Xác định đặc trưng động lực học công trình cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH THANH KHẢI

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG
ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH THANH KHẢI

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG
ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thơng
Mã số: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng 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 quý Thầy Cô luôn mạnh khỏe.


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Huỳnh Thanh Khải


iii

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG
ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN
Học viên:Huỳnh Thanh Khải.
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng
Mã số: 85.80.205. 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. 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) [4],
phương pháp hàm phản ứng tần số (FRF) [11] và phương pháp phân tích tại các đỉnh (PPM) [12]. Luận
văn này tập trung nghiên cứu ứng dụng của Kỹ thuật kích thích tự nhiên (NExT)[5] kết hợp với Thuật
tốn phân tích theo gí trị riêng Eigensystem (NExT-ERA) trong việc xác định dao động. Phương pháp
NExT dựa trên việc lấy tương quan chéo (cross-correlation) giữa các kết quả dao động tại các điểm đo
dưới tác dụng ngẫu nhiên. Hàm tương quan giữa hai kết quả dao động được tạo ra cùng một dao động
ngẫu nhiên của kết cấu được chứng minh giống như một hàm xung (impulse response) hay một dao
động tự do (free response). Từ đó sử dụng nó như là kết quả đầu vào của thuật tốn phân tích theo giá
trị riêng (Eigen Realization Algorithm-ERA) [9].
Từ khóa - Quan trắc sức khỏe kết cấu; thông số dao động kết cấu; Kỹ thuật dao động tự nhiên; phân
tích dao động theo giá trị riêng.
THE IDENTIFICATION OF DYNAMIC PARAMETERS OF BRIDGE STRUCTURES
USING NATURAL EXCITATION TECHNIQUE
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. 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) [4], Frequency Response Function (FRF) [11] and Peak Picking Method (PPM) [12].
This study focuses on the using of the Natural Excitation Technique (NexT) [5] in combination with

Eigen Realization Algorithm (ERA) for modal identification. Natural Excitation Technique (NexT)
based on the taking of cross-correlation between the results at the measuring points it works with
ambient vibration. The cross-correlation function between the two ambient vibrations is generated
together with a random vibration of the structure which is demonstrated as an impulse response or a
natural oscillation. From there use it as the input of Eigen Realization Algorithm-ERA [9].
Key words - Structural health monitoring (SHM); Modal parameter; Natural Excitation Technique
(NexT); Eigen Realization Algorithm (ERA).


iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii
TÓM TẮT ................................................................................................................... iii
MỤC LỤC .....................................................................................................................iv
CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………………….viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ix
1. Cơ sở thực tiễn của đề tài ................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................... 4
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 4
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 5
5. Bố cục luận văn ................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CƠNG
TRÌNH CẦU .................................................................................................................. 6
1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu............................................................................. 6
1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu: ........................................................ 6
1.1.2. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu: ............................................... 9

1.1.3. Các cấp độ quan trắc .................................................................................. 11
1.2. Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe ................................................ 14
1.2.1. Giới thiệu các thành phần của hệ thống quan trắc.................................. 14
1.2.2. Các cảm biến ............................................................................................... 17
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG
ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG
NGẪU NHIÊN ............................................................................................................. 21
2.1. Tổng quan một số phương pháp dùng để mơ hình hóa bài tốn động lực học
21
2.1.1. Phương pháp khối lượng tập trung ........................................................... 21
2.1.2. Phương pháp chuyển vị tổng quát (phương pháp Rayleigh-Ritz) ......... 21
2.1.3. Phương pháp phần tử hữu hạn.................................................................. 22
2.2. Một số phương pháp xác định thông số động lực học sử dụng trong quan
trắc sức khỏe cầu ......................................................................................................... 23
2.2.1. Phương pháp biến đổi Fourier (FT) .......................................................... 24


v
2.2.2. Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency Response Function) ... 25
2.2.3. Phương pháp phân tích tại các đỉnh (Pick Peaking Method) ................. 26
2.2.4. Xác định các thông số dao động kết cấu bằng phương pháp dao động
ngẫu nhiên .................................................................................................................... 27
2.2.5. Thuật tốn phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization AlgorithmERA) ............................................................................................................................. 31
2.3. Xây dựng thuật toán bằng ngôn ngữ Matlab ..................................................... 33
2.3.1. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Matlab ....................................................... 33
2.3.2. Code thuật tốn NExT-ERA ...................................................................... 36
CHƯƠNG 3. ĐO ĐẠT THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH
PHÂN TÍCH CƠNG TRÌNH CẦU ............................................................................ 44
3.1. Thực hiện thí nghiệm đo dao động kết cấu cầu đối với mơ hình cầu thực tế . 44
3.1.1. Tổng quan về Cầu Thuận Phước – Đà Nẵng............................................ 44

3.1.2. Sơ đồ bố trí các cảm biến ........................................................................... 45
3.1.3. Quy trình đo ................................................................................................ 46
3.1.4. Kết quả đo: Sau đó được lưu tệp định dạng .xlsx .................................... 46
3.2. Ứng dụng chương trình phân tích kết quả......................................................... 46
3.2.1. Kết quả từ cầu Thuận Phước ..................................................................... 46
3.2.2. Kết quả từ cầu Yokohama, Nhật Bản ....................................................... 51
KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)


vi

CÁC TỪ VIẾT TẮT
ERA
FT

: Eigen Realization Algorithm (Phân tích theo giá trị riêng)
: Fourier transform (Biến đổi Fourier)

FRF
NEXT
PPM

: Frequency Response Function (Hàm phản ứng tần số)
: Natural Excitation Technique (Kỹ thuật dao động tự nhiên)
: Peak Picking Method (Phân tích tại các đỉnh)

SHM

: Structural health monitoring (Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu)


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

1.1.

Hệ thơng quan trắc cầu Thuận Phước

7

1.2.

Mơ hình hệ thống quan trắc cầu

9

1.3.

Sơ đồ các cấp độ của hệ thống quan trắc

13

1.4.

Sơ đồ các hệ thống quan trắc

14

1.5.

Sơ đồ của một hệ thống quan trắc

16

1.6.

Lắp đặt cảm biến

17

1.7.

Hệ tọa độ bố trí cảm biến

18

2.1.

Mơ hình khối lượng tập trung

21

2.2.

Mơ hình phần tử hữu hạn

22

2.3.

Biến đổi Fourier

25

2.4.
2.5.

Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn dựa vào phương pháp
Frequency Response Function
Phương pháp tính hệ số cản từ Biểu đồ quan hệ giữa tần số và
độ lớn

26
26

2.6.

Phần mềm Matlab

34

2.7.

Giao diện làm việc của phần mềm Matlab

35

2.8.

Sơ đồ khối thuật toán Next - Era

36

3.1.

Cầu Thuận Phước

45

3.2.

Sơ đồ bố trí đo

46

3.3.

Sơ đồ thuật tốn NExT-ERA

47

3.4.
3.5a.
3.5b.

Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số
1(trường hợp sử dụng xe tải kích thích)
Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại giai đoạn dao
động tự do
Biến đổi tương quan chéo giữa 2 dao động ngẫu nhiên sẽ thu
được dao động tự do

47
48
48

3.6.

Xây dựng ma trận Hankel

49

3.7.

Biểu đồ giá trị riêng theo ham logarit

50

3.8.

Xác định số bậc hệ thống

50

3.9.

Cầu ở cổng trường YNU

52


viii
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

3.10.

Cảm biến (Wireless sensor)

52

3.11.

Bố trí sensor trên mặt cầu lề bộ hành

53

3.12.

Hình dạng mode dao động, tần số tự nhiên và hệ số cản

53


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Trang

bảng

Tên bảng

3.1.

Thông số cảm biến

44

3.2.

Giá trị các mode

51

1

MỞ ĐẦU
1. Cơ sở thực tiễn của đề tài
Giao thông vận tải là một bộ phận quan trọng trong kết cấu hạ tầng kinh tế - xã
hội, một trong những khâu đột phá, cần ưu tiên đầu tư phát triển đi trước một bước với
tốc độ nhanh, bền vững nhằm tạo tiền đề cho phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc
phòng, an ninh, phục vụ sự nghiệp cơng nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước.
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. Thời gian gần
đây hàng loạt các cơng trình cầu nhịp lớn, phức tạp được thi công và đưa vào khai thác
như: Cầu Bãi Cháy, Cầu Nhật Tân, Cầu Trần Thị Lý, Cầu Cần Thơ, Cầu Vàm Cống...
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 cơng nghệ mà việc theo dõi tình trạng của kết cấu cầu ngày càng
chính xác hơn.

Cầu Bãi Cháy

Cầu Nhật Tân

Một số cây cầu hiện đại tại Việt Nam


2

Cầu Trần Thị Lý

Cầu Phú Mỹ

Cầu Cần Thơ

Cầu Vàm Cống

Một số cây cầu hiện đại tại Việt Nam
Mục đích của việc quan trắc sức khỏe kết cấu cơng trình (SHM) nhằm phát hiện
các ứng xử bất thường trong kết cấu, xác định vị trí vật lý của các ứng xử bất thường,
đánh giá định lượng kích cở và mức độ của các ứng xử bất thường, đánh giá định lượng
sức khỏe và năng lực phục vụ của cơng trình, đặt biệt các cơng trình nhịp lớn, kết cấu
phức tạp. Việc phát hiện, định vị và định lượng ứng xử bất thường ở giai đoạn đầu rất
quan trọng trong việc thành công của SHM cho phép tiên lượng và đưa ra các giải pháp
sửa chữa, bảo trì hoặc gia cường nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ cơng trình.[3]
Kỹ thuật xác định các đặc trưng dao động từ phương pháp kích thích dao động
ngẫu nhiên được áp dụng rất phổ biến trên thế giới trong thời gian gần đây. Phương pháp
này có nhiều ưu điểm hơn kích thích bằng phương pháp lực như: biên độ dao động kết
cấu nhỏ rất phù hợp trong việc phân tích kết cấu làm việc trong giai đoạn tuyến tính, có
thể quan trắc được liên tục và giá thành rất thấp.
Hiện nay các cơng trình giao thông tại Việt Nam đang được xây dựng với số
lượng lớn nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, đồng thời với việc nâng cấp các
cơng trình cầu cũ để đáp ứng lưu lượng và tải trọng phương tiện lưu thơng ngày càng
tăng. Do đó việc nghiên cứu hệ thống quan trắc sức khỏe theo dõi sự làm việc của cơng

trình trong giai đoạn khai thác mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Quá trình theo dõi,


3
quan sát kết cấu một cách liên tục và tự động có thể chỉ ra sự cần thiết phải sửa chữa,
tăng cường hoặc thay thế tùy vào tình trạng kết cấu.
Ở Việt Nam hiện nay chỉ áp dụng phương pháp tĩnh để xác định khả năng chịu
tải của cơng trình cầu, và phương pháp lực (sử dụng xe tải) để xác định một số đặc trưng
dao động kết cấu (thường chỉ có tần số dao động bằng phương pháp phân tích FFT) [4].
Những phương pháp này yêu cầu phải cấm lưu thơng trong q trình đo đạc, mất nhiều
thời gian thực hiện và chi phí cao.

Bố trí thiết bị đo biến dạng (ứng suất) dầm chủ

Bố trí thiết bị đo võng dầm chủ


4

Xếp xe đo võng và ứng suất dầm chủ
Phương pháp dao động ngẫu nhiên (Ambient Vibration Technique) [1] không cần
sử dụng lực kích thích nhân tạo mà cơng trình được kích thích dưới tác dụng của gió tự
nhiên hoặc phương tiện giao thông ngẫu nhiên trên cầu. Phương pháp dao động ngẫu
nhiên có ưu điểm là khơng phải ngăn cầu đảm bảo giao thơng xun suốt, có thể quan
trắc được liên tục và giá thành thực hiện rất thấp. Đây được xem là một phương pháp
rất cần thiết đảm bảo được mục tiêu về quan trắc sức khỏe trong điều kiện lưu lượng
giao thông rất lớn như hiện nay.
2. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng chương trình xác định các thơng số dao động của kết cấu cầu bằng
phương pháp dao động ngẫu nhiên.

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.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: dao động của kết cấu nhịp cơng trình cầu dưới tác dụng
dao động ngẫu nhiên.
Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng chương trình xác định các thơng số dao động của
kết cấu cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên, thực hiện thí nghiệm đo dao động
kết cấu cầu đối với mơ hình cầu thực tế, phân tích kết quả thí nghiệm và đánh giá năng


5
lực phục vụ của cơng trình cầu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
Nghiên cứu ứng xử kết cấu cầu dưới tác dụng tải trọng động, xây dụng thuật toán
phân tích số liệu thí nghiệm cơng trình cầu dưới tác dụng tải trọng ngẫu nhiên.
Phương pháp thực nghiệm hiện trường:
Phương pháp thực nghiệm hiện trường do tác giả sử dụng số liệu từ kết quả đo
dao động tại cầu Thuận Phước – Đà Nẵng.
Phương pháp thực nghiệm hiện trường là một phần quan trọng của luận án nhằm
khảo sát, đánh giá các cơng trình thật, có kích thước lớn làm cơ sở để hiệu chỉnh mơ
hình phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (làm cơ sở để đánh giá chât lượng
cơng trình).
Phương pháp mơ hình tốn:
Sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab để xây dựng chương trình tính tốn từ số liệu
đo đạc hiện trường như phân tích trong luận án hồn tồn có thể mơ phỏng đúng đắn
ứng xử của kết cấu cầu dưới tác dụng của tải trọng ngẫu nhiên.
5. Bố cục luận văn
Phần mở đầu
Chương 1: Tổng quan về quan trắc sức khỏe kết cấu cơng trình cầu.

Chương 2: Xây dựng chương trình xác định các đặc trưng động lực học cơng
trình cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên.
Chương 3: Đo đạt thực nghiệm và ứng dụng chương trình phân tích.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo.


6

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE
KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU
1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu:
Cùng với sự phát triển của đất nước, các cầu hiện đại vượt nhịp lớn đưa vào sử
dụng ngày càng nhiều nêu nhu cầu theo dõi, đánh giá cầu ngày càng lớn với quy mơ và
chất lượng địi hỏi càng cao. Sự theo dõi, quan trắc kết cấu một cách liên tục và tự động
có thể chỉ ra sự cần thiết là 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.
Có hai hướng để nhận dạng và dự báo khuyết tật của cầu, hướng thứ nhất đi sâu
nghiên cứu đặc điểm của từng dạng khuyết tật riêng biệt dựa vào những nét đặc trưng
của chúng để xây dựng lý thuyết về nhận dạng và dự báo các khuyết tật. Hướng thứ hai
là hướng phi cấu trúc, không quan tâm một cách chi tiết về từng loại khuyết tật mà chỉ
nghiên cứu đặc trưng chung về đáp ứng động lực học khi có khuyết tật để nhận dạng và
dự báo, nghĩa là dựa vào lời giải bài toán ngược động lực học cơ hệ.
Quan trắc kết cấu cầu, thuật ngữ tiếng Anh là "Health monitoring of Bridge", là
một thuật ngữ dùng để mơ 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.


7

Hình 1.1. Hệ thơng quan trắc cầu Thuận Phước
(Nguồn: />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 q trình khai
thác của cơng trình.
- Đặc biệt hệ thống này còn 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 sổ 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,

8
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 cơng tác quản lý duy tu kết cấu cầu: dữ liệu
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, công 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 công 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 toán 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.
Hệ thống quan trắc kết cấu cầu: là một hệ thống được đặc trưng bởi nhiều dụng
cụ cảm biến và nhiều hệ thống phụ khác. Một hệ thống quan trắc hoàn chỉnh gồm:
- Hệ thống thu nhận (các cảm biến).
- Hệ thống thu thập dữ liệu
- Hệ thống xử lý dữ liệu
- Hệ thống truyền tải dữ liệu
- Hệ thống đánh giá và đưa ra kết luận


9

Hình 1.2. Mơ hình hệ thống quan trắc cầu
Khi xây dựng hệ thống quan trắc cần phải có một mục tiêu và động lực rõ ràng
để Chủ đầu tư chấp nhận, cần phải chỉ ra rằng các công việc hiện tại mà Chủ đầu tư đang
thực hiện không đáp ứng được yêu cầu là giảm chi phí và tăng tuổi thọ cơng trình.
Các động lực chính để xúc tiến về việc lắp đặt hệ thống quan trắc là:
- Hiện trạng cơng trình đang lão hóa và các vấn đề kinh tế - xã hội liên quan đến
việc tăng cường, sửa chữa so với xây dựng mới.
- Các loại cầu mới, hiện đại như cầu dây văng, dây võng rất nhạy cảm với các
yếu tố khí động cần được quan trắc thường xuyên.
- Tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật lĩnh vực máy tính, lưu trữ,
các cảm biến và cuộc cách mạng công nghệ 4.0.
- Các vụ sập cầu trong quá khứ cũng như gần đây gây ra các hậu quả nặng nề về
con người và vật chất, do đó tạo nên mới quan tâm lớn của cộng đồng vì vậy việc nghiên
cứu, cải tiến, lắp đặt hệ thống quan trắc là rất thiết thực.
- Các phương pháp mới cần được được vào quy trình và có hướng dẫn cụ thể.
1.1.2. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu:
Theo Helmut Wenzel (2009) [6], hệ thống quan trắc có thể cung cấp những thơng

tin cơ bản như là:
- 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 môi trường cạnh tranh tốt trong ngành
Xây dựng.,


10
- Việc chuyển giao trách nhiệm pháp lý của kết cấu cầu 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 sốt 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 hỏi những quan tâm đặc biệt, mà các ý kiến
của các chuyên gia không phải lúc nào cũng sẵn có, hơn nữa kiến thức của họ cũng địi
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 liệu 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
n tâm vì đã có một hệ thống 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.
- Từ kết quả quan trắc trong một khoản thời gian cần thiết và ứng dụng các mơ
hình tính tốn ta có thể đưa ra dự báo tương đối về khả năng phục vụ của kết cấu cầu
trong tương lai.
- Càng nhiêu dữ liệu, mức độ chi tiết và chính xác của dữ liệu càng cao thì việc
tổ chức sửa chữa càng rõ ràng hơn, việc này làm giảm rủi ro, giảm các việc sửa chữa
không cần thiết và giúp đưa ra các quyết định có biên độ an tồn thấp hơn, tiết kiệm

được chi phí nhiều hơn.
- Việc đưa ra các quyết định thông qua số liệu định lượng trên cơ sở đo lường kết
cấu giúp đưa ra biện pháp ngăn ngừa hư hại của kết cấu với nguồn vốn nhỏ, chỉ một bộ
phận nhỏ các kết cấu mới đòi hỏi có sự can thiệp vào. Kỹ thuật do đạc mới nâng cao cơ
sở dữ liệu và chât lượng của kết quả để phục vụ cho việc đưa ra các quyết định cần thiết.
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 của kết cấu cần 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 thông tin hiện trạng tổng quan của kết cấu.
- 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.


11
- Các quan sát và đánh giá dài hạn của kết cấu cầu trở nên cần thiết khi các giới
hạn 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 tin nhắn SMS hoặc thơng qua internet. Các quyết định này có
thể thực hiện nhanh chóng trên các máy tính dựa vào thơn tin dữ liệu đo đạc. Hệ thống
cảnh báo này áp dụng khi giới hạn của kết cấu bị vượt qua.
Thông thường Chủ đầu tư mong muốn công việc của họ trở nên đơn giản, kết quả
cuối cùng mà họ mong muốn là một bản báo cáo kỹ thuật đơn giản, cung cấp các thơng
tin rõ ràng, chính xác. Nêu các thơng tin chính được cung cấp trên một cửa sổ chương
với ngưỡng 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 cho thể thấy có bị
vượt qua ngưỡng này hay khơng.
Bảng báo cáo định kỳ cần cung cấp những thông tin dưới đây:

- Các hình ảnh và hệ thống biểu đồ khi quan sát kết cấu có thể xác định một cách
dễ dàng.
- Một cửa sổ giao diện cung cấp các kết quả có tính chu kỳ được đặt trong một
ngưỡng giới hạn.
- Một cửa sổ khác cung cấp thông tin đặc biệt được u cầu như tóc độ gió, nhiệt
độ mơi trường, độ ẩm… bất cứ số liệu nào khác.
- Cuối cùng một sự phân loại được thực hiện dựa trên các thông số đo đạc trong
bản báo cáo thường kỳ, dựa vào bảng phân loại này có thể thấy ngay lập tức là có sự
thay đổi nào hay khơng.
- Các tiểu chuẩn liên qua đến khả năng khai thác của cầu có thể được cung cấp
nếu các dữ liệu cần thiết được ghi nhận.
1.1.3. Các cấp độ quan trắc
Theo Helmut Wenzel (2009), để phân loại cầu thì cần phải có thông 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 ịch quan trắc tinh vi, phức tạp. Quy mô của
hệ thống quan trắc phụ thuộc chủ yếu vào các kết quả cần có, chính xác là có 5 cấp độ
sử dụng để quyết định mức độ điều tra.
- 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


12
thực hiện để phân loại các vấn đề cơ bản cần biết về việc cho ra các quyết định sau này.
Nhiều chủ đầu tư lưu trữ kết quả này.
- Cấp độ 2: Đánh giá các điều kiện:
Điều tra bằng thị giác phải được thực hiện trong bất kỳ kết hoạch quan trắc nào.
Sau đó mới đưa ra các quyết định là có triển khai các bước tiếp theo hay khơng, có tiến

hành các cuộc khảo sát chi tiết hay khơng. 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 cung 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 kết cấu.
- 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 việc
thêm các thơng tin ví dụ như là đo mode hình dạng và các đánh giá chi tiết khác. Việc
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 nó có các dấu hiện 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 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 suốt 24h, nhưng tốt nhất là nên lâu hơn để thu
nhận các kết quả từ mơi trường và các tình huống giao thơng.


13

Hình 1.3. Sơ đồ các cấp độ của hệ thống quan trắc


14
- 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 3 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 các 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 theo
tải trọng trước đây khơng cịn phụ hợp với hiện tại, 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 cịn có thể khai thác và thực
hiện đầy đủ các chức năng của chúng hay không. Một kết hoặc theo dõi dao động có thể
đưa ra các thơng tin cho các điều kiện này, nó đã được chứng minh bởi Wenzel và
Pichler (2005), dựa trên nguyên tắc là so sánh ứng xử thực của kết cấu theo các số liệu
đo đạc và mô hình lý thuyết.
1.2. Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe
1.2.1. Giới thiệu các thành phần của hệ thống quan trắc
Hiện nay 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, nói chung thì tất cả các hệ
thống quan trắc có thể chia thành hai loại cơ bản như sau: Hệ thống quan trắc tĩnh và hệ
thống quan trắc động.

Đo tĩnh

Tạm thời/ theo
dõi định kỳ

Đo động

Dài hạn/theo

dõi liên tục

Tạm thời/theo
dõi định kỳ

Dài hạn/theo
dõi liên tục

Hình 1.4. 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 nhu cầu 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