đổi của chúng khi phát hiện ra hư hỏng sẽ làm cho các
biện pháp xác định trở nên khó khăn. Mối quan hệ giữa bước sóng và độ nhạy cảm
thiệt hại có thế được phát triển thành các phương pháp nhận biết hư hại dựa vào độ
rung dưới những dạng tổng quát hơn. Trong những ứng dụng này, bước sóng đàn hồi
chạy qua vật chất được thay thế bằng mơ hình bước sóng đứng được tạo lập trong kết
cấu mà được hiểu là một dạng chấn dộng. Trong các tài liệu kỹ thuật có rất nhiều bằng
chứng chỉ ra rằng dải tần số không phải là chỉ số tốt để đo lường các hư hại cục bộ.

Dạng kết cấu chung tần số thấp có bước sóng đặc trưng dài thường có xu hướng ít
nhạy cảm với các thiệt hại cực bộ. Đối với các cơng trình xây dựng như cầu treo, bước
sóng dạng này có thể lên tới hàng trăm mét và những thiệt hại như các vết nứt mỏi dài
khoảng vài cm sẽ không thể phát hiện được.
1.1.5. Các cấp độ quan trắc
Để phân loại cầu thì cần phải có các thơng tin về hiện trạng và các yếu tố khác
của nó. Hệ thống quan trắc đưa ra cơ hội để xác định số lượng các điều kiện và cung
cấp những vấn đề quan trọng cho việc đưa ra các quyết định. Có nhiều loại cấp độ
quan trắc, sơ đồ bên dưới đưa ra các phương pháp phát triển từ việc điều tra đơn giản
thông thường tới các chiến dịch quan trắc tinh vi, phức tạp. Quy mô của hệ thống quan


12
trắc phụ thuộc chủ yếu vào các kết quả cần có, chính xác là có 5 cấp độ được sử dụng
để quyết định mức độ điều tra [4].
- Cấp độ 1: Phân loại.
Các quy tắc đánh giá thông thường của kết cấu bắt đầu từ việc quan sát bằng thị
giác sẽ cung cấp các nhận định chủ quan về kết cấu cầu. Các phân tích ban đầu được
thực hiện để phân loại các vấn đề cơ bản cần biết cho việc ra các quyết định sau này.
Nhiều chủ đầu tư lưu trữ các kết quả này.
- Cấp độ 2: Đánh giá các điều kiện
Điều tra bằng thị giác phải được thực hiện trong bất kỳ kế hoạch quan trắc nào.
Sau đó mới đưa ra các quyết định là có triển khai các bước tiếp theo hay khơng, có tiên
hành các cuộc khao sát chi tiết hay không. Xác định loại và số lượng các dụng cụ đo.
Dùng các dụng cụ đơn giản để đánh giá có thể đưa ra các quyết định đơn giản cho toàn
hệ thống và sẽ cũng cấp thêm các thông tin cần thiết. Lưu trữ và xử lý các dữ liệu nên
được thực hiện trong cấp độ này. Việc quan trắc có thể chỉ cần thực hiện tại các điểm
đơn (cục bộ) thay vì cho tồn bộ kết cấu.

13

Hình 1.2: Sơ đồ các cấp độ cùa hệ thống quan trắc
- Cấp độ 3: Đánh giá tính hiệu quả.
Cấp độ này được thực hiện theo cùng một phương pháp được mô tả trong cấp độ
2. Cấp độ này được thực hiện chi tiết và cung cấp các quyết định chính xác hơn như
thêm các thơng tin ví dụ như là đo mode hình dạng và các đánh giá chi tiết khác. Việc


14
này đòi hỏi phải cung cấp thêm các dụng cụ quan trắc dày đặc, đồng bộ để đánh giá
kết cấu.
- Cấp độ 4: Đánh giá chi tiết và phân loại.
Bước tiếp theo sẽ thiết lập và phân tích mơ hình hiện tại của kết cấu cầu. Mơ hình
này được so sánh với kết quả quan trắc được. Nếu nó được xác định đơn giản, thì có
thể trở lại cấp độ 3, nếu có các dấu hiệu bất thường khơng thể giải thích được từ việc
ghi nhận dữ liệu, phải làm bước tiếp theo để làm rõ tình huống này. Việc rõ ràng nhất
là thu nhận các dữ liệu bất thường trong các trường hợp đặc biệt. Với việc cập nhật
những kết quả này vào mơ hình đơn giản ban đầu có thể thực hiện đánh giá kết quả và
phân loại cơng trình. Dữ liệu cần phải ghi nhận ít nhất là suốt 24h, nhưng tốt nhất là
nên lâu hơn để thu nhận các kết quả từ môi trường và các tình huống giao thơng.
- Cấp độ 5: Dự báo thời gian tồn tại.
Các dữ liệu được ghi nhận để dự đoán thời gian tồn tại của cầu phải đủ lớn để
vượt qua ít nhất là ba chu kỳ làm việc của kết cấu cầu, thời gian này thường là 3 năm.
Công việc mô phỏng nên được thực hiện từ phân tích mơ hình để so sánh với lý thuyết.
Để kiểm soát số lượng lớn các dữ liệu, cần sử dụng các phần mềm chun dụng. Thêm
vào đó, cơng tác kiểm tra các vi kết cấu có thể rất hữu ích để xem xét các yếu tố của
kết cấu. Tiến trình cập nhật sẽ được thực hiện và xem xét nhiều điều kiện của kết cấu,
nó bao gồm rất nhiều trường hợp tải trọng, không tải và bao gồm cả yếu tố phi tuyến.
Trong trường hợp nghi ngờ, hệ thống quan trắc này nên được làm việc trực tuyến để

máy tính có thể đưa ra các quyết định cảnh báo.
Nhiều cầu đã có tuổi đã vượt quá thời gian khai thác, chúng được thiết kế khơng
theo tải trọng hiện nay, có thể bị hư hại do các hư hỏng hoặc do quá tải. Câu hỏi đặt ra
cho Chủ đầu tư là các cầu này vẫn còn khai thác và thực hiện các chức năng của chúng
hay không. Một kế hoạch theo dõi dao động có thể đưa ra các thơng tin cho các điều
kiện này, dựa trên nguyên tắc là so sánh ứng xử thực của kết cấu theo các số liệu đo
đạc và mơ hình lý thuyết.
1.2. Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe
1.2.1. Các thành phần của hệ thống quan trắc
Tồn tại nhiều hệ thống quan trắc khác nhau, các loại khác nhau phụ thuộc vào
các đặc trưng của đại lượng cần đo. Tuy nhiên, tất cả các hệ thống quan trắc có thể
được chia thành hai loại cơ bản sau: Hệ thống quan trắc tĩnh và hệ thống quan trắc
động.


15

Hình 1.3: Sơ đồ các hệ thống quan trắc
Mỗi hệ thống "con" bao gồm nhiều loại thí nghiệm khác nhau: như hệ thống đo
tĩnh theo dõi ứng suất trong quá khứ của cầu. Khi có ý định xem xét ứng xử tức thời
của kết cấu thì sử dụng hệ thống quan trắc tạm thời. Những thay đổi toàn bộ và cục bộ
trong các bộ phận kết cấu cầu có thể được xác định bằng cách sử dụng hệ thống theo
dõi lâu dài. Hệ thống theo dõi động xác định những hiệu ứng của tải trọng thực tế và
các tham số cần thiết của kểt cấu như: tần số tự nhiên, mode hình dạng và hệ số cản,
đây là các đặc trung riêng cho mỗi cây cầu.
Hệ thống quan trắc bao gồm những công việc sau đây:
- Thu thập dữ liệu;
- Truyền tải dữ liệu;
- Phân tích tín hiệu và xử lý dữ liệu;
- Lưu trữ dữ liệu đã xử lý;

- Hệ thống lựa chọn giá trị thông minh/thông tin kết quả;
- Đánh giá dữ liệu;
- Trình bày kết quả và tài liệu;
Các thơng số chính quan trắc cầu bao gồm:
- Biến dạng/ứng suất
- Chuyển vị
- Gia tốc.
- Tần số, mode hình dạng
- Nhiệt độ của kết cấu
- Nhiệt độ khơng khí
- Thời gian, điều kiện mơi trường...
Hệ thống cảm biến bao gồm các dụng cụ điện trở đo biến dạng, dây đo dao động,
đầu dò độ lệch, đầu đo gia tốc, cảm biến sợi quang học, v.v...