Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu đề xuất hệ thống quan trắc cho cầu dây văng Mỹ Thuận

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

********

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Họ tên học viên: ĐIỀN THANH BÌNH MSHV: 1770093 Ngày, tháng, năm sinh: 06/12/1993 Nơi sinh: Cà Mau Chuyên ngành: Xây dựng Công Trình Giao Thông Mã số: 60580205

I TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU DÂY VĂNG MỸ THUẬN

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

1 Lựa chọn thiết bị quan trắc phù hợp với mục đích sử dụng dựa trên tính năng và thứ tự ưu tiên

2 Xác định vị trí phù hợp trên cầu dây văng để lắp đặt thiết bị quan trắc sao cho đạt được hiệu quả của thiết bị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/03/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/01/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HỒ THU HIỀN

TP.HCM, ngày 02 tháng 01 năm 2020

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Lê Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên của em trong Luận văn này là lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, thầy cô Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng và đặc biệt là thầy cô trong Bộ Môn Cầu Đường đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình học tập tại trường

Em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến cô Hồ Thu Hiền và thầy Nguyễn Danh Thắng đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành tốt Luận văn tốt nghiệp trong thời hạn được giao Cuối cùng em xin cảm ơn đến những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ để em hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã nỗ lực rất nhiều, nhưng do kiến thức còn hạn chế và nhiều yếu tố khách quan khác nên Luận văn tốt nghiệp này sẽ còn nhiều hạn chế và thiếu sót Em rất mong được sự góp ý của các thầy cô để em có thể bổ sung thêm thêm kinh nghiệm cho công tác thực tiễn sau này

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện luận văn (Ký và ghi rõ họ tên)

Điền Thanh Bình

TÓM TẮT

Bài nghiên cứu được thực hiện với mục đích nghiên cứu hệ thống quan trắc sức khỏe cho công trình, đặc biệt là công trình cầu Bằng cách đưa ra danh sách các thiết bị quan trắc thường dùng của các công trình cầu ở Việt Nam và trên toàn thế giới Cũng như tìm hiểu về cấu tạo, chức năng hoặt động cụ thể của từng thiết bị được đề cập Bởi vì không có điều kiện tiếp cận cơ sở dữ liệu thực tế Nên sử dụng phần mềm MIDAS để mô hình hóa kết cấu cầu Mỹ Thuận dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, sau đó đối chiếu số liệu với các điều kiện của tiêu chuẩn Để đảm bảo rằng các số liệu mô hình trên phần mềm MIDAS sẽ gần giống với công trình thực tế nhất

Dựa trên các bài nghiên cứu của nhiều tác giả và lý luận khách quan, đưa ra bảng danh sách đánh giá độ ưu tiên của các thiết bị được lắp đặt trên một số cầu tiêu biểu Từ đó đề xuất ra 2 phương án thiết kế cho hệ thống quan trắc cầu Mỹ Thuận gồm: Phương án thiết kế đầy đủ và phương án thiết kế rút gọn tiết kiệm Dựa trên những dữ liệu trước đó của bài nghiên cứu và lý luận trên cơ sở khoa học để đưa ra sự lựa chọn phương án thiết kế rút gọn tiết kiệm là phương án phù hợp nhất cho cầu Mỹ Thuận Dù là phương án rút gọn nhưng vẫn đảm bảo đủ chức năng và thông tin cần thiết của một hệ thống quan trắc cầu

Nghiên cứu này giúp việc đánh giá, lựa chọn thiết bị và vị trí lắp đặt sao cho phù hợp, để đạt được hiệu suất tối đa, với khoản tài chính phù hợp nhất Bên cạnh đó bài nghiên cứu này như là một cơ sở cho những nghiên cứu chuyên sâu hơn về sau

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU

• Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu

• Lý do tại sao cần hệ thống này, nhiệm vụ của hệ thống là gì?

• Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống SHM trên thế giới và tại Việt Nam • Mối quan hệ tương tác giữa tuổi thọ công trình và vấn đề kinh tế

1.2 SỰ CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

• Dựa trên tình hình thực tế của nước ta nêu ra lý do lựa chọ SHM Dẫn chứng dựa trên các công trình hiện tại

1.3 MỤC TIÊU & PHẠM VI NGHIÊN CỨU

• Nghiên cứu về các tính năng, cách thức hoạt động của các thiết bị quan trắc Từ đó đưa ra nhận xét về hiệu năng của thiết bị và cách bố trí trên cầu

• Đối tượng nghiên cứu cụ thể: cầu Mỹ Thuận

• Dựa vào kết quả nghiên cứu, đưa ra đề suất hệ thống quan trắc cho cầu Mỹ Thuận

CHƯƠNG 2 CÁC THIẾT BỊ CỦA MỘT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

• Các cấp độ đánh giá của một hệ thống SHM được chia ra làm 5 cấp độ khác nhau từ nhẹ đến nặng Trong đó, một hệ thống SHM tiêu chuẩn bao gồm 4 thành phần cấu tạo: Hệ thống thu nhận thông tin, truyền tải thông tin, lưu trữ dữ liệu và xử lý

2.2 HỆ THỐNG THU NHẬN THÔNG TIN

• Liệt kê các thiết bị cảm biến cần thiết và phổ biến nhất hiện nay, được gắn cho những cây cầu của Việt Nam và trên thế giới

• Mô tả cụ thể về cấu tạo, chức năng và hoạt động của từng thiết bị • Xem xét và so sánh các tính năng, mục đích sử dụng của các thiết bị

• Kiểm tra từng vị trí cụ thể giúp đưa ra các giải pháp và lựa chọn sao cho vừa đảm bảo mục đích sử dụng, vừa tiết kiệm về vấn đề kinh tế

2.3 HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI THÔNG TIN

• Bao gồm các phương thức truyền tải phổ biến nhất hiện nay như truyền tải qua nguồn điện, cáp đồng, cáp quang và không dây

2.4 HỆ THỐNG LƯU TRỮ THÔNG TIN

• Bao gồm các thiết bị lưu trữ quang học như đĩa DVD, lưu trữ từ trường như HDD, số hóa dưới dạng thể rắn SSD và công nghệ tiên tiến hiện đại là điện toán đám mây

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU ĐÃ ĐƯỢC LẮP ĐẶT TRÊN THẾ GIỚI

3.1 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU TRÊN THẾ GIỚI

• Giới thiệu về hệ thống quan trắc của một số cầu trên thế giới như cầu Naini (Ấn Độ), cầu Kap Shui Mun ( Hong Kong)

3.2 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU Ở VIỆT NAM

• Các hệ thống quan trắc cầu ở Việt Nam như hệ thống quan trắc của cầu Cần Thơ (thành phố Cần Thơ), Cầu Rạch Miễu (Bến Tre), Cầu Thuận Phước (Đà Nẵng) và cầu Cao Lãnh (Đồng Tháp)

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU MỸ THUẬN

4.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU MỸ THUẬN

• Giới thiệu sơ lược về cầu Mỹ Thuận, vị trí địa lý, tình hình kinh tế, chính trị trước và sau khi cầu được xây

• Chi tiết về đặc trưng kỹ thuật thiết kế của cầu Mỹ Thuận

• Một số sự kiện gây ảnh hưởng tiêu cực trực tiếp đến tình trạng của cầu

4.2 PHÂN TÍCH CẦU MỸ THUẬN BẰNG MIDAS CIVIL

• Tạo lập và xây dựng mô hình dựa trên cơ sở và thiết kế đã có

• Phân tích số lieu, so sánh với các giá trị tính toán được như độ võng, ứng suất, dao động…

4.3 ĐỀ SUẤT HỆ THỐNG SHM CHO CẦU MỸ THUẬN

• Với mục tiêu đề ra trước đó là nghiên cứu để đưa ra sự lụa chọn thiết bị làm sao đảm bảo về kỹ thuật và kinh tế Lựa chọn các thiết bị phù hợp đảm bảo tận dụng tối đa được sức mạnh của thiết bị

• Đưa ra đánh giá dựa trên cơ sở nghiên cứu

• Tiến hành lựa chọn thiết bị và vị trí lắp đặt cụ thể lên từng vị trí của mô hình Kèm với thông số của một vài thiết bị có mặt trên thị trường về giá thành sản phẩm, nhà cung cấp và tính năng hoạt động

• Đưa ra 2 phương án thiết kế đầy đủ và phương án tiết kiệm cho hệ thống

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN

5.1 KẾT LUẬN 2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

• Đưa ra đánh giá về 2 phương án và bảng giá tham khảo tổng hợp của từng hệ thống Đưa ra so sánh và nhận xét cụ thể về ưu điểm và nhực điểm từng phương án và lựa chọn đề xuất phương án thiết kế tiết kiệm cho cầu Mỹ Thuận

• Đưa ra đánh giá về bài nghiên cứu, các vấn đề đã làm được và còn thiếu trong bài Nhận xét về 2 phương án thiết kế

5.2 ĐỀ XUẤT

• Đề xuất các hướng phát triển đề tài tiếp theo cho hệ thống quan trắc cầu, các vấn đề cần khắc phục trong tương lai để hoàn thiện lĩnh vực về quan trắc công trình

SUMMARY

The study was conducted with the purpose of studying the health monitoring system for buildings, especially bridges By making a list of commonly used monitoring equipment of bridge constructions in Vietnam and around the world As wel as learn about the specific structure and function of each device mentioned Use MIDAS software to model My Thuan bridge structure based on finite element method, then compare the data with the standard conditions To ensure that the model data on the MIDAS software will be close to the actual work

Based on the researches of many authors and objective reasoning, List of the priority of the equipment installed on some typical bridges is given Since then proposed 2 design options for My Thuan bridge monitoring system including: Full design plan and economical shortened design plan Based on the previous data of the research and theoretical basis on science to make a choice of the economical reduction design is the most suitable plan for My Thuan Bridge Despite the shortened plan, it still ensures the necessary functions and information of a bridge observation system

This study helps evaluate, choose the right equipment and installation position, to achieve maximum performance, but with the most appropriate financing In additional, this paper serves as a basis for further in-depth research

CHAPTER 1 GENERAL INTRODUCTIONOF BRIDGE HEALTH

MONITORING DEVICES

1.1 OVERVIEW OF BRIDGE MONITORING SYSTEM

• Concept of bridge monitoring system

• Why is this system needed, what is its mission?

• Establishment and development history of SHM system in the world and in Vietnam

• The interaction relationship between project longevity and economic issues

1.2 NECESSITY OF THE ASSIGNMENT

• Based on the actual situation of our country, stated the reasons for choosing SHM Cited on current works

1.3 OBJECTIVES & SCOPE OF RESEARCH

• Research on the features and how the monitoring devices work, and give comments on the performance of the device and the layout of the bridge

• Specific research subjects: My Thuan bridge

• Based on the results of the study, proposed a monitoring system for My Thuan Bridge

CHAPTER 2 BRIDGE HEALTH MONITORING DEVICES

2.1 GENERAL INTRODUCTION

• The rating levels of a SHM system are divided into 5 levels ranging from mild to severe In particular, a standard SHM system consists of 4 components: Information acquisition, information transmission, data storage and processing system

2.2 INFORMATION RECEIVE SYSTEM

• List the most common and necessary sensors, which is currently installed for bridges in Vietnam and around the world

• Describe in detail the structure, function and operation of each device • Review and compare the features and uses of the devices

• Examining each specific position in order to offer solutions and choices so that they both ensure the purpose of use and economically

2.3 INFORMATION TRANSPORTATION SYSTEM

• Including the most common transmission methods today such as power transmission, copper cables, optical cables and wireless

2.4 INFORMATION STORAGE SYSTEM

• Includes optical storage devices such as DVDs, magnetic storage such as HDDs, digitized solid state SSDs, and advanced technology such as cloud computing

CHAPTER 3 SOME CROSS-MONITORING SYSTEMS HAS INSTALLED IN THE WORLD

3.1 SOME CROSS-BASED SYSTEMS IN THE WORLD

• Introducing the observation system of some bridges in the world such as Naini Bridge (India), Kap Shui Mun Bridge (Hong Kong)

3.2 SOME BRIDGE MONITORING SYSTEMS IN VIETNAM

• Bridge monitoring systems in Vietnam such as those of Can Tho Bridge (Can Tho City), Rach Mieu Bridge (Ben Tre), Thuan Phuoc Bridge (Da Nang) and Cao Lanh Bridge (Dong Thap)

CHAPTER 4 DESIGN THE MONITORING SYSTEM FOR MY THUAN

BRIDGE

4.1 OVERVIEW OF MY THUAN BRIDGE

• Introduction of My Thuan Bridge, geographical location, economic and political situation before and after the bridge was built

• Design specifications detail of My Thuan Bridge

• Some events have a direct negative effect on My Thuan Bridge

4.2 MY THUAN BRIDGE ANALYSIS BY MIDAS CIVIL • Create and build models based on existing design

• Analyzing data, comparing with the calculated values sush as deflection, stress,

vibration…

4.3 PROPOSAL OF SHM SYSTEM FOR MY THUAN BRIDGE

• With the goal set out earlier, research is given to select equipment that is technically and economically guaranteed Selecting the suitable equipment to ensure maximum use of the device’s power

• Making assessments based on research

• Proceed to select equipment and specific installation locations on each model position, with the specifications of a number of devices available on the market in terms of product cost, vendors and performance features

• Choose 2 complete design and economical design options for the system

CHAPTER 5 CONCLUSION 5.1 CONCLUDE

• Provide evaluation on the research paper, issues that have been done and missing in the paper Give comment on 2 design options

5.2 OFFER

• Proposing directions for developing the next project for the bridge monitoring system, issues that need to be overcome in the future to complete the field of construction monitoring

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng có ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ trong quá trình hoàn thanh Luận văn này đã được cám ơn và các thông tin sử dụng trong Luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện luận văn (Ký và ghi rõ họ tên)

Điền Thanh Bình

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Một hệ thống quan trắc cầu [1] 1

Hình 1.2 Sập cầu Morandi, Italia [4] 3

Hình 1.3 Lợi ích của SHM cho người sử dụng [5] 4

Hình 1.4 Vị trí cầu Mỹ Thuận [7] 5

Hình 2.1 Cấu tạo của biến dạng kế điện trở 7

Hình 2.2 Cấu tạo của gia tốc kế [9] 8

Hình 2.3 Gia tốc kế điện tử 1D và 2D 9

Hình 2.4 Biểu đồ dao động của gia tốc kế [10] 10

Hình 2.5 Địa chấn kế cơ học và điện tử [11] 10

Hình 2.6 Cảm biến lực căng dây [12] 12

Hình 2.7 Thiết bị đo dịch chuyển [13] 13

Hình 2.8 Cách thức hoạt động và vị trí của thiết bị đo dịch chuyển 13

Hình 2.9 Cấu tạo của thiết bị đo độ nghiêng 14

Hình 2.10 Hệ thống đo tải trọng động trực tiếp [15] 16

Hình 2.11 Vòng lặp quy nạp và thiết bị đo tải trọng [16] 16

Hình 2.12 Vị trí gắn cảm biến đo biến dạng 18

Hình 2.13 Đường ảnh hưởng và biểu đồ ảnh hưởng của tải trọng thực tế 19

Hình 2.14 Cấu tạo và vị trí gắn thiết bị đo xói [19] 20

Hình 2.15 Quá trình hoạt động của cảm biến Sonar [21] 21

Hình 2.16 Cấu tạo của nhiệt kế đo cáp 22

Hình 2.17 Cấu tạo nhiệt kế đo nhiệt độ bê tông [22] 22

Hình 2.18 Cấu tạo của nhiệt kế không khí [23] 23

Hình 2.19 Cấu tạo của phong tốc kế [24] 24

Hình 2.20 Cấu tạo của vũ kế xô nghiêng [25] 25

Hình 2.21 Hệ thống quan trắc thời tiết [26] 26

Hình 2.22 Cấu tạo camera có thể điều chỉnh được 27

Hình 2.23 Cấu tạo camera không điều chỉnh được 27

Hình 2.24 Camera được gắn trên cầu (Akira Takaue) (doisongphapluat.com) 28

Hình 2.25 Trung tâm giám sát giao thông 29

Hình 2.26 Cấu tạo của hệ thống GPS [27] 30

Hình 2.27 Cáp Analog 31

Hình 2.28 Sơ đồ chuyển đồi tín hiệu Analog thành Digital [28] 32

Hình 2.29 Cấu tạo dây nguồn 32

Hình 2.30 Cấu tạo của cáp quang 33

Hình 2.31 Cấu tạo của một hệ thống mạng không dây [29] 34

Hình 2.32 Thiết bị phát sóng mạng không dây 35

Hình 2.33 Thiết bị thu sóng mạng không dây 35

Hình 2.34 Sự phát triển của mạng di động [29] 36

Hình 2.35 Cấu tạo của đĩa DVD 37

Hình 2.36 Cấu tạo của ổ cứng HDD và hộp dữ liệu 38

Hình 2.37 Cấu tạo của SSD và bộ lưu trữ 39

Hình 2.38 Cấu trúc của điện toán đám mây [32] 41

Hình 2.39 Các mô hình của điện toán đám mây hiện nay 42

Hình 2.40 Điện toán đám mây sử dụng cho mọi lĩnh vực 43

Hình 2.41 Ứng dụng điện toán đám mây - cầu Thuận Phước [34] 43

Hình 3.1 Cầu Naini, Ấn Độ 45

Hình 3.2 Bố trí cảm biến của cầu Naini, Ấn Độ 46

Hình 3.3 Cầu Kap Shui Mun, Hong Kong 48

Hình 3.4 Bố trí cảm biến trên cầu Kap Shui Mun 48

Hình 3.5 Cầu Cần Thơ, Cần Thơ, Việt Nam 50

Hình 3.6 Bố trí cảm biến của cầu Cần Thơ 50

Hình 3.7 Cầu Rạch Miễu, Bến Tre, Việt Nam [39] 52

Hình 3.8 Bố trí cảm biến của cầu Rạch Miễu 52

Hình 3.9 Cầu Thuận Phước, Đà Nẵng 54

Hình 3.10 Hệ thống quan trắc trực tuyến của Cầu Thuận Phước 54

Hình 3.11 Cầu Cao Lãnh, Đồng Tháp [40] 56

Hình 3.12 Bố trí cảm biến của cầu Cao Lãnh 56

Hình 4.1 Cầu Mỹ Thuận, Việt Nam 58

Hình 4.2 Mặt cắt dầm ngang của cầu Mỹ Thuận 60

Hình 4.3 Sơ đồ bố trí cáp văng của cầu Mỹ Thuận 61

Hình 4.4 Thiết kế của tháp cầu Mỹ Thuận 62

Hình 4.5 Vị trí bố trí neo cáp 63

Hình 4.6 Sơ đồ bố trí cáp văng của cầu Mỹ Thuận 63

Hình 4.7 Tai nạn hư dải phân cách cứng [43] 64

Hình 4.8.Tai nạn làm đổ hóa chất ra mặt đường [44] 65

Hình 4.9 Cháy lớn gần Cầu Mỹ Thuận 65

Hình 4.10 Khe co giãn trước (a) và sau (b) sửa chữa 66

Hình 4.11 Gắn kim và bơm keo Sikadur 752 vào vết nứt 66

Hình 4.12 Bố trí chung cầu Mỹ Thuận 69

Hình 4.13 Mô hình hóa cầu dây văng bằng MIDAS 70

Hình 4.14 Dao động phương đứng Dz tại mode 1 với chu kỳ T = 1.804 (s) 71

Hình 4.15 Dao động phương ngang Dy tại mode 4 với chu kỳ T = 1.164 (s) 71

Hình 4.16 Dao động phương ngang xoắn Rx tại mode 10 với tần số T = 0.68 (s) 71

Hình 4.17 Chuyển vị tại vị trí đầu và giữa dầm chính 72

Hình 4.18 Độ nghiêng của tháp cầu theo phương X và Y 73

Hình 4.19 Lực cắt lớn nhất tại đỉnh tháp 73

Hình 4.20 Moment lớn nhất tại đỉnh tháp 74

Hình 4.21 Những dây văng chịu lực lớn nhất 74

Hình 4.22 Ứng suất lớn nhất tại dầm cầu chính 75

Hình 4.23 Các vị trí lắp đặt biến dạng kế, GNSS và thiết bị đo nghiêng 78

Hình 4.24 Lắp đặt gia tốc kế trên cáp văng 79

Hình 4.25 Lắp đặt thiết bị đo ứng suất ở dầm chủ 79

Hình 4.26 Hệ thống cân động trực tiếp [16] 80

Hình 4.27 Hệ thống cân động gián tiếp 81

Hình 4.28 Camera quan sát giao thông 81

Hình 4.29 Vị trí lắp đặt phong, vũ và nhiệt kế 82

Hình 4.30 Lắp đặt nhiệt kế cho cáp văng 83

Hình 4.31 Vị trí lắp đặt thiết bị đo xói 83

Hình 4.32 Lắp đặt cảm biến đo nghiêng [47] 84

Hình 4.33 Phần mềm quản lý cầu Cần Thơ 85

Hình 4.34 Sơ đồ cảm biến đầy đủ cho cầu Mỹ Thuận 86

Hình 4.35 Cảm biến tối thiểu cho cầu Mỹ Thuận 87

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Cảm biến sử dụng cho cầu Naini, Ấn Độ 47

Bảng 3.2 Bảng tổng hợp cảm biến sử dụng cho cầu Kap Shui Mun 49

Bảng 3.3 Cảm biến sử dụng cho cầu Cần Thơ, Việt Nam 51

Bảng 3.4 Cảm biến sử dụng cho cầu Rạch Miễu 53

Bảng 3.5 Cảm biến sử dụng cho cầu Thuận Phước 55

Bảng 3.6 Cảm biến cho cầu Cao Lãnh 57

Bảng 4.1 Khối lượng sửa chữa khe co giãn cầu Mỹ Thuận 67

Bảng 4.2 Thông số của vật liệu 68

Bảng 4.3 Các thông số kiểm tra 76

Bảng 4.4 Bảng tổng hợp cảm biến phương án thiết kế đầy đủ 86

Bảng 4.5 Bảng tổng hợp cảm biến phương án thiết kế tiết kiệm 87

Bảng 5.1 Bảng giá của phương án thiết kế đầy đủ (tham khảo) 88

Bảng 5.2 Bảng giá của phương án thiết kế tiết kiệm (tham khảo) 90

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU 1

1.2 SỰ CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 4

1.3 MỤC TIÊU & PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG 2 CÁC THIẾT BỊ CỦA MỘT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU 6

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 6

2.1.1 Các cấp độ đánh giá của SHM 6

2.1.2 Thành phần hoàn chỉnh của một SHM 7

2.2 HỆ THỐNG THU NHẬN THÔNG TIN 7

2.2.1 Biến dạng kế điện trở (Electric strain gause) 7 2.2.2 Gia tốc kế (Accelerometer) 8 2.2.3 Địa chấn kế (Seismometer) 10 2.2.4 Cảm biến lực căng dây (Tension force sensor) 11 2.2.5 Thiết bị đo dịch chuyển (Displacement Sensor) 12 2.2.6 Thiết bị đo nghiêng (Inclinometer) 14 2.2.7 Hệ thống đo tải trọng động (weigh in motion) 15 2.2.8 Thiết bị đo xói lòng sông (Scour sonar sensors) 20 2.2.9 Nhiệt kế (Thermometer) 21 2.2.10 Phong tốc kế (Anemometer) 23 2.2.11 Vũ kế (Rain gauge) 25 2.2.12 Hệ thống giám sát hình ảnh (Network camera) 26 2.2.13 Hệ thống định vị GNSS (Global Navigation Satellite System) 29

2.3 HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI THÔNG TIN 31

2.3.1 Cáp dữ liệu Analog và Digital 31 2.3.2 Cáp nguồn (Power cable) 32 2.3.3 Cáp quang (Fiber optical) 33 2.3.4 Mạng không dây – WLAN (Wireless Network) 34

2.4 HỆ THỐNG LƯU TRỮ DỮ LIỆU 37

2.4.1 Đĩa DVD – đĩa quang (Digital Versatile Disc) 37 2.4.2 Ổ cứng 38 2.4.3 Điện toán đám mây (Cloud computing) 40

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU ĐÃ

ĐƯỢC LẮP ĐẶT TRÊN THẾ GIỚI 45

3.1 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU TRÊN THẾ GIỚI 45

3.1.1 Cầu Naini Bridge, Ấn Độ 45 3.1.2 Cầu Kap Shui Mun, Hong Kong 47

3.2 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU Ở VIỆT NAM 49

3.2.1 Cầu Cần Thơ, Cần Thơ, Việt Nam 49 3.2.2 Cầu Rạch Miễu, Bến Tre, Việt Nam 51 3.2.3 Cầu Thuận Phước, Đà Nẵng 53 3.2.4 Cầu Cao Lãnh, Đồng Tháp 55

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU MỸ THUẬN 58

4.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU MỸ THUẬN 58

4.1.1 Giới thiệu chung 58 4.1.2 Các đặc trưng kỹ thuật 59 4.1.3 Một số hư hỏng của cầu Mỹ Thuận 64

4.2 PHÂN TÍCH CẦU MỸ THUẬN BẰNG MIDAS CIVIL 67

4.2.1 Giới thiệu về phần mềm MIDAS/Civil 67 4.2.2 Thông số đầu vào 68 4.2.3 Số liệu kiểm toán 69 4.2.4 Mô hình hóa và phân tích kết cấu 69

4.3 ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG SHM CHO CẦU MỸ THUẬN 77

4.3.1 Mục tiêu thiết kế 77 4.3.2 Thiết bị và vị trí lắp đặt 77 4.3.3 Phương án thiết kế 85

4.4 KẾT LUẬN 2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 88

4.4.1 Phương án thiết kế đầy đủ 88 4.4.2 Phương án thiết kế tiết kiệm 89 4.4.3 Nhận xét và lựa chọn 91

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU

Đối với tất cả các công trình, bao gồm đường xá, cầu cống, cơ sở hạ tầng dân dụng… Đều sẽ giảm chất lượng và hư hại do thời gian, thời tiết và thiên tai tác động Điều này không chỉ đòi hỏi các cuộc kiểm tra khi có tác động ngoại cảnh (như động đất, thiên tai…) hoặc kiểm tra định kỳ mà còn cần đến thiết bị giám sát liên tục để đưa ra cảnh báo trước khi phát sinh vấn đề Do đó, hệ thống quan trắc sức khỏe của công trình nói chung và của cầu nói riêng (Structural Health Monitoring - SHM) được ra đời để đáp ứng các yêu cầu này Ngày nay, SHM đã được công nhận là một trong những công nghệ quan trọng trong việc hỗ trợ đánh giá tính hiệu quả của hệ thống cầu đường

Hình 1.1 Một hệ thống quan trắc cầu [1]

Theo Wenzel (2003) lịch sử phát triển trong lĩnh vực quan trắc kết cấu và cầu bao gồm các giai đoạn sau [2], [3]:

+ Thế kỷ 19: Phát triển động lực học của kết cấu

+ 1920 – 1945: Thực hiện các thí nghiệm giản đơn các kết cấu thường gặp + 1965 – 1975: Phát triển các phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính + 1970 – 1980: Phát triển các phương pháp dao động

+ 1975 – 1990: Bổ sung các phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính + 1990 – 2000: Bổ sung phương pháp phân tích phần tử hưu hạn phi tuyến + 1992 – 1995: Giới thiệu các phương pháp dao động xung quanh

+ 1993 – 1996: Giới thiệu công nghệ máy tính đo dữ liệu + Từ 1994 Áp dụng các phương pháp đo dao động

+ Từ 1995 Phát triển phương pháp thu nhận kết quả “quan trắc thông minh” + Từ 1996 Thương mại hóa các thiết bị đo

So với các phương pháp kiểm tra truyền thống thì sử dụng SHM mang lại nhiều ưu điểm vượt trội:

Giám sát tình trạng của cầu trong thời gian thực, phân tích đưa ra các cảnh báo sớm và liên tục nếu có bất cứ hiện tượng giảm khả năng chịu lực hoặc hư hỏng trong suốt quá trình khai thác

Hệ thống này còn giúp theo dõi và ghi nhận lại các ứng xử của kết cấu trong trường hợp đặc biêt (Động đất, sóng thần, bão lũ…) mà các phương pháp truyền thống không thể làm được Trên thế giới hệ thống quan trắc cầu được áp dụng rất rộng rãi và ở một số quốc gia thì SHM là một bộ phận bắt buộc không thể thiếu của cầu

Mới đây là vụ sập cầu Morandi (Hình 1.2) của thành phố cảng Genoa, nằm trên tuyến giao thông huyết mạch của Italia với vùng phía nam của Pháp với ít nhất 35 người chết Dù chính quyền tại đây đã có kế hoạch bảo dưỡng nâng cấp cầu trong tháng 9 Thế nhưng cầu đã bất ngờ đổ sập vào ngày 14/08/2018 sau 51 năm đi vào hoạt động Cầu Morandi

là kiểu cầu dây cáp cố định, cáp được bọc bê tông Nguyên nhân được xác định do sự quá tải của các phương tiện cùng với thép bên trong cầu đã bị ăn mòn gây biến dạng về kết cấu Tuy nhiên cầu không cho ta dấu hiệu cảnh báo nào cho thấy cầu sẽ đổ sập Vậy nên nếu ta có thể nắm rõ tình trạng “sức khỏe” cầu thì sẽ hạn chế được những tai nạn đáng tiếc tương tự

Hình 1.2 Sập cầu Morandi, Italia [4]

Bên cạnh đó, giá thành để lắp đặt một hệ thống quan trắc cầu hoàn chỉnh không hề rẻ, nhưng nếu xét về cân bằng giữa chi phí bão dưỡng và khả năng phục vụ thì hệ thống SHM giúp duy trì tốt cả hai (Hình 1.3) Đề tài này sẽ đưa ra một số phương án lựa chọn cần thiết dựa trên nghiên cứu khoa học của các tác giả đã có kinh nghiệm đi trước trên thế giới Từ đó đưa ra lựa chọn thiết bị nào nên được ưu tiên, thiết bị nào không thực sự cần thiết Để có sự lựa chọn cân bằng về hiệu năng sử dụng và kinh tế

Hình 1.3 Lợi ích của SHM cho người sử dụng [5] 1.2 SỰ CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ở nước ta một số năm gần đây cũng rất trú trọng đến hệ thống theo dõi sức khỏe cho cầu, đặc biệt là các cầu lớn sử dụng dây văng với nhịp dài Các cây cầu này đều nằm ở các vị trí quan trọng nối liền các vùng có nền kinh tế - chính trị trọng yếu của nước ta Hàng ngày có lượng xe cộ và hàng hóa khổng lồ lưu thông qua như: Cầu Cần Thơ nối liền Cần Thơ với Vĩnh Long, cầu Bính nối liền Hải Phòng với Quảng Ninh, cầu Rạch Miễu nối Bến Tre với Tiền Giang và mới đây nhất là cầu Cao Lãnh ở Đồng Tháp…

Trong khi đó cây cầu dây văng hiện đại đầu tiên được xây dựng ở nước ta là cầu Mỹ Thuận nằm trên tuyến Quốc Lộ 1, bắc qua sông Tiền, nối liền thành phố Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long và xã Hòa Hưng, huyện Cái Bè, tỉnh Tiền Giang, Việt Nam Cầu có chiều dài 1.535,2m, rộng 23,66m, cao 116,5m cho bốn làn xe cơ giới và hai lề bộ hành, với nhịp chính dài 350m Được khai thác từ năm 2000, cũng gần hai thập kỉ trôi qua Đến nay vẫn chưa được gắn hệ thống quan trắc để theo dõi tình trạng cầu Trong khi cầu đã có một số hiện tượng bị hư hại do thời gian và ảnh hưởng của hoạt động sử dụng [6]

Hình 1.4 Vị trí cầu Mỹ Thuận [7]

Việc kiểm tra và bảo trì một cách không thường xuyên đối với cầu Mỹ Thuận dẫn đến đánh giá hiện trạng chưa được triệt để Sự ứng phó trước những tình huống và hư hỏng diễn ra trên cầu sẽ bị trì trệ, do không nắm bắt được tình hình kịp thời và hiệu quả Gây ảnh hưởng đến giao thông khu vực và những sự cố đáng tiếc xảy ra Vì thế trước tình hình thực tiễn và sự cấp thiết Nên cần phải đưa ra giải pháp đề xuất một hệ thống quan trắc theo dõi “sức khỏe” cho cầu Mỹ Thuận Để giám sát và hạn chế những sự cố đáng tiếc xảy ra

1.3 MỤC TIÊU & PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu được thực hiện để tìm hiểu các tính năng, cách thức hoạt động của các thiết bị quan trắc Từ đó đưa ra nhận xét về hiệu quả của thiết bị và cách bố trí trên cầu Cụ thể đối tượng nghiên cứu trong đề tài này là cầu Mỹ Thuận Sau đó sẽ đưa ra đề suất hệ thống quan trắc cho cầu Mỹ Thuận

CHƯƠNG 2 CÁC THIẾT BỊ CỦA MỘT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Cấp độ 3: Đánh giá, xếp hạng ước tính số lượng thiệt hại

Cấp độ 4: Tiên lượng và ước tính quá trình thiệt hại trong tương lai và thời gian còn lại của cấu trúc

Cấp độ 5: Đưa ra quyết định khắc phục, thực hiện và đánh giá các kết quả sau khi đã khắc phục và sửa chữa

2.1.2 Thành phần hoàn chỉnh của một SHM

Một hệ thống quan trắc kết cấu cầu tiêu chuẩn hoàn chỉnh bao gồm:

+ Hệ thống thu nhận thông tin: GPS, gia tốc kế, địa chấn kế, phong kế, vũ kế… + Hệ thống truyền tải thông tin: Dây cáp quang, Cáp đồng, Wireless…

+ Hệ thống lưu trữ dữ liệu: Đĩa DVD, Ổ cứng HDD hoặc SSD, đám mây… + Hệ thống xử lý dự liệu: Máy vi tính, phần mềm chuyên dụng…

Ngoài ra còn những hệ thống được bổ sung thêm hệ thống: lưới giám sát kết cấu, cân động xe, đếm số xe…

2.2 HỆ THỐNG THU NHẬN THÔNG TIN

2.2.1 Biến dạng kế điện trở (Electric strain gause)

2.2.1.1 Cấu tạo

Biến dạng kế điện trở [8] gồm 2 bệ đỡ được gắn cố định vào cấu kiện cần đo, cùng 2 khối biên được gắn bên trên Trong 2 khối biên chứa dây điện và ống bảo vệ Ở giữa là cuộn cảm sẽ phản ứng khi dòng điện bị thay đổi do thay đổi độ dài của cảm biến Ngoài ra còn biến dạng kế quang học, siêu âm…

Hình 2.1 Cấu tạo của biến dạng kế điện trở

2.2.1.2 Chức năng & hoạt động

Biến dạng kế điện trở thường được sử dụng đo tại tháp cầu, dây văng v.v…Để ghi nhận và theo dõi tình trạng vật lý của từng cấu kiện riêng lẻ theo một phương Giới hạn thông số hoạt động phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của thiết bị mà lưạ chọn sao cho phù hợp Khi hoạt động thì biến dạng kế điện trở ghi nhận lại sự biến dạng co, giãn và ứng suất của kết cấu Thông qua sự căng của sợi dây trong lõi, cuộn cảm sẽ xác định sự thay đổi của dây để biết tình trạng cấu kiện Sau đó sẽ gửi thông tin về hệ thống xử lý Hệ thống xử lý sẽ so sánh với thông số gới hạn đã được thiết lập trước và đưa ra đánh giá Nếu chạm ngưỡng hoặc vượt quá giới hạn sẽ có cảnh báo

2.2.2 Gia tốc kế (Accelerometer)

2.2.2.1 Cấu tạo

Gia tốc kế [9] đo gia tốc so với khung tham chiếu quán tính bằng cách đo sự dịch chuyển tương đối của vật Trong điều kiện hoạt động, thì sự dịch chuyển tương đối về cơ bản tỉ lệ thuận với gia tốc cần tính Cấu tạo bao gồm: Đế di chuyển, lò xo gắn cảm biến chuyển vị, vật đối trọng và giảm chấn (Hình 2.2)

Hình 2.2 Cấu tạo của gia tốc kế [9]

2.2.2.2 Chức năng & hoạt động

Dùng để đo dao động xác định sự cân bằng ổn định của cầu theo một (1D) hay nhiều phương (2D, 3D) do ảnh hưởng bởi xe cộ hoặc do hiện tượng tự nhiên khác như: gió bão, động đất…

Với gia tốc kế một phương (1D) và hai phương (2D) dùng để đo dao động lên xuống và qua lại (Hình 2.3) Vì vậy gia tốc kế 1D và 2D thường được gắn ở dầm chủ: Giữa nhịp hợp long, giữa nhịp biên để đo rung động Gia tốc kế ba phương (3D) hay còn gọi là địa chấn kế, sẽ nói rõ hơn ở mục sau

Hình 2.3 Gia tốc kế điện tử 1D và 2D

Cảm biến gia tốc khi hoạt động sẽ ghi nhận lại những rung động của môi trường tác động đến công trình Sau đó sẽ gửi tín hiệu cho trung tâm xử lý bằng biểu đồ dạng sóng với chu kì và tần số dao động (Hình 2.4) để hệ thống xử lý phân tích và đưa ra những cảnh báo nếu có

Hình 2.4 Biểu đồ dao động của gia tốc kế [10] 2.2.3 Địa chấn kế (Seismometer)

2.2.3.1 Cấu tạo

Hình 2.5 Địa chấn kế cơ học và điện tử [11]

Cấu tạo cơ bản của máy đo địa chấn là một vật nặng xác định được treo trên khung bởi một lò xo Trên vật nặng được gắn một cây “viết”, “viết” sẽ tiếp xúc với trống xoay (Rotating Drum) với những cuộn giấy xung quanh (Hình 2.5)

Hiện tại thì người ta dùng máy đo địa chấn điện tử với khả năng đo rung động của 3 phương bằng cách áp dụng gia tốc kế 3 phương Nhưng vẫn dựa trên nguyên lý hoạt động cơ bản của máy cơ học

2.2.3.2 Chức năng & hoạt động

Máy đo địa chấn là công cụ phản ứng và ghi nhận lại các chuyển động của mặt đất xung quanh khu vực có thể do động đất, sóng thần, núi lửa… Khi có rung động xảy ra thì “vật nặng” sẽ dao động cùng với “viết” sẽ ghi lại dự liệu lên “trống xoay” Trong khi “trống xoay” sẽ quay đều liên tục Dựa vào biểu đồ ghi lại thì người giám sát sẽ biết được tần số, độ lớn và cả hướng vị trị xảy ra rung chấn

Địa chấn kế thường được gắn ở bệ trụ cầu, nơi sẽ hấp thụ được nhiều chuyển động của mặt đất lên cầu Bây giờ với địa chấn kế điện tử thì những dữ liệu sẽ được số hóa và gửi cho máy tính để xử lý Và đưa ra cảnh báo khi nhận thấy độ nghiêm trọng của rung chấn khi vượt ngưỡng an toàn

2.2.4 Cảm biến lực căng dây (Tension force sensor)

2.2.4.1 Cấu tạo

Nguyên lý loadcell cũng rất đơn giản 4 phần tử cảm biến tenzo gống nhau (điện trở lực căng có giá trị điện trở ban đầu R) Được dán trên 1 khuôn cơ khí sao cho khi bị lực tác động thì 2 tenzo bị biến dạng kéo (R+∆R), 2 tenzo bị biến dạng nén(R-∆R) (Hình 2.6)

Hình 2.6 Cảm biến lực căng dây [12]

2.2.4.2 Chức năng và hoạt động

Cả 4 tenzo này được mắc vào 1 mạch cầu 4 nhánh Vì vậy sẽ xuất hiện một điện áp ra Ura=∆RxUcc/R Trong đó là giá trị điện trở ban đầu của tenzo ∆R là giá trị điện trở thay đổi khi tenzo bị biến dạng do lực tác động Ucc là giá trị điện áp cung cấp của mạch cầu Vậy điện áp ra Ura) sẽ tỷ lệ với lực tác động lên loadcell Tín hiệu sẽ được gửi đi đến trung tâm xử lý Giúp phát hiện hiện tượng tuột cáp văng nên thường được gắn ở đầu neo cáp hoặc ở giữa cáp nơi có ∆l lớn nhất

2.2.5 Thiết bị đo dịch chuyển (Displacement Sensor)

2.2.5.1 Cấu tạo

Cấu tạo của thiết bị đo dịch chuyển bao gồm: một dây rút bằng thép, một vòng trống quấn cuộn dây có gắn lò xo, một khớp nối giữa với bộ phận cảm biến chiều dài dây (Hình 2.7) Tất cả được đặt trong một hộp bảo vệ bằng nhôm hoặc inox

Hình 2.7 Thiết bị đo dịch chuyển [13]

2.2.5.2 Chức năng & hoạt động

Thiết bị đo độ dịch chuyển dùng để đo sự giãn nở hoặc tách rời của cấu kiện, với khoảng cách lớn, có thể lên đến nhiều mét Nhưng đòi hỏi độ chính xác cao như: khe co giãn, các vết nứt…

Hình 2.8 Cách thức hoạt động và vị trí của thiết bị đo dịch chuyển

Thiết bị đo độ dịch chuyển sẽ được gắn cố định lên một bên của cấu kiện cần quan trắc, phần đầu dây sẽ được gắn vào bên còn lại của cấu kiện Khi có sự chuyển vị tịnh tiến của cấu kiện sẽ làm cho sợi dây thu vào hoặc dài ra (Hình 2.8)

Từ đó biết được chính xác khoảng cách đã thay đổi Hệ thống thu nhận xử lý dữ liệu sẽ cập nhật liên tục và thông báo khi khoảng cách dao động thay đổi theo độ nhạy nhỏ nhất thiết lập trên thiết bị, tùy vào cài đặt của hệ thống

Bên cạnh thiết bị đo độ dịch chuyển bằng dây còn có thiết bị đo độ dịch chuyển bằng laser có thể đo khoảng cách xa hơn

2.2.6 Thiết bị đo nghiêng (Inclinometer)

2.2.6.2 Chức năng & hoạt động

Trọng lực sẽ giữ chất lỏng đứng yên và có hình bán nguyệt, điện dung không có sự thay đổi Khi có sự xoay/ nghiêng cảm biến vi sai sẽ thay đổi vùng điện cực do chất điện môi dịch chuyển, dẫn đến thay đổi điện dung Từ đó cảm biến tính toán được góc nghiêng để gửi cho hệ thống

Thiết bị đo nghiêng thường đo độ nghiêng theo 2 trục X và Y (theo tọa độ Descartes) Bên cạnh thiết bị đo nghiêng điện dung CMOS còn có thiết bị đo nghiêng laser cho độ chính xác cao hơn

2.2.7 Hệ thống đo tải trọng động (weigh in motion)

Hiện nay trên thế giới có 2 hệ thống đo tải trọng động phổ biến: hệ thống đo tải trọng động trực tiếp và hệ thống đo tải trọng động gián tiếp

2.2.7.1 Hệ thống đo tải trọng động trực tiếp

a Cấu tạo

Hệ thống đo tải trọng động trực tiếp (Hình 2.10) là hệ thống có thiết bị đo tải trọng được lắp đặt trên mặt đường và tiếp xúc trực tiếp với phương tiện giao thông Hệ thống đo tải trọng động trực tiếp phổ biến hiện nay bao gồm: 2 camera hồng ngoại và 2 camera laser gắn ở 2 đầu khu vực thiết lập thiết bị đo Trên bề mặt đường được gắn 2 vòng lặp quy nạp dòng sử dụng điện xoay chiều tạo ra từ trường cảm ứng, xen kẽ là 2 hệ thống cảm biến tải trọng động gắn trên mặt đường (Hình 2.11)

Hình 2.10 Hệ thống đo tải trọng động trực tiếp [15]

Hình 2.11 Vòng lặp quy nạp và thiết bị đo tải trọng [16]