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
công 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 crosscorrelation between the results at the measuring points it works with ambient vibration. The crosscorrelation 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 .................................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................
TÓM TẮT ...................................................................................................................
MỤC LỤC .....................................................................................................................
CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH ..........................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………………….viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................
1. Cơ sở thực tiễn của đề tài ...................................................................................
2. Mục đích nghiên cứu ..........................................................................................
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu .........................................................................
4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................
5. Bố cục luận văn ...................................................................................................
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CƠNG
TRÌNH CẦU ..................................................................................................................
1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu.............................................................................
1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu: ........................................................
1.1.2. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu: ...............................................
1.1.3. Các cấp độ quan trắc ..................................................................................

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


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 toán phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization AlgorithmERA)............................................................................................................................................................ 31
2.3. Xây dựng thuật tốn bằng ngơn ngữ Matlab................................................................. 33
2.3.1. Giới thiệu ngơn 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 mô 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
FRF
NEXT
PPM
SHM

: Eigen Realization Algorithm (Phân tích theo giá trị riêng)
: Fourier transform (Biến đổi Fourier)
: 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)
: Structural health monitoring (Hệ thống quan trắc sức khỏe kế t cấu)


vii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
1.1.

Hệ thơng qu

1.2.

Mơ hình hệ t

1.3.

Sơ đồ các cấ

1.4.

Sơ đồ các hệ

1.5.

Sơ đồ của m

1.6.

Lắp đặt cảm

1.7.


Hệ tọa độ bố

2.1.

Mơ hình khố

2.2.

Mơ hình phầ

2.3.

Biến đổi Fou

2.4.

2.5.

Biểu đồ quan

Frequency R

Phương pháp
độ lớn

2.6.

Phần mềm M

2.7.


Giao diện là

2.8.

Sơ đồ khối t

3.1.

Cầu Thuận P

3.2.

Sơ đồ bố trí

3.3.

Sơ đồ thuật t

3.4.

3.5a.

Biểu đồ biến

1(trường hợp

Biểu đồ biến
động tự do



3.5b.

Biến đổi tươ

được dao độ

3.6.

Xây dựng m

3.7.

Biểu đồ giá t

3.8.

Xác định số

3.9.

Cầu ở cổng t


viii
Số hiệu
hình
3.10.

Cảm biến (W


3.11.

Bố trí sensor

3.12.

Hình dạng m


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
3.1.

Thông số cảm biến

3.2.

Giá trị các mode


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 Nhật Tân
Cầu Bãi Cháy
Một số cây cầu hiện đại tại Việt Nam


2

Cầu Trần Thị Lý

Cầu Cần Thơ


Cầu Phú Mỹ

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