Đang tải... (xem toàn văn)
Mặc dù các công trình cầu này được thiết kế với tuổi thọ hơn 100 năm vì chi phí thiết kế, xây dựng rất cao, cũng như tầm quan trọng của chúng trong hệ thống hạ tầng giao thôn[r]
(1)HỆ THỐNG QUAN TRẮC CƠNG TRÌNH CẦU NHỊP LỚN Nguyễn Danh Thắng(1)
, Hồ Thu Hiền(1), Trần Nguyễn Nhật Nam(1)
(1) Trường Đại học Bách Khoa (VNU-HCM)
Ngày nhận 29/12/2016; Chấp nhận đăng 29/01/2017; Email: ndthang@hcmut.edu.vn
Tóm tắt
Với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật, số lượng cầu nhịp lớn giới được xây dựng ngày nhiều Do vai trò đặc biệt quan trọng chúng, cộng với giá thành xây dựng đắt đỏ, cầu cần thiết phải tu, bảo dưỡng thường xuyên kịp thời Q trình thường gặp nhiều khó khăn nhiều lý vị trí xây dựng khắc nghiệt (thường bắc qua cửa biển sông lớn), số chi tiết nhiều, cấu tạo phức tạp, chi phí lớn Chính vậy, việc phát triển hệ thống quan trắc cơng trình cho cầu nhịp lớn cần thiết với mục tiêu tiết kiệm chi phí tu bảo dưỡng vận hành cầu, đảm bảo an tồn giao thơng cho cơng trình Bài báo nhằm giới thiệu hệ thống quan trắc cầu nhịp lớn trên giới Việt Nam vai trò quan trọng q trình thiết kế, thi cơng, khai thác cầu
Từ khóa: quan trắc cầu, cầu nhịp lớn, tu bảo dưỡng
Abstract
STRUCTURAL HEALTH MONITORING SYSTEM FOR LONG-SPAN BRIDGE
With the rapid development of science and technology, the number of large span bridge is increasing to meet the needs of growing traffic Due to the extremely important role and very expensive cost of them, these bridges need to be maintained frequently However, this process is often difficult because of their specific conditions Therefore, the development of monitoring systems for large span bridges are essential for cost savings for maintenance, operation and traffic safety for these bridges This paper aims to introduce a monitoring system for large-span bridges in the world and Vietnam as well as its important role in the process of design, construction and operation of the bridge
1 Tổng quan quan trắc cầu nhịp lớn
1.1 Giới thiệu hệ thống quan trắc cầu
(2)Một hệ thống quan trắc cầu tổng thể thường bao gồm thành phần: (1) Hệ thống quan trắc trạng thái kết cấu (ứng suất, độ võng); (2) Hệ thống quan trắc khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, hướng tốc độ gió…); (3) Hệ thống giám sát hình ảnh (camera giám sát giao thơng, vận hành cầu); (4) Hệ thống quan trắc chuyển vị biến dạng
Các thông tin liệu thu thập từ thiết bị quan trắc cảm biến ghi lại máy chủ lắp đặt cầu chuyển đến trung tâm lưu trữ mạng Internet GSM (GPRS) hình
So với việc thử tải cầu phương pháp truyền thống khác quan trắc cầu có nhiều ưu điểm như:
- Cung cấp thời gian thực giám sát, phân tích liên tục nhằm phát bất thường khả chịu lực hư hỏng mà không làm tổn hại đến kết cấu khả khai thác cầu suốt thời gian vận hành cơng trình
- Có thể theo dõi ghi lại ứng xử kết cấu trường hợp đặc biệt (như bão lũ, thiên tai cố tai nạn nghiêm trọng) mà phương pháp truyền thống khác giám sát
Hình 1 Cấu trúc hệ thống quan trắc cầu thiết bị kèm [2]
1.2 Sự cần thiết hệ thống quan trắc cầu
(3)trình phân tích tính tốn cơng trình Bên cạnh đó, hệ thống quan trắc cầu cịn nhằm mục đích khác tu, bảo dưỡng cơng trình quản lý giao thông cầu
Một cách tổng quát, hệ thống quan trắc cầu xây dựng nhằm mục đích: hỗ trợ thiết kế (cung cấp liệu dao động cầu nhằm phục vụ cho giả thiết đầu vào thiết kế, đặc biệt gió mạnh động đất, cung cấp liệu cho việc phát triển thiết kế phù hợp hơn, phát triển hệ thống quan trắc tin cậy), tu, bảo dưỡng công trình (cung cấp liệu để phân tích đánh giá dao động cầu, cung cấp liệu cho việc đánh giá hư hại suy giảm tuổi thọ cơng trình), quản lý giao thơng (cung cấp liệu để điều chỉnh mức độ điều khiển giao thông an tồn điều kiện có gió to động đất, cung cấp liệu cho việc lưu thông trước động đất truyền đến có bão)
Do vai trò đặc biệt quan trọng giá thành xây dựng đắt đỏ, cầu nhịp lớn thường phải kiểm tra thường xuyên để đảm bảo chúng an toàn Quá trình kiểm tra thường tốn nhiều thời gian chi phí, đơi khơng thể kiểm soát tất nguy hư hỏng xảy với cơng trình cầu Việc xây dựng phát triển hệ thống quan trắc cầu tự động điều mà nước phát triển Mỹ, Nhật, châu Âu làm nhằm tiết kiệm chi phí tu bảo dưỡng vận hành cầu, đảm bảo an tồn giao thơng cho cơng trình
2 Một số phương pháp phát hư hỏng
Phát hư hỏng kết cấu làm tăng độ an tồn giảm chi phí bảo trì Mục đích phát hư hỏng để xác định thiệt hại sớm tốt Do đó, nhiều phương pháp đề xuất để xác định, phân vùng đánh giá hư hỏng kết cấu Để phát hư hỏng kết cấu, số phương pháp phát triển nhà nghiên cứu
2.1 Phương pháp thay đổi tần số
Phương pháp dựa nguyên lý thay đổi thuộc tính kết cấu hư hỏng dẫn đến thay đổi tần số dao động riêng Hư hỏng kết cấu xác định cách so sánh tần số trước sau xảy hư hỏng Cawley Adams [3] người tiên phong đề xuất phương pháp sau nhiều nhà nghiên cứu khác phát triển thêm [4, 5] Mặc dù phương pháp có ưu điểm đơn giản cần cảm biến, tần số dao động riêng lại thay đổi nhỏ, dẫn đến tính xác khơng cao Để khắc phục nhược điểm này, số nhà nghiên cứu khác phát triển theo hướng xác định tần số dao động cục thu nhiều tín hiệu khả quan cho việc phát hư hỏng [6]
2.2 Phương pháp thay đổi mode dao động
Một phương pháp khác để xác định khoanh vùng hư hỏng so sánh khác biệt mode dao động trước sau hư hỏng [7, 8, 9] Do dựa vào sơ đồ số nên phương pháp có số sai sót tương đối lớn so sánh với thay đổi khác đồng thời khơng cho thấy độ xác cao cho cấu trúc phức tạp (số bậc tự cao)
2.3 Phương pháp Phương trình tần số dao động (Frequency response function - FRF)
(4)2.4 Phương pháp lượng biến dạng
Phương pháp lượng biến dạng đề xuất để phát hư hỏng Năm 1992, Stubbs cộng [14] đưa số hư hỏng, xác định tỉ số lượng biến dạng hai giai đoạn hư hỏng chưa hư hỏng, để phát hư hỏng Sau đó, Park cộng [15] sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn để phân tích số hư hỏng so sánh với kết khảo sát hư hỏng cầu Bên cạnh đó, S Liberatore G.P.Carman [16] phát triển việc phân tích phổ mật độ sử dụng thay đổi tần số hình dạng mode dao động để phát hư hỏng
3 Hệ thống quan trắc cầu nhịp lớn giới
3.1 Lịch sử phát triển
Theo Wenzel [1], lịch sử phát triển lĩnh vực quan trắc kết cấu cầu bao gồm giai đoạn sau:
-Thế kỷ 19: Phát triển động lực học kết cấu
-1920-1945: Thực thí nghiệm giản đơn kết cấu thường gặp -1965-1975: Phát triển phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính -1970-1980: Phát triển phương pháp dao động
-1975-1990: Bổ sung phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính -1990-2000: Bổ sung phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến -1992-1995: Bổ sung phương pháp dao động xung quanh -1993-1996: Giới thiệu cơng nghệ máy tính đo liệu -Từ 1994: Áp dụng phương pháp đo dao động
-Từ 1995: Áp dụng phương pháp thu nhận kết quan trắc “quan trắc thơng minh” -Từ 1996: Thương mại hóa kết đo
Hệ thống quan trắc cơng trình cầu SHMS bắt đầu đưa vào ứng dụng phát triển giới năm gần Phần lớn cơng trình cầu lớn giới lắp đặt hệ thống quan trắc khác nhằm liên tục theo dõi thu thập liệu suốt trình hoạt động khai thác cầu Mỹ, Nhật châu Âu nơi mà hệ thống quan trắc đưa vào ứng dụng rộng rãi hiệu quả, chi phí cho hệ thống quan trắc khơng nhỏ, khoảng 10,000 Euro cho 100m cầu
3.2 Một số hệ thống quan trắc áp dụng giới
Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản): Cầu dây võng Akashi Kaikyo giữ kỷ lục giới chiều dài nhịp (1991m), khánh thành vào ngày 05 tháng năm 1998 Mặc dù cầu xây dựng môi trường tự nhiên khắc nghiệt cửa biển, thời gian khai thác cầu phải đảm bảo 100 năm vai trị quan trọng chi phí xây dựng đắt (khoảng 500 tỷ Yên Nhật, tương đương với 3,6 tỷ USD) Do đó, tuổi thọ, độ bền độ an toàn cầu Akashi Kaikyo cần nghiên cứu kỹ lưỡng Để làm điều này, hệ thống quan trắc phức tạp thiết lập cho tồn cầu với độ xác cao (hình 2) Dữ liệu truyền quan quản lý cầu, cung cấp thông tin liên quan đến ngoại lực tác động lên cầu (gió động đất) lẫn ứng xử cầu (chuyển vị, dao động ), làm sở cho nghiên cứu phân tích cầu.
(5)Cầu Tsingma (Hồng Kong): Cầu Tsing Ma (khánh thành ngày 27/04/1997) cầu treo có nhịp lớn thứ bảy giới (1.377m), thiết kế cho giao thông đường sắt lẫn đường Cầu có hai tầng: tầng có sáu xe cao tốc, tầng gồm tàu hỏa đơn dành cho việc bảo dưỡng Hệ thống cảm biến sử dụng cho quan trắc gồm: máy đo gia tốc, máy đo biến dạng, phong kế, cảm biến nhiệt, hệ thống cân động (hình 4) Hệ thống tiến hành đo tất thứ, từ nhiệt độ mặt đường nhựa, biến dạng phần tử tốc độ gió, độ võng chuyển động hệ mặt cầu tháp Với 350 cảm biến, ứng xử cầu ghi nhận suốt 24 ngày, bảy ngày tuần hệ thống cảnh báo sớm cho cầu, cung cấp thông tin cần thiết giúp Sở Giao thông Hồng Kông để theo dõi xác điều kiện làm việc nói chung cầu
Hình 2 Hệ thống quan trắc cầu Akashi Kaikyo
(6)4 Hệ thống quan trắc Việt Nam
4.1 Một số hư hỏng cầu nhịp lớn Việt Nam
Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học – kỹ thuật nhu cầu giao thơng – vận tải, nhiều cơng trình cầu nhịp lớn xây dựng Việt Nam tính kinh tế thẩm mỹ chúng Mỹ Thuận, Bãi Cháy, Cần Thơ, Rạch Miễu… Sau thời gian dài đưa vào khai thác, cầu ngày bị lão hóa lưu lượng xe ngày tăng nên phận cơng trình bị hư hỏng xuống cấp Mặc dù cơng trình cầu thiết kế với tuổi thọ 100 năm chi phí thiết kế, xây dựng cao, tầm quan trọng chúng hệ thống hạ tầng giao thông khu vực, công tác tu bảo dưỡng cầu nhịp lớn Việt Nam chưa nhận quan tâm mức, dẫn đến phát sinh nhiều khó khăn việc phát sửa chữa hư hỏng cơng trình Hậu nhiều cầu treo bị hư hỏng xuống cấp cầu Thuận Phước, Cầu Bính, Cầu Mỹ Thuận … Vì thế, khả chịu tải tuổi thọ cơng trình bị ảnh hưởng đáng kể, ảnh hưởng lớn đến việc đảm bảo an tồn giao thơng việc khai thác cầu hiệu
Hình 4 Hệ thống cảm biến cầu Tsing Ma
Cầu Thuận Phước: Là cầu dây văng đại Việt Nam (tính đến 2016), thiết kế xây dựng công ty nước với chiều dài nhịp dài 405m, mặt cầu Thuận Phước (Đà Nẵng) thiết kế thi công theo dạng trực hướng kín với thép dày 12mm, bên thảm 41mm bê tông nhựa Epoxy với chi phí cao gấp bốn lần so với sử dụng bêtong asphalt thông thường Tuy nhiên, sau năm khai thác, mặt cầu Thuận Phước bắt đầu bị biến dạng Vào mùa nắng nóng năm 2013, tình hình trở nên trầm trọng với việc mặt cầu bị hư hỏng nặng diện rộng Hình Trong năm 2013, ba kiểm tra trường tiến hành Công ty CP Tư vấn Đầu tư Xây dựng ECC phối hợp Sở Giao thông Vận tải TP Đà Nẵng Kết cho thấy có 4400/8973,5 m2 diện tích mặt cầu cần phải sửa chữa Kết kiểm tra cho thấy nguyên nhân hư hỏng mặt cầu phương tiện lưu thông chở tải, nhiệt độ tăng cao hộp thép vào mùa hè mức độ biến dạng chênh lệch hai lớp mặt cầu [17]
(7)nhiều vết hằn lún bánh xe, với độ sâu từ 5-10cm kéo dài hàng trăm mét (Hình 6), với nguyên nhân chủ yếu xe tải, ảnh hưởng lớn đến an tồn giao thơng cầu
4.2 Hệ thống quan trắc áp dụng Việt Nam
Nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn công tác tu, bảo dưỡng cầu, cầu nhịp lớn Việt Nam, hệ thống quan trắc cầu bước áp dụng Việt Nam, đặc biệt sau Bộ GVTV ban hành Thông tư 52/2013/TT-BGTVT quy định quản lý, khai thác bảo trì cơng trình đường bộ, u cầu cơng trình cầu có nhịp dài 150m trụ cầu cao 50m phải lắp đặt hệ thống quan trắc [18]
Đến cuối năm 2013, có hệ thống quan trắc lắp đặt cầu Rạch Miễu, Cần Thơ, Bãi Cháy, Bính, Rào 2, Trần Thị Lý, Nhật Tân, cung cấp cho đơn vị quản lý cầu liệu quan trọng công tác tu, bảo dưỡng cơng trình cầu [19]
Hình 5 Hư hỏng mặt cầu Thuận Phước Hình 6 Hư hỏng mặt đường cầu Bãi Cháy
Cầu Bính (Hải Phịng): Bắc qua sơng Cấm Thành phố Hải Phịng, Cầu Bính có chiều dài 1.280 m, rộng 22,5 m, cho bốn xe giới hai xe thô sơ, chiều cao thông thuyền 25 m cho phép tàu 3.000 qua lại, kết cấu dầm thép bêtông liên hợp, liên tục 17 nhịp, hai tháp cầu bêtơng cốt thép có chiều cao tới 101,6 m với 80 bó cáp bố trí thành hai mặt Vào tháng 7/2010, cầu bị hư hỏng nghiêm trọng bị tàu vận tải va vào Sau đó, cầu sửa chữa để phục hồi khả chịu tải Năm 2013, cầu lắp đặt hệ thống quan trắc, thiết kế cơng ty VITEC, sau cơng ty Chodai, để theo dõi dao động cầu (Hình Bảng 1) Hiện tại, hệ thống quản lý PMU Hải Phòng liệu phân tích chuyên gia trường ĐH Giao thông Vận tải Hà Nội Đến năm 2014, hệ thống sensor đánh giá hoạt động tốt cơng tác quản lý cịn nhiều khó khăn thiếu chi phí
Bảng 1 Các thiết bị quan trắc cầu Bính
Thiết bị quan trắc Số lượng
Thiết bị đo gió
Khí tượng
Camera giao thơng
Đo nhiệt độ biến dạng cho dầm chủ
Đo động cho dầm chủ
Đo động cho dây văng
Đo nhiệt độ cho dây văng