Nghiên cứu thiết kế hệ thống GPS quan trắc liên tục cầu hệ dây

1 MỞ ĐẦU Việt Nam nước phát triển, cở sở hạ tầng đầu tư xây dựng nhiều khoảng 20 năm trở lại Nhiều nhà cao tầng, nhiều cầu lớn, hầm lớn, công trình đường sắt cao, cơng trình ngầm xây dựng liên tục Việt Nam cố gắng để bắt nhịp với giới công nghệ xây dựng, công nghệ vật liệu, công nghệ giám sát đảm bảo cơng trình q trình xây dựng trình sử dụng Ở nước phát triển, việc xây dựng sở hạ tầng gần hồn thiện nên cơng tác theo dõi, quan trắc, bảo trì bảo dưỡng cơng trình quan tâm nhiều Với nhu cầu phát triển tất yếu, sau thời gian dài tập trung vào công nghệ xây dựng, Việt nam bắt đầu quan tâm đến công tác quan trắc cơng trình, đặc biệt cơng trình lớn có kết cấu mềm dẻo, độ cứng nhỏ, nhạy cảm với điều kiện tải trọng, môi trường, thời tiết cầu dây văng, dây võng…Ngày 10 tháng năm 2012 Bộ Giao thông Vận tải công văn số 2727/BGTVT - KCHT công tác quản lý, khai thác bảo trì cầu hệ dây quy định rõ “Bắt buộc tất cơng trình cầu dạng dây treo phải lắp đặt hệ thống quan trắc nhằm theo dõi tình trạng cầu cảnh báo nguy tiềm ẩn xảy cho cơng trình” Hệ thống quan trắc quan tâm ứng dụng thi công khai thác cầu dây Việt Nam từ năm 2006 cầu Bãi cháy, cầu Rạch Miễu đến có thêm cầu Bính, cầu Trần Thị Lý, cầu Cần Thơ, cầu Nhật Tân Hầu hết hệ thống hãng nước lắp đặt Kết hệ thống quan trắc sử dụng cho nhiều mục đích khác lập kế hoạch tu bảo dưỡng, cảnh báo ngừng giao thông kịp thời trường hợp nguy hiểm, kiểm tra lại thiết kế từ số liệu thực tế Trong giá trị quan trắc hệ thống, chuyển vị tổng thể đóng vai trò quan trọng đánh giá tình trạng cầu hệ dây Để đo chuyển vị tổng thể có cơng nghệ GPS - RTK đáp ứng độ xác yêu cầu Ngoài ra, cảm biến đo chuyển vị khác đo chuyển vị cục Để góp phần làm chủ hệ thống quan trắc thiết kế, em xin lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống GPS quan trắc liên tục cầu hệ dây” CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG GPS TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU HỆ DÂY 1.1 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG GPS TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU HỆ DÂY TRÊN THẾ GIỚI Tại nước phát triển Mỹ, Nhật, Canada, thiết bị đo hệ thống quan trắc đơn vị thi công lắp đặt từ giai đoạn xây lắp liên tục thu thập truyền số liệu hệ thống xử lý trung tâm Sau hồn thành cơng trình, thiết bị bàn giao lại cho đội ngũ quản lí vận hành q trình khai thác cầu Hệ thống tiếp tục hoạt động ghi lại liệu giai đoạn Nhờ có sở liệu đầy đủ liên tục cập nhật, người quản lý cầu nắm xác giá trị lực căng dây văng, độ võng, độ biến dạng, độ nghiêng trụ tháp, tốc độ gió v.v…tại thời điểm Đã có khoảng 40 cầu lớn (nhịp từ 100m trở lên) giới trang bị hệ thống quan trắc ứng dụng công nghệ GPS - RTK cầu Sutong, cầu Tsing Ma, cầu KapshuiMun, cầu Ting Kau, cầu Stonecutters… Ngồi ra, có số cầu khác + Hệ thống quan trắc cầu Stonecutters (Hồng Kơng) Hình 1.1: Cầu dây văng Stonecutters (Hồng Kơng) Cầu Stonecutters (Hồng Kơng) có nhịp dài giới (L = 1018m), trang bị hệ thống SHM đại, thiết kế hãng COWI Sự đại công nghệ cảm biến thu nhận liệu làm tăng tính khả thi kinh tế - kỹ thuật chương trình quan trắc kết cấu mơi trường kiểm sốt từ xa Các tham số mơi trường gió, nhiệt độ, độ ẩm tương đối quan trắc hệ thống Các tham số kết cấu quan trắc cảm biến đo biến dạng, đo gia tốc, đo chuyển vị đầu thu GPS Đầu thu GPS sử dụng để đo chuyển vị trụ tháp cầu bất thường xảy cầu với độ xác 1mm [6] Hình 1.2: Bố trí cảm biến đo GPS cầu Stonecutters + Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản) Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản) cầu treo dây võng giữ kỷ lục độ nhịp lớn (L = 1999m) Hình 1.3: Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản) Hệ thống GPS lắp đặt mố neo 1A, trụ tháp 2P nhịp Tọa độ mố neo 1A xem điểm gốc (OPT - Original Point Terminal) điểm đo chuyển vị khác (MPT - Measure Point Terminal) tính tốn theo phương dọc, thẳng đứng phương ngang cầu Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống quan trắc cầu Akashi Kaikyo bằngGPS [8] + Cầu Tsing Ma (Hồng Kông) Cầu Tsing Ma cầu treo dây võng dài giới, vừa dùng cho đường vừa dùng cho đường sắt Cầu có dạng dầm kép với đường ô tô cao tốc chạy đường sắt chạy phía Về mặt kết cấu, mặt cắt ngang dầm cầu có dạng kết hợp kết cấu dàn kết cấu dầm hộp (hình 1.5) Hình 1.5: Cầu Tsing Ma (Hong Kong) Hệ thống quan trắc bao gồm: Các cảm biến đo gia tốc, đo biến dạng, đo chuyển vị, đo cao độ, đo gió, đo nhiệt độ,…được lắp đặt cố định cầu hệ thống thu thập liệu, hệ thống xử lý số liệu Trên cầu bố trí 110 cảm biến để đo biến dạng phận kết cấu, GPS lắp đặt đỉnh tháp, ½ dầm chủ, ¼ dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị cầu (hình 1.6) Hình 1.6: Sơ đồ bố trí cảm biến biến dạng cầu Tsing Ma [9] + Cầu Neva (LB Nga) Như phần thiết kế, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc cầu treo dây văng Neva thực chi tiết Hình 1.7: Cầu Neva Nga Nghiên cứu bao gồm việc đánh giá rủi ro giai đoạn xây dựng giai đoạn khai thác Thiết kế hệ thống đảm bảo tiêu chí dễ dàng sử dụng, bảo dưỡng, nâng cấp mở rộng sau Hình 1.8: Bố trí cảm biến đo cầu Neva [7] Hệ thống quan trắc cầu Neva cung cấp thông tin quan trắc theo thời gian điều kiện thực tế trạng thái kết cấu cầu trình xây dựng Việc đo chuyển vị theo phương đứng phương ngang dầm chủ GPS giúp điều chỉnh hướng gió mặt cắt dầm chủ trình xây dựng (hình 1.8) + Cầu Sutong (Trung Quốc) Cầu Sutong cầu treo dây văng có nhịp lớn giới dài 1088m, trụ tháp bê tông cốt thép cao 330m bắc qua sơng Yangtze, tỉnh Jiangsu, Trung Quốc Hình 1.9: Cầu Sutong (Trung Quốc) Hệ thống quan trắc cầu Sutong gồm phần: + Hệ thống đo đạc thực chức đo đạc, thu nhận truyền liệu; + Hệ thống xử lý, quản lý liệu đo thực chức xử lý, quản lý liệu đo thực phân tích tổng hợp Các cảm biến đo lắp đặt cố định cầu, GPS lắp đặt đỉnh trụ tháp dầm chủ để xác định giá trị chuyển vị cầu theo phương dọc cầu, phương ngang cầu phương thẳng đứng (hình 1.10) Hình 1.10: Sơ đồ bố trí cảm biến GPS cầu Sutong 1.2 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG GPS TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU HỆ DÂY Ở VIỆT NAM Ở Việt Nam, có khoảng 10 cầu dây văng dây võng xây dựng có khoảng nửa số lắp hệ thống quan trắc là: cầu Bính, cầu Rạch Miễu, cầu Bãi Cháy, cầu Nhật Tân, cầu Cần Thơ, cầu Trần Thị Lý Trong ba cầu có hệ thống GPS giới thiệu + Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ Cầu Cần Thơ cầu dây văng hai mặt phẳng dây Cầu nối liền tỉnh Vĩnh Long Cần Thơ Cầu Cần Thơ có chiều rộng 23.1m, chiều dài 15.850m, có 216 dây văng, nhịp dài 550m, trụ tháp cao 164.8m Hình 1.11: Cầu Cần Thơ Hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ nhà thầu Nhật Bản thiết kế lắp đặt GPS lắp vị trí cầu có trạm base nhà điều hành Hình 1.12: Sơ đồ đo GPS tổng thể Cầu Cần Thơ [2] Đây hệ thống SHM đầy đủ đại số Việt Nam + Hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý Cầu Trần Thị Lý nằm thành phố Đà Nẵng, cầu dây văng với nhịp trải dài bắt ngang qua sông Hàn, nối liền quận Hải Châu, quận Sơn Trà Quận Ngũ Hành Sơn Cầu có tổng chiều dài 731m, nhịp nhịp dây văng dài 230m, bố trí mặt phẳng dây neo với kết cấu nhịp dải phân cách, trụ tháp có mặt cắt ngang dạng hình chữ V bê tông cốt thép, nghiêng 12 độ phía Tây cầu với chiều cao 145m Hình 1.13: Phối cảnh cầu Trần Thị Lý Bố trí thiết bị quan trắc hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý (hình 1.16) Trong đó, hệ thống GPS gồm có trạm rover lắp đặt đỉnh trụ tháp để đo chuyển vị (theo phương dọc cầu, phương ngang cầu phương thẳng đứng) cầu có trạm base Hình 1.14: Bố trí thiết bị quan trắc cầu Trần Thị Lý [3] + Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân Cầu Nhật Tân có kết cấu nhịp cầu theo dạng cầu dây văng nhiều nhịp với trụ tháp hình thoi nhịp dây văng, bắt đầu phường Phú Thượng, quận Tây Hồ đến điểm cuối giao với quốc lộ km 7+100, xã Vĩnh Ngọc huyện Đông Anh (Hà Nội) Mặt cầu rộng 33.2m, cầu dài 3.9km có đường dẫn 4.5km, phần cầu qua sơng dài 1.5km Hình 1.15: Phối cảnh cầu Nhật Tân Hệ thống quan trắc cầu Nhật Tân VSL thiết kế lắp đặt Trong có 13 vị trí cầu lắp đặt GPS trạm base ngồi cầu Đây cơng trình cầu dây văng có nhiều tháp, nhiều nhịp Việt Nam nên hệ thống SHM xác định đầu tư lắp đặt q trình thi cơng cơng trình 10 Hình 1.16: Bố trí thiết bị quan trắc cầu Nhật Tân [4] Nhận xét: Từ phần tổng quan cho thấy: - Các hệ thống quan trắc cầu dây Việt Nam chuyên gia nước thiết kế lắp đặt - Có nhiều nước giới nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS - RTK hệ thống quan trắc cơng trình cầu dây Tuy nhiên nghiên cứu này, đặc biệt xử lý số liệu có quyền nên nước có cách tiếp cận hệ thống khác nhau, giao diện khác nhau, phương pháp xử lý số liệu khác - Việc điều hành khai thác hệ thống chưa quan tâm, hệ thống khơng đầu tư lắp đặt hồn thiện, q trình bảo hành, bảo trì khơng đầy đủ, thường xun, kết quan trắc không sử dụng hiệu - Vậy muốn điều hành hệ thống hoạt động cách có hiệu Việt Nam phải có chun gia chuyên sâu lĩnh vực quan trắc, từ khâu thiết kế hệ thống, xử lý số liệu hệ thống, chế tạo hệ thống, quản lý điều hành hệ thống CHƯƠNG 12 2.2 HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU DÂY Các cơng trình cầu Việt Nam thường đánh giá trình quan trắc định kỳ, nên liệu thu thập không phù hợp với điều kiện thực tế, khơng thể dự đốn cảnh báo xác biến động bất thường xảy ra, không đề xuất hiệu việc tu bảo dưỡng khơng kiểm tra xác giả thiết thiết kế có phù hợp với điều kiện thực tế hay khơng Vì việc xây dựng cách thích hợp hệ thống quan trắc giúp giải vấn đề cần thiết, đặc biệt cầu dây treo kết cấu có giá trị chuyển vị lớn ảnh hưởng từ yếu tố khí, động học - Trong giai đoạn thi cơng, mục đích quan trắc là: đánh giá chất lượng thi công theo hồ sơ thiết kế, đảm bảo an tồn cho cơng trình Hệ thống quan trắc cầu dây treo cung cấp thông tin theo thời gian điều kiện thực tế trạng thái kết cấu cầu q trình xây dựng Ví dụ, việc đo đạc ứng suất, chuyển vị vị trí đặc trưng trụ tháp, dầm cầu cung cấp thông tin tính an tồn kết cấu trường hợp có gió mạnh Ngồi ra, việc đo chuyển vị theo phương đứng hay phương ngang dầm cầu giúp điều chỉnh phân đoạn đúc hay lắp ráp đốt dầm thi công - Trong giai đoạn khai thác, mục đích quan trắc là: hiệu chỉnh giả thiết tham số thiết kế, phát bất thường tải trọng tác động đáp ứng kết cấu cầu, đánh giá mức độ an toàn cơng trình, cung cấp liệu cho việc bảo trì sửa chữa cơng trình, đánh giá tính hiệu cơng tác bảo trì sửa chữa cơng trình Ưu điểm hệ thống quan trắc (Stractural Health Monitoring - SHM) đánh giá tình trạng cầu cách trực quan định lượng thông qua mối quan hệ ứng xử kết cấu dao động, chuyển vị đặc trưng Việc đánh giá không thơng qua số liệu trực quan mà thơng qua liệu thống kê, ngồi cung cấp liệu khí tượng để tham gia điều tiết giao thông Việc lắp đặt vận hành thành công hệ thống quan trắc ứng dụng cơng trình như: cầu Great Belt (Đan Mạch), cầu Confederation (Canada), cầu Tsing Ma (Hồng Kông), cầu Commodore Barry (USA), cầu Seohae (Hàn Quốc) bảng 2.1 danh sách số cầu lắp đặt hệ thống quan trắc có ứng dụng GPS hệ thống quan trắc giới 13 Bảng 2.1: Một số cơng trình cầu ứng dụng cơng nghệ GPS hệ thống quan trắc cầu dây [1] Tên cầu Tên nước L(m) Loại cảm biến Jiangying Runyang North Trung Quốc Trung Quốc 1385 1490 Sutong Trung Quốc 1088 (1); (2); (3); (4);(5),(6);(9),(10); (13) (1); (2); (3); (4);(6) (1); (2); (3); (4); (5),(6);(7); (8);(9),(10); Tsing Ma Hồng Kông - TQ 1377 Kap Shuimun Hồng Kông - TQ 430 Ting Kau Hồng kông - TQ 475 Stonecutters Hông Kông - TQ 1018 (11); (16); (18) (1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(9),(10); (12); (18) (1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(9),(10); (12); (18) (1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(9),(10); (12); (18) (1); (2); (3); (4); (5),(6); (7);(8);(9),(10); (11);(13); (18) Humen Quảng Đông - TQ 838 (3); (6); (11); (12); Zhan Jiang Bay Quảng Đông - TQ 480 (1); (2); (3); (5),(6); (9),(11); (14); (16) Akashi KaiKyo Nhật 1999 (1); (2); (3); (4);(6); (9),(14); (16); (17) Neva Nga (1); (2); (3); (4); (6); (7) Ghi chú: (1) - đo gió; (2) - Đo nhiệt độ; (3) - Đo biến dạng; (4) - Gia tốc kế; (5) Chuyển vị kế; (6) - GPS; (7) - WIM; (8) - Đo gỉ; (9) - Cảm biến từ đàn hồi; (11) - Đo độ nghiêng; (10) - Cảm biến sợi quang FOS; (12) - Đo cao độ; (13) - Trạm đo cao độ; (14) - Đo địa chấn; (15) - Đo khí áp; (16) - Đo độ ẩm; (17) - Đo mưa; (18) - Camera 2.2.1 Cấu trúc hệ thống quan trắc Một hệ thống quan trắc điển hình gồm thành phần bản: - Hệ thống cảm biến (sensors) Các cảm biến đo sử dụng hệ thống quan trắc nhằm theo dõi không tình trạng kết cấu (ứng suất, chuyển vị, gia tốc…) mà theo dõi tham số mơi trường có ảnh hưởng đến làm việc kết cấu (tốc độ gió, nhiệt độ ) - Hệ thống thu nhận liệu, truyền liệu Do có nhiều cảm biến gắn hệ thống quan trắc nên việc thu nhận liệu, truyền lưu trữ lượng lớn số liệu quan trắc phức tạp Khối thu nhận liệu có chức chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến khối đo đạc sang dạng tín hiệu điện phù hợp cho việc lưu trữ xử lý khối Trong khối thơng thường bao gồm mạch lọc tín hiệu, mạch 14 khuyếch đại mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog (tương tự) sang dạng tín hiệu số (digital) gọi tắt chuyển đổi A/D để thuận lợi cho việc lưu trữ máy tính Dữ liệu sau thu thập được, phân tích truyền nhiều cách đến với hệ thống quản lý liệu Hiện nay, việc truyền số liệu quan trắc hệ thống quan trắc thường sử dụng kết hợp mạng sau: + Mạng Lonworks: mạng sử dụng để truyền liệu từ cảm biến đo khuyếch đại tín hiệu (amplifier) tới máy tính đặt cơng trình + Mạng cục (mạng LAN): mạng sử dụng để truyền liệu thu thập máy tính đặt cơng trường tới sở liệu máy server + Mạng Internet: mạng phục vụ người sử dụng (người quản lý cầu, người thiết kế…) truy cập tới sở liệu máy chủ tìm kiếm thơng tin cần thiết tình trạng kỹ thuật cơng trình - Hệ thống xử lý số liệu Có chức lưu trữ liệu (data storage) đánh giá tình trạng cơng trình (structural health evaluation), bao gồm phần mềm chẩn đoán, đánh giá quản lý thông tin - khâu quan trọng trung tâm xử lý số liệu phân tích số liệu đo để đưa đánh giá xác khả chịu tải, độ tin cậy hệ thống 15 Hình 2.2: Sơ đồ chung hệ thống quan trắc Khi đó, thuật tốn chẩn đốn dựa phân tích mơ hình, nhận diện dạng hư hỏng, phân tích theo chuỗi thời gian… phương pháp hiệu để phát diện, vị trí, độ lớn mở rộng hư hỏng, khuyết tật kết cấu 2.2.2 Các nội dung quan trắc cầu hệ dây Cầu hệ dây ngày sử dụng rộng rãi với nhiều ưu điểm, đặc biệt khả vượt nhịp lớn, tính mỹ thuật cao, sử dụng vật liệu hiệu Tuy nhiên, kết cấu cầu hệ dây hệ thống mềm dẻo, linh hoạt, tác động cố phận kết cấu tác động tới tồn hệ thống Vì vậy, nghiên cứu nội dung quan trắc cầu hệ dây không nghiên cứu dao động riêng phận kết cấu mà phải đánh giá tổng hợp mối quan hệ hay ảnh hưởng tác động đến tồn làm việc kết cầu cơng trình cầu Các nội dung quan trắc cầu hệ dây cần phải xem xét chủ yếu dựa tính chất học đặc điểm kết cấu cơng trình cầu cần quan trắc điều kiện mơi trường nơi xây dựng cơng trình Do đó, trạng thái hình học đáp ứng tĩnh động cầu hệ dây điều kiện môi trường, điều kiện giao 16 thông xác định để quan trắc hệ thống SHM Có thể tóm tắt nội dung quan trắc bảng 2.2 Bảng 2.2: Nội dung quan trắc cầu dây văng [1] Hạng mục Đối tượng quan trắc - Đo gió Tác động môi trường - Đo nhiệt độ không khí - Đo độ ẩm tương đối khơng khí - Đo lượng mưa - Đo chấn động địa chấn - Đo nhiệt độ phận kết cấu - Đo ứng suất / biến dạng - Đo ảnh hưởng tĩnh Phản ứng kết cấu - Đo chuyển vị - Đo lực căng dây cáp - Đo độ nghiêng trụ tháp - Đo dao động - Đo độ ăn mòn Theo dõi phân tích giao thơng - Trọng lượng xe (WIM) - Theo dõi camera Tham số quan trắc - Biểu đồ gió trung bình gió giật - Đường tốc độ gió giật - Góc tới gió - Cường độ dòng gió hỗn loạn - Chiều dài thời gian gió hỗn loạn - Phổ gió hỗn loạn - Quan hệ gió đứng gió ngang - Nhiệt độ khơng khí - Sự chênh lệch nhiệt độ - Độ ẩm - Lượng mưa - Phổ gia tốc chấn động đo móng trụ tháp, hố neo cáp - Phổ đáp ứng trụ tháp, dầm chủ - Nhiệt độ dầm chủ, cột tháp, dây cáp - Nhiệt độ mặt đường - Phân bố ứng suất / biến dạng phận kết cấu - ĐAH mặt cắt đặc trưng dầm chủ, cột tháp, dây cáp - Độ võng dầm chủ - Chuyển vị đỉnh cột tháp - Chuyển vị khe co giãn - Đo dịch chuyển mố, trụ, hố neo cáp…sau trận động đất Lực căng bó cáp văng, dây cáp chủ - Độ nghiêng - Tần số, dạng dao động, tỷ số cản, hệ số phân bố khối lượng - Tốc độ thấm nhập clo - Trọng lượng xe - Phân bố tải trọng trục - Phổ tải trọng khai thác - Hệ số làn, Phân loại phương tiện Theo thống kê hệ thống quan trắc cầu dây giới, nhìn chung yếu tố quan trắc đồng theo (bảng 2.2) Tùy vào kết cấu, điều kiện khu vực xây dựng cầu, điều kiện kinh tế để chọn nội dung quan trắc cho phù hợp 17 2.2.3 Quy trình thiết kế hệ thống quan trắc cầu hệ dây Thực công việc phải hiểu cặn kẽ mục tiêu, yêu cầu, phạm vi, nội dung thực định chất lượng cơng việc sản phẩm lại quy trình thực Trong việc thiết kế hệ thống quan trắc cầu hệ dây, từ cấu trúc nội dung quan trắc hệ thống xin đưa quy trình thực giúp cho việc thiết kế đáp ứng mục tiêu đề mặt kỹ thuật kinh tế Các bước thể qua sơ đồ quy trình thiết kế (hình 2.3) 18 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GPS TRONG QUAN TRẮC LIÊN TỤC CẦU HỆ DÂY 3.1 HỆ THỐNG GPS TRONG QUAN TRẮC LIÊN TỤC CẦU HỆ DÂY Trong hệ thống quan trắc cầu hệ dây, GPS đóng vai trò cốt yếu, phận hệ thống GPS quan trắc chuyển vị tổng thể cầu hệ dây theo nguyên tắc so sánh tọa độ Có trạm base đặt điểm biết tọa độ cố định không nằm cơng trình, máy thu rover khác lắp điểm cần quan trắc chuyển vị (tại vị trí đặc trưng) cơng trình đỉnh tháp, dầm chủ, chân tháp , từ tính đặc trưng khác kết cấu tần số dao động riêng, phổ lượng, mode dao động để so sánh với kết thí nghiệm hầm gió thiết kế từ kết đánh giá tình trạng sức khỏe cơng trình cầu Hệ thống GPS quan trắc liên tục cầu hệ dây bao gồm phần chính: hệ thống thu nhận GPS; hệ thống truyền dẫn liệu; hệ thống quản lý liệu theo dõi quan trắc Mối quan hệ phần trình bày hình 3.1: Hình 3.1: Hệ thống GPS quan trắc liên tục cầu hệ dây 19 3.1.1 Hệ thống thu nhận GPS (Anten GPS máy thu GPS) Hình 3.2: Anten máy thu GPS Các đầu thu GPS đo liệu liên tục chủ yếu hãng Trimble, Leica thiết bị đo RTK độ xác cao, tần số lên đến 50 Hz Phải vào dải chu kỳ tần số dao động công trình cầu để thiết lập tần số lấy mẫu Các thiết bị thiết kế chế tạo riêng cho quan trắc liên tục (monitoring) Bảng 3.1: Tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống GPS quan trắc cầu hệ dây Cảm biến Anten trạm cố định Anten điểm quan trắc Thông số Tần số thu Tần số thu Chế độ đo Tần số lấy mẫu Độ xác đo tĩnh Máy thu trạm cố định Độ xác đo động GPS - RTK Xử lý số liệu Máy thu điểm quan trắc Kiểu định vị Tần số lấy mẫu Tiêu chuẩn GPS (L1,L2,L2C); GLONASS (L1, L2) GPS (L1,L2,L2C); GLONASS (L1, L2) Đo tĩnh, đo động GPS - RTK 20HZ 5mm+0,5ppm (mặt bằng) 10mm+0,5ppm (độ cao) 10mm+1ppm (mặt bằng) 20mm+1ppm (độ cao) Dữ liệu thô lưu trữ xử lý phần mềm máy tính Đo tĩnh, đo động GPS - RTK 20HZ 20 Độ xác đo tĩnh Độ xác đo động GPS - RTK Xử lý số liệu 5mm+0,5ppm (mặt bằng) 10mm+0,5ppm (Độ cao) 10mm+1ppm (mặt bằng) 20mm+1ppm (độ cao) Dữ liệu thô lưu trữ xử lý phần mềm máy tính 3.1.2 Hệ thống truyền dẫn liệu Hệ thống truyền dẫn liệu có nhiệm vụ truyền tín hiệu thành phần anten, receiver, converter với đến khối điều khiển trung tâm Trước tiên, để có hệ thống truyền liệu phù hợp ta phải xem xét số tiêu chuẩn giao thức truyền tín hiệu, hệ thống bus đường truyền - Giao thức truyền tín hiệu ngơn ngữ chung để bên cung cấp dịch vụ bên sử dụng dịch vụ phải tuân thủ để trao đổi Quy chuẩn giao thức bao gồm số thành phần cú pháp, ngữ nghĩa trình tự thủ tục giao tiếp - Hệ thống bus ví hệ thống giao thơng huyết mạch hệ thống truyền dẫn liệu Để chuyển tải liệu phận, nhiều tuyến mạch kết nối lập Do có chức tương đồng với tuyến xe buýt sống mà tuyến mạch kết nối đặt tên bus Để lựa chọn hệ thống bus phù hợp cần đảm bảo: đáp ứng yêu cầu tính tin cậy bảo toàn, giao thức truyền liệu truy nhập liệu đơn giản, đáp ứng cự ly tốc độ truyền thông cho hệ thống quan trắc - Lựa chọn đường truyền đồng với hệ thống bus chọn theo tiêu chuẩn kỹ thuật về: số trạm tham gia (số điểm đơn vị, số trạm thu phát), tốc độ truyền tải chiều dài dây dẫn, cấu hình mạng, cáp nối (dây xoắn, cáp trơn ), điện trở đầu cuối nối đất Dữ liệu sau thu thập được, phân tích truyền nhiều cách đến với hệ thống quản lý liệu a Thiết bị truyền dẫn liệu trực tiếp Một phương pháp phổ biến truyền liệu từ thiết bị thu nhận đến thiết bị xử lý liệu truyền trực tiếp thông qua hệ thống dây dẫn Một phương pháp khác để truyền liệu đến phận quản lý xử lý tín hiệu trung tâm sử dụng sợi cáp quang Không giống cáp đồng truyền tín hiệu điện, nguyên lý truyền tín hiệu sợi cáp quang dựa tượng phản xạ 21 ánh sáng tồn phần cơng nghệ mã hóa thơng tin vào xung ánh sáng có bước sóng khác Chính khác biệt mà cáp quang bị nhiễu, tốc độ cao truyền xa Hình 3.3: Cấu tạo sợi cáp quang Trong trình truyền, xung ánh sáng bị vật chất làm cáp quang hấp thụ với tỷ lệ định nên đường truyền dẫn tồn mát Sự mát tùy phụ thuộc vào chất lượng vật liệu làm cáp nói chung thấp nhiều so với mát tín hiệu môi trường truyền dẫn dây lõi đồng b Thiết bị truyền dẫn liệu qua mạng Một phương pháp nhằm khắc phục hạn chế truyền dẫn dây sử dụng hệ thống truyền dẫn thông qua mạng không dây hệ thống mạng Internet truyền liệu đến máy trạm vị trí kết hợp phương pháp Do hạn chế khoảng cách truyền trình truyền dẫn liệu sang thiết bị lưu trữ, phân tích, xử lý mà thiết bị truyền dẫn trực tiếp khơng sử dụng rộng rãi, đặc biệt cầu lớn cần phân tích, xử lý quản lý liệu đo nhiều nơi khác chí cách xa hàng nghìn km Tuy nhiên, Việt Nam truyền liệu theo phương thức bị hạn chế hệ thống mạng không ổn định, hệ thống quan trắc cho cầu dây thường dùng phương pháp truyền liệu cáp quang chủ yếu 3.1.3 Hệ thống quản lý liệu theo dõi quan trắc 22 Trong phần giới thiệu phần mềm Leica GNSS Spider hãng Leica, phần mềm thiết kế cho Leica GR/GM series, GNSS 1200, GNSS 900, GPS 500 với nhiều trạm tham chiếu nhiều trạm quan trắc Phần mềm Spider gồm phần bản: phần GNSS Spider thực tính tốn trạm tham chiếu trạm quan trắc hệ tọa độ WGS - 84, tọa độ tương đối tính theo thời gian thực; trung bình theo phút, giờ, ngày tháng Phần thứ phần Monitoring nhận kết tính tốn từ Spider, chuyển kết sang hệ tọa độ địa phương hệ tọa độ cơng trình, chuyển sở liệu đến máy chủ, quản lý tập tin Hình 3.4: Sơ đồ kết nối liệu GPS hệ thống quan trắc Muốn hệ thống đo hoạt động được, phần mềm phải cài đặt thông số trạm base, trạm rover, hệ tọa độ, trạng thái “0” máy thu rover ngồi phải thiết lập giá trị tới hạn Một ưu điểm hệ thống đánh giá tổng hợp việc đánh giá sức khỏe cầu cách trực quan, định lượng dựa giá trị tới hạn Các giá trị tới hạn sử dụng cảnh báo giao thông, kiểm tra lại thiết kế Các giá trị thay đổi qua trình sử dụng cầu 3.2 THIẾT KẾ MẪU MỘT HỆ THỐNG GPS QUAN TRẮC CẦU HỆ DÂY 23 GPS phù hợp để quan trắc yếu tố đặc trưng hình học cầu, cụ thể đo chuyển vị theo phương (phương dọc cầu, phương ngang cầu phương đứng) vị trí đỉnh tháp, dầm chủ, phần tư dầm chủ chân trụ tháp Tùy theo chiều dài nhịp, chiều cao trụ tháp, loại hình kết cấu mà định vị trí lăp đặt GPS Khi có thơng số đầu vào cơng trình, mục đích thiết kế hệ thống, lựa chọn máy thu nhận liệu GPS, chuyển đổi liệu, hình thức kết nối, cáp dẫn, GPS hệ thống quan trắc thiết kế lắp đặt phù hợp hình ảnh sau: Hình 3.5: Sơ đồ bố trí GPS Trạm base Chiều sâu móng cọc trạm base 120m, khoan sâu vào tầng đá gốc 35m Hình 3.6: Móng trạm base 24 Hình 3.7: Bố trí trạm rover đỉnh tháp Hình 3.8: Bố trí trạm rover mặt cầu 25 Hình 3.9: Bộ thu lưu liệu trạm base (receiver) 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ThS Bùi Xuân Học, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ mã số DT064006: “Nghiên cứu ứng dụng hệ thống quan trắc cơng trình cầu dây võng, dây văng Việt Nam”, Viện Khoa học Công nghệ GTVT [2] Hồ sơ thiết kế hệ thống quan trắc kết cấu cầu Cần Thơ Tháng 7/2010 [3] Hồ sơ thiết kế hệ thống quan trắc kết cấu cầu Trần Thị Lý [4] Hồ sơ thiết kế hệ thống quan trắc kết cấu cầu Nhật Tân [5] Lê Minh Ngọc, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc cầu hệ dây” Luận văn thạc sỹ, Trường ĐH Giao thông Vận tải, 2012 [6] Stonecutters Bridge: Structural Monitoring System Design [7] Monitoring system of Neva bridge in St Petersburg [8] S Sumitro, Y Matsui, M Kono, T Okamoto, K Fujii.: Long Span Bridge Health Monitoring System in Japan Proceedings of SPIE Vol 4337, 2001 [9] T.H.T Chan, L Yu, H.Y Tam, Y.Q Ni, S.Y Liu, W.H Chung, L.K Cheng: Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma bridge - background and experimental observation September 2005 Engineering Structures, ... NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GPS TRONG QUAN TRẮC LIÊN TỤC CẦU HỆ DÂY 3.1 HỆ THỐNG GPS TRONG QUAN TRẮC LIÊN TỤC CẦU HỆ DÂY Trong hệ thống quan trắc cầu hệ dây, GPS đóng vai trò cốt yếu, phận hệ. .. vực quan trắc, từ khâu thiết kế hệ thống, xử lý số liệu hệ thống, chế tạo hệ thống, quản lý điều hành hệ thống CHƯƠNG 11 NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU HỆ DÂY 2.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU HỆ DÂY Cầu. .. danh sách số cầu lắp đặt hệ thống quan trắc có ứng dụng GPS hệ thống quan trắc giới 13 Bảng 2.1: Một số công trình cầu ứng dụng cơng nghệ GPS hệ thống quan trắc cầu dây [1] Tên cầu Tên nước