Quan trắc sức khỏe (bridge health monitoring) công trình cầu trong quá trình khai thác,luận văn thạc sỹ xây dựng cầu hầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CHENG POR ENG QUAN TRẮC SỨC KHỎE (BRIDGE HEALTH MONITORING) CƠNG TRÌNH CẦU TRONG Q TRÌNH KHAI THÁC LUẬN VĂN THÁC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CẦU HẦM MÃ SỐ: 62.58.25 Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CHENG POR ENG QUAN TRẮC SỨC KHỎE (BRIDGE HEALTH MONITORING) CƠNG TRÌNH CẦU TRONG Q TRÌNH KHAI THÁC LUẬN VĂN THÁC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CẦU HẦM MÃ SỐ: 62.58.25 Giao viên hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Viết Trung Năm 2013 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Nguyễn Viết Trung , giảng dậy hướng dẫn đồ án tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cơ tham gia vào q trình giảng dậy trang bị cho tơi kiến thức để tơi hoàn thiện khoa học luận văn Thạc sĩ Tôi biết ơn ủng hộ gia đình, bạn bè, người thân u ln chỗ dựa vững cho tơi Cuối cùng, tơi xin kính chúc q Thầy, Cơ gia đình dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2013 Sinh viên thực Cheng Por Eng Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 1 Lớp: cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các thành phần hệ thống quan trắc cầu 8  Hình 2.1 Sơ đồ cấp độ hệ thống quan trắc 17  Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống quan trắc 20  Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống quan trắc 21  Hình 5.1 Chi tiết bố trí sợi cảm biến 24  Hình 6.1 Hình ảnh cảm biến sợi quang học 25  Hình 7.1.Cầu Yangmingtan bị sập sau chưa đầy năm mở cửa lưu thơng 30  Hình 8.1 Lựa chọn sửa chữa hư hỏng số đánh giá 31  Hình 9.1 Một số thiết bị quan trắc cầu 38  Hình 10.2 Ví dụ xác định điểm yếu kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép 47  Hình 11.2 Sơ đồ cấp độ phân tích kết cấu nhịp cầu 49  Hình 12.2 Các thành phần hệ thống quan trắc 54  Hình 13.2 biến dạng, độ cong võng mặt cắt ngang dầm 65  Hình 14.3 Một số hình ảnh cầu Bãi Cháy 87  MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.Bảng thống kê nguyên nhân phá hoại cầu Mỹ (FHWA, 2007) 29  Bảng 2.1 Các cơng trình cầu lắp đặt hệ thống quan trắc giới 33  Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 2 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU 6  1.1 HỆ THỐNG QUAN TRẮC KẾT CẤU CẦU 6  1.1.1 Khái niệm hệ thống quan trắc cầu 7  1.1.2 Lịch sử phát triển hệ thống quan trắc kết cấu cầu 9  1.1.3 Chức hệ thống quan trắc kết cấu cầu 10  1.1.4 Các tiên đề hệ thống quan trắc 12  1.1.5 Các cấp độ quan trắc 16  1.1.6 Các thành phần hệ thống quan trắc 19  1.2 HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH CẦU 28  1.2.1 Sự cố cơng trình cầu 28  1.2.2 Quản lý cơng trình cầu 30  1.3 HỆ THỐNG QUAN TRẮC KẾT CẤU CẦU TRÊN THẾ GIỚI 32  1.3.1 Trên giới 32  1.3.2 Tại Việt Nam 34  1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 39  CHƯƠNG 2: QUAN TRẮC KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 41  2.1 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ QUAN TRẮC KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 41  2.1.1 Đặc điểm làm việc cầu dầm bê tông cốt thép 41  2.1.2 Các nghiên cứu quan trắc kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép 43  2.2 LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT 45  2.3 NHẬN BIẾT “ĐIỂM YẾU” CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP” 45  2.4 LỰA CHỌN VÀ BỐ TRÍ CÁC CẢM BIẾN 50  2.5 LỰA CHỌN HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 54  2.5.1 Cấu tạo hệ thống 54  Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 3 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring 2.5.2 Các trạng thái hoạt động hệ thống quan trắc 55  2.5.3 Hệ thống quan sát sở liệu 56  2.5.4 Xử lý phân tích liệu 60  2.5.5 Lưu liệu 61  2.6 XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC 61  2.6.1 Đánh giá phép đo biến dạng tương đối 62  2.6.2 Phương pháp miền tần số 65  2.6.3 Biến đổi Furier rời rạc 68  2.7 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ NHẬN BIẾT CÁC DẤU HIỆU HƯ HỎNG 69  2.7.1 Phương pháp vào thay đổi tần số cộng hưởng 69  2.7.2 Sự phát phá hủy dựa phương pháp véctơ dư 71  2.7.3 Phương pháp dựa vào mơ hình độ cong 72  2.7.4 Phương pháp ma trận cập nhật 73  2.8 ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG CỦA CẦU ĐƯỜNG BỘ DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE 75  2.9 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ ĐỂ PHÂN TÍCH VÀ XÁC ĐỊNH CÁC HƯ HỎNG 76  2.10 CẬP NHẬN LẠI CÁC MƠ HÌNH TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TỬ HỮU HẠN (FE) 77  2.10.1 Các thông số cần cập nhật vào mơ hình FE 77  2.10.2 Phương pháp luận để cập nhật mơ hình 77  2.11 KẾT LUẬN 81  CHƯƠNG 3: VÍ DỤ VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC KẾT CẤU CẦU BÃI CHÁY TRONG Q TRÌNH THI CƠNG VÀ KHAI THÁC 83  3.1 QUAN TRẮC TRONG Q TRÌNH THI CƠNG CẦU DÂY VĂNG 83  3.1.1 Tiêu chuẩn kỹ thuật 83  3.1.2 Phương án kết cấu 83  Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 4 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring 3.2 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI VIỆC CUNG CẤP VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CÁP DÂY VĂNG TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC CẦU 87  3.2.1 Các yêu cầu chung 87  3.2.2 Các yêu cầu cụ thể 88  3.3 CÁC YÊU CẦU VỀ ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT CỦA CÁC THIẾT BỊ QUAN TRẮC CỤ THỂ 92  3.3.1 Yêu cầu hệ thống quan trắc điều kiện môi trường: 92  3.3.2 Yêu cầu thiết bị theo dõi phản ứng kết cấu 94  3.3.3 Yêu cầu hệ thống thu thập, truyền dẫn xử lý liệu 98  3.3.4 Vật tư thiết bị dự phòng 98  3.4 YÊU CẦU VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ KIỂM SỐT GIAO THƠNG QUA CẦU 99  3.4.1 Thiết bị phân tích giao thơng 99  3.4.2 Thiết bị theo dõi giao thông 99  3.4.3 Hệ thống thu thập, truyền dẫn xử lý số liệu 99  3.5 CÁC TÀI LIỆU CUNG CẤP 100  CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 101  4.1 KẾT LUẬN 101  4.2 KIẾN NGHỊ 103  TÀI LIỆU THAM KHẢO 104  Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 5 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU 1.1 HỆ THỐNG QUAN TRẮC KẾT CẤU CẦU Có cách để mô tả hệ thống quan trắc cầu vẽ sơ đồ tương tự cấu trúc người Bác sĩ khám sức khỏe cho bệnh nhân họ, Kỹ sư cần phải có khả kiểm tra điều kiện phổ biến cơng trình Bác sĩ sử dụng thiết bị y tế để theo dõi kiểm tra bệnh nhân, kỹ sư dùng thiết bị cảm biến để đọc hư hỏng công trình Có hai cách để nhận dạng dự báo khuyết tật cơng trình cầu Thứ ngun cứu đặc điểm dạng khuyết tật riêng biệt dựa vào nét đặc trưng chung Thứ hai hướng phi cấu trúc, không quan tâm cách chi tiết loại khuyết tật mà nguyên cứu đặc trưng chung đáp ứng động lực học có khuyết tật để nhận dạng dự báo lời giải toán ngược động lực học hệ Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 6 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring 1.1.1 Khái niệm hệ thống quan trắc cầu Quan trắc kết cấu cầu theo thuật ngữ Anh “ Health monitoring of Bridge” thuật ngữ dùng để mơ tả việc giám sát tình trạng tổng thể kết cấu cầu, định nghĩa theo mục tiêu yêu cầu đặt kết cấu cầu suất thời gian sử dụng Việc theo dõi trạng thái ứng xử vật liệu sử dụng tác dụng tải trọng khác Như việc tiến hành xác định hư hỏng cầu thay đổi vật liệu, kích thước hình học, điều kiện biên hệ thống liên kết… Quan trắc kết cấu cầu hệ thống đặc trưng nhiều dụng cụ cảm biến nhiều hệ thống phụ khác hệ thống kết nối từ phận thu thập số liệu đến phận cảm biến, hệ thống thu thập số liệu xử lý số liệu trung gian, hệ thống truyền liệu từ hệ thống trung gian trung tâm điều hành, hệ thống phân tích liệu chẩn đoán hệ thống cảnh báo Một hệ thống quan trắc hoàn chỉnh bao gồm: - Hệ thống thu nhận (Các cảm biến) - Hệ thống thu thập liệu - Hệ thống xử lý liệu - Hệ thống truyền tải liệu - Hệ thống đánh giá đưa kết luận Khi xây dựng hệ thống quan trắc cần phải có mục tiêu động lực rõ ràng để chủ đầu tư chấp nhận, phải công việc mà chủ đầu tư thực không đáp ứng yêu cầu giảm chi phí tăng cường tuổi thọ cơng trình Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 7 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring Hình 1.1 Các thành phần hệ thống quan trắc cầu Hệ thống quan trắc theo dõi làm cơng việc nhờ cảm biến gắn vĩnh viễn vị trí khác kết cấu để đo đạc cách liên tục tham số liên quan kết cấu, môi trường xung quanh với tác động trực tiếp gián tiếp lên kết cấu, tải trọng xe cộ thực tế diễn kết cấu thời gian phục vụ Các động lực để xúc tiến việc lắp đặt hệ thống quan trắc là: - Hiện trạng cơng trình cầu lão hóa vấn đề kinh tế- xã hội liên quan với việc tăng cường, sửa chữa so với xây dựng - Tiến kỹ thuật lĩnh vực máy tính, lưu trữ cảm biến - Những vụ sập cầu gần gây hậu nặng nề phương tiện tuyền thông đưa tin, tạo mối quan tâm lớn cộng đồng tạo nên áp lực lớn, nên tăng quỹ cho nghiên cứu - Trách nhiệm, điều có nghĩa phương pháp cần đưa vào quy trình, có hướng dẫn cụ thể Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 8 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring chịu chi phí khơi phục, sửa chữa hệ thống thời gian bảo hành Khả đáp ứng thiết bị với môi trường phải đạt lơn tiêu IP65 Tuổi thọ thiết kế thiết bị (trong điều kiện bảo dưỡng hướng dẫn) phải ghi rõ thiết kế Nhà thầu, coi cam kết chất lượng Ngồn nuôi thiết bị sử dụng điện lưới, ắc quy, lượng mặt trời (Solar) 3.2.2.4 Yêu cầu lắp đặt, cài đặt, vận hành bảo dưỡng hệ thống thiết bị Nhà thầu tiếp nhận trường đầu đo lắp đặt q trình thi cơng cầu tự kiểm tra để xác định tình trạng kỹ thuật, khả hoạt động chúng Bằng kinh phí mình, Nhà thầu có trách nhiệm bổ sung, thay trường hợp đầu đo lắp đặt bị hỏng Nhà thầu phải cung cấp lắp đặt dây dẫn theo yêu cầu để đấu nối tất đầu đo, lắp đặt mạng lưới cáp quang, đấu nối hệ thống quan trắc cáp dây văng, camera tivi theo dõi giao thông đặt khu nhà bảo dưỡng Nhà thầu cam kết đọc phân tích liệu từ đầu đo lắp đặt Nhà thầu phải cung cấp lắp đặt cột ăngten mạ kẽm co rút vào để hỗ trợ cho trạm khí tượng Hệ thống thiết bị Nhà thầu lắp đặt phải đảm bảo đấu nối đầy đủ hoạt động tương thích với thiết bị lắp đặt sẵn trước thời gian thi công cầu thành hệ thống thống nhất, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, thỏa mãn yêu cầu Chủ đầu tư Nhà thầu phải cảm kết làm chịu hoàn toàn trách nhiệm việc Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 90 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring Nhà thầu phải biên soạn “Chỉ dẫn vận hành bảo dưỡng hệ thống thiết bị” Hệ thống phải chạy thử, nghiệm thu nơi sản xuất, chạy thử phần thiết bị chạy thử toàn hệ thống trường sau lắp đặt Hệ thống phải vận hành cách đồng liên tục ngày đêm, đảm bảo khả cung cấp số liệu đo, truyền dẫn trạm trung tâm, lưu trữ thông tin xử lý thông tin theo thời gian thực đủ để Nhân viên quản lý định kịp thời có cố Nhà thầu phải cung cấp phần mềm chuyên dụng để người sử dụng làm chủ hệ thống, dễ dàng truy cấp để thu thập số liệu, phân tích xử lý số liệu để đưa giải pháp kết cấu Phải đảm bảo khả tiếp cận đến thiết bị để kiểm tra, bảo dưỡng khả thay thế, nâng cấp thiết bị cần thiết cách dễ dàng Nhà thầu chịu trách nhiệm bảo dưỡng định kỳ hàng năm cho toàn Hệ thống với thời gian năm sau bảo hành 3.2.2.5 Yêu cầu huấn luyện cán chuyển giao công nghệ, bàn giao Yêu cầu công tác huấn luyện chuyển giao công nghệ Nhà thầu phải chuyển giao cơng nghệ hồn tồn cho Phía Việt Nam Nhà thầu phải biên soạn tài liệu huấn luyện, mở lớp huấn luyện cấp Chứng trình độ cho cán vận hành Đơn vị quản lý cầu Trong thời gian bảo hành kết thúc thời gian bảo hành, Nhà thầu phải định kỳ tháng lần kiểm tra khả vận hành hệ thống cán đào tạo thực việc huấn luyện bổ sung cần thiết Trong trình lắp đặt, chạy thử phần thiết bị chạy thử toàn hệ thống, Nhà thầu phải kết hợp với công tác huấn luyện nêu tạo điều kiện cho cán quản lý vận hành tiếp cận với hệ thống thiết bị ngày từ thời gian lắp đặt Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 91 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring Hồ sơ hồn cơng bàn giao phải đầy đủ rõ ràng đến mức cho phép cán vận hành dễ dàng tự can thiếp xử lý có cố hư hỏng nhỏ cung cấp thông tin ban đầu đủ cho Nhà thầu chuẩn bị cử chun gia từ nước ngồi đến xử lý kịp thời cần thiết 3.3 CÁC YÊU CẦU VỀ ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT CỦA CÁC THIẾT BỊ QUAN TRẮC CỤ THỂ 3.3.1 Yêu cầu hệ thống quan trắc điều kiện môi trường: 3.3.1.1 Trạm theo dõi thời tiết a) Thiết bị đo gió + Số lượng vị trí lắp đặt: nhà cấp thiết kế chi tiết theo yêu cầu cần thiết + Yêu cầu kỹ thuật: - Tốc độ gió chiều gió: đến 220 Km/h - Biên độ đo hướng gió: 360° (Dung sai -2%) - Sử dụng điện lưới, ắc quy, lượng mặt trời (Solar Panel) - Truyền dẫn (kết nối) không dây trạm - Software - Nhiệt độ làm việc: -20°C đến +70° C - Chỉ số bảo vệ (Index of Protect): IP 67 b) Đo độ xạ mặt trời + Số lượng vị trí lắp đặt: nhà cung cấp thiết kế chi tiết theo yêu cầu cần thiết + Yêu cầu kỹ thuật: - Sử dụng điện lưới, ắc quy, lượng mặt trời (Solar Panel) Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 92 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring - Truyền dẫn (kết nối) không dây trạm - Software - Nhiệt độ làm việc: -20°C đến +70° C - Chỉ số bảo vệ (Index of Protect): IP 67 c) Đo độ ẩm khơng khí với chắn xạ + Số lượng vị trí lắp đặt: nhà cung cấp thiết kế chi tiết theo yêu cầu cần thiết + Yêu cầu kỹ thuật: - Biên độ đo: đến 100% RH - Độ xác: sai số 140 dB - phương (X, Y, Z) - Độ tuyến tính 0,1% F.S - Độ nhạy qua trục: < 0,2% - Chỉ số bảo vệ: IP 67 - Lọc qua trục: 0,001g/g - Software - Truyền dẫn không dây trạm - Nhiệt độ làm việc: -20°C đến + 70°C - Sử dụng điện lưới, ắc quy, lượng mặt trời (Solar Panel) 3.3.2 Yêu cầu thiết bị theo dõi phản ứng kết cấu 3.3.2.1 Đo tải trọng gió + Số lượng vị trí lắp đặt: nhà cung cấp thiết kế chi tiết theo yêu cầu cần thiết (Đặt dây văng) + Yêu cầu kỹ thuật: - Thang đo: +/- 200kN - Độ xác: +/- 0,5%F.S - Độ phân giải: 0,025%F.S Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 94 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring - Khả vượt tải: 1,5 x F.S - Nhiệt độ hoạt động: -20°C đến +70°C - IP 67 - Kết nối không dây - Nguồn cung cấp: Điện lưới, ắc quy, lượng mặt trời (Solar Panel) 3.3.2.2 Đo dao động cáp dây văng + Số lượng vị trí lắp đặt: nhà cung cấp thiết kế chi tiết theo yêu cầu cần thiết (khi kết nối với thiết bị lắp đặt q trình thi cơng) + Yêu cầu kỹ thuật: - Dải động: >120dB hiệu +/- 2g cho tồn thang đo - Độ khơng tuyến tính: < 0,1 % - Độ trễ (Hysteresis):