Chương QUAN TRẮC KẾT CÂU NHỊP CẦU THÉP 2.1 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ QUAN TRẮC KẾT CẤU NHỊP CẦU TH ÉP 2.1.1 Đặc điểm làm việc cầu dầm thép Đặc điểm bật kết cấu cầu dầm thép có khả chịu lực cao \ới ứng suất kéo nén uốn cắt xoan, có tính dẻo cao chịu lực xung kích (va đập, động đất) tải trọng mỏi tốt (cầu đưòng sắt); thời gian thi công nhanh Vì vìy kếí cấu nhịp cầu dầm thép thích hợp cho công trình thành phố; công trình vượt nhịp lớn; công trình tải trọng lớn tải trọng đưòng sắt; công trình yêu cầu tính thẩm mỹ cao nước ta cầu dầm thép tuyến quốc lộ chiếm tới 17% số lượng 20 % chiều dài Hư hóng gối cẩu, lám phát sinh ứng suất phụ Thời tiết Tốc độ, lưu lượng, tải trọng cúa hoat tải Nứt bê tông tải Hư hòng mố trụ lún móng Hình 18 Các nguyên nhân gáy hư hỏng cho cầu thóp 42 Tuy nhiên ừình khai thác tồn số nhược điểm định vấn đề bật ăn mòn nứt cầu dầm thép dễ bị ăn mòn, điều kiện khí hậu nóng ẩm mưa nhiều nước ta, cần phải có công tác tu bảo dưỡng thưòng xuyên dẫn đến chi phí bảo dưỡng cầu lón, hướng khắc phục sử dụng loại thép chống ăn mòn sử dụng sơn ; vấn đề thứ hai nứt kết cấu thép nhiều nguyên nhân khác như: Chất lượng vật liệu không đảm bảo, có khuyết tật, mặt cắt vết nứt thường chỗ vật liệu có khuyết tật; Chất lượng liên kết chiều dày đường hàn không đủ, hàn không ngấu, kẹp sỉ, đầu bulông, đầu đinh tán nhỏ v.v ; ứ n g suất dư hàn lớn, hàn giải pháp hạn chế ứng suất lại kết cấu sau hàn; Do mỏi vật liệu vị trí có tiết diện thay đổi mép lỗ đinh, mép lỗ khoét; Do va chạm học Trên cầu thép cũ có đường xe chạy dưới, khổ cầu hẹp, nhiều đứng, xiên bị va chạm làm toàn phần bị cong gây vết nứt Hướng giải vấn đề phải hạn chế nguyên nhân trên, sử dụng loại vật liệu chịu lực tốt hơ n Tuy nhiên phần lớn trường hợp loại bỏ hay khắc phục hoàn toàn nguyên nhân này, hướng mở thường xuyên theo dõi phát chúng cách kịp thời để có biện pháp sửa chữa, tăng cường đưa cảnh báo kịp thời trước vấn đề lón xảy Bảng Một số công trình cầu dầm thép Việt Nam STT Tên công trình, địa điểm Đặc điểm Cầu Bính, Hải phòng Cầu dây văng Cầu TP, Đà Nằng Cầu dây võng Cầu Sài Gòn, Hồ Chí Minh Cầu Rào, Hải Phòng Cầu dầm Cầu dây văng Hình 19 Dầm thóp cùa cầu Bính bị biến dạng tàu biển đâm vào năm 2010 43 Hình 20 Hư hỏng dầm thép cầu Sài Gòn mói 2.1.2 Các nghiên cứu quan trắc kết cấu nhịp cầu Thép Qua nghiên trước liên quan đến phát vết nứt dao động biến dạng (dựa cảm biến) cần phải có hiểu biết bản, dự đoán nội dung đo để có độ xác cao Với nội dung cần đo tĩnh động cỏ hai loại cảm biến thông dụng để lựa chọn là: Thiết bị đo điện trở (trở kháng) có khả đo thông số động, không ổn định kết không đủ độ tin cậy; Sợi đo dao động độ ổn định cao, sử dụng để đo lường biến dạng tĩnh Các ứng dụng dụng cụ gia tốc, biến dạng, cảm biến điện đề phái vết nứl cầu thép thực thông qua số nghiên cứu đây: - Yoo Kim cho phát hư hỏng tượng cục bộ, cảm biển sử dụng phải đo lường phản ứng cục kết cấu cầu Phương pháp đă phân tích kiểm chứng để xác định tồn vết nứt, xác định kích thước vết nứt nghiên cứu chưa kiểm chứng - Patil Maiti trinh bày nghiên cứu khác liên quan đến phát nhiều vết nứt dầm mảnh Euler - Bemoulli Phương pháp số phương pháp có khả xác định nhiều vết nứt thời điểm Phưong pháp dựa dao động ngang (tần số tự nhiên) dầm thời điểm Thông qua thay đổi tần số tự nhiên dầm, thông sổ kích thước vết nứt vị trí xác định Một số ví dụ thành công phương pháp số chứng minh, phương pháp không chứng minh thực nghiệm - Xác định vết nứt sợi quang học: Trong trình phát triển công nghệ cảm biến trở nên phổ biến, vòng thập kỷ qua công nghệ sợi quang học phát triển nghiên cứu tiềm phát vết nứt kết cấu cầu, nghiên cứu là: - Hale người đề cập đến việc sử dụng công nghệ sợi quang để phát vết nứt Trong nghiên cứu, cảm biến phát vết nứt dán vào kết cấu 44 khu vực bị nứt Nếu vết nứt hình thành từ vật liệu bên cảm biến, sợi quang học bị hư hòng hoậc bị bẻ gãy, ánh sáng truyền qua sợi suy yếu, đo suy giảm để vết nứt kết cấu, cảm biến có khả phát vết nứt nhỏ từ - 30|im - Leung et al minh họa đầy đủ mạng lưới sợi quang để xác định hình thành lan truyền vết nứt Phương pháp bao gồm lắp đặt mô hình sợi đơn bố trí "ngoằn ngoèo" vùng nơi vết nứt dự kiên phát triển Tm ớc hình thành vết nứt, thiết lập "đường sở" cường độ tín hiệu với chiều dài sợi Neu vết nứt hình thành kêt câu, khúc cong hình thành làm giảm đáng kể tín hiệu điện dụng cụ ghi nhận, vị trí vết nứt biết dựa số liệu ghi, mức độ giảm tín hiệu liên quan đến kích thước vết nút - Yang et al giới thiệu quy trình sử dụng tích phân biến dạng phát diện vết nút mẫu vật Các sợi gắn dính liền với bề mặt dự kiến nứt, vết nứt xuất chiều dài sợi thay đổi sử dụng thuật toán để xác định kích thước vị trí vết nứt Đặc điểm hệ thống quan trắc thưòng sử dụng phương pháp thống kê để đưa thông số xác xác định mức độ thiệt hại, thuật toán thổng kê đặc điểm riêng biệt sử dụng hai phương pháp "có theo dõi" "không theo dõi" Các ví dụ việc có theo dõi bao gồm phân tích ứng xử bề mặt, sử dụng mạng thần kinh, thuật toán di truyền; ví dụ theo dõi bao gồm phân tích biêu đô, phát khoảng chênh Trong thuật toán mạng lưới thần kinh phổ biến tất thuật toán Sample Hiíih 21 Hình ảnh biếu đồ đu biến Loại biểu đồ kiểm soát tồng quát bao gồm số đại lưọng ngẫu nhiên, hồi quy, đa biến Để theo dõi trình với tham số độc lập, biểu đồ kiểm soát đại lượng ngẫu nhiên phát triển Nếu trình đòi hỏi phải giám sát 45 thông số phụ thuộc, hàm hồi quy sử dụno có giả định mối quan hệ tuyến tính thông số phụ thuộc dộc lập Để theo dõi trình với hai nhiều tham số độc lập, biểu đồ kiểm soát đa biến sử dụng (biểu đồ dễ dàng giải thích cách xem xét hai tham sổ theo dõi trình) Để theo dõi hai biến đồng thời, biểu đồ kiểm soát đơn biến cho mồi tham số thực hiện, chúng đặt chồng lên biểu đồ phân tán 2.2 LỰA CHỌN CÁC THÔNG s ố CẨN THIẾT Khi thiết kế hệ thống quan trắc thông số đo để đánh giá kết cấu trước tiên phải xác định, sau dụng cụ đo lựa chọn để thực việc đo lường lựa chọn dụng cụ phân tích kèm hệ thống Như phân tích phần trên, hai tham số dược sử dụng hệ thống quan trắc để phát thiệt hại là: dao động biến dạng Trong đặc tính daơ động cầu không bị ảnh hưởng cưòmg độ giao thông, điều loại bỏ thông số chưa biết tham gia vào trình theo dõi mà sử dụng tải trọng ihực tế Thông số biến dạng có dặc điếm dễ đo lưòng tình trạng lun thông, chịu ảnh hưởng tải trọng giao thông, linh hoạt việc sử dụng để trình bày kết Hai thông số có tliố sư úụug cách độc lập kết hợp tùy theo mục tiêu hệ thống quan trắc 2.3 NHẬN BIẾT "ĐIỂM YẾU" CỦA KẾT CẤU NHỊP CẨU THÉP Cầu nhũng kết cấu cá biệt có rấl điểm chung \'ới nhau, cầu mẫu thử nghiệm Sự kết họp cua nhiều yếu tố như: hình dáng, điều kiện biên, kích thước hình học, điều kiện sử dụne tạo số lượng lớn ẩn số, trình giám sát thống tất ẩn số không khả thi Mặn khác, ngành kỳ thuật công trình giới hạn an toàn cùa kết cấu đưa cao để phủ ẩn số chưa biết, điều cho phép chấp nhận giới hạn định yếu tố không chắn Bằng việc phân tích mô hình nhận biết đtrợc điểm yếu kết cầu thông qua việc phân tích biểu đồ nội lực, phân tích ứne suất, biến dạng, dao động kêt cấu Nhìn chung vị trí dễ phát sinh hư hỏng vị trí có giá trị đạt cực đại cực tiểu vị trí mà đại lượng đổi dấu theo thời gian Tù>' thuộc vào loại kết cấu mà điểm "yếu" nằm vị trí khác Việc xây dựng mô hình lúc giống thực tế cần phải kết họp với việc kháo sát giúp ta xác định định vị vùng có vấn đề hư hỏng mà CC' thể quan sát mắt 46 Hình 22 Ví dụ xúc định điểm "yểu" cùa két cấu nhịp cầu dầm thép Việc đo đạc thực điều kiện môi trường giao thông bình thường, bao gồm nhũTig ảnh hưởng xe cộ đặc biệt xe tải nặng Tần số riêng giả định ổn định, trường hợp tần số đo thấp thích họp để đánh giá tính nguyên vẹn kết cấu điều kiện biên Tần số riêng kết cấu nhịp cầu dầm tính theo công thức lý thuyết sau: n Vm (2 1) Trong đó: fi - tần số riêng; EI - độ cứng mặt cắt ngang chịu uốn; L - chiều dài cấu kiện; m - khối lượng mét dài loại điều kiện biên Việc dùng công ihức mà không xét đến tải trọng dọc trục chấp nhận, tải trọng tác dụng trưòng hợp có liên quan bé Hơn nữa, việc thay đổi tải trọng dọc trục có hiệu suất xuất khung thời gian ngắn, ảnh hưởng nhỏ đến phân tích tần số Từ phân tích cho thấy mối liên hệ chiều dài dao động tự thẳng đứng chiều dài hình học số Tất lập luận dẫn đến việc xác định "điểm yếu" "khu vực yếu" Có khác biệt lớn ngành kỳ thuật công trình tất lĩnh vực khác, ví dụ ngành khí ôtô hệ thống giám sát thiết kế để làm việc vĩnh viên đời xe Trong ngành kỹ thuật công trình điều không khả thi tài (tuổi thọ công trình cao) nhiều công trình tồn mà khứ chúng Cầu bị già giao thông gia tăng tạo yêu cầu phải đánh giá xác tuổi thọ công trình Việc dự đoán thời gian "sống" phụ thuộc vào nhiều giả định, tập trung vào ba cấp độ (Helmut Wenzel, 2009); Cấp I; ứ n g xử toàn - Tải trọng - Các phận chịu tải (tải giao thông quan sát chủ yếu dựa vào đo lường laser, đo độ võng cầu) 47 - cấp II; ứ n g xử mặt cắt ngang (hệ thống phân loại động xe tải nặng, sử dụng laser - hiệu chuẩn dựa nhận dạng mẫu) - Cấp III: ứ n g xử cục (phía chỗ liên kết cầu) Dữliệu thô (số liệu đo) Cấp độ Cấp độ 11 Chuyển vị (Sử dụng laser) Cân lực, đo gia tốc Hiệu chỉnh đường chuẩn (biểu đồ); loại bỏ khoảng chênh Chọn lọc tiệu & đánh giá sơ Z IZ ]Z = Dùng thuật toán để đưa chuyển vị tuyệt đối từ gia tốc: - Làm trơn (tải trọng trung binh) Cấp độ III Sợi đo biến dạng Hiệu chỉnh đường chuẩn (biểu đồ); loại bỏ khoảng chênh - Xử lýtín hiệu số - Dùng đường bao (cửa sổ thời gian, phương pháp cát tuyến) - Dựng lại mẫu - Các định song song dựa vào biểu đồ Đánh giá liệu xác minh dựa phương pháp phần tử hữu hạn Xử lýdữ liệu vá phân tích thống kẻ Thuật toán rainflow-cycle Phân tích thống kê, điéu chỉnh, ngoại suy Phân tích kết cấu (thực với nhiéu tải trọng vá ứng suất) Phân tích mỏi (Lý thuyết High-cycle) vá nghiên cứu độ nhạy (thống kê phân tán) So sánh với tiéu chuẩn Hình 23 Sơ đồ cấp độ phán tích đổi với kết cấu nhịp cầu théỊj!‘L 48 Cùng với việc giám sát mắt, phát mối nối phản ứng nhạy với tải trọng xe Việc theo dõi cầu có chu kỳ nhiều năm thực cho thấy hư hỏng chung sau: vết nứt lóp bảo vệ, bu lông lỏng và, vết nứt mỏi, ổn định gãy nối 2.4 LỰA CHỌN VÀ B ố TRÍ CÁC CẢM BIÊN Một việc quan trọng lựa chọn cảm biến phải phù họp với nội dung cần đo đạc phải phù họp với đặc điểm làm việc kết cấu nhịp cầu thép biến dạiig lớn, ảnh hưỏng nhiệt độ, môi trường xung quanh, khoảng tần sổ dao động Thiết bị kỳ thuật phải xem xét đồng cho thiết bị thu thập liệu cảm biến để đảm bảo hệ thống hoạt động thích họp Một hệ thống thu nhận liệu có tần số lớn từ 10 - 20 lần tần số tối đa kết cấu việc ghi liệu đủ để tránh hộ lọc dừ liệu có "hiệu ứng cưa" để xác định xác giá trị biến dạng cực trị củu liệu ghi Dữ liệu đo phản ứng cầu gồm tĩnh động, tần số cho kết cấu nhịp cầu dầm thép thường vòng - Hz, tần số tĩnh thường chậm so với tần số động Vì vậy, để thu liệu tĩnh phản ứng động hản cầu, hệ thống thu nhận liệu có tần số từ 50 - 100Hz phù họp Các sợi quang học SI 425 - 500 có đáp ứng cao đến 250Hz xác định sử dụiig hệ thống Các dụng cụ cảm biến cần kiểm định để đảm bảo độ xác phép đo Ví dụ cảm biến BDI áp dụng cho cầu thép sau: - Chiểu dài hiệu dụníỊ cùa cảm hiến: 3.0 in (76.2mm) - Sử dụng nhũng két cấu thép - Kích thước bao ngoài: 4.375 in X 1.25 in X 0.5 in ( I l ì mm X 32 mm X 13 mm) - Chiều dài dây cáp: chuấn 10 ft (3 m), chiểu dài theo yêu cầu nguừi sử dụng - Vật liệu: Nhôm - Mạch điện: mạch điện cầu wheaístone - Độ xác: ± 2%, theo liêu chuẩn NIST - Thang đo biến dạng: nhôm ± 2000 ỊJ.€ - Lực kéo yêu cầu cho 1000 fj€: khoáng ] Ihs (76N) - Độ nhạy: khoảng 500 ỊuéVmV/V Cám biếnđo biến dạng BDI - Trọng lượng: nhóm oz (85 g) StrainTransducer (ST350) - Môi trường: Có IỚJJ bao phủ chổng thấm nước - Nhiệt độ làm việc: -60°F đến 250°F (-50°c đến 120°C) - Cáp: loại cáp BDIRC-I87: 22 đầu đo - Tùy chọn: chong thám nước, cáp cỡ lớn, loại kết nhanh - Cách lắp đặt: gắn dụng cụ chữ c bắt chặt hu lông & keo dán nhanh 49 Việc bố trí cảm biến cần phải thực cho mang lại hiệu cao nhất, việc bố trí nhiều cảm biến mang lại nhiều thông tin có độ xác cao hơn, nhiên việc làm tăng thiết bị luu trữ liệu cần nhiều thuật toán để xử lý Bố trí không đủ độ tin cậy cho việc đánh giá công tìn h Một ví dụ cụ thể việc bố trí hệ thống cảm biến sợi quang học để theo dõi mỏi kết cấu nhịp cầu dầm thép thể hình bên dưới: A ĩ ĩ Hĩnh 24 Sơ đồ kết cấu cùa cầu dầm thép liên ilE Hình 25, Bổ trí cảm biến sợi quang học mặt cắí đầu dầm (A-A) c* £ I - ^ •• ' i ■ ■ ■ ■ -77:7 !-^'?"^ Bô' trí cảm biến cánh dầm dọc phụ dầm Hình 26 Bố tri cảm biến sợi quang học mặt cắt ‘A nhịp (B-B) [3J Hình 27 Bố trí cám biến sợi quang học mặt cảt 50 ‘/2 nhịp (C-C) lỉ! Vị trí đo biến dạng kết cấu xác định, phản ứng tương ứng xem xét để xác định loại cảm biến Do có nhiều loại cảm biến khác định hướng khác địa điểm lắp đặt xác định - Theo hướng dọc; vùng liên kết dầm dọc đặt dầm ngang - Theo hướng ngang: cánh dầm, dầm dọc dầm ngang Biến dạng cánh miêu tả ứng xử tổng quát cầu, biến dạng dọc VÙIIR liên kết dầm dọc dầm ngang ứng xử cục Tình trạng cong khu vực liên kết tạo vùng biến dạng không yêu cầu cảm biến có độ dài nyắn để theo dõi khu vực này, thường có hai loại cảm biến sử dụng loại có chiều dài lón lOmm sử dụng để đo cánh dầm loại 5mm sử dụng đo cục vị trí liên kết H ình 28 Cám biến SM S có kích thước 210 X 20mm sử dụng để đo hiến dạng bàng cánh dầm 2.5 LựA CHỌN HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO KẾT CÂU NHỊP CẨU THÉP Theo Helmut Wenzel (2009) ISIS (2002), việc lựa chọn hệ thống quan trắc phụ thuộc vào mục tiêu đặt ra, nhìn chung hệ thống quan trắc gồm nhiều mô-đun, cung cấp tất công cụ cần thiết cho trình định 2.5.1 Cấu tạo hệ thống Hệ thống gồm mô-đun: - Trạng thái hoạt động (công cụ vận hành) - Các sở liệu - Mô-đun hỗ trợ định - Hệ thống cảnh báo - Mô-đun đầu (thực phù họp) 51 Nhà thầu cam kết dọc đúna \’à phàn tích dược dừ liệu từ dầu đo lấp đặt Nhà thầu phái cuna câp \ lắp đặt cột ănạ ten mạ kẽm có thê co rút vào đê hỗ trợ cho trạm khí Iirọna Hệ Ihống thiếi bị Nhà thầu láp dặt phái đảm bảo đấu nối đầv đủ hoạt động tu'0’ng ihích với thict bị lắp đặt sẵn trước irong thời gian thi công cầu thành mộl hệ ihổim thốne nhất, đáp ứna yêu cầu kỳ thuật, thỏa mãn yêu cầu cùa Chủ đau lư Nhà thâu phai cam kci làm chịu hoàn toàn trách nhiệm việc Nhà thầu phái biên soạn "Chi dẫn \'ận hành bao dưỡng hệ thống thiết bị" Hộ thông phái chạv thử imliiệm ihu nơi sàn xuất, chạy thứ lừng phần thiôt bị chạy thứ toàn hệ thÒHL:, trưòna sau lắp dặt Hệ ihống phái đưọ'c vận hành cácli dồiiíỉ liôn tục ngày đêm, dám bảo nâng cuim cấp số liệu iruN cn dẫn ve Trạm trung lâm, lưu trù' thôna, lin xử lý thông tin theo tliời gian ihực đú dê Nhân viên quán Iv quvết định kịp thời có cố Nhà thầu pliái cung cấp phần cliuNcn dụne dể nsưừi sử dụnc làm chù hệ thống, dễ d n g truy cập dê ihu ihập sổ liệu, ph ân lích x lý số liệu đ ề đ a giai pháp dôi vứi kèt càu Phái đám báo tiếp cận dcn Ihiếl bị đê kÌLMn tra báo dường khả thay nâng cấp thicl bị cần thict cách dễ dàng Nhà thầu chịu trách nhiệm bao dưỡnu dịnh kv hàne năm cho toàn Hệ thốne với thòi gian năm sau bảo hành 4.2.2.5 Yêu cầu huấn luyện cán hộ cỉiiivếít giao công nghệ, bàn giao Yêu cầu công tác huấn lu\'ện \'à chuyên iiiao công nghệ Nhà thầu phái chu.yên giao công nshệ hoàn toàn cho pliía Việt Nam Nhà thầu phái biên soạn tài liệu huấn luvện mớ lóp huấn luyện cấp Chứng chi trình độ cho cán \'ận hành cùa Dơn \'ị quan lý cầu Trone thời aian bảo hành kết ihúc ihừi hạn bao hành, Nhà thầu phải định kỳ thánR lần kiềm tra kha vận hành liẹ thốnẹ cúa cán đà dược đào tạo thục việc huấn luyện bô sưns can thiốt Trong trình lấp dặl chạ\' ihứ từna phan thiết bị chạy thử toàn hệ Ihốns Nhà thàu phải kếl họp vói còns lác huấn lii} ệii dã nêu trôn tạo điều kiện cho cán b ộ q u n lý v ậ n h n h d ợ c liè p c ậ n \-ỏ'i hộ thôniz ihiet bị n a a y t t r o n c th ời GÌan lắp đặt Ho sơ hoàn côna bàn iiiao phai đa\' du \’à rõ ràng đến mức cho phép cán hộ vạn liành dễ d n u tụ' can ihiệp x lý cỏ cổ \ hư h ỏ n a nh ò cLin 120 dB hiệu + /- 2g cho toàn Ihang đo - Độ không tuvến tính: < 0,1 % - Dộ trễ (Hysteresis): < 0,01% - Độ nhạy qua trục: < 0,5% - Độ rộng dải: DC tới 50Hz - Độ giám chấn; 0,7 chuẩn đo (critical) - Độ trôi nhiệt: 100 - Độ trôi Ihane đo nhiệt: 75ppm /°c - Diện áp cho toàn thang; +/-10V - I P 68 - Nhiệt độ làm việc: -20°c đến +70“c - Độ ẩm; đến 100% - Kết nối không dây - Nguôn cuns cấp; diện lưới, ắc quy, lượne mặt trời (Solar pancl) 4.3.2.3 Đo dao động bán m ặt cầu rờ tháp + Số lượng vị trí lắp đặt; nhà cu ng cấp ihiết ké chi liết iheo yêu cầu cần thiết 100 ■ ^'cu càu kv ihuậl: - Dai dộne; >1 20 dB hiỘLi qua O' ■ -2u cln) loàn llìana - I)ộ khòii” iLiN^ấi lính: '■ !'’'o - l)ộ trc (1 l \ ’stercsis): < ( ) o r ’o - l)ộ nliạ> qiia Irục: ■; ().5'/0 - i)ộ rộim dai: 1)(' kVi 50l 1/ - i)ộ iiiani chăn: 0.7 chiiãn (cnlical) - l ) ộ iròi n h iệ l: 100 Lm - l) ộ li 'ò i llianu clo 'X' Iih iộ l: 75ppiiì ' ' c - Diện áp cho loàn tliaiiL;: ll)V - 1P 6S - Nhiộl dộ m \ iộc: - " c ' clcn • '’c - 1) ộ ù m : c ! c n i ( ) ( ) " u - K c l Iiỏi k h ỏ n e d â \ - N uu òn ciiim càp: diộii krói ăc qu_\ Iiãni: luợim Iiiặl lrò'i (So lar paiiel) 4.3.2.4 Do chiiyêu vị CIIÍI hiHì Iiìật cầu ■ S o linvnỉ’ \ \'Ị iri lăỊi ilụl' lio nhị'i ('lỊỊỊ'.’(-ấp ko elii licl llicd NCII c a u c ầ n t hi cl ■ ^'ẽu c;ri kv ihuậl; - I [ànlì ti'inh Ui>'L'n línli ; 5()0miii - l)ộ chíiih xác: • / ■( ) r ’oi-'.S - I)ộ Ịihân uiai: 0.0í)2mm - Nliiộl clộ l m \'iộc; - ( ) ‘’c tói -7( )' ’c - ỈP67 - Kôl nôi khònii Jà>' -/.3.2.5 Do (lộ ir^ỉiiừiiíỉ tháp cầu vù ụócxoay ciia ỉììặt cắt dầni ■ Sỏ lưọnu \ \ ị irí lăp dặl: dc) nlìà CLinu càp tliicl kê clii licl theo \ cu càu cân ihiêl ■ ^'CLI cằLi k\' iluiậl: - 1’hanu lIc) uóc: • - 3u - 1lọ sỏ ( ) ( / ' Voh - l)ộ pliãii líiai {Rcsolulioii): 0,0()()6" (1(J.5 aradian) - D ộ l i lặp(i‘opoaiabilil\'): O.OOT' - [ ) ò IL1\ c n l í n h : < % l ' s 101 - Hệ số nhiệt: Ks < 0,02%/°C, Kz - + /- 0,0002g/°c - Nhiệt độ làm việc: - ° c tới +70°c - IP 67 - Nguồn cung cấp: điện lưới, ắc quy, lượng mặt trời (Solar panel) - Kết nối không dây 43.2.6 Thiết bị đo lực căng cáp dây văng + Số lư ợ n g vị trí lẳp đặt: n hà c u n g c ấ p thiết kế chi tiết theo y ê u cầu cần thiết + Yêu cầu kỹ thuật: - Thang đo: + /- 200kN - Độ xác: + /- 0,5%F.S - Độ phân giải; 0,025%F.S - Khả vượt tải: 1,5 X F.s - Nhiệt độ hoạt động: -20°c tới + 70°c - 1P67 - Kết nối không dây - Nguồn cung cấp: điện lưới, ắc quy, lượng mặt trời (Solar pancl) 4.3.2.7 Thiết bị đo biến dạng (ứng suất) tháp dầm + Số lượng vị trí lắp đặt; nhà cung cấp thiết kế chi tiết Iheo yêu cầu càn thiết + Yêu cầu kỹ thuật: - Tliaim do:+/-15()()[u: - l)ộ phàn eiái: lỊ^ic(min.) - Nhiệt độ làm việc: - 20°c đến +80°c - I P 68 - Ket nối không dây - Nguồn cung cấp: điện lưới, ắc quy, lượng mặt trời (Solar panel) 4.3.3 Yêu cầu hệ thống thu thập, truyền dẫn xử lý liệu Các thiết bị đo kết nối không dây với hệ thống Trung tâm, hệ thống Trang tâm cấp nguồn: điện lưới, ắc quy, lượng mặt trời Hệ thống iruy cập mức truy cập khác Các liệu thô lưu giữ đồng thời KỬ lý đê luii giữ số liệu đo tình trạng làm việc cúa phận toàn C('ng trình c ản h báo H ệ t h ố n g cảnh b o chi tiết tình tr n g kết cấu c ô n g trình từ hệ thcng kiểm soát tự động chân đoán Tín hiệu cảnh báo truyền tới Phone, Ceỉlphone, Radio, mạng Internet Phòng - người trực ban Trung tâm theo dõi Các tệp dừ 102 liệu lưu trừ theo chương trình (lưu trĩr 20 năm) lưu nơi lúc Bán in dCr liệu đo hiên ihị phai ihẽ tình trạng làm việc bình thường hay bất thườna kết cấu côns trình, thiếl bị đo, nguồn cung cấp, tình trạng môi trưòna Nêu bất thườna rõ nuuvcn nhân hành độna khắc phục 4.3.4 V ật tư thiết bị d ự phòng Nhà thâu phái tính toán VỘI tư ihict bị dự phòng đú để thực công việc trinh lấp đặt, báo hành bảo du'õ'nỊz 4.4 VÊU C /\U VỀ H Ê THỐNÍỈ QUAN LÝ VÀ K lỂM SOÁT GIAO THÔNG QUA CẨU 4.4.1 T hiết bị phân tích giao thông Hệ thống phân tích giao thông cần dáp ứne ycLi cầu sau: Đếm số lượng xe đuừng phân loại phưo'ng tiộii tốc dộ phương liện cảnh báo cố ircn cầu Nguồn cung cấp Rồm điện lưcVi, ắc qu}', năim lưọ’na mặt trời Chỉ số bảo vệ từ 1P66 trỏ' lên điều kiện làm việc thích họp \ tí'i môi truừng biền Kếl nối không dây với Trung lâm diều hành mạng Inlcnioi 4.4.2 T hiết bị theo dõi giao thônỊ4 Thiếl bị t h e o dõi p h n g tiện có dú số c a m e r a de theo dõi p h n g tiện giao thông cầu hìnli ảnh quan sát dirợc lưu 2,iừ có ihố dễ dàng truy cập, phân tích hicn thị có khả phỏnsi lo ihu nho đáo hướng hình ành với độ phân giải cao, Các hiên thị có đù số lưọìiLi cần ihiết đế theo dõi Trung làm điều hành Chi số báo vệ từ IP66 trớ lên diều kiện làm việc thích hợp với môi trường biền Kết nối không dây với Trung tâm điều hành mạna Internet 4.4.3 Hệ thống thu th ập , truyền dẫn xử lý số liệu Các thiết bị két nối không dây \'ó’i Truna lâm diều hành, Trune, tâm diều hành cấp bời nguồn: điện lưới, ẳc qu>', năim lượns mặt trời, liệ thống truy cập bàng mức truy cập khác Các dừ liệu, liình ánh lưu giữ đồng thời xứ lý dê phân tích số liệu, hìnli anh \ canh báo Hệ thốníĩ cánh báeo chi tiết lình trạnti uiao ihỏna cố giao thôna cầu Tín hiệu c àn h b o đ ọ c tr u y ề n lới Phonc C ellphone Radio m n g Internet hay P h ò n g trực ban Truno tâm điều hành Các tệp dũ' liệu lưu Irừ theo chương trình (lưu trừ 20 năm) có ihé lưu noi lúc Ban in dCr liệu hiến thị phái thể lình trạna, binh t h u n e ha> bất Ihư òn e cua p h n g tiện e ia o ihông thiết 103 bị, riRuồn cunR cấp, tình trạne môi trường Nếu có bất thường thiết bị phái chi rõ nguyên nhân hành động khắc phục 4.5 CÁC TÀI LIỆU CƯNG CÂP Nhà thầu phải cuna cấp; Tối thiểu 10 tài liệu tham khảo công tác lắp đặt hệ thốne quan trăc cáp dây văng hệ thống kiểm soát Ìao thông cầu với nhịp lớn bàng 200 m bao gồm tên địa chi email liên hệ điện thoại Mau báo cáo theo dỏi đổi với cầu dây văng nhịp dài Mầu báo cáo lắp đặt cầu dây văng nhịp dài Trích ngang lý lịch Kv sư phụ trách công lác giám sát đào tạo lắp đặl Các kỳ sư phải Kỹ sư xây dựng dân dụng với kinh nghiệm tổi thiếu năm công tác theo dõi bảo dưỡng cầu dây vãng nhịp dài 104 Chưong KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN C u ố n sách tập truns, vào việc trình bầv p h n g p h p luận kiến thứ c cua liệ th ốn g quan Irắc mỏ ’ đ n e cho loại hình q u ả n lý tạo m ột h n g tiếp cận dế đánh giá theo dõi kết cau còng trinh cầu n a clụnR lợi ích cùa hệ thốne quan trắc kei cấu cầu nói chung cầu thép nói ricnH không thòi hạn, góp phân lăim mức độ an toàn kết cấu, nâng cao c t k r ợ n o p h ụ c v ụ v h i ệ u q u k i n h le Trong công tác quản lý cầu liệ thốne, quan trắc công cụ cần thiết hiệu clể C h ủ đau lư phà]i loại, đánh aiá \'à kịp ihừi phát h hò n g đế dự kiến kế h^ạch \'ốn \ khui thác clio công trình cầu, đặc hiệt giúp cho Chủ đầu tư dịnh cách nhanh chóne khách quan tronạ tr ờn g hợp khân cấp Kốl cấu cầu tronẹ thực tế tồn lại khuyết tật, h hỏ n g m biện pháp kiểm tra ihông thườ ng kliông phát kịp ihời kh ô n g phát Q ua n trac cầu có mộl ưu điồm khác biột so vói plurong pháp kiềm tra truyề n thố ng khác như: - C u n g câp ihời gian thực irong eiám sát phân tích liên tực phát s ự giả m kh a chịu lực, h hỏn g mà không làm tốn hại đế n kết c ấu tron g suốt qu trình khai thác côníi trìnli - Hệ thông theo dõi ghi lại ứng xừ cùa kết cấu trường hợp đặc biệt (như có bão lũ, thiên tai cố tai nạn nghiêm trọng) mà phương pháp truyền i hổ ne khác k h ô n a thê a iá m sát Tồn nhiều hộ thống quan trắc cấp dộ quan trắc khác (hệ thống cố định hay tạ m ihòi) tùy theo mục tiêu quan trắc mà lựa chọn hệ th ố n g c ho phù họp - Hệ thống quan Irắc gồm nhiều ihành phần, trona thành phần là: - Hệ thống thu nhận (các cảm biến), - Hệ thống thu thập liệu - Hệ thống xứ lÝ dừ liệu - Hệ thong iruyền tải dừ liệu - Hệ thống đánh giá đưa cáckét luận 105 Chất lượng công tác quan trắc phụ thuộc lớn vào việc lựa chọn công nghệ thiết bị đo, phải lựa chọn cảm biến cho phù hợp với nội dune đo Irong sợi quang học công cụ hữu hiệu đề quan trắc cho kết cấu nhịp cầu thép, sô lượng cảm biến việc bố trí chúng ảnh hườne đến kết đo việc lưu trữ liệu, cần có kiến thức lĩnh vực Hai thông số để theo dõi ứng xử tổng kết cấu nhịp cầu thép dao động biến dạng, đặc trưng dao động đóng vai trò quan trọng việc phát hư hỏng cầu Xác định điểm cần bố trí cảm biến thông qua việc xác định điểm yếu cầu Hoạt động cùa hệ thống quan trắc dựa số tiên đề quan trọng phải xây dựng đủ sở liệu cho kết cấu so sánh hai trạng thái hệ thống với nhau, vi việc xây dựng "đường chuẩn" (trạng thái chưa hư hòng) kết cấu quan trọng Mức độ xác phụ thuộc vào việc đánh giá kết cấu xử lý liệu quan trắc với nhiều thuật toán phức tạp, nhiên hệ thống quan Irắc hệthống mở tức sở liệu thuật toán cập nhật hàng năm làm cho việc quan trảc ngày trở nên xác Việc cập nhậl lại t h ô n g số đ o b ằ n g p h n g p h p p h ầ n tử h ữ u hạ n tạo m ộ t thuận lợi để xác định hư hỏng kết cấu đồng thời làm tăng độ tin cậy cho thiếl bị quan trắc Trình tự xây dựng hệ thống quan trắc cho kết cấu cầu: - Xác định mục liêu quan trắc kết cấu cầu - X â y d ự n g m ô hình kết cấu - Xác định thông số cần đo - Xác định vị trí cần đo Irên kết cấu cầu (xác định điểm "yếu") - Lựa chọn hệ thống quan trắc cấp độ quan trắc - Lựa chọn công nahệ thiết bị bố trí chúng gồm: hệ thống thu nhận (các cảm biến); Hệ thống thu thập liệu; Hệ thống xử lý dừ liệu; Hệ thống truyền tái dừ liệu; Hệ thống đánh giá đưa kết luận - Vận hành hệ thống quan trắc 5.2 KIẾN NGHỊ Hệ thống quan trắc đại bắt đầu nehiên cứu phát triển cần phải có nhiều nghiên cứu để áp dụng hướng lới quan trắc thông minh Đánh giá độ tin cậy hệ thống quan trắc Phát triển thuật toán nhận dạng hư hỏng dựa số liệu quan trấc Tiến tới dự đoán tuồi thọ cùa công trình dựa vào hệ thông quan trãc 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1] Helmut Wenzcl, Hcoltli Moniloring o f Brìdge Wiley, 2009, 600 pages 2] ISIS CANADA, Guidelines fo r Slriicturoì Health Monìtoring, 2001 3] Victor J Hunt, (Ph.D ), Noìidestructive Evaluation and Health Monitoring o f ỉỉig/uvay Bricỉges, 2000 4] Zheng)ic Zhou, (Ph.D.) Vibratioii-basecì daiìiage detection o f simple bridge superstnictiire, 2006 5] Prancis T.S.Yu; Shizhuo Yin, Fiber Optic sensor, MarcelDekker, 2002 6] Terry J Wipf, Brent M Phares, Justin D Doomink, Lowell F Greimann, and Doug L Wood , Evaliuưioii o f Steel Brìdges (Voỉiime ỉ): Monitoring the Stnicíural Condition o f Frcicture-Critical Bridges using Fiber Optic Technology, Ccnter for Transportation Research and Education Iowa State University, Decembe r 2007 7] lỉrcnt M Phares, Terry J Wipf, Yoon-Si Lee, and Justin D Doomink, Evaỉuatioìì o f Steel Bridịĩcs ( Volume li): Striictiiral ỉỉealtli Moniíoring System fo r Secoiuiaiy Road ỉỉridiĩe.s, Centcr for Transportation Research and Hducation lowa State University, D e cc m be r 2007 [8 ] Nilcsh Mishra, Thesis, Dcsign Issues and E.xperiences with Brímon Raihvay Bridge Moniitoring Proịect, 2006 9] Jolian Wibcrg, Thesis, Bridge Moììitoring to Allow fo r Reliable Dynamic FE Modeỉling, 2006 [10] S u k u n K im , MastcroíScience, ỈVireless Sensor N eíw orks f o r Structural H ealth M onitoriiĩg, 2005 11] PGS.TS Nguyễn Viết "IVung, Chcín đoán công trình cầu, NXB Xây Dựng, 2003 12] GS.TS Nguyền Viết Tmng, Bài giang trạng cầu đường Việt Nam, 2008 13] Bộ giao thông vận tai Tiêu chiián thiết kế cầu 22 TCN- 272- 05, NXB Giao thô ng vận tài 2001 14] Naô Đăne Quana Trần Ngọc Linh Mô hình hóa phản tích kết cấu cầu với Mida/Civil NXB Xây dựng 2007 15] Cầu TP, Hồ sơ vẽ thiết kế 16] Câu Bãi Cháy, Ho sơ hệ thong quan trắc 17] littp;/7\v\v\v.bridgetcst.coni^; http;//w\vw.bri m o s c o m 8] Tiêu chuấn Ngành 14TCN 100 - 2001 Thiết bị Quan trẳc cụm đầu mối công trình thủy lợi - quy dịnh chù yếu \ c thiết kế bố trí Bộ NN PTNT 107 M ỤC LỤC Tranu Lòi nói âáu iM ỏđầu Dặt vấ n dồ Nội duno, CO' bủn sách Phạm vi dề cập cua sácli C h u o n g 1: Toiig quan thống quiin trắc cầu 1 1lệ ihòníi quan Irăc kốt cau cau 1.1.1 Kliái niệ m vồ hệ thổim qu an irắc cầu 1.2 1.ịch sứ pliát iricn liẹ thổno quan irắc kcl cấu cầu 12 1.1.3 Chức năne hệ tliốnu quan trắc kếi cấu cầu 14 1.1.4 Các ũèn dè cùa hệ Ihốníi quan trac (ỉ lelmut W cn/el 2()09) 17 1.1.5 Các cấp dộ quan Irac 20 1.1.6 Các ihành pliần cua hệ llìốnỉi quan trắc 22 1.2 ỉ liện i r n e cônt i trìnli c ầ u 29 1.2.1 S ự cố côn irinh càu 31 1.2.2 Quiin lý cỏ n u trình cầu 34 1.3 I lệ thốiìe quan irắc kết cấu cầu ihế uicVi \'à lại Việt N a m 37 1.3.1 Trên thố 2,ió'i 37 1.3.2 Tại Việl Nam 38 1.4 Kết luận 40 C liuong 2: Qunn trắc kết cấu nhịp cầu thép 2.1 Các nỊiỈTÌèn cứu \ c qu a n trac kết cấu nhịp càu ihép 42 2.1.1 Dặc diêm làm viẹc cùa cầu dam ihép 42 2.1.2 Các n s h iô n cứu \ c q u a n trăc kct cấu nliịp câu thép 44 2.2 Lựa cliọn ihỏnu số cần ihiốl 46 2.3 Nhận biốl "diêm yếu" kốl cấu nhịp cầu thép 46 2.4 Lira chọn \'à bố in' cám biến 49 2.5 L ự a chọn hệ ihốníi q u a n irắc cho kốl cấu nhị p cầu ihép 51 2.5.1 Cấu lạo cua hệ ihống 108 51 2.5.2, Các Irạim ihái hoạt dộim cua hệ ihôna quan Irăc 52 2.5.3, 1!ệ lliốim quan sát \ sớ liệu 52 2.5.4 X lý pliân lícli dũ' liộu 55 2.5.5 Liai d liỘLi 56 2.6 Xư Iv số liệu quan Irac 56 2.6.1 Dánh uiá phép biên dạnc tuxrno clòi 57 2.6.2 l^hu' 0'im phá p miền lần so 59 2.6.3 Biến dõi Furier rời rạc 62 2.7 Cơ SO’ lý lliLiNốl dc nliạn bièl dfiu hiệu hư hons 63 2.7.1 Phưo'im pháp \ iha>' dôi tàn cộna hưó'ng 63 2.7.2 Sụ' pliál phá hu y dựa li'ên phu' 0'ng pháp véc tơ d 64 2.7.3 l^luronu pháp dira \'ào mô liinh dộ cone 65 2.7.4 Pluronu pháp ina irận cập nhậl 66 Dánli ” iá liư liỏnti cua cầu dLròng duxVi lác dụng cùa tái trọng xe 68 2.'-) Sư dụim pluronu pliáp so đè phàn tích xác dịnh hư hóníỉ 69 2.10 Cập nliậl lại mỏ hìnli tínli bàne phươne pliáp 1’THH (FE) 70 2.1 (J c'ác tliôim so can cập nhật \'ào mô liiiili l'E 70 2.1 {).2 Phiarim pháp luận dô cập nhậl mô hinli 70 2.1 l.K ct luận 73 Chiroìi^ 3: Ví dụ áp dụng (hict lập hệ thong quan trắc cho câu treo dây võng 'PP 3.1 ( iicVi thiệu càu T P [ 15] 74 3.2 Thici lập hò tliốne quan trẩc 75 Mục licLi qua n trac thông số cần thu thập 75 3.2.2 Xác dịnli vị In' cân quan irăc (các diêm "yêu") 76 3.2.3 Lựa chọn hỗ ihốnu quan Irắc 77 3.2.4 Lựa chọn ihiếl bị cho ihành phằn cua hệ ihống quan Irắc 78 3.3 Kồt luận 88 Clnioìio 4: \ ’í dụ hệ thống quan trắc kết cau cầu BC (rong trình tlii côiiịỊ khai thác 4.1 Ouan trác ironu irình thi cônu cau dà \ \ ãnii 90 4.1.1 Tiêu chuân kv ihuậl 90 1.2 Pluronu án kel cấu 90 109 4.2 Các yêu cầu kỳ thuật đối vói việc cung cấp lắp đặt hệ thống quan trắc cáp dây văng trinh khai thác cầu 95 4.2.1 Các yêu cầu chung 95 4.2.2 Các yêu cầu cụ thể 95 4.3 Các yêu cầu đặc trưng kỳ thuật thiết bị quan trắc cụ 4.3.1 Yêu cầu hộ thống quan trắc điều kiện môi trường 98 98 4.3.2 Yêu cầu thiết bị theo dõi phản ứng kết cấu 100 4.3.3 Yêu cầu hệ thống Ihu ihập, truyền 102 dẫn xứ lý dũ’ liệu 4.3.4 Vật tư thiết bị dự phòng 4.4 Yêu cầu hệ thống quản lý kiểm soát giao thông qua cầu 103 103 4.4.1 Thiết bị phàn tích giao thông 103 4.4.2 Thiết bị iheo dõi giao thông 103 4.4.3 Hệ thống thu ihập,truyền dẫn xử lý số liệu 103 4.5 Các tài liệu cung cấp 104 C hư o n g 5: K ết luận kiến nghị 5.1 Kết luận 105 5.2 Kiến nghị 106 Tài iiệu tham khảo 107 ]10 c s QUAN TRẮC CÔNG TRÌNH CẦU TRONG THI CÔNG VÀ KHAI THÁC Chịu trách ìììiiệm xiiấl hán: TRINH XUÂN SƠN Biên lập: NGUYHN m u DUNG Chdhchỉ: T IU N K IM A N ll Sửa hớn in: NGUYẺN TI IU DUNG Vẽ bìa: VŨBÌNIIMINII 11 ... số công trình cầu dầm thép Việt Nam STT Tên công trình, địa điểm Đặc điểm Cầu Bính, Hải phòng Cầu dây văng Cầu TP, Đà Nằng Cầu dây võng Cầu Sài Gòn, Hồ Chí Minh Cầu Rào, Hải Phòng Cầu dầm Cầu. .. Dầm thóp cùa cầu Bính bị biến dạng tàu biển đâm vào năm 20 10 43 Hình 20 Hư hỏng dầm thép cầu Sài Gòn mói 2. 1 .2 Các nghiên cứu quan trắc kết cấu nhịp cầu Thép Qua nghiên trước liên quan đến phát... M ộ ị = ^2 31) Biểu thức dấu ngoặc không theo phương trình (2. 29) Biến đổi phương trình (2. 31) theo lưu ý rằng, (|)j^ (K -Ầ jM ) đổi vế theo phương trình (2. 29) không, nhận được: (2. 32) (Pị Mcp,