Nghiên cứu ứng dụng công nghệ gps rtk trong hệ thống quan trắc biến dạng cầu dây treo ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
--------------

TRẦN ĐỨC CÔNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS - RTK
TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG
CẦU DÂY TREO Ở VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
--------------

TRẦN ĐỨC CÔNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS - RTK
TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG
CẦU DÂY TREO Ở VIỆT NAM

Ngành:
Mã số:

KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
60520503

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Hồ Thị Lan Hương

HÀ NỘI - 2013


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả trong nội dung
của luận văn này là trung thực, chưa được công bố trong các cơng trình khác.
Hà nội, ngày tháng năm 2013
HỌC VIÊN

TRẦN ĐỨC CÔNG


2

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

LỜI CAM ĐOAN

1

MỤC LỤC

2

DANH MỤC BẢNG BIỂU

4

DANH MỤC HÌNH VẼ

5

MỞ ĐẦU

7

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

10

1.1. Đặc điểm của cầu dây và hệ thống quan trắc cầu dây

10

1.1.1. Đặc điểm của cầu dây

10

1.1.2. Hệ thống quan trắc cầu dây

11

1.2. Tình hình ứng dụng cơng nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc
cầu dây trên thế giới và ở Việt Nam
1.2.1. Tình hình ứng dụng cơng nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan
trắc cầu dây trên thế giới
1.2.2. Tình hình ứng dụng cơng nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan
trắc cầu dây ở Việt Nam
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS - RTK
TRONG QUAN TRẮC LIÊN TỤC CẦU DÂY

2.1. Nguyên lý đo GPS - RTK
2.2. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong quan trắc liên tục
cầu dây

15

15

20
25
25
27

2.2.1. Đặc điểm của GPS - RTK trong quan trắc

27

2.2.2. Nghiên cứu ứng dụng GPS - RTK trong hệ thống quan trắc cầu dây

29

2.3. Thiết kế mẫu một hệ thống SHM bằng GPS

44

CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CƠNG
NGHỆ GPS - RTK TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU DÂY

47

3.1. Thực nghiệm khảo sát độ chính xác của phương pháp GPS - RTK

47

3.1.1. Tổ chức đo đạc thực nghiệm

47


3
3.1.2. Thiết bị thực nghiệm

48

3.1.3. Đo đạc thực nghiệm

50

3.1.4. Kết quả thực nghiệm

52

3.1.5. Đánh giá độ chính xác đo đạc thực nghiệm

53

3.2. Kết quả đo chuyển vị của cầu Trần Thị Lý

55

3.3. Đánh giá độ chính xác

56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

58

TÀI LIỆU THAM KHẢO

59

PHỤ LỤC

61


4

DANH MỤC BẢNG BIỂU
STT Tên bảng

Nội dung

Trang

1

Bảng 1.1

Nội dung quan trắc cầu dây

14

2

Bảng 3.1

Khoảng cách từ trạm base tới trạm rover

48

3

Bảng 3.2

Thông số kỹ thuật của máy Trimble 5800

49

4

Bảng 3.3

Số liệu đo tại trạm R1

52

5

Bảng 3.4

Số liệu đo tại trạm R2

52

6

Bảng 3.5

Số liệu đo tại trạm R3

52

7

Bảng 3.6

Số liệu đo tại trạm R4

53

8

Bảng 3.7

Khoảng cách và độ lêch tại trạm R1

54

9

Bảng 3.8

Khoảng cách và độ lêch tại trạm R2

54

10

Bảng 3.9

Khoảng cách và độ lêch tại trạm R3

54

11

Bảng 3.10

Khoảng cách và độ lêch tại trạm R4

55

12

Bảng 3.11

Bảng tổng hợp kết quả đo chuyển vị đỉnh trụ tháp

56


5

DANH MỤC HÌNH VẼ
STT Tên hình vẽ

Nội dung

Trang

1

Hình 1.1

Một số cầu dây trên thế giới và Việt nam

10

2

Hình 1.2

Sơ đồ chung của hệ thống quan trắc

13

3

Hình 1.3

Cầu dây văng tonecutters (Hồng Kơng)

15

4

Hình 1.4

Bố trí cảm biến đo và GPS trên cầu Stonecutters

16

5

Hình 1.5

Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản)

16

6

Hình 1.6

Sơ đồ hệ thống SHM Akashi Kaikyo bằng GPS

17

7

Hình 1.7

Cầu Tsing Ma (Hong Kong)

17

8

Hình 1.8

Sơ đồ bố trí cảm biến biến dạng trên cầu Tsing Ma

18

9

Hình 1.9

Cầu Neva của Nga

18

10

Hình 1.10

Bố trí các cảm biến đo trên cầu Neva

19

11

Hình 1.11

Cầu Sutong (Trung Quốc)

19

12

Hình 1.12

Sơ đồ bố trí các cảm biến và GPS trên cầu Sutong

20

13

Hình 1.13

Cầu Cần Thơ

21

14

Hình 1.14

Sơ đồ đo GPS tổng thể của Cầu Cần Thơ

21

15

Hình 1.15

Phối cảnh cầu Trần Thị Lý

22

16

Hình 1.16

Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Trần Thị Lý

22

17

Hình 1.17

Phối cảnh cầu Nhật Tân

23

18

Hình 1.18

Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Nhật Tân

23

19

Hình 2.1

Phương pháp GPS - RTK

25

20

Hình 2.2

Sơ đồ sai phân bậc 2 trong GPS - RTK

26

21

Hình 2.3

Sơ đồ quan trắc kết cấu bằng GPS - RTK

28

22

Hình 2.4

Sơ đồ vị trí lắp anten GPS trên cầu dây

29

23

Hình 2.5

Quy trình thiết kế hệ thống quan trắc

30

24

Hình 2.6

Sơ đồ hệ thống quan trắc liên tục bằng GPS

31

25

Hình 2.7

Anten và máy thu GPS

31

26

Hình 2.8

Cấu tạo sợi cáp quang

34

27

Hình 2.9

Sơ đồ kết nối dữ liệu của GPS - RTK trong quan trắc

36

6

28

Hình 2.10

Màn hình chính của phần mềm GPS - RTK

37

29

Hình 2.11

Màn hình khi khơng kết nối được dữ liệu

37

30

Hình 2.12

Màn hình Setting

38

31

Hình 2.13

Màn hình chọn thời gian lưu trữ dữ liệu

38

32

Hình 2.14

Màn hình phân tích các trị đo liên tục

39

33

Hình 2.15

Màn hình hiển thị các giá trị đo đã được thiết lập

39

34

Hình 2.16

35

Hình 2.17

Màn hình khởi động chương trình

40

36

Hình 2.18

Màn hình chọn thời gian thực hoặc xử lý thống kê

41

37

Hình 2.19

Màn hình lựa chọn vị trí đặt GPS

41

38

Hình 2.20

Màn hình xử lý thơng kê

42

39

Hình 2.21

Màn hình lựa chọn thời gian

42

40

Hình 2.22

Màn hình lựa chọn chế độ in

43

41

Hình 2.23

Màn hình Pop Up

43

42

Hình 2.24

Màn hình cảnh báo

44

43

Hình 2.25

Sơ đồ bố trí GPS

44

44

Hình 2.26

Móng trạm base

45

45

Hình 2.27

Bộ thu và lưu dữ liệu trạm base (receiver)

45

46

Hình 2.28

Bố trí bộ đo trên đỉnh tháp

45

47

Hình 2.29

GPS trên bản mặt cầu

46

49

Hình 3.1

Sơ đồ thực nghiệm

47

50

Hình 3.2

Máy thu 5800 và thiết bị điều khiển của Trimble

48

51

Hình 3.3

Radio Link và thiết bị điều khiển của Trimble 5800

49

52

Hình 3.4

Thước trượt mm

49

53

Hình 3.5

Trạm base

50

54

Hình 3.6

Trạm rover

51

55

Hình 3.7

Trạm base và trạm rover của cầu Trần Thị Lý

55

56

Hình 3.8

Anten và đầu thu GPS GMX 902 của Leica

56

Màn hình trực quan hiển thị giá trị quan trắc và các máy
lưu dữ liệu

40


7

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là một nước đang phát triển, cở sở hạ tầng được đầu tư xây dựng
nhiều trong khoảng 20 năm trở lại đây. Nhiều nhà cao tầng, nhiều cây cầu lớn, hầm
lớn, các cơng trình đường sắt trên cao, cơng trình ngầm được xây dựng liên tục và
Việt Nam đang luôn cố gắng để có thể bắt nhịp được với thế giới về công nghệ xây
dựng, công nghệ vật liệu, công nghệ giám sát đảm bảo cơng trình trong q trình
xây dựng cũng như trong quá trình sử dụng.
Ở các nước phát triển, việc xây dựng cơ sở hạ tầng gần như hồn thiện nên

cơng tác theo dõi, quan trắc, bảo trì bảo dưỡng cơng trình được quan tâm nhiều. Đã
có một nghiên cứu chỉ ra rằng quan trắc là một trong những ngành ứng dụng quan
trọng số một ở Châu Âu và Mỹ từ năm 2008.
Với nhu cầu phát triển tất yếu, sau một thời gian dài tập trung vào công nghệ
xây dựng, Việt nam cũng đã bắt đầu quan tâm đến cơng tác quan trắc cơng trình,
đặc biệt đối với cơng trình lớn có kết cấu mềm dẻo, độ cứng nhỏ, nhạy cảm với các
điều kiện tải trọng, môi trường, thời tiết như cầu dây văng, dây võng… Ngày 10
tháng 4 năm 2012 Bộ Giao thông Vận tải ra công văn số 2727/BGTVT - KCHT về
công tác quản lý, khai thác và bảo trì cầu hệ dây quy định rõ “Bắt buộc tất cả các
cơng trình cầu dạng dây treo phải lắp đặt hệ thống quan trắc nhằm theo dõi tình
trạng cầu và cảnh báo các nguy cơ tiềm ẩn xảy ra cho cơng trình”.
Hệ thống quan trắc cũng đã được quan tâm ứng dụng trong thi công và khai
thác cầu dây tại Việt Nam từ năm 2006 như cầu Bãi cháy, cầu Rạch Miễu đến nay
có thêm cầu Bính, cầu Trần Thị Lý, cầu Cần Thơ, cầu Nhật Tân. Hầu hết các hệ
thống này đều do các hãng nước ngoài lắp đặt. Kết quả của hệ thống quan trắc
được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như lập kế hoạch duy tu bảo dưỡng,
cảnh báo ngừng giao thông kịp thời trong trường hợp nguy hiểm, kiểm tra lại thiết
kế từ số liệu thực tế…Trong các giá trị quan trắc cầu dây, có một giá trị rất quan
trọng đó là chuyển vị tổng thể của cầu, giá trị này trong thiết kế được lấy từ thí
nghiệm hầm gió mơ hình cầu dây và được sử dụng trong tính tốn thiết kế cầu, từ


8

giá trị chuyển vị sẽ tính ra được tần số dao động riêng tương ứng, sai lệch giữa giá
trị chuyển vị đo được và giá trị chuyển vị lớn nhất khi thiết kế là 25% [14], với độ
lệch này kết cấu được cho là làm việc bình thường. Vì vậy, độ chính xác của thiết
bị đo giá trị này theo thời gian và theo điều kiện thực tế rất quan trọng.
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc
biến dạng cầu dây treo ở Việt Nam” được thực hiện nhằm nghiên cứu thiết kế hệ

thống và đánh giá độ chính xác của phương pháp GPS - RTK trong quan trắc cầu
dây.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ GPS - RTK.
Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc cầu
dây.
3. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu ứng dụng và đánh giá độ chính xác của cơng nghệ GPS - RTK
trong quan trắc cầu dây.
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan tình hình ứng dụng cơng nghệ GPS - RTK ở Việt
Nam và Thế giới.
- Nghiên cứu về hệ thống quan trắc liên tục cầu dây (Structural Health
Monitoring - SHM).
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK và phần mềm xử lý số liệu
trong quan trắc.
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá độ chính xác của phương pháp.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc
biến dạng cầu dây treo ở Việt Nam” đã đưa ra được sơ đồ cơ bản của việc kết nối
hệ thống GPS trong hệ thống quan trắc SHM, ngồi ra cịn đưa ra được kết luận về


9

độ chính xác của cơng nghệ GPS - RTK trong quan trắc cầu dây thông qua số liệu
thực nghiệm, giúp người sản xuất yên tâm hơn khi lựa chọn công nghệ và phương
pháp đo.

7. Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của luận văn gồm có: phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận được
trình bày trong 61 trang với 12 bảng biểu và 56 hình.
Luận văn này được hồn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Thị Lan
Hương - Trường ĐH Giao thông Vận tải.
Em xin trân trọng cảm ơn giáo viên hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ
em hoàn thành luận văn này. Đồng thời em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ
môn Trắc địa cơng trình và Khoa Trắc địa - Trường Đại học Mỏ - Địa chất cùng
bạn bè, đồng nghiệp đã nhiệt tình quan tâm giúp đỡ em trong quá trình học tập,
nghiên cứu hồn thiện luận văn này.


10
CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU DÂY VÀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU DÂY

1.1.1. Đặc điểm của cầu dây
Cầu dây treo bao gồm cầu dây văng và cầu dây võng, là cầu có kết cấu chịu
lực đặc biệt, đặc trưng của cầu là chiều dài nhịp, chiều cao trụ và tháp lớn, độ cứng
nhỏ, mặt cắt dầm và tháp thay đổi, có thể làm bằng bê tơng, thép hay kết hợp cả bê
tông và thép.

Cầu Akashi - Kaikyo

Cầu Nhật Tân

Cầu Great Belt

Cầu Cần Thơ

Hình 1.1: Một số cầu dây trên thế giới và Việt nam
Trong cầu dây, tháp cầu là bộ phận rất quan trọng, chịu toàn bộ tĩnh tải và hoạt
tải tác dụng lên kết cấu nhịp thông qua trụ truyền tải trọng xuống đất nền. Kiến trúc
tháp cầu cũng tương đối phức tạp, chiều cao tháp lớn (tháp cầu Bãi Cháy cao 141m,
cầu Cần Thơ cao 171m, tháp cầu Kiền cao 78m, tháp cầu Rạch Miễu cao 109m...),


11

tiết diện của tháp thay đổi theo độ cao, chuyển vị của tháp cầu rất lớn từ vài cm đến
vài m. Dây có tác dụng truyền tải trọng từ dầm chủ đến tháp cầu, trong cầu dây thì
biên độ và tần số dao động của dây là một giá trị quan trọng trong đánh giá tình
trạng cầu. Dầm cầu dây văng, dây võng thường làm bằng bê tông, thép, hoặc liên
hợp cả bê tơng và thép, có độ cứng nhỏ chiều dài nhịp lớn (hàng trăm m đến vài
nghìn m) nhưng tương ứng với chiều dài nhịp thì chuyển vị của dầm cầu cũng lớn,
đặc biệt chuyển dịch theo phương ngang cầu do gió và tải trọng động.
1.1.2. Hệ thống quan trắc cầu dây
Các cơng trình cầu ở Việt Nam hiện nay thường được đánh giá bằng quá trình
quan trắc định kỳ nên các dữ liệu thu thập được chưa phù hợp với điều kiện thực tế,
khơng thể dự đốn và cảnh báo chính xác những biến động bất thường có thể xảy
ra, chưa đề xuất hiệu quả việc duy tu bảo dưỡng và khơng kiểm tra chính xác các
giả thiết thiết kế có phù hợp với điều kiện thực tế hay khơng. Vì thế việc xây dựng
một cách thích hợp hệ thống quan trắc giúp giải quyết vấn đề trên là cần thiết, đặc
biệt đối với cầu dây là kết cấu có giá trị chuyển vị lớn bởi ảnh hưởng từ các yếu tố
khí, động học. Mục đích quan trắc trong các giai đoạn thể hiện như sau:
- Trong giai đoạn thi cơng, mục đích quan trắc là đánh giá chất lượng thi công
theo hồ sơ thiết kế, đảm bảo an tồn cho cơng trình. Hệ thống quan trắc trên cầu dây
sẽ cung cấp các thông tin theo thời gian về điều kiện thực tế và trạng thái của kết

cấu cầu trong q trình xây dựng. Ví dụ, việc đo đạc ứng suất, chuyển vị ở các vị trí
đặc trưng trên trụ tháp, dầm cầu sẽ cung cấp các thơng tin về tính an tồn của kết
cấu trong trường hợp có gió mạnh. Ngồi ra, việc đo chuyển vị theo phương đứng
hay phương ngang của dầm cầu sẽ giúp điều chỉnh các phân đoạn đúc hay lắp ráp
từng đốt dầm trong khi thi công.
- Trong giai đoạn khai thác, mục đích quan trắc là hiệu chỉnh các giả thiết và
tham số thiết kế, phát hiện những bất thường về tải trọng tác động và đáp ứng của
kết cấu cầu, đánh giá mức độ an tồn của cơng trình, cung cấp các dữ liệu cho việc
bảo trì và sửa chữa cơng trình, đánh giá tính hiệu quả của cơng tác bảo trì và sửa
chữa cơng trình.


12

Ưu điểm của hệ thống quan trắc (Structural Health Monitoring - SHM) là đánh
giá tình trạng cầu một cách trực quan và định lượng thông qua mối quan hệ giữa
ứng xử của kết cấu và các dao động, chuyển vị đặc trưng. Việc đánh giá không chỉ
thông qua các số liệu trực quan mà cịn thơng qua các dữ liệu thống kê, ngồi ra cịn
cung cấp các dữ liệu khí tượng để tham gia điều tiết giao thông.
1. Cấu trúc của hệ thống quan trắc SHM
Một hệ thống quan trắc điển hình gồm 3 thành phần cơ bản:
- Hệ thống các cảm biến
Các cảm biến đo sử dụng trong hệ thống quan trắc nhằm theo dõi khơng chỉ
tình trạng của kết cấu (ứng suất, chuyển vị, gia tốc…) mà còn theo dõi các tham số
mơi trường có ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu (tốc độ gió, nhiệt độ...).
- Hệ thống thu nhận dữ liệu, truyền dữ liệu
Do có nhiều cảm biến gắn trong hệ thống quan trắc nên việc thu nhận dữ liệu,
truyền và lưu trữ một lượng lớn số liệu quan trắc là rất phức tạp.
Khối thu nhận dữ liệu có chức năng chuyển đổi các tín hiệu analog từ các cảm
biến của khối đo đạc sang dạng tín hiệu điện phù hợp cho việc lưu trữ và xử lý

trong khối tiếp theo. Trong khối này thơng thường bao gồm các mạch lọc tín hiệu,
mạch khuyếch đại và mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog (tương tự) sang dạng
tín hiệu số (digital) gọi tắt là bộ chuyển đổi A/D để thuận lợi cho việc lưu trữ trên
máy tính.
Dữ liệu sau khi thu thập được, phân tích và có thể được truyền bằng nhiều
cách đến với hệ thống quản lý dữ liệu. Hiện nay, việc truyền số liệu quan trắc trong
một hệ thống quan trắc thường sử dụng kết hợp 3 mạng sau:
+ Mạng Lonworks: mạng này được sử dụng để truyền dữ liệu từ các cảm biến
đo và các bộ khuyếch đại tín hiệu (amplifier) tới các máy tính đặt tại cơng trình.
+ Mạng cục bộ (mạng LAN): mạng này sử dụng để truyền các dữ liệu thu thập
được trên các máy tính đặt tại công trường tới cơ sở dữ liệu trên máy server.
+ Mạng Internet: mạng này phục vụ người sử dụng (người quản lý cầu, người
thiết kế…) có thể truy cập tới cơ sở dữ liệu trên máy chủ tìm kiếm các thông tin cần


13

thiết về tình trạng kỹ thuật của cơng trình.
- Hệ thống xử lý số liệu
Có chức năng lưu trữ dữ liệu (data storage) và đánh giá tình trạng cơng trình
(structural health evaluation), bao gồm các phần mềm chẩn đoán, đánh giá và quản
lý thông tin - một khâu quan trọng của trung tâm xử lý số liệu là phân tích các số
liệu đo để đưa ra những đánh giá chính xác về khả năng chịu tải, độ tin cậy của hệ
thống.

Hình 1.2: Sơ đồ chung của hệ thống quan trắc
Khi đó, các thuật tốn chẩn đốn dựa trên phân tích mơ hình, nhận diện dạng
hư hỏng, phân tích theo chuỗi thời gian… là những phương pháp hiệu quả nhất để
phát hiện sự hiện diện, vị trí, độ lớn và sự mở rộng của các hư hỏng, khuyết tật kết
cấu. Sơ đồ của hệ thống quan trắc (hình 1.2).

2. Các nội dung quan trắc cầu dây
Muốn đánh giá đúng tình trạng của cầu, thì phải xác định được các giá trị đặc
trưng cho kết cấu như: ứng suất, biến dạng, chuyển vị, độ võng, góc xoay, lực căng,


14

tần số và biên độ dao động…tại những điểm vị trí quan trọng của kết cấu. Trong
bảng 1.1 biểu thị các nội dung cần quan trắc của cầu dây.
Bảng 1.1: Nội dung quan trắc cầu dây [2]
Hạng mục

Đối tƣợng quan trắc

- Đo gió

Tác động của
mơi trường - Đo nhiệt độ khơng khí
- Đo độ ẩm tương đối
của khơng khí
- Đo lượng mưa
- Đo chấn động địa chấn
- Đo nhiệt độ các bộ
phận kết cấu
- Đo ứng suất / biến
dạng
- Đo ảnh hưởng tĩnh
Phản ứng của
- Đo chuyển vị
kết cấu

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

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

Tham số quan trắc
- Biểu đồ gió trung bình và gió giật
- Đường tốc độ gió giật
- Góc tới của gió
- Cường độ dịng gió hỗn loạn
- Chiều dài và thời gian của gió hỗn loạn
- Phổ gió hỗn loạn
- Quan hệ của gió đứng và gió ngang
- Nhiệt độ khơng khí
- Sự chênh lệch nhiệt độ
- Độ ẩm
- Lượng mưa
- Phổ gia tốc chấn động đo ở móng trụ
tháp, hố neo cáp
- Phổ đáp ứng của trụ tháp, dầm chủ
- Nhiệt độ dầm chủ, cột tháp, dây cáp
- Nhiệt độ mặt đường

- Phân bố ứng suất/biến dạng trong các
bộ phận kết cấu
- Đo ảnh hưởng tại các mặt cắt đặc trưng
trên dầm chủ, cột tháp, dây cáp
- Độ võng dầm chủ
- Chuyển vị đỉnh cột tháp
- Chuyển vị khe co giãn
- Đo dịch chuyển của mố, trụ, hố neo
cáp … sau các trận động đất
Lực căng trong từng bó cáp văng, dây
cáp chủ
- Độ nghiêng
- Tần số, dạng dao động, tỷ số cản, hệ số
phân bố khối lượng
- Tốc độ thâm nhập clo
- Trọng lượng từng xe
- Phân bố tải trọng trục
- Phổ tải trọng khai thác
- Hệ số làn, phân loại phương tiện


15

Theo thống kê hệ thống quan trắc các cầu dây trên thế giới, nhìn chung các
yếu tố quan trắc được đồng nhất. Tùy vào kết cấu, điều kiện khu vực xây dựng cầu,
điều kiện về kinh tế để chọn nội dung quan trắc cho phù hợp.
1.2. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS - RTK TRONG HỆ THỐNG
QUAN TRẮC CẦU DÂY TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.2.1. Tình hình ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc cầu

dây trên thế giới
Tại các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Canada,... các thiết bị đo của hệ thống
quan trắc được đơn vị thi công lắp đặt ngay từ giai đoạn xây lắp sẽ liên tục thu thập
và truyền số liệu về hệ thống xử lý trung tâm. Sau khi hồn thành cơng trình, các
thiết bị này sẽ được bàn giao lại cho đội ngũ quản lí vận hành trong quá trình khai
thác cầu. Hệ thống tiếp tục hoạt động và ghi lại dữ liệu trong giai đoạn này. Nhờ có
cơ sở dữ liệu đầy đủ và liên tục cập nhật, người quản lý cầu sẽ nắm được chính xác
giá trị lực căng trong từng dây văng, độ võng, độ biến dạng, độ nghiêng trụ tháp, tốc
độ gió v.v…tại thời điểm bất kì.
Đã có khoảng trên 40 cầu lớn (nhịp chính từ 100m trở lên) trên thế giới được
trang bị hệ thống quan trắc ứng dụng công nghệ GPS - RTK như cầu Sutong, cầu
Tsing Ma, cầu KapshuiMun, cầu Ting Kau, cầu Stonecutters… Ngồi ra, cịn có
một số các cầu khác nữa.
+ Hệ thống quan trắc cầu Stonecutters (Hồng Kơng)

Hình 1.3: Cầu dây văng Stonecutters (Hồng Kơng)


16

Cầu Stonecutters (Hồng Kơng) có nhịp chính dài nhất thế giới (L = 1018m),
được trang bị một hệ thống SHM hiện đại, thiết kế bởi hãng COWI.
Sự hiện đại trong công nghệ cảm biến và thu nhận dữ liệu làm tăng tính khả
thi về kinh tế - kỹ thuật của chương trình quan trắc kết cấu và mơi trường được
kiểm sốt từ xa. Các tham số mơi trường như gió, nhiệt độ, độ ẩm tương đối cũng
được quan trắc bởi hệ thống này. Các tham số kết cấu được quan trắc bởi các cảm
biến đo biến dạng, đo gia tốc, đo chuyển vị và đầu thu GPS. Đầu thu GPS được sử
dụng để đo chuyển vị của trụ tháp cầu và những bất thường xảy ra ở cầu với độ
chính xác 1mm [15].

Hình 1.4: Bố trí cảm biến đo và GPS trên cầu Stonecutters
+ Cầu Akashi Kaikyo (Nhật bản)
Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản) là cầu treo dây võng hiện đang giữ kỷ lục về
khẩu độ nhịp lớn nhất (L = 1999m).

Hình 1.5: Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản)


17

Hệ thống GPS được lắp đặt trên mố neo 1A, trụ tháp 2P và giữa nhịp chính.
Tọa độ của mố neo 1A được xem là điểm gốc (OPT - Original Point Terminal) và
các điểm đo chuyển vị khác (MPT - Measure Point Terminal) được tính tốn theo
các phương dọc, thẳng đứng và phương ngang của cầu.

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống SHM Akashi Kaikyo bằng GPS [13]
+ Cầu Tsing Ma (Hồng Kông)
Cầu Tsing Ma là cầu treo dây võng dài nhất trên thế giới, vừa dùng cho
đường bộ vừa dùng cho đường sắt. Cầu có dạng dầm kép với đường ô tô cao tốc
chạy ở trên và đường sắt chạy phía dưới. Về mặt kết cấu, mặt cắt ngang của dầm
cầu có dạng kết hợp giữa kết cấu dàn và kết cấu dầm hộp (hình 1.7).

Hình 1.7: Cầu Tsing Ma (Hong Kong)


18

Hệ thống quan trắc bao gồm: Các cảm biến đo gia tốc, đo biến dạng, đo
chuyển vị, đo cao độ, đo gió, đo nhiệt độ, … được lắp đặt cố định trên cầu và hệ
thống thu thập dữ liệu, hệ thống xử lý số liệu. Trên cầu bố trí 110 cảm biến để đo

biến dạng của các bộ phận kết cấu, trong đó GPS được lắp đặt tại đỉnh tháp, ½ dầm
chủ, ¼ dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị của cầu (hình 1.8).

Hình 1.8: Sơ đồ bố trí cảm biến biến dạng trên cầu Tsing Ma [16]
+ Cầu Neva (LB Nga)
Như là một phần của thiết kế, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc của
cầu treo dây văng Neva được thực hiện rất chi tiết.

Hình 1.9: Cầu Neva của Nga


19

Nghiên cứu này bao gồm việc đánh giá rủi ro của mỗi giai đoạn xây dựng và
trong giai đoạn khai thác. Thiết kế của hệ thống này đảm bảo tiêu chí dễ dàng sử
dụng, bảo dưỡng, nâng cấp và mở rộng sau này.

Hình 1.10: Bố trí các cảm biến đo trên cầu Neva [12]
Hệ thống quan trắc của cầu Neva cung cấp các thông tin quan trắc theo thời
gian về điều kiện thực tế và trạng thái kết cấu của cầu trong quá trình xây dựng.
Việc đo chuyển vị theo phương đứng và phương ngang của dầm chủ bằng GPS
giúp điều chỉnh hướng thốt gió của mặt cắt dầm chủ trong quá trình xây dựng
(hình 1.10).
+ Cầu Sutong (Trung Quốc)
Cầu Sutong là cầu treo dây văng có nhịp lớn nhất thế giới dài 1088m, trụ
tháp bằng bê tông cốt thép cao 330m bắc qua sơng Yangtze, tỉnh Jiangsu, Trung
Quốc.

Hình 1.11: Cầu Sutong (Trung Quốc)

20

Hệ thống SHM của cầu Sutong gồm 2 phần: hệ thống đo đạc thực hiện chức
năng đo đạc, thu nhận và truyền dữ liệu; hệ thống xử lý, quản lý dữ liệu đo thực
hiện chức năng xử lý, quản lý dữ liệu đo và thực hiện các phân tích tổng hợp. Các
cảm biến đo lắp đặt cố định trên cầu, trong đó GPS được lắp đặt tại đỉnh trụ tháp và
giữa dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị của cầu theo phương dọc cầu, phương
ngang cầu và phương thẳng đứng (hình 1.12).

Hình 1.12: Sơ đồ bố trí các cảm biến và GPS trên cầu Sutong
1.2.2. Tình hình ứng dụng công nghệ GPS - RTK trong hệ thống quan trắc cầu
dây ở Việt Nam
Ở Việt Nam, có khoảng hơn 10 cầu dây văng và dây võng đã xây dựng nhưng
mới có khoảng một nửa trong số đó lắp hệ thống quan trắc là: cầu Bính, cầu Rạch
Miễu, cầu Bãi Cháy, cầu Nhật Tân, cầu Cần Thơ, cầu Trần Thị Lý. Trong đó ba cầu
có hệ thống GPS được giới thiệu dưới đây.
+ Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ
Cầu Cần Thơ là cầu dây văng hai mặt phẳng dây. Cầu nối liền 2 tỉnh Vĩnh
Long và Cần Thơ. Cầu Cần Thơ có chiều rộng 23.1m, chiều dài 15.850m, có 216
dây văng, nhịp chính dài 550m, trụ tháp cao 164.8m.


21

Hình 1.13: Cầu Cần Thơ
Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ do các nhà thầu Nhật Bản thiết kế và lắp đặt.
GPS được lắp tại 9 vị trí trên cầu và có một trạm base ở nhà điều hành.

Hình 1.14: Sơ đồ đo GPS tổng thể của Cầu Cần Thơ [4]

Đây là một hệ thống SHM đầy đủ và hiện đại số 1 của Việt Nam.
+ Hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý
Cầu Trần Thị Lý nằm trong thành phố Đà Nẵng, là cầu dây văng với các nhịp
sẽ trải dài bắt ngang qua sông Hàn, nối liền quận Hải Châu, quận Sơn Trà và Quận
Ngũ Hành Sơn. Cầu có tổng chiều dài 731m, trong đó nhịp chính là nhịp dây văng
dài 230m, bố trí một mặt phẳng dây neo với kết cấu nhịp tại giữa dải phân cách, trụ
tháp có mặt cắt ngang dạng hình chữ V bằng bê tơng cốt thép, nghiêng 12 độ về
phía Tây cầu với chiều cao 145m.


22

Hình 1.15: Phối cảnh cầu Trần Thị Lý
Bố trí các thiết bị quan trắc của hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý (hình
1.16). Trong đó, hệ thống GPS gồm có một trạm rover được lắp đặt ở đỉnh trụ tháp
để đo chuyển vị (theo phương dọc cầu, phương ngang cầu và phương thẳng đứng)
của cầu và có một trạm base.

Hình 1.16: Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Trần Thị Lý [5]
+ Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân
Cầu Nhật Tân có kết cấu nhịp của cầu chính theo dạng cầu dây văng nhiều
nhịp với 5 trụ tháp hình thoi và 6 nhịp dây văng, bắt đầu tại phường Phú Thượng,
quận Tây Hồ đến điểm cuối giao với quốc lộ 3 tại km 7+100, xã Vĩnh Ngọc
huyện Đông Anh (Hà Nội). Mặt cầu rộng 33.2m, cầu dài 3.9km và có đường dẫn
4.5km, trong đó phần chính của cầu qua sông dài 1.5km.


23

Hình 1.17: Phối cảnh cầu Nhật Tân

Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân do VSL thiết kế và lắp đặt. Trong đó có 13
vị trí trên cầu lắp đặt GPS và một trạm base ở ngồi cầu.
Đây là cơng trình cầu dây văng có nhiều tháp, nhiều nhịp nhất Việt Nam nên
hệ thống SHM được xác định đầu tư lắp đặt ngay trong q trình thi cơng cơng
trình.

Hình 1.18: Bố trí các thiết bị quan trắc trên cầu Nhật Tân [6]
Nhận xét:
Từ phần tổng quan cho thấy:
- Có nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK
trong hệ thống quan trắc cơng trình cầu dây. Tuy nhiên các nghiên cứu này, đặc biệt
là xử lý số liệu đều có bản quyền vì thế nên mỗi nước đều có một cách tiếp cận hệ
thống khác nhau, giao diện khác nhau, phương pháp xử lý số liệu khác nhau.