ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CÔNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH VÙNG CÁC THAY đổi TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN
DẠNG VÀ KHOANH VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU
DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI THAM SỐ DỮ
LIỆU QUAN TRẮC

Mã số: 135 – 2017/KHXD - TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS. Khúc Đăng Tùng

Hà Nội, 12/2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN
DẠNG VÀ KHOANH VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU
DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI THAM SỐ DỮ
LIỆU QUAN TRẮC

Mã số: 135 – 2017/KHXD - TĐ

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài
(ký, họ tên, đóng dấu)

Hà Nội, 12/2018

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên)


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

MỤC LỤC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO .................................................................................
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ............................................................................... I
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 1
1.1.

KHÁI NIỆM CHUNG .................................................................................. 1

1.2.

TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG

TRÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI THAM SỐ ................................. 4
1.2.1.

Các phương pháp đánh giá sức khỏe cơng trình bằng phương pháp phân tích
phi tham số trên thế giới ................................................................................ 4

1.2.2.

Các phương pháp đánh giá sức khỏe cơng trình bằng phương pháp phân tích
phi tham số kết cấu tại Việt Nam ................................................................ 11

1.3.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................... 12

1.4.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................. 12

1.5.

TÍNH CẤP THIẾT VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................. 12

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ
TƯƠNG QUAN CHÉO CỦA KẾT CẤU NHẰM XÁC ĐỊNH HƯ HỎNG
TRONG CƠNG TRÌNH CẦU .................................................................. 15
2.1.

NGUN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TƯƠNG QUAN

CHÉO

15

2.1.1.

Khái niệm chung phương pháp hệ số tương quan ........................................ 15

2.1.2.

Loại bỏ ứng xử động trong dữ liệu chuyển vị .............................................. 16

2.1.2.1. Chuyển đổi dữ liệu từ miền thời gian sang miền tần số bằng biến đổi Fourier
17

i


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

2.1.2.2. Ứng dụng biến đổi Fourier nhanh cho việc loại bỏ ứng xử động trong dữ liệu
chuyển vị24
2.2.

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN CHÉO NHẰM XÁC ĐỊNH

HƯ HỎNG CHO CƠNG TRÌNH .............................................................................. 24
2.2.1.

Mơ hình thí nghiệm và các trạng thái hư hỏng............................................. 25

2.2.1.1. Mơ hình thí nghiệm ..................................................................................... 26
2.2.1.2. Kế hoạch thu thập dữ liệu chuyển vị động từ các trạng thái kết cấu của cơng

trình

27

2.2.2.

Tiền xử lý dữ liệu trước khi tính tốn hệ số tương quan .............................. 28

2.2.3.

Tính tốn hệ số tương quan chéo chuyển vị giữa các vị trí đo đạc ............... 33

2.2.3.1. Tính tốn hệ số tương quan chéo giữa 2 vị trí ............................................. 33
2.2.3.2. Tính ma trận hệ số tương quan giữa các vị trí đo ........................................ 35
2.2.3.3. Tính ma trận hệ số tương quan chéo trung bình và ma trận khác biệt ......... 36
2.2.4.

Khoanh vùng hư hỏng trên cơ sở lý thuyết xác suất thống kê ...................... 38

2.2.4.1. Nguyên lý thống kê dựa trên hàm phân bố .................................................. 38
2.2.4.2. Đánh giá, kiểm chứng phương pháp dựa trên kết quả đo đạc ...................... 41
2.3.

KẾT LUẬN ................................................................................................ 45

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH TỰ HỒI
QUY CỦA KẾT CẤU NHẰM XÁC ĐỊNH HƯ HỎNG TRONG CƠNG
TRÌNH CẦU ............................................................................................. 47
3.1.

NGUN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH TỰ HỒI QUY .............. 47

3.1.1.

Khái niệm chung về mơ hình tự hồi quy ...................................................... 47

3.1.2.

Sử dụng chỉ số AIC và thuật tốn Burg lựa chọn mơ hình tự hồi quy tối ưu 50

3.1.3.

Cơ sở lý thuyết xác định chỉ số phát hiện và định vị vị trí hư hỏng .............. 56

3.2.

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH TỰ HỒI QUY TỐI ƯU .............. 57

ii


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

3.2.1.

Mơ hình thí nghiệm và các trạng thái hư hỏng............................................. 58

3.2.1.1. Mơ hình thí nghiệm ..................................................................................... 58

3.2.1.2. Kế hoạch thu thập dữ liệu gia tốc từ các trạng thái kết cấu của cơng trình . 58
3.2.2.

Tiền xử lý dữ liệu trước khi xác định mơ hình tự hồi quy ............................ 59

3.2.2.1. Loại bỏ xu hướng của dữ liệu đo gia tốc ..................................................... 59
3.2.2.2. Chuẩn hóa dữ liệu....................................................................................... 60
3.2.3.

Xác định mặt AIC nhằm lựa chọn mơ hình tự hồi quy tối ưu ...................... 61

3.2.4.

Khoanh vùng hư hỏng dựa trên mô hình tự hồi quy tối ưu........................... 65

3.2.4.1. Xác định chỉ số hư hỏng .............................................................................. 65
3.2.4.2. Sử dụng phân tích thống kê xác định vị trí hư hỏng ..................................... 66
3.3.

KẾT LUẬN ................................................................................................ 69

CHƯƠNG 4. KIỂM TRA PHƯƠNG PHÁP TỰ HỒI QUY TỪ DỮ LIỆU THỰC
TẾ CỦA CẦU TÂN AN ............................................................................ 71
4.1.

LẮP ĐẶT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TẠI CƠNG TRÌNH CẦU TÂN AN 71

4.1.1.

Giới thiệu về dự án cầu ............................................................................... 71

4.1.2.

Lắp đặt và thu thập dữ liệu .......................................................................... 71

4.2.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỰ HỒI QUY TỐI ƯU CHO CƠNG TRÌNH CẦU

TÂN AN 72
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 75
5.1.

KẾT LUẬN ................................................................................................ 75

5.2.

KIẾN NGHỊ................................................................................................ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 77

iii


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Sơ đồ chung và ưu điểm của giám sát sức khỏe cơng trình SHM .................. 2

Hình 1-2. Sơ đồ ngắn gọn quá trình giám sát sức khỏe cơng trình ............................... 7
Hình 2-1. Thành phần của một tín hiệu phức tạp ....................................................... 18
Hình 2-2. Biểu thị sự quan sát dữ liệu từ hai góc nhìn khác nhau đó là miền thời gian
và miền tần số ............................................................................................................ 19
Hình 2-3. Ví dụ biểu thị sự chuyển đổi qua lại lẫn nhau nhờ biến đổi Fourier của dữ
liệu ............................................................................................................................ 19
Hình 2-4. Minh họa biến đổi thời gian – tần số cho sự phân tích Fourier khác nhau . 21
Hình 2-5. Chu trình phân tách chuyển vị tĩnh dựa trên thuật tốn FFT ...................... 24
Hình 2-6. Sơ đồ khái quát tổng thể các bước tiến hành cho phương pháp tương quan
chéo ........................................................................................................................... 25
Hình 2-7. Mơ hình cầu thép và thết bị đo ................................................................... 26
Hình 2-8. Mơ hình cầu và các điều kiện biên trong thực tế ........................................ 27
Hình 2-9. Các trường hợp hư hỏng ............................................................................ 28
Hình 2-10. Biểu đồ chuyển vị động tại vị trí cảm biến 1 ở lần đo 1 và lần đo 20 ........ 29
Hình 2-11. So sánh bộ dữ liệu trước và sau khi cắt bỏ phần dữ liệu khi các cảm biến
chưa làm việc............................................................................................................. 30
Hình 2-12. Chuyển dữ liệu từ miền thời gian qua miền tần số .................................... 31
Hình 2-13. Khoảng tần số để lấy chuyển vị tĩnh và loại bỏ yếu tố nhiễu động ............ 32
Hình 2-14. Chuyển vị tĩnh thu được tương ứng với các đoạn tần số khác nhau .......... 33
Hình 2-15. Biểu đồ phân phối dữ liệu so sánh giữa cảm biến 6 với cảm biến 7 và tại hai
thời điểm trước và sau hư hỏng.................................................................................. 34

iv


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

Hình 2-16. Biểu đồ ma trận hệ số tương quan của các cảm biến trong lần đo 1 của bộ

dữ liệu chưa hư hỏng ................................................................................................. 36
Hình 2-17. Biểu đồ ma trận trung bình của bộ dữ liệu chưa hư hỏng ......................... 37
Hình 2-18. Biểu đồ ma trận trung bình của bộ dữ liệu đã bị hư hỏng......................... 37
Hình 2-19. Biểu đồ ma trận khác biệt (ma trận [Δ]) trước và sau hư hỏng ................ 38
Hình 2-20. Biểu đồ hàm mật độ xác suất của phân phối chuẩn .................................. 39
Hình 2-21. Đồ thị biểu diễn sự phân bố của dữ liệu theo phân phối chuẩn ................ 40
Hình 2-22. Biểu đồ phân phối dữ liệu giữa hai vị trí cảm biến 7 và 1 tại thời điểm trước
và sau hư hỏng........................................................................................................... 42
Hình 2-23. Biểu đồ phân phối dữ liệu so sánh giữa vị trí cảm biến 6 với cảm biến 7 và
tại hai thời điểm trước và sau hư hỏng....................................................................... 43
Hình 2-24. Biểu đồ phân phối dữ liệu so sánh giữa vị trí cảm biến 12 với cảm biến 1 tại
hai thời điểm trước và sau hư hỏng............................................................................ 44
Hình 2-25. Sơ đồ trường hợp hư hỏng của nghiên cứu ............................................... 45
Hình 3-1. Hình mơ tả chuỗi dữ liệu theo thời gian ..................................................... 48
Hình 3-2. Giá trị đo gia tốc của cảm biến gia tốc ...................................................... 50
Hình 3-3. Sơ đồ các bước tiến hành cho phương pháp mơ hình tự hồi quy ................. 57
Hình 3-4. Mơ hình cầu thí nghiệm ............................................................................. 58
Hình 3-5. Trường hợp hư hỏng của mơ hình .............................................................. 59
Hình 3-6. Biểu đồ dữ liệu trước và sau loại bỏ xu hướng ........................................... 60
Hình 3-7. Biểu đồ chênh lệch của dữ liệu trước và sau loại bỏ xu hướng ................... 60
Hình 3-8. Bộ dữ liệu sau khi chuẩn hóa ..................................................................... 61
Hình 3-9. Biểu diễn chiều dài đoạn chia dữ liệu hợp lý đầu tiên ................................ 62
Hình 3-10. Giá trị AIC phụ thuộc vào bậc và chiều dài đoạn chia dữ liệu của mơ hình
.................................................................................................................................. 63

v


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI

THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

Hình 3-11. Giá trị AIC phụ thưộc vào số bậc và chiều dài đoạn chia dữ liệu. a – Phụ
thuộc vào bậc của mơ hình; b – Phụ thuộc vào chiều dài đoạn chia dữ liệu............... 64
Hình 3-12. Biểu đồ thể hiện tương quan hư hỏng tại các vị trí ................................... 67
Hình 3-13. Biểu đồ phân phối dữ liệu của cảm biến 1 và cảm biến 3 tại hai thời điểm
trước và sau hư hỏng ................................................................................................. 67
Hình 3-14. Biểu đồ phân phối dữ liệu của cảm biến 5 và cảm biến 7 tại hai thời điểm
trước và sau hư hỏng ................................................................................................. 68
Hình 3-15. Biểu đồ phân phối dữ liệu của cảm biến 9 và cảm biến 13 tại hai thời điểm
trước và sau hư hỏng ................................................................................................. 68
Hình 3-16. Biểu đồ phân phối dữ liệu của cảm biến 14 và cảm biến 16 tại hai thời điểm
trước và sau hư hỏng ................................................................................................. 69
Hình 4-1. Hình ảnh cầu nhịp chính liên tục và nhịp dẫn dầm Super-T ....................... 71
Hình 4-2. Bố trí đầu đo gia tốc và thiết bị SDA-830C ................................................ 72
Hình 4-3. Biểu đồ gia tốc đo được ............................................................................. 72
Hình 4-4. Biểu đồ kết quả thu được............................................................................ 73

vi


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1. Bảng so sánh phương pháp tham số kết cấu và phi tham số kết cấu ............. 3
Bảng 3-1. Bảng thống kê 3 hệ số AR đầu tiên............................................................. 64
Bảng 3-2. Bảng thống kê chỉ số hư hỏng .................................................................... 65
Bảng 4-1. Bảng kiểm tra hư hỏng tại vị trí thí nghiệm................................................ 74

vii


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

SHM

Structure Health Monitoring

CCA

Cross Correlation Analysis

AR Model

Auto Regressive Model

GUI

Graphical

ACI

Akaike’s information criteria

viii


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1.

KHÁI NIỆM CHUNG
Đánh giá sức khỏe cơng trình (Structure Health Monitoring - SHM) là một q

trình thực hiện các phương pháp đo đạc kết hợp phân tích dữ liệu nhằm xác định và đưa ra
các đánh giá về tình trạng kết cấu của các cơng trình xây dựng, máy móc, … tại một thời
điểm bất kỳ với mục đích đảm bảo cho q trình khai thác, sử dụng theo đúng như thiết kế.
Thêm vào đó, việc theo dõi và giám sát dài hạn có thể cung cấp đầy đủ dữ liệu ứng xử của
kết cấu nhằm dự đốn các trạng thái của cơng trình trong tương lai, ví dụ như sự phát triển
của hư hỏng và xác định tuổi thọ cơng trình. Việc thực hiện cơng tác đánh giá sức khỏe
cơng trình giúp người quản lý có thể cập nhật các trạng thái của cơng trình liên tục, sớm
phát hiện hư hỏng, có các biện pháp duy tu bảo dưỡng kịp thời. Điều này dẫn đến việc tiết
kiệm khá đáng kể chi phí sửa chữa và bảo dưỡng cơng trình. Chính vì lý do đó, đánh giá
sức khỏe cơng trình đang là một lĩnh vực thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học
cũng như nhà quản lý cơng trình trên thế giới.
Tính năng của SHM:
1. Phát hiện sự tồn tại của hư hỏng
2. Xác định vị trí hư hỏng
3. Xác định mức độ nghiêm trọng của hư hỏng
4. Phân tích dự đốn tuổi thọ và thời điểm sửa chữa cho cơng trình

1


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

Cải thiện
An toàn

Hiệu suất
theo dõi,
giám sát

Tăng tuổi
thọ

Đánh giá
hư hỏng

SHM

Cảm biến,
đo đạc tại
hiện trường

Giảm chi
phí duy tu

Hình 1-1. Sơ đồ chung và ưu điểm của giám sát sức khỏe công trình SHM
Về cơ bản, đánh giá sức khỏe cơng trình là quá trình theo dõi một hoặc nhiều đặc
trưng của kết cấu (chẳng hạn như tần số dao động, dạng dao động, hệ số giảm chấn, hoặc
các hệ số khác …) theo thời gian nhằm phát hiện sự thay đổi bất thường của thơng số đó.
Đặc trưng kết cấu này thường được tính tốn thơng qua các số liệu quan trắc và đo đạc
thông qua các cảm biến điện tử. Như vậy, công tác quan trọng nhất trong số rất nhiều cơng
tác được thực hiện trong một q trình đánh giá sức khỏe cơng trình là việc phân tích số
liệu đo đạc nhằm tính tốn được các thơng số đặc trưng đáng tin cậy của kết cấu. Hiện nay
trên thế giới tồn tại hai hướng nghiên cứu chính nhằm phân tích dữ liệu để tính tốn các
thơng số đặc trưng này phục vụ cho việc phát hiện hư hỏng, bao gồm [1]:
-

Phương pháp phân tích tham số kết cấu.

-

Phương pháp phân tích phi tham số kết cấu.
Phương pháp phân tích tham số kết cấu dựa trên những ứng xử, những thay đổi về

đặc tính dao động của kết cấu nhằm theo dõi các tham số kết cấu như tần số dao động riêng
[2], mơ hình dạng dao động [3, 4], mơ hình giảm chấn và độ cứng [5]. Các tham số kết cấu
này là các đại lượng có thể xác định dựa trên mơ hình kết cấu, khi đó hư hỏng có thể nhận
dạng được thơng qua sự thay đổi các trạng thái khác nhau của kết cấu theo thời gian. Tuy

2


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

nhiên, các đặc tính dao động này rất dễ bị ảnh hưởng dưới sự tác động của môi trường
(chẳng hạn như nhiệt độ) và điều kiện tải trọng dẫn đến sai lệch trong việc đánh giá đúng
thực trạng của kết cấu [6]. Hơn nữa để làm được điều đó, ta phải biết các tham số hình học
cũng như các đặc trưng vật liệu của các cấu kiện hình thành nên cơng trình (nhất là đối với
các cơng trình cầu cũ thì việc lưu trữ các dữ liệu này khơng đầy đủ hoặc bị mất trong thời
gian dài khai thác). Đó cũng chính là một nhược điểm lớn của phương pháp phân tích tham
số kết cấu.
Ở hướng phân tích phi tham số kết cấu, các thông số đại diện cho kết cấu hồn
tồn dựa vào các phân tích xác suất - thống kê của dữ liệu quan trắc, ví dụ như phân tích
tương quan mà khơng cần quan tâm đến các thơng số hình học, vật liệu của mơ hình kết
cấu. Chính vì vậy, nhóm phương pháp này rất phù hợp với các cơng trình cũ hoặc bị mất
thơng tin. Một số phương pháp theo hướng này đã được công bố như phân tích Fourier của
Balan [7]; sử dụng hệ số tương quan giữa các vị trí trên kết cấu của P. Moyo [8]; tự hồi
quy trong miền thời gian của Lu [9] và của Omenzetter [10], ... Tuy nhiên, phương pháp
phân tích phi tham số khơng hẳn là đã hồn chỉnh khi nó thường chỉ được áp dụng nhằm
phát hiện ra hư hỏng và định vị hư hỏng trên kết cấu. Việc đánh giá mức độ nghiêm trọng
của hư hỏng cũng như phân tích xác định tuổi thọ của cơng trình thường khơng thể thực
hiện được theo hướng này. Hơn thế nữa, phương pháp thuần túy dựa vào các số liệu quan
trắc, đo đạc trên kết cấu nên hoàn tồn có thể xảy ra việc có sai số trong quá trình đo hoặc
bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác. Đó cũng đặt ra việc cần phải xử lí số liệu trước khi đưa
vào phân tích và tính tốn các thơng số đặc trưng. Q trình xử lý số liệu này thường liên
quan đến việc loại bỏ các dữ liệu nhiễu thường gây ra do tác động của môi trường cũng
như của chính bản thân thiết bị cảm biến.
Bảng 1-1. Bảng so sánh phương pháp tham số kết cấu và phi tham số kết cấu
Phương pháp phân tích tham số vật lý Phương pháp phân tích phi tham số
kết cấu
vật lý kết cấu
- Diễn giải dữ liệu và tìm hiểu
Ưu điểm

- Khơng cần mơ hình kết cấu.
ngun nhân gây ra hư hỏng dễ dàng.

3


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

- Ảnh hưởng của sự thay đổi tải
- Có thể phát hiện và định vị
trọng có thể được dự báo.
thay đổi/ hư hỏng kết cấu.
- Kết quả dự đoán hư hỏng kết
- Có nhiều lựa chọn về
cấu trong tương lai có thể được đánh
phương pháp phân tích dữ liệu.
giá.
- Có thể theo dõi và giám sát
cơng trình trong thời gian dài.
- Có thể đưa ra dự báo về phát
triển của hư hỏng.
- Khó khăn trong mơ hình hóa
- Khó khăn trong việc giải
kết cấu; cũng như trong quản lý một số thích về thay đổi đặc tính vật lý kết
Nhược
lượng lớn dữ liệu mơ hình.
cấu dựa trên kết quả phân tích.
điểm

- Các sai sót trong mơ hình và
- Khơng thể đưa ra được các
phép đo có thể dẫn đến việc đánh giá
lý do, nguyên nhân của hư hỏng.
sai cho một mơ hình.
- Mơ hình thiết kế khơng chính
- Kết cấu đánh giá khơng cần
xác và cần cập nhật.
phân tích nguyên nhân.
Phạm vi
- Việc dự đoán ứng xử kết
áp dụng
- Có nhiều vấn đề trong quản lý
cấu khơng nằm trong mục đính của
hồ sơ cơng trình.
đánh giá.
Với các phân tích tổng hợp trong Bảng 1-1, đề tài này sẽ lựa chọn hướng nghiên
cứu và ứng dụng nhóm các phương pháp phân tích phi tham số kết cấu nhằm áp dụng cho
cơng tác đánh giá sức khỏe cơng trình tại Việt Nam. Mặc dù mỗi nhóm phương pháp đều
có ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng riêng, việc sử dụng các phương pháp phân tích phi
tham số hầu như chưa được nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam; và đó cũng chính là
mục đích chính của nhóm các tác giả khi thực hiện đề tài này.
1.2.

TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG

TRÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI THAM SỐ
1.2.1.

Các phương pháp đánh giá sức khỏe cơng trình bằng phương pháp phân tích

phi tham số trên thế giới
Trong những năm vừa qua thì ngành xây dựng cơng trình nói chung và xây dựng
cầu nói riêng trên thế giới đã có những bước phát triển vượt bậc với việc cải tiến kỹ thuật
thi công, tăng khả năng cơ giới hóa giúp nâng cao hiệu quả và giảm áp lực cho con người.

4


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

Các cơng trình cầu ngày càng hiện đại giúp nâng cao chất lượng giao thông, cơ sở hạ tầng
phục vụ cho đời sống xã hội. Với các cơng trình cầu hiện đại này, độ bền vững và khả năng
phục vụ khai thác lâu dài được yêu cầu hơn hẳn so với các cơng trình trong q khứ. Như
vậy, câu hỏi đặt ra là chúng ta có cần những nghiên cứu sâu và rộng hơn về quá trình theo
dõi, đánh giá sức khỏe cơng trình để đảm bảo mức độ an toàn và khả năng khai thác sau
khi đưa vào sử dụng.
Chính vì u cầu trên, việc nghiên cứu đánh giá sức khỏe cơng trình đã được các
nước trên thế giới, đặc biệt là các nước phát triển nơi có hệ thống cơ sở hạ tầng hoàn chỉnh
hết sức quan tâm. Ngay từ thế kỷ XIX, phương pháp định tính (qualitative) và không liên
tục (non-continous) là các phương pháp sơ khai nhất để đánh giá kết cấu. Trong 10-15 năm
qua, với sự phát triển của công nghệ cảm biến điện tử, cơng nghệ phân tích dữ liệu lớn đã
biến các nghiên cứu về đánh giá sức khỏe cơng trình trở thành một đề tài vô cùng thú vị
trong giới khoa học về cơng trình. Các loại đối tượng được tập trung nghiên cứu trong đánh
giá sức khỏe cơng trình có thể bao gồm: máy bay, các thiết bị cơ khí có hoặc khơng có
chuyển động, cơ sở hạ tầng dân dụng như cầu và nhà cửa, ... Khoa học - kỹ thuật phát triển
đã cho phép ứng dụng nhiều kỹ thuật hiện đại hơn, giúp cho việc đánh giá sức khỏe cơng
trình trở nên dễ dàng và thuận tiện hơn rất nhiều. Các thuật toán mới và thiết bị đo đạc hiện

đại đang trở thành các công cụ đắc lực để việc đánh giá sức khỏe cơng trình trở lên chính
xác.
Theo một số nghiên cứu gần đây, khoảng 40% tổng ngân sách sử dụng trong công
nghiệp xây dựng được dùng để sửa chữa, duy tu và bảo dưỡng cơng trình cũ và chỉ khoảng
60% tổng ngân sách được sử dụng cho xây dựng cơng trình mới [11]. Riêng ở nước Mỹ có
nhiều báo cáo nói rằng khoảng một phần tư số cầu đang bị hư hỏng về kết cấu và hạn chế
về chức năng. Với thực trạng này, hằng năm Mỹ phải chi ngân sách lên đến 20.5 tỉ đô la
để đánh giá, sửa chữa và cải tiến khả năng phục vụ của các cầu cũ [12].
Nhằm mục đích nghiên cứu và ứng dụng ngoài thực tế, một số dự án lớn về đánh
giá sức khỏe cơng trình (nhất là cơng trình cầu) đã được triển khai bao gồm:

5


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

- Cầu Rio-Antirio (Hy Lạp): dự án sử dụng hơn 100 bộ cảm biến đo đạc kết cấu và
giám sát giao thông [13].
- Cầu Huey (USA): sử dụng hơn 800 bộ cảm biến đo biến đạng tĩnh và động [14].
Hệ thống theo dõi sức khỏe cơng trình bao gồm tổng cộng 769 thiết bị đo biến dạng, 10
máy đo độ nghiêng, một thiết bị đo gió (máy đo gió), 30 bộ ghép kênh, bốn bộ ghi dữ liệu
và 32 máy phát không dây.
- Cầu Faith Sultan Mehmet (Thổ Nhĩ Kỳ): sử dụng một hệ thống cảm biến không
dây [15].
Trong thực tế, đánh giá sức khỏe cơng trình được áp dụng trong nhiều lĩnh vực
khác nhau, ở những giai đoạn khác nhau bao gồm công tác kiểm tra chất lượng cơng trình
mới, theo dõi hiệu suất vịng đời sử dụng hay đánh giá tình trạng cơng trình cũ. Trong số
các cơng tác này, phát hiện và định vị vị trí hư hỏng là những nội dung chính yếu nhất và

được thực hiện trong hầu hết các dự án về đánh giá sức khỏe cơng trình [16]. Ở đây, hư
hỏng kết cấu được định nghĩa là sự thay đổi đủ lớn về trạng thái, tính chất và ứng xử của
kết cấu so với lúc mà kết cấu được xem như bình thường theo thiết kế. Thơng thường, q
trình phát hiện và định vị vị trí hư hỏng trên cơng trình được thực hiện thơng qua ba giai
đoạn chính. Giai đoạn 1 là bước khảo sát, gắn thiết bị đo (cảm biến điện tử) lên cơng trình
nhằm thu thập dữ liệu cần thiết từ phản ứng của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng và môi
trường. Trong giai đoạn này, mặt bằng bố trí, chất lượng thiết bị cảm biến và tay nghề thi
công ảnh hưởng khá nhiều đến chất lượng dữ liệu thu thập. Ở giai đoạn 2, quá trình xử lý
dữ liệu bằng các thuật toán phù hợp được thực hiện dựa trên dữ liệu thu thập trong giai
đoạn 1.

6


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

Xảy ra hư hỏng
Vị trí hư hỏng

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu

Bước 1
Giám sát và đo
đạc dữ liệu từ các
cảm biến gắn trên
kết cấu

An toàn

Bước 2
Xử lý dữ liệu, tín
hiệu đo từ bước 1

Bước 3
Đưa ra quyết định
từ kết quả phân
tích

Hình 1-2. Sơ đồ ngắn gọn q trình giám sát sức khỏe cơng trình
Ở giai đoạn 3, dựa trên kết quả phân tích từ giai đoạn 2, người kĩ sư phải đưa ra
các quyết định về trạng thái (ví dụ như hư hỏng hay chưa), điều kiện làm việc (ví dụ như
cịn hoạt động được hay khơng hay phải sửa chữa), cũng như các biện pháp xử lý nhằm
nâng cao hiệu quả làm việc của kết cấu, đảm bảo tính an tồn và khai thác của cơng trình.
Minh họa các bước thực hiện trong công tác phát hiện và định vị vị trí hư hỏng được thể
hiện trên Hình 1-2.
Nhóm phương pháp phi tham số kết cấu, nhìn chung, cũng tuân theo các bước như
đã trình bày ở trên. Về chi tiết ở bước 2, công tác xử lý dữ liệu gồm các bước nhỏ như sau:
(i) sử dụng thuật tốn phân tích nhằm hạn chế, loại bỏ ảnh hưởng ngẫu nhiên của điều kiện
môi trường và các yếu tố khác trong q trình khai thác cơng trình lên dữ liệu thu thập
được từ cơng trình nhằm giảm thiểu sai lệch trong việc đưa ra quyết định của người kỹ sư;
(ii) nghiên cứu, định nghĩa trạng thái không hư hỏng của kết cấu thông qua một tham số
đặc trưng nào đó, có độ ổn định, mơ tả trạng thái kết cấu. Tham số đặc trưng này sẽ được
gọi là tham số hư hỏng; (iii) sử dụng dữ liệu thu thập được từ kết cấu ở trạng thái giám sát,

7

ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

tính tốn tham số hư hỏng tương ứng; (iv) thiết lập mối tương quan so sánh giữa hai trạng
giám sát và trạng thái không hư hỏng của kết cấu thơng qua tham số hư hỏng; (v) đánh giá
tình trạng kết cấu, dự báo xu hướng phát triển hư hỏng [17]. Việc định nghĩa và đề xuất
tham số hư hỏng trong nhóm phương pháp phi tham số kết cấu thường dựa trên các thuật
tốn trong lĩnh vực phân tích dữ liệu (data analysis), được thực hiện ở bước (ii) và (iii).
Các thuật toán này được áp dụng trực tiếp lên các dữ liệu đo đạc và thu thập trong miền
thời gian, ví dụ như chuyển vị, biến dạng, gia tốc. Để nhận diện trạng thái kết cấu, các lý
thuyết xác suất (statistical analysis) thường được áp dụng ở bước (iv) và (v) [18].
Đánh giá kết cấu bằng nhóm phương pháp phi tham số cho phép rút ngắn thời gian
phân tích, sớm phát hiện hư hỏng kể từ khi chúng xuất hiện trên kết cấu. Theo phương
pháp này, tình trạng cơng trình có thể được xác định mà khơng cần kiến thức đánh giá
chuyên sâu của chuyên gia, cũng như các tài liệu, hồ sơ về kích thước hình học và tính chất
vật liệu cơng trình, phù hợp với phân tích đánh giá kết cấu một cách liên tục trong thời gian
dài. Bên cạnh đó, phương pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm như đã liệt kê trong
Bảng 1-1. Do phương pháp này mới được quan tâm áp dụng trong lĩnh vực xây dựng trong
khoảng 15-20 năm trở lại đây, bên cạnh các thuật toán đã được giới thiệu và phát triển,
hiện vẫn còn nhiều vấn đề cần phải được nghiên cứu và cái tiến liên quan đến các quá trình
loại bỏ tác động nhiễu của mỗi trường, tải trọng và tăng cường độ tin cậy của thuật toán.
Một số phương pháp cơ bản trong nhóm phương pháp phi tham số kết cấu đã được
phát triển và giới thiệu trong những năm vừa qua có thể kể đến gồm:
Phương pháp tương quan chéo (Cross correlation): Sử dụng lý thuyết tương quan
chéo nhằm đánh giá sức khỏe cơng trình đã được giới thiệu trong một số nghiên cứu [1921]. Theo phương pháp này, dữ liệu đo phản ứng kết cấu tại các vị trí được thu thập thơng
qua các cảm biến. Mối quan hệ về ứng xử giữa các vị trí trên kết cấu trên được thiết lập
thơng qua các hệ số tương quan. Nguyên tắc phát hiện sự thay đổi trong kết cấu hoặc hư
hỏng theo phương pháp này được xác định dựa trên một lý thuyết rằng ở một trạng thái

nhất định, các vị trí trên kết cấu ln có một mối quan hệ với nhau theo một hàm số toán

8


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

học của các thông số kết cấu. Như vậy nếu mối quan hệ này được xác định thông qua
phương pháp tương quan chéo, hệ số tương quan sẽ không thay đổi theo thời gian dưới tác
dụng ngẫu nghiên của tải trọng và mơi trường. Chỉ khi có sự biến đổi về trạng thái (thay
đổi độ cứng, thay đổi điều kiện biên do hư hỏng) làm cho đặc tính kết cấu bị thay đổi, hệ
số tương quan này mới thay đổi. Như vậy nếu hệ số tương quan được xem như một dạng
của tham số hư hỏng, việc theo dõi chúng theo thời gian có thể là căn cứ để phát hiện ra có
hư hỏng xảy ra trong kết cấu hay không. Hơn thế nữa, một vài nghiên cứu cũng cho thấy
rằng tại những vị trí càng gần vị trí xảy ra hư hỏng thì hệ số tương quan càng thay đổi
mạnh. Do vậy trong q trình phân tích, dựa trên mức độ thay đổi của hệ số tương quan
mà không chỉ trạng thái của kết cấu được xác định mà cịn xác định được vị trí của hư
hỏng. Để nâng cao tính chính xác của thuật tốn, các bước tiền xử lý dữ liệu như hạn chế
tác động của tải trọng ngẫu nhiên, môi trường, loại bỏ yếu tố động trong dữ liệu chuyển vị
và biến dạng, loại bỏ dữ liệu thừa luôn cần được cân nhắc một cách nghiêm túc. Tính hiệu
quả của phương pháp tương quan chéo sau khi áp dụng kỹ thuật tiền xử lý dữ liệu được thể
hiện thông qua nghiên cứu của Tang [21].
Phương pháp tự hồi quy (Auto - Regressive): Theo nguyên lý của phương pháp
này, dữ liệu đo gia tốc từ kết cấu được xem như một chuỗi số liệu rời rạc. Tuy nhiên, một
dữ liệu được thu thập tại một thời điểm bất kỳ luôn là một phản ứng tiếp nối của kết cấu
theo một loạt các phản ứng trước đó. Điều đó có nghĩa rằng ln ln có thể xây dựng
được một hàm tốn học để mơ tả một dữ liệu đo đạc được của kết cấu tại một thời điểm
bất kỳ thông qua một loạt các dữ liệu được đo đạc trước đó. Nghiên cứu đã cho thấy rằng

các hệ số của hàm toán học này phụ thuộc chủ yếu vào các đặc trưng kết cấu của cơng
trình. Thơng qua mơ hình tốn học này, các hệ số của hàm toán học tự hồi quy sẽ được
xem như tham số hư hỏng dùng trong công tác phát hiện và định vị hư hỏng trong kết cấu.
Dựa trên thay đổi của các chỉ số này kết hợp với lý thuyết xác suất, sự biến đối trạng thái
kết cấu hay hư hỏng được xác định [16, 22, 23].
Phương pháp máy học (Machine Learning): Phương pháp máy học là một hướng
mới nhất và phát triển tích cực nhất gần đây có thể được xếp vào nhóm các phương pháp
9


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

phi tham số kết cấu. Bản chất của phương pháp máy học là một quá trình tạo lập ra mơ
hình phân loại trạng thái của kết cấu cơng trình thành các nhóm khác nhau thơng qua dữ
liệu đo đạc, ví dụ như khơng hư hỏng, hư hỏng loại 1, hư hỏng loại 2 … Phương pháp này
có đặc điểm là không dựa trên bất kỳ một thông số hư hỏng nào để kết luận trạng thái kết
cấu mà dựa trên một mơ hình phân loại nhằm nhận dạng trực tiếp luôn trạng thái của kết
cấu. Việc xây dựng mô hình phân loại dựa trên một quy trình “đào tạo (training) – kiểm
tra (testing)” thông qua các bộ dữ liệu tương ứng với các trạng thái của kết cấu nhằm có
được một mơ hình phân loại đáng tin cậy [24]. Sau khi xây dựng được một mơ hình phân
loại đáng tin cậy có thể nhận dạng được các trạng thái của kết cấu, bất kỳ một bộ dữ liệu
nào được đo đạc ở trạng thái giám sát đều có để được đưa vào cho mơ hình phân loại xem
nó ở trạng thái hư hỏng, hay ko hư hỏng; và nếu có hư hỏng thì hư hỏng gì. Các phương
pháp máy học được áp dụng trong công tác đánh giá sức khỏe cơng trình bao gồm 3 nhóm
chính: 1) học có giám sát, 2) học không giám sát và 3) học bán giám sát [25]. Trong đó cụ
thể có thể kể đến các thuật toán như decision trees và rule-based classifiers; single-layered
perceptron, multi-layered perceptron và radial basis function networks; naive Bayes
classifiers và Bayesian networks; K-nearest neighbor algorithm, và support vector

machines, …
Phương pháp phân tích thành phần chủ yếu (Principle Component Analysis
Method - PCA): Theo phương pháp này, một hệ kết cấu bất kỳ sẽ được biểu diễn thông qua
một bộ dữ liệu được thu thập tại nhiều điểm. Như vậy về mặt tốn học, dữ liệu thu được
đó là một khơng gian nhiều chiều trong đó mỗi chiều tương ứng với dữ liệu thu thập được
từ một cảm biến, hoặc dữ liệu thu thập được trong một khoảng thời gian nào đó. Thuật tốn
PCA được áp dụng nhằm giảm chiều khơng gian của bộ dữ liệu thu thập được xuống chỉ
còn một vài thành phần chính yếu. Các thành phần chính yếu này chính là các hướng chính
của bộ dữ liệu biểu thị được đặc tính cũng như đặc trưng cơ bản của kết cấu. Phương pháp
này đã được áp dụng trên một số mơ hình nhỏ thí nghiệm trong lĩnh vực cơ khí như cánh
máy bay, tấm nhơm với lực kích thích được xác định trước và giả thiết rằng số lần lấy dữ
liệu theo thời gian trong các lần đo là giống nhau [26-30]. Trong lĩnh vực xây dựng, Daniele

10


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

Posenato đã so sánh phương pháp PCA với một số phương pháp phi tham số khác, trong
bài báo đó tác giả đã sử dụng hai vector riêng ứng với hai giá trị riêng lớn nhất của ma trận
tương quan dữ liệu làm chỉ số phát hiện hư hỏng [31].
Gần đây, phương pháp sử dụng thị giác máy tính (Computer vision – based) với
dữ liệu thu thập thông qua các thiết bị chụp, máy ảnh, máy quay và thuật toán xử lý hình
ảnh đang được quan tâm nhiều do tính thuật tiện và hiệu quả kinh tế [32-34].
1.2.2.

Các phương pháp đánh giá sức khỏe cơng trình bằng phương pháp phân tích

phi tham số kết cấu tại Việt Nam
Ở Việt Nam trong khoảng 15 năm vừa qua, ngành xây dựng rất phát triển do quá
trình hội nhập quốc tế và nhu cầu xây dựng cơ sở hạ tầng cho phát triển đất nước. Trong
lĩnh vực xây dựng cầu, các cơng trình cầu ngày càng được xây dựng nhiều với kỹ thuật
ngày càng cao, thời gian thi công và chất lượng ngày càng được đảm bảo hơn. Số lượng
cơng trình mới được xây thêm cùng với các cơng trình hiện hữu khá lớn kéo theo nhu cầu
theo dõi và giám sát sức khỏe cơng trình tăng mạnh. Nắm bắt xu hướng đó, phương pháp
phân tích phi tham số kết cấu ở Việt Nam cũng đã bắt đầu có những nghiên cứu cơ bản
nhằm áp dụng chúng trong giám sát và đánh giá sức khỏe cơng trình. Năm 2013, Trần Văn
Liên và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích truyền sóng hai chiều dựa
trên dữ liệu đo độ võng nhằm xác định vết nứt xiên bất kì trong tấm chịu uốn [35]. Năm
2014, Nguyễn Văn Khoa và cộng sự đã nghiên cứu xác định vết nứt trên một mô hình
khung phẳng trong phịng thí nghiệm sử dụng phương pháp phân tích truyền sóng với số
liệu đầu vào là các dạng dao động riêng đo được từ mơ hình [36]. Năm 2016, Nguyễn Đức
Phúc và Khúc Đăng Tùng đã nghiên cứu phát hiện hư hỏng kết cấu sử dụng kết hợp kỹ
thuật phân tích giảm lượng ngẫu nhiên và phương pháp phân tích tự hồi quy cho một mơ
hình cầu thép trong phịng thí nghiệm [37]. Cũng trong năm này, Bùi Huy Tăng và Khúc
Đăng Tùng đã có nghiên cứu về ảnh hưởng và hiệu quả của một số kỹ thuật tiền xử lý dữ
liệu trước khi áp dụng phương pháp phân tích tương quan chéo nhằm xác định sự thay đổi
ứng xử cơng trình dưới tác dụng của tải trọng ngẫu nhiên [21]. Tuy nhiên, có thể thấy việc

11


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

đánh giá sức khỏe cơng trình cầu ở Việt Nam vẫn chưa phát triển bắt kịp được với những
tiến bộ khoa học - kỹ thuật trên thế giới, đặc biệt đối với các cơng trình lớn và phức tạp.

Lý do có thể thấy là do thiết bị đo đạc lạc hậu, trình độ kỹ thuật của chúng ta chưa cho
phép có thể tiến hành nghiên cứu và đưa ra các đánh giá chính xác cho cơng trình. Tuy
nhiên những nghiên cứu này được xem là những bước đi cơ bản ban đầu ở Việt Nam nhằm
áp dụng phương pháp phân tích phi tham số kết cấu trong đánh giá sức khỏe cơng trình,
một lĩnh vực đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm.
1.3.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Xây dựng thuật tốn và viết chương trình phát hiện hư hỏng xuất hiện trên kết cấu

dựa trên nguyên lý của phương pháp tương quan chéo và phương pháp tự hồi quy kết hợp
với lý thuyết xác suất – thống kê bằng phần mềm Matlab.
Kiểm tra, đối chiếu tính đúng đắn của thuật tốn bằng cách áp dụng, phân tích và
xử lý dữ liệu đo từ một mơ hình cầu thép 4 nhịp trong phịng thí nghiệm tại trường Đại học
miền trung Florida. Thêm vào đó là sử dụng dữ liệu thu thập trên cơng trình cầu Tân An
nhằm kiểm chứng cũng như nghiên cứu áp dụng phương pháp tự hồi quy vào thực tế.
1.4.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu mơ hình cầu thép bốn nhịp trong phịng thí nghiệm

và dữ liệu thu thập tại cầu Tân An.
Phạm vi nghiên cứu: Phát hiện và xác định vị trí hư hỏng dựa trên:
- Phương pháp tương quan chéo thông qua dữ liệu đo chuyển vị của một mơ hình
cầu thép trong phịng thí nghiệm.
- Phương pháp tự hồi quy thông qua dữ liệu đo gia tốc của một mơ hình cầu thép
trong phịng thí nghiệm và dữ liệu thu thập thực tế từ cầu Tân An.
1.5.

TÍNH CẤP THIẾT VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

•

Tính cấp thiết của đề tài

12


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

Trên thế giới hiện nay, đánh giá sức khỏe cơng trình (Structural Health Monitoring)
là một chun ngành nghiên cứu sôi động nhất liên quan đến lĩnh vực kết cấu cơng trình
và cơ sở hạ tầng. Tại Việt Nam, việc đánh giá sức khỏe cơng trình chưa được quan tâm
đúng mức. Điều này dẫn đến thực trạng chất lượng công trình và cơ sở hạ tầng bị xuống
cấp nhanh chóng, địi hỏi một lượng kinh phí khổng lồ cho việc duy tu và khôi phục khả
năng làm việc của các cơng trình đó. Rất nhiều các nghiên cứu đã chứng minh rằng việc
phát hiện sớm và kịp thời các hư hỏng nhỏ trong cơng trình và cơ sở hạ tầng sẽ tiết kiệm
được rất nhiều chi phí so với việc sửa chữa lớn, duy tu, hoặc xây lại các công trình bị hư
hỏng nặng có nguy cơ sụp đổ. Chưa kể rằng, các cơng trình do chậm trễ sửa chữa bị đổ sập
kéo theo nhiều hệ lụy liên quan đến tính mạng con người, sự đình trệ và gián đoạn của
công việc, kinh tế và giao thông liên quan đến cơng trình đó. Các thiệt hại này hầu như khó
có thể đo đếm được bằng tiền.
Với nhu cầu đó, khá nhiều phương pháp đánh giá sức khỏe cơng trình đã được tập
trung đề xuất trong hai thập kỷ qua. Trong số các hướng nghiên cứu này, phương pháp
đánh giá dựa trên các hằng số phi tham số (non-parametric constants) được đặc biệt quan
tâm trong khoảng 10 năm trở lại đây. Lý do được xác định rằng các hằng số phi tham số
của một kết cấu bất kỳ có thể được tính tốn mà hồn tồn khơng u cầu phải biết các đặc
tính vật liệu, chủng loại kết cấu, cũng như đặc trưng hình học. Điều này hồn tồn phù hợp
với các cơng trình cũ khi mà các thơng số kết cấu, bản vẽ hồn cơng cũng như hồ sơ khác

bị thất lạc hoặc không thể khôi phục. Tại Việt Nam, trải qua rất nhiều năm chiến tranh cũng
như các phương pháp quản lý và lưu trữ hồ sơ lạc hậu, các hồ sơ của các hệ thơng cơng
trình và cơ sở hạ tầng hầu như khơng có hoặc rất sơ sài. Như vậy phương pháp đánh giá
sức khỏe cơng trình dựa trên các hằng số phi tham số là một nhu cầu phù hợp và cấp thiết,
đặc biệt với điều kiện Việt Nam.
Trong đó những phương pháp hiệu quả nhất để giải quyết vấn đề nêu trên là
Phương pháp tương quan chéo (Cross correlation) và Phương pháp tự hồi quy (Auto –
Regressive).

13


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

•

Nội dung nghiên cứu
Đề tài “Đánh giá sức khỏe cơng trình bằng cách nhận dạng và khoanh vùng

các thay đổi trên kết cấu dựa trên phương pháp phân tích phi tham số dữ liệu quan
trắc” được thực hiện với nội dung như sau: Tìm hiểu, so sánh và phân tích ưu, nhược điểm
của một số thuật tốn trong nhóm phương pháp phân tích phi tham số vật lý kết cấu nhằm
phát hiện và định vị vị trí hư hỏng xuất hiện trên cơng trình. Kiến nghị chỉ số phát hiện và
xác định vị trí hư hỏng kết cấu dựa trên phương pháp tương quan chéo và mơ hình tự hồi
quy, áp dụng cho cơng trình lớn, nhiều cấu kiện phức tạp trên thực tế. Viết thuật tốn, lập
trình chương trình trên nền Matlab, nhằm phát hiện và xác định vị trí hư hỏng xuất hiện
trên kết cấu, dựa trên 2 phương pháp riêng biệt là phương pháp tương quan chéo và phương
pháp tự hồi quy. Kiểm tra tính đúng đắn của thuật tốn và chương trình bằng cách áp dụng

phân tích, xử lý dữ liệu đo từ một mơ hình cầu thép thí nghiệm và dữ liệu thu thập từ cầu
Tân An.

14


ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH BẰNG CÁCH NHẬN DẠNG VÀ KHOANH
VÙNG CÁC THAY ĐỔI TRÊN KẾT CẤU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI
THAM SỐ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ
SỐ TƯƠNG QUAN CHÉO CỦA KẾT CẤU NHẰM XÁC ĐỊNH HƯ HỎNG
TRONG CƠNG TRÌNH CẦU

2.1.

NGUN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TƯƠNG QUAN

CHÉO
2.1.1.

Khái niệm chung phương pháp hệ số tương quan
Các ứng xử kết cấu tại các vị trí khác nhau sẽ có một mối tương quan. Chẳng hạn

như dưới một tác động bất kỳ, độ võng của dầm tại ví trí giữa nhịp và tại ví trí ¼ nhịp sẽ
có một mối quan hệ theo một hàm số hoặc phương trình nhất định. Việc xác định các hàm
tương quan này có thể dùng cho mục đích theo dõi sự thay đổi về trạng thái kết cấu. Trong
số các hàm tương quan đã được sử dụng và nghiên cứu, hệ số tương quan chéo là một trong
những hàm có độ tin cậy tương đối cao. Ở một trạng thái kết cấu bất kỳ, hệ số tương quan
chéo về ứng xử giữa các vị trí khác nhau trên kết cấu sẽ khơng thay đổi do chúng có mỗi

quan hệ thông qua các ma trận độ cứng của kết cấu. Hệ số này chỉ thay đổi đáng kể khi có
sự thay đổi về trạng thái của kết cấu, ví dụ như hư hỏng xuất hiện. Dựa trên nhận định này,
hệ số tương quan chéo được sử dụng làm chỉ số để đánh giá kết cấu mà không cần biết các
thơng tin về hình học hay vật liệu.
Hệ số tương quan giữa hai vị trí được tính theo cơng thức:
𝜌𝑥𝑦 =

𝑘
∑𝑖=1(𝑋𝑖 − 𝑋̅ ) ⋅ (𝑌𝑖 − 𝑌̅)
𝑛

𝑛

√∑𝑖=1(𝑋𝑖 − 𝑋̅)2 √∑𝑖=1(𝑌𝑖 − 𝑌̅)2

(2-1)

Trong đó:
𝑋̅ =
Với :

1
𝑁

𝑌̅ =

⋅ ∑𝑛𝑖=1 𝑋𝑖 ,

1
𝑁

⋅ ∑𝑛𝑖=1 𝑌𝑖

𝜌𝑥𝑦 là hệ số tương quan giữa hai vị trí đặt cảm biến i và cảm biến j.

15