Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả thí điểm tổ chức đại trà biện pháp dùng số liệu dao động thực tế để hỗ trợ công tác quản lý hệ thống cầu. Nội dung nghiên cứu gồm: Kiểm tra khả năng tổ chức thu thập số liệu thường xuyên đối với hệ thống gồm số lượng lớn cầu và khảo sát khả năng các số liệu đo được phản ảnh tình trạng “sức khỏe” của chúng. Các đề xuất về quy trình tổ chức đo, quy trình xử lý số liệu cũng như quy trình phân loại tình trạng kỹ thuật theo mức độ ưu tiên đã được đưa ra để các cơ quan quản lý xem xét và áp dụng. Abstract: The report presents the results of experimental organizations measures the actual vibration used to support the management of system bridges. The contents of the study include: Testing the ability to organize regular data collection system for large number of bridges and the ability to use survey data to measure. The proposed organization process measurement, data processing, as well as state of the art classification process as priority was given to the authorities to consider and apply.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 133 Mã bài: 34 Khả Năng Sử Dụng Số Liệu Đo Dao Động Thực Tế Trong Công Tác Quản Lý Kỹ Thuật Hệ Thống Cầu Ability to Use Data Actual vibration in Engineering Systems Management Work of Bridge Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn Trường ĐHBK Tp. Hồ Chí Minh e-Mail: ngokieunhi@yahoo.com, quangthanh_818@yahoo.com.vn, phambaotoan04@yahoo.com, datuan1982@yahoo.com.hk Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả thí điểm tổ chức đại trà biện pháp dùng số liệu dao động thực tế để hỗ trợ công tác quản lý hệ thống cầu. Nội dung nghiên cứu gồm: Kiểm tra khả năng tổ chức thu thập số liệu thường xuyên đối với hệ thống gồm số lượng lớn cầu và khảo sát khả năng các số liệu đo được phản ảnh tình trạng “sức khỏe” của chúng. Các đề xuất về quy trình tổ chức đo, quy trình xử lý số liệu cũng như quy trình phân loại tình trạng kỹ thuật theo mức độ ưu tiên đã được đưa ra để các cơ quan quản lý xem xét và áp dụng. Abstract: The report presents the results of experimental organizations measures the actual vibration used to support the management of system bridges. The contents of the study include: Testing the ability to organize regular data collection system for large number of bridges and the ability to use survey data to measure. The proposed organization process measurement, data processing, as well as state of the art classification process as priority was given to the authorities to consider and apply. Ký hiệu: Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa max x Giá trị cực đại của số liệu. min x Giá trị cực tiểu của số liệu. 2 x S Phương sai của số liệu. x D Độ lệch chuẩn. x S Hàm mật độ phổ. ( ) x R t Hàm tự tương quan 2 [ ] E x Kỳ vọng X(α) Hàm mật độ phổ r rad/s Tần số góc y mm Độ võng Chữ viết tắt BTDƯL Bê Tông Dự Ứng Lực T-LHT Thép-Liên Hợp Thép Hsxk Hệ số xung kích Bd Biên độ SGTVT-Tp HCM Sở Giao Thông Vận Tải Thành phố Hồ Chí Minh. PTNCHUD Phòng thí nghiệm Cơ Học Ứng Dụng 1. Mở đầu Các địa phương thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long có một hệ thống sông ngòi, kênh rạch chằng chịt. Hầu hết các đô thị trong khu vực này đều nằm trên bờ sông hoặc ngã ba sông trong hệ thống giao thông thủy lợi [1][2]. Thành phố Hồ Chí Minh có khoảng 1000 cầu, các cầu này luôn đóng vai trò quan trọng trong mọi hoạt động kinh tế xã hội, vì vậy việc đảm bảo hoạt động an toàn của chúng được đặc biệt chú trọng. Tại Việt Nam việc theo dõi tình trạng cầu được thực hiện bởi hai biện pháp: - Tuần tra định kỳ hàng ngày hay hàng tuần, nhiệm vụ là phát hiện kịp thời các hư hỏng trên bề mặt của công trình và các bất thường về kết cấu, các nguy cơ do môi trường gây ra. - Kiểm định: nhằm xác định khả năng chịu tải theo qui định nhà nước ban hành [3,4,5]. Theo biện pháp này, tải dự kiến mà cầu sẽ chịu được đặt lên cầu, khả năng chịu tải được thể hiện bởi các số liệu đo: độ võng của nhịp, biến dạng, hệ số xung kích, tần số riêng, độ xê dịch các bộ phận như mố, gối, trụ… Biện pháp này xác định các giá trị thực của các thông số cơ học tại thời điểm tổ chức kiểm định. Nếu công tác kiểm định thực hiện theo đúng chu kỳ quy định thì công tác đánh giá khả năng làm việc, dự báo các hư hỏng 134 Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn VCM2012 không gặp khó khăn. Tuy nhiên, tình hình thực tế hoàn toàn khác. Do kinh phí tổ chức kiểm định quá lớn, nên kiểm định chỉ được thực thi khi tình trạng cầu có dấu hiệu hư hỏng nhiều, cần thiết sửa chữa ngay. Vì vậy phần lớn các cầu hoặc chưa từng được kiểm định hoặc chỉ được kiểm định một lần trong suốt thời gian cầu được xử dụng. Trên thế giới, từ 20 năm nay, xuất hiện các hệ thống đo liên tục các thông số trong điều kiện chịu tải lưu thông thực tế. Trạng thái ứng xử của cầu khi có lưu thông là dao động với các tần số phụ thuộc vào tình trạng lưu thông. Tuy rằng không thể xác định giá trị tải trong thật, nhưng việc nắm bắt các thông số dao động thực của cầu cho phép hình dung các ứng xử của toàn bộ cơ hệ và từ đó suy ra tình trạng “sức khỏe” của nó. Ý tưởng dùng các số liệu đo dao động thực tế của các bộ phận để góp phần giải tỏa khó khăn cho công tác quản lý về việc thiếu thông tin đo đạt, đây là cơ sở hình thành dự án thử nghiệm tổ chức đo dao động thực tế [6] trên một số khá lớn tại thành phố Hồ Chí Minh được thực hiện từ tháng 10 năm 2011 đến nay. Mục tiêu của Dự án thử nghiệm nhằm đắnh giá: - Khả năng tổ chức đo thường xuyên dao động thực của đa số cầu trong mang lưới cầu thuộc thành phố Hồ Chí Minh. - Khả năng các số liệu thu thập được cho phép đánh giá sơ bộ mức độ không hoàn thiện của kết cấu, phân loại tình trạng cầu nhằm phục vụ cho công tác lập kế hoạch duy tu của đơn vị quản lý. 2. Cơ sở lý thuyết 2.1. Lý thuyết cơ học Với chiều dài đáng kể so với bề rộng các nhịp hay các trụ thường được mô hình dạng thanh với trạng thái chịu lực chủ yếu là uốn ngang phẳng. Khi này ta coi nhịp tương ứng vơi mô hình dầm. Hình 1: Dầm đơn chịu tải trọng tĩnh Trong trường hợp mô hình như trên (H.1), nếu P là lực tĩnh thì độ võng và biến dạng kéo lớn nhất lần lượt cho bởi các công thức sau [6]: 2 2 2 2 2 0 6 2 6 Pbz l z b z a EJl y Pa l z lz z a a z l EJl (1) Trong đó: y : Độ võng của dẩm. EJ : Độ cứng chống uốn. E : Modun đàn hồi. P : Tải trọng trên dầm. J : Moment quán tính diện tích đối với trục quán tính chính trùng với phương trục x. Biến dạng tại vị trí lớn nhất được xác định bởi [6] : max ,max max x k M h EJ (2) Trong đó: max x M : Moment uốn có giá trị lớn nhất max h : Khoảng cách từ trục trung hòa đến biên tiết diện, trong vùng kéo. Hình 2: Dầm đơn chịu tải trọng di chuyển với vận tốc v di chuyển dọc theo thanh dầm. Nếu P di chuyển với vận tốc v dọc theo chiều dài dầm (H.2) thì dao động cưỡng bức của dầm [7]. 3 2 2 2 2 2 2 2 1 4 2 2 3 2 3 2 2 2 2 2 1 sin 2 sin sin 2 sin i i i i i x gPl i x l y l A i i a v l i x gPl v i at l A a l i i a v l (3) Với: :Khối lượng riêng trên đơn vị thể tích. A :Diện tích tiết diện mặt cắt ngang. Và: EJ a A Hình 3: Dầm đơn chịu tải trọng biến thiên điều hoà, di chuyển với vận tốc v dọc theo thanh dầm. Trong trường hợp (H.3) và P là lực biến thiên với P= P 0 .cosωt và di chuyển với vận tốc v thì dao động cưỡng bức của dầm theo [7]. l v P z y x z y v l P=P 0 .cos ( ωt ) x P b a l y x z Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 135 Mã bài: 34 3 4 2 2 4 4 1 2 2 2 2 3 2 2 4 2 2 2 2 2 2 2 2 1 sin sin sin sin sin sin i i i i i v i v t t Pl i x l l y lEJ i i i i i at i at Pl i x l l l iEJ i i i i (4) Trong đó: vl a ; 2 ; 2 2 l a ; 1 l v ; 2 2 Dao động tự do không giảm chấn của dầm tựa đơn có dạng: 1 sin cos sin i i i i i i i z y C p t D p t l (5) Trong đó: i C ; i D : là các hằng số. i p : là tần số riêng thứ i 2 i i EJ p l A (6) Ứng xử thực tế của nhịp cầu có thể mô phỏng bởi dần chịu uốn ngang phẳng, hoặc có thể chịu uốn xoắn đồng thời hay dầm liên tục có nhiều liên kết (H.4). Khi này việc tính độ võng cũng như các tần số riêng sẽ phải thực hiện bằng các giải thuật phức tạp hơn. Hình 4: Dầm liên tục liên kết bởi các gốc tựa đơn. 2.2. Lý thuyết xử lý số liệu Theo định lý Fourier,thì mọi hàm biến thiên có chu kỳ x(t), có thể thay thế bởi tổng của các hàm dạng sin (hoặc cos, hoặc tổ hợp của chúng). Trong Kỹ thuật, ý tưởng này được áp dụng, để biểu hiện gần đúng cho các hàm x(t) bất kỳ [8,11,12]: 1 1 1 ( ) cos cos i i i x t A t A t (7) Mỗi hạng thức trong (7) gọi là 1 hài. Trong đó: i A - là biên độ của hài thứ i i - tần số của hài thứ i i - góc lệch pha của hài thứ i Phép phân tích Fourier thuận thường được biểu diễn ở dạng: 1 2 i t X x t e dt (8) X được gọi là hàm phổ của x t Khi phân tích một biến ngẫu nhiên, người ta thường thông qua hàm tự tương quan x R [8]. . . x R E x t x t E x t x t (9) Khi đó: . x R x t x t p t dt (10) Nếu biến ngẫu nhiên thỏa mãn điều kiện thì: ( ) 0 x t dt Khi t thì ( ) 0 x R t Hàm phổ cuả x R được ký hiệu x S [8]: 1 ( ) 2 i t x x S R t e dt (11) Với x S được gọi là phổ mật độ công suất. 3. Nội dung thực hiện. 3.1. Thử nghiệm về khả năng triển khai tổ chức đo. Để đo thường xuyên toàn thể (hoặc gần như vậy) các cầu trong mang lưới quản lý trở thành một biện pháp trong quy trình quản lý tình trạng của chúng thì cần xem xét các vấn đề sau: - Khả năng thực thi trong điều kiện thực tiễn. - Mức độ ích lợi của các thông tin từ số liệu đo đem lại để phục vụ cho công tác quản lý. 3.1.1 Các yêu cầu về điều kiện tổ chức. - Thao tác thu thập số liệu không cản trở lưu thong. Yêu cầu này sẽ đáp ứng nếu quá trình đo không đòi hỏi lắp đặt các dàn giáo, không sử dụng các thiết bị cồng kềnh. - Kinh phí thực hiện giới hạn, để thỏa mãn điều kiện này cần giải quyết hai khâu: Thiết bị: khả năng chủ động về số lượng và về công tác bảo trì, khả năng vận chuyển, di chuyển gọn nhẹ, dễ xử dụng, quy trình thu thập và lưu trữ dơn giản và tin cậy. Số lượng nhân sự thự thi ít, tốc độ thao tác cao. 3.1.2 Yêu cầu khối lượng thực thi để kiểm chứng. - Số lượng cầu: 37, các cầu được chỉ định hoàn toàn ngẫu nhiên, tập trung ở các khu vực quận 2, 9, Thủ Đức. - Thông số đo: biến dạng, gia tốc dao động. - Các bộ phận được đo: Về biến dạng mỗi cầu một nhịp, tại mỗi nhịp và là 4 điểm đo (H.6a ), thông thường sẽ chọn nhịp đầu tiên để tiện cho việc lắp đặt thiết bị và thao tác đo đạc. Đối với dao động, tất cả các nhịp có vị trí điểm đặt thiết bị đo ngay tại điểm giữa của nhịp và đo theo 2 phương (x,z), tất cả các trụ, mố, gối đều đo theo 3 phương (x,y,z) (H 6.b). 136 Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn VCM2012 - Số lượt đo: 4 lượt với tiến độ thực hiện như sau (H.5). Hình 5: Tiến độ thực hiện dự án đo 37 cầu của SGTVT Tp HCM do phòng thí nghiệm Cơ Học Ứng Dụng thực hiện. - Tổng các đối tượng đo: 170 trụ, 205 nhịp, 60 gối. tổng số điểm đo 1 đợt là 1386 điểm đo giao động và 165 điểm đo biến dạng (a) (b) Hình 6a, Sơ đồ bố trí vị trí đo biến dạng thực tế. 6b, Sơ đồ bố trí vị trí đo dao động thực tế. 3.2. Thiết bị 3.2.1 Thiết bị đo biến dạng. Cảm biến (sensor) dùng để đo biến dạng là cảm biến biến dạng điện trở dây (H.7). Hình 7: Cảm biến điện trở dây. Dùng cảm biến điện trở dây trực tiếp để đo biến dạng của cầu, ta sẽ gặp các khó khăn như sau: - Thao tác gắn khó khăn, mất nhiều thời gian, khó đảm bảo khối lượng công việc. - Tín hiệu đầu ra bé. - Tuổi thọ ngắn nên mỗi lần đo cần phải tổ chắc gắn cảm biến mới Được thử nghiệm bao gồm 4 lần đo kéo dài gần 1 năm với 148 vị trí gắn cảm biến. Để giải quyết tốc độ thao tác, chuẩn lượng hệ thống đo, tính kinh tế, chúng tôi đã đề xuất quy trình chế tạo cảm biến như sau: - Cảm biến sẽ bao gồm cảm biến biến dạng điện trở dây gắn trên tấm đế mỏng. Cảm biến này được nối với mặt cải thiện, toàn bộ 2 bộ phận này sẽ được gắn cố định tại vị trí đo ở cầu (H.8)(H.9). Hình 8: Sơ đồ thiết bị đo biến dạng được gắn cố định tại vị trí đo ở cầu. Hình 9: Sơ đồ cảm biến được gắn thực tế tại cầu. Thao tác chuẩn hóa gồm 2 giai đoạn: Chuẩn hóa riêng cảm biến (cảm biến điện trở dây và đế). Chuẩn hóa toàn hệ thống bao gồm cụm thu nhận tín hiệu. Độ sai số tối ta với toàn bộ hệ thống được đảm bảo có phương sai dưới 1% trong điều kiện phòng thí nghiệm. P3500 vs 64K y = 497.22x R 2 = 1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 64K_2 P3500_2 (Nhôm) Lượt đi Linear (Lượt đi) Hình 10: Đường hồi quy của quá trình chuẩn hóa của một hệ thống đo biến dạng M76. Bảng 1: Phương sai của hệ thống M76. Hình 11: Cảm biến và bộ cải thiện sau khi chuẩn hóa. Hình 12: Sơ đồ thu nhận và xử lý số liệu biến dang. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 137 Mã bài: 34 Hình 13: Quy trình thu nhận và xử lý tín hiệu biến dạng thực tế. Bộ thu nhận tín hiệu có các đặc điểm sau: - Tổng số kênh lấy mẫu: 64 kênh - Tần số lấy mẫu: 4kHz - Cấu hình : ¼, ½ cầu Wheatstone, có tích hợp datalogger, thu nhận tín hiệu đồng thời nhiều kênh… - Lưu file số liệu tự động. 3.2.2 Thiết bị đo dao động. Hình 14: cảm biến và bộ thu thập tín hiệu dao động. Cảm biến dùng để đo dao động là cảm biến gia tốc. Hệ thống đo dao động này cũng có các đặc tính sau: - Số kênh lấy mẫu: 4 - Tần số lấy mẫu: từ 1 đến 5kHz - Sử dụng phần mềm ACC - Thu nhận tín hiệu 4 kênh, giao tiếp trực tiếp với máy tính, điều khiển và thu nhận tín hiệu đồng thời, có khả năng đo theo cả 3 phương x, y, z. - Hiện đồ thị dao động, biểu điễn tín hiệu theo thời gian, phân tích phổ theo tần số. - Lưu file số liệu tự động. Hình 15: Sơ đồ thu nhận và xử lý tín hiệu dao động. Toàn bộ quy trình chế tạo, lắp ráp và chuẩn hóa được đưa ra và thực thi tại phòng thí nghiệm Cơ Học Ứng Dụng trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. 3.3. Phân tích số liệu. 3.3.1 Các thông số cần xác định. Theo quy trình kiểm định thì các thông số biểu thị ứng xử khi chịu tải trọng cần được xác định bao gồm như bảng 2: Bảng 2: Các thông số theo quy trình Kiểm định (*) : Tải trọng theo quy định . (**): Dao động tự do. Trong nghiên cứu này các tín hiệu đo thu thập trong điều kiện lưu thông thực tế, do vậy trạng thái ứng xử của cầu luôn là trạng thái động, và các tải trọng của các phương tiện trên cầu tại thời điểm thu thập số liệu hoàn toàn không xác định được. Trạng thái dao động của cầu là ngẫu nhiên, có lúc là dao động tự do, nhưng đa số thời gian là dao động cưỡng bức phức tạp. Một trong các mục tiêu khảo sát là đánh giá khả năng xác định các thông số động được quy định trong quy trình kiểm định từ các số liệu thu được trong điều kiện đo ngẫu nhiên. Trên bảng 3 cho các thong số cần xác định nêu trong Kiểm định và khả năng đặc điểm xác định chúng trong điều kiện thực tế. Bảng 3: So sánh các thông số khảo sát. Trong các thông số trên thì tần số riêng có thể coi là đại lượng không phu thuộc vào lưu lượng giao thông, nên sự thay đổi giá trị của nó thể hiện cho sự thay đổi cơ tính, cũng như các điều kiện liên kết của cơ hệ. Các thông số khác thì phụ thuộc vào lưu lượng giao thông, điều này cho biết ứng xử thực tế của cầu do đó không thể dùng để làm thông số đặc trưng cho thông số cơ bản biểu thị khả năng chịu lực của cầu. - Biểu thị kết quả đo của các thông số phụ thuộc lưu lượng giao thông. Như (H.16) là đồ thị thu được từ một đoạn tín hiệu tắn dần, hệ số xung kích dùng để đánh giá khả năng giảm chấn của cầu, được đánh giá theo công thức (12) 1 1 tinh tinh i dong (12) 138 Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn VCM2012 Với: là giá trị đo. Hình 16: Đồ thị từ thời điểm bắt đầu tắt dần của số liệu đo thực tế tại cầu Bến Nọc. Trên bảng 5 là giá trị tính của 9 mẫu số liệu thu được khi dao động ở trạng thái suy giảm. Đối với biến dạng, đáp ứng của cản biến biến dạng khá chậm, vì vậy trong điều kiện xe lưu thông liên tục thì đồ thị có dạng dao động, song chứa thông tin tần số thấp (H.17a), trong trường hợp chỉ có một xe đi qua thì đồ thị có dạng (H.17b). (a) (b) NUT 3 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 350 (c) Hình 17a: đồ thị biến dạng khi có nhiều xe lưu thông tại cầu Mỹ Thủy 2 17b: đồ thị biến dạng khi có một xe lưu thông tại cầu Làng. 17c: Đồ thị biến dạng của cầu Sài Gòn. Các thông số phụ thuộc lưu lượng giao thông được thể hiện bởi 2 yếu tố: giá trị lớn nhất và biểu đồ phân bố tần suất. Điều kiện được gọi là an toàn nếu giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. max A A (13) Trong đó: A được gọi là giá trị cho phép, các giá trị này được cho bởi văn bản quy định của Nhà nước – Quy định kiểm định cầu [9,10]. Trong (H.18) là biểu đồ phân bố tần suất giá trị đo biến dạng trong một file đo của cầu Tăng Long. Hình 18: biểu đồ phân bố giá trị biến dạng có tồn tại các giá trị vượt quá giới hạn cho phép. Với: Plim : tỉ lệ phần trăm (%) các giá trị vượt ngưỡng P : xác suất xuất hiện các giá trị vượt ngưỡng. Các biểu thị này cho phép đánh giá mức độ an toàn phù hợp hơn so với sử dụng công thức (12) - Biểu thị kết quả đo của các thông số không phụ thuộc lưu lượng giao thông. Trong các thông số trong Bảng 3 thì về mặt lý thuyết chỉ có tần số riêng không phụ thuộc vào trạng thái lưu thông. Trên bảng 4 là tần số riêng nhịp dầm bê tông thứ 15 của cầu Sài Gòn qua một lần kiểm định vào năm 2011 và 4 đợt kiểm tra thuộc dự án vào năm 2012: Bảng 4: So sánh giá trị tần số riêng của nhịp 15 tại cầu Sài Gòn qua các lần đo. Theo quy định thì công trình cầu được coi là an toàn nếu chúng tuần theo các điều kiện sau: - Biến dạng < [biến dạng cho phép] ( phụ thuộc vào vật liệu của đối tượng). - Độ võng 1 1000 L với L là chiều dài của nhịp. - Tần số riêng nằm ngoài khoảng 3,3 th f - Hệ số xung kích < 1,3 - Biên độ dao động < 7 mm 3.3.2 Đề xuất phương pháp thống kê. Giá trị của các thông số được xác định theo quy trình Kiểm định chỉ có 1, tuy nhiên trong điều kiện lưu thông thực thế thì các giá trị này phân tán trong một lần đo và trong các lần đo khác nhau. Vì vậy chúng tôi đề xuất phương án biểu thị chúng theo phương pháp thống kê bởi các biểu đồ phân bố tần xuất. Trên (H.19a) và (H.19b) là biều đồ phân bố tần xuất các giá trị biến dạng và biều đồ phân bố tần số. dong tinh Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 139 Mã bài: 34 (a) (b) Hình 19(a): biểu đồ phân bố tần suất giá trị biến dạng (b): biểu đồ phân bố tần suất giá trị tần số 4. Kết quả. Sau 4 đợt đo tại 37 cầu chúng tôi có các kết quả sau: 4.1. Biến dạng. Giá trị biến dạng lớn nhất ở phần lớn điểm đo nằm dưới giá trị cho phép. Trên (H. 20) là biên độ phân bố tần suất. Hình 20: Biểu đồ phân bố các giá trị biến dạng tại cầu Tăng Long. Trên hình, đường thẳng được tô đậm phía bên phải biểu thị giá trị biến dạng cho phép tối đa. Các trường hợp có giá trị của biến dạng lớn nhất với giá trị cho phép xảy ra không đáng kể, dựa vào biểu đồ thì tần suất xuất hiện của các trường hợp này rất nhỏ. 4.2. Biên độ dao động. Biên độ của tất cả các bộ phận bao gồm nhịp, trụ, mố, gối đều nằm trong khoảng [0.5,5] mm, nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị cho phép [biên độ]= 7mm. Hình 21: biểu đồ phân bố các giá trị biên độ dao động với trục x thể hiện độ lớn của biên độ và trục y thể hiện xác suất suất hiện của các giá trị. 4.3. Hệ số xung kích. Giá trị của hệ số xung kích dao động của các nhịp của tất cả các cầu đều nằm trong khoảng [1.01,1.47] cũng nhỏ hơn so với mức giá trị cho phép. Bảng 5: giá trị hsxk tính được từ các đoạn giảm chấn khác nhau của đồ thị tín hiệu của (H.17) 4.4. Tần số riêng. Quy trình kiểm định đưa ra phương pháp xác định tần số riêng thấp nhất bởi tín hiệu dao động tự do. Phổ công suất tín hiệu lúc này có dạng như (H.23). Hình 22: (a) Tín hiệu dao động. (b) Phổ công suất thực tế. Theo phổ này cho phép xác định tần số riêng thấp nhất. Trên (H.23) là phổ công suất xây dựng từ tín hiệu dao động thực tế đo tại nhịp 15 của cầu Sài Gòn. Hình 23: Phổ công suất của 1 file tại nhịp 15 của cầu Sài Gòn. Theo phổ này cho thấy sự hiện diện của 3 tần số riêng. (H.24) là phổ công suất thống kê từ 10 file dữ liệu tại nhịp 15 của cầu Sài Gòn. Hình 24: Phổ công suất của 10 file dữ liệu tại nhịp 15 của cầu Sài Gòn. 4.5. Đề xuất phương pháp đánh giá tình trạng cầu. 4.5.1 Một số đặc điểm về tần số riêng thu được từ tín hiệu ngẫu nhiên: - Số lượng các tần số riêng thấp nhất xác định được có thể lớn hơn 1, các nhịp của các cầu vượt có 4 tần số riêng, nhịp cầu Sài Gòn có 3 tần số riêng. Một số cầu, tùy vào thời điểm lưu thông trong lúc thu thập các số liệu mà số tần số riêng có thể xác định được là 1 hoặc 2. - Tần số riêng tập trung vào các nhóm: 1. Nhóm cầu bê tông dự ứng lực. (a) (b) 140 Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn VCM2012 2. Nhóm cầu thép, bê tông liên hợp thép. 3. Nhóm cầu vượt. 4. Nhóm trụ. - Giá trị thu được của các tần số qua mỗi đợt đo có thể xê dịch, tuy nhiên chúng được lập lại qua các lần đo khác nhau, điều này lý giải bởi sự khác biệt về tải trọng tại các thời điểm thu nhận số liệu. - Tỉ lệ giá trị giữa các tần số kề nhau cho thấy trại thái chịu lực của nhịp có thể không uốn thuần túy trong mặt phẳng thẳng đứng của từng nhịp riêng lẻ, sự liên kết thực tế giữa chúng hay trạng thái uốn xoắn có thể xảy ra. - Sự phù hợp của giá trị tần số cùng phương trong mặt phẳng ngang giữa trụ và nhịp kề nhau cho thấy mức độ không cứng, vững của trụ. - Phổ công suất cho thấy miền tần số cưỡng bức, vùng này càng rộng khi lượng giao thông càng lớn. 4.5.2 Cơ sở đề xuất đánh giá dựa trên các nguyên tắc sau: - Quy định do Nhà nước ban hành bao gồm hệ số xung kích lớn nhất cho phép [hsxk]= 1,3, biên độ dao động lớn nhất cho phép [bd] = 7 mm, ứng suất lớn nhất cho phép đối với từng loại cầu, tần số riêng nhỏ nhất cho phép [ z f ] = 2,2 Hz (theo tiêu chuẩn Việt Nam) hay [ z f ] = 3,3 Hz (theo tiêu chuẩn Nga) . - Với các thông số phụ thuộc vào lưu lượng giao thông, giá trị lớn nhất có thể đạt hoặc vượt quy định. Việc quy định tần suất xuất hiện của chúng là bao nhiêu còn cần nguyên cứu thêm để đề xuất. - Quan hệ giá trị tần số riêng theo 3 phương (x, y, z) của nhịp đặc biệt giữa phương thẳng đứng (z) và phương ngang (x), giữa các phương của nhịp với các phương trong mặt phẳng nằm ngang (x, y) của trụ: đối với nhịp tần số theo phương z ( z f ) và tần số theo phương x ( x f ) là dấu hiệu của uống xoắn. Trong trường hợp z f bé thì nguy cơ xảy ra mất ổn định cao. - Giá trị tần số z f của nhịp và của trụ: giá [ z f ] này càng gần giá trị thì càng nguy hiểm. Hai dạng thường tổng kết được đề xuất: a, Thể hiện các giá trị được xác định, đánh dấu sự hiện diện các giá trị nằm ngoài mức cho phép. Qua (H. 25) đối với nhóm cầu BTDUL vẫn tồn tại một số cầu nằm ngoài vùng giá trị cho phép. Tuy nhiên lại không xảy ra tình trạng này ở nhóm cầu T-LHT như hình (H 26). Hình 25: thể hiện giá trị tần số của nhóm cầu BTDUL. Hình 26: thể hiện giá trị tần số của nhóm cầu T- LHT. 4.5.3 Phân loại nhịp và trụ trên cơ sở phối hợp trên các nguyên tắc (4.5.2) nêu trên. Từ đó các nhịp và trụ phân làm 4 loại. Các đề xuất này mới được đưa ra lần đầu trên cơ sở khảo sát 37 cầu với 205 nhịp trong Dự án “thí điểm đo dao động – biến dạng công trình cầu” mà chúng tôi được tiếp cận. Việc phân loại cầu cần có thêm thời gian cũng như số lượng cầu được khảo sát nhiều hơn. Kết quả phân loại nhịp, theo phương pháp được đề xuất bên trên, đối với 37 cầu của Dự án, như trong bảng 6: Bảng 6: Thống kê và phân loại các nhịp cầu. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 141 Mã bài: 34 Đối với trụ cũng được xem xét và phân loại như trên nhằm đưa ra nhưng cảnh báo sớm về tình trạng trụ cầu. Với 170 trụ được chia thành 3 nhóm như trong bảng 7. Bảng 7: Thống kê và phân loại các trụ cầu. Mục tiêu: - Với cách phân loại này giúp các cơ quan quản lý tập trung vào các bộ phận yếu nhất, cụ thể nhất để việc kiểm tra kỹ càng hơn. Kiểm định sẽ không dàn trải. - Dự trù kế hoạch, kinh phí có cơ sở định lượng rõ ràng hơn. Trên bảng 8 là hình ảnh báo cáo của CẦU CÁ TRÊ 2 phối hợp cả số liệu đo và chỉ ra các thông số có giá trị vượt ngưỡng và phân loại các đối tượng ( đối tượng chỉ có một nhịp) Bảng 8: mẫu báo cáo cầu Cá Trê 2 5. Kết luận. - Khả năng đưa biện pháp đo dao động thực tế theo định kỳ để kiểm soát tình trạng của toàn bộ hệ thống cầu được minh chứng khả thi thông qua việc tổ chức đo 4 lần trong vòng 8 tháng với tổng số 37 cây cầu. Khả năng này được đảm bảo bởi các biện pháp công nghệ cho phép chủ động về mặt thiết bị đo. - So với số liệu cung cấp bởi kiểm định về tình trạng động thì số liệu thu được trong đợt thử nghiệm này phong phú hơn nhiều ( bảng 9). Khả năng quan sát đồng bộ mọi chi tiết cầu cho phép đánh giá các liên kết, trạng thái chịu lực liên hợp. - Biện pháp đo dao động thực tế cho phép cập nhật thường xuyên thông tin toàn bộ các cầu, khắc phục hiện tượng khan hiếm thông tin hiện tại bởi sự hạn chế về mặt kinh phí. - Bước đầu khai thác các số liệu, nhóm nguyên cứu đề xuất phương án phân loại các chi tiết chủ yếu ( nhịp, trụ) hỗ trợ công tác quản lý của các đơn vị chức năng. - Kết quả phân loại chi tiết đang được sở GTVT- Tp HCM xem xét ứng dụng thử nghiệm, tuy nhiên công việc này cần thời gian lâu dài để hoàn thiện hơn. Bảng 9: so sánh thông tin Kiểm định và đo dao động thực tế. 6. Tài liệu tham khảo. [1] Van Thai Tran, Van An Huynh, Tuong Long Nguyen,Solution for The Steel Bridge in Mekong Delta River, Ho Chi Minh University of Technoloy, Viet Nam [2] Quy hoạch tổng thể các vùng kinh tế trọng điểm, Bộ Kế Hoạch và Đầu Tư [3] Quy trình về kiểm định 22TCVN 18-79 142 Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Quang Thành, Phạm Bảo Toàn, Đặng Anh Tuấn VCM2012 [4] Quy trình về kiểm định 22TCVN – 272 - 01 [5] Quy trình về kiểm định 22TCVN – 272 – 05 [6] Ngô Kiều Nhi, Đề xuất phương án bổ sung số liệu đo và quy trình phân loại sơ bộ cầu, báo cáo hội thảo cầu, Sở Giao Thông Vận Tải, Tp Hồ Chí Minh, 12/2011 [7] Timoshenko.S, Vibration Problems In engineering, “Hayka” (nhà xuất bản Nga),1967 [8] D.E.Newland, An introduction to Random Vibrations and Spectral analysis, second edition, Copublished in the United States with John Wiley & Sons, Inc., New York. [9] Quy trình về kiểm định 22TCVN 243-98. [10] Quy định thử nghiệm cầu 22TCVN 170-87. [11] Phạm Thượng Hàn, Xử lý số tín hiệu và ứng dụng, NXB Giáo Dục -2007 [12] Christian Lalanne, Mechanical Vibration & Shock Randon Vibration, volume III, Inc. 1999. 7. Lời cảm ơn. Nhóm nghiên cứu cám ơn Sở GTVT- Tp HCM đã tài trợ cho dự án thí điểm đưa biện pháp đo dao động thực tế để bổ sung thông tin phục vụ quản lý mạng lưới cầu. Ngô Kiều Nhi nhận bằng kỹ sư thạc sĩ chuyên ngành Động lực học và Sức bền máy, bằng tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Nguyên lý máy tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Kharkov, Liên Xô. 1970- 1974 – là cán bộ giảng dạy của trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.Từ 1975 đến nay là cán bộ giảng dạy của trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Năm 2004- được nhận chức danh Giáo sư. Năm 2006 được nhận danh hiệu Nhà Giáo Nhân Dân. Là trưởng phòng PTN CHUD trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM từ 1993 đến nay. Hướng nghiên cứu chính :Theo dõi và chẩn đoán tình trạng máy móc, kết cấu công trình;Kỹ thuật đo lường, cân bằng và thiết kế chế tạo thiết bị đo, máy cân bằng; Động lực học và điều khiển máy ,thiết kế chế tạo bộ điều khiển CNC nhiều bậc tự do và các thiết bị tự động trên nền bộ CNC được chế tạo. Đã nhận được các giải thưởng lớn: giải “Kovalevskaia”, năm 2002 , giải thưởng Khoa học Công nghệ Việt nam “Nghiên cứu chế tạo các thiết bị đo lường để phục vụ sản xuất” của Chủ tịch nước khen tặng, năm 2005. Phạm Bảo Toàn sinh năm 1986. Nhận bằng thạc sỹ Cơ học kỹ thuật năm 2012 tại trường Đại Học Bách Khoa Tp. HCM về nghiên cứu dao động cấu trúc, thu thập và xử lý tín hiệu. Hiện là nghiên cứu viên của bộ môn Cơ Kỹ Thuật (DEM) và PTN CHUD trường Đại Học Bách Khoa Tp. HCM. Hướng nghiên cứu chính: Các phương pháp khai thác dữ liệu (data mining) trong việc theo dõi tình trạng và phát hiện sớm hư hỏng của máy móc và cấu trúc. Nguyễn Quang Thành sinh năm 1988. Nhận bằng kỹ sư ngành Cơ Học Kỹ Thuật năm 2011 tại trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh về tính toán – mô phỏng – tối ưu tháp truyền hình. Hiện tại đang làm nghiên cứu tại PTN Cơ Học Ứng Dụng của trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Hướng nghiên cứu chính là nhận biết khuyết tật thông qua việc nhận dạng và xử lý các tín hiệu đo ngẫu nhiên nhằm phục vụ cho công tác đánh giá trình trạng cầu. . - Lưu file số liệu tự động. 3.2.2 Thiết bị đo dao động. Hình 14: cảm biến và bộ thu thập tín hiệu dao động. Cảm biến dùng để đo dao động là cảm biến gia tốc. Hệ thống đo dao động này cũng. Tuấn VCM2 012 Với: là giá trị đo. Hình 16: Đồ thị từ thời điểm bắt đầu tắt dần của số liệu đo thực tế tại cầu Bến Nọc. Trên bảng 5 là giá trị tính của 9 mẫu số liệu thu được khi dao động. tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 133 Mã bài: 34 Khả Năng Sử Dụng Số Liệu Đo Dao Động Thực Tế Trong Công Tác Quản Lý Kỹ Thuật Hệ Thống Cầu Ability to Use Data Actual