Hệ thống quan trắc công trình áp dụng công nghệ đo đạc GPS/GNSS trong thời gian thực cho phép xác định các chuyển vị và biến dạng của công trình với độ chính xác đến [r]
(1)CÁC PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC VÀ XÁC ĐỊNH CHUYỂN VỊ TRỤ THÁP CẦU DÂY VĂNG CỦA HỆ THỐNG QUAN TRẮC
CƠNG TRÌNH CẦU (SHMS)
Lương Minh Chính1
Tóm tắt: Hệ thống quan trắc cơng trình cầu dây văng hệ thống phức tạp, tích hợp nhiều cơng nghệ tiên tiến nhằm quan trắc giám sát trạng thái cơng trình liên tục thời gian thực Công nghệ GPS công nghệ áp dụng với mục đích giám sát dao động biến dạng cơng trình Nhưng với giá thành cao, giải pháp đươc thay các cảm biến đo góc nghiêng với độ xác tương đương với giá thành rẻ tới chục lần Yếu tố kinh tế yếu tố quan trọng cần lưu ý việc thiết lập hệ thống quan trắc cơng trình với cầu dây văng triển khai nước ta Qua viết tác giả đưa những so sánh đánh giá độ xác giữ hai công nghệ nhằm xác định biến dạng dao động của trụ tháp cầu dây văng.
Từ khóa:GPS/GNSS, SHMS, hệ thống quan trắc cầu, cầu dây văng, cảm biến góc nghiêng
1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG GPS 1
Hệ thống GPS (Global Positioning System) thiết lập mạng lưới vệ tinh không gian bao quanh trái đất để cung cấp thông tin vị trí thời gian lúc, nơi trái đất điều kiện thời tiết Cấu trúc hệ thống bao gồm đoạn hoạt động:
không gian (Space segment), điều khiển (Control segment), sử dụng (Use segment)
Hình Mơ vệ tinh quỹ đạo
1
Trường Đại học Thủy lợi
Hệ thống GPS nhận hệ tọa độ giới WGS-84 (World Geodetic System 19WGS-84) làm sở hoạt động
Vệ tinh phát tín hiệu bao gồm vị trí chúng, thời điểm phát tín hiệu Máy thu tính tốn khoảng cách từ vệ tinh, giao điểm mặt cầu có tâm vệ tinh, bán kính thời gian tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ toạ độ điểm cần định vị GPS hệ thống gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạtđộng vệ tinh dự phòng) chuyển động qũy đạo chung quanh trái đất (hình 1)
1.1. Tín hiệu GPS
Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 L2 (dải L phần sóng cực ngắn phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân dùng dải L1 với tần 1575.42 MHz dải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa chúng xuyên qua mây, thuỷ tinh nhựa không qua phần lớn đối tượng cứng núi nhà.Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thơng tin khác – mã giả ngẫu nhiên, liệu thiên văn liệu lịch
1.2. Độ xác GPS
(2)Bảng 1.1 Các tín hiệu GNSS được đề xuất (Mhz)
Các máy thu với khả WAAS (Wide Area Augmentation System) tăng độ xác trung bình tới mét Khơng cần thêm thiết bị hay phí để có lợi điểm WAAS Người dùng có độ xác tốt với GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi tín hiệu GPS để có độ xác khoảng đến mét
2. CÁCH HOẠT ĐỘNG CỦA TRẠM THU GPS
Trạm thu GPS thường bao gồm thành phần sau:
Ăng ten thu sóng,
Thiết bị thu song radio từ vệ tinh, Thiết bị chuyển đổi tín hiệu radio,
Modem thiết bị truyền liệu (để truyền liệu thu thập từ vệ tinh đến serverđể thực tính tốn),
Thiết bị cung cấp điện (có thể pin lượng mặt trời ắc quy)
Hình Sơ đồ cấu tạo trạm thu GPS
Công việc trạm thu GPS xác định vị trí vệ tinh hay nữa, tính tốn khoảng cách từ vệ tinh sử dụng thơng tin để xác định vị trí Q trình dựa nguyên lý toán học đơn giản, ta có (hoặc 4) mặt cầu giao điểm
2.1. Xác định khoảng cách đến vệ tinh
Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ vệ tinh, trạm thu GPS tính tốn hai thứ Các trạm thu chuyên dụng thu nhận tín hiệu nhiều vệ tinh đồng thời Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức 300 ngàn km/giây chân khơng Máy thu tính tốn khoảng cách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến máy thu
2.2. Xác định vị trí vệ tinh
Saukhi biết khoảng cách rồi, phải xác định vị trí xác vệ tinh quĩ đạo Điều khơng khó vệ tinh chuyển đông quĩ đạo biết trước dự đốn được.Trong nhớ máy thu có chứa bảng tra vị trí tính tốn tất vệ tinh vào thời điểm gọi Almanac
3. ỨNG DỤNG HỆ THỐNG GPS TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH – SHMS
(3)GPS có giới hạn định, chẳng hạn GPS bị hạn chế phần đa đường dẫn độ trượt chu kỳ, tần số liệu tương đối thấp, GPS yêu cầu phải có độ phủ sóng tốt vệ tinh
3.1. Các xác định chuyển vị cơng trình bằng hệ thống GPS
Về trạm GPS ứng dụng quan trắc chia làm loại:
Trạm lưu động (để đo đạc) – rover station Trạm cố định (để so sánh) – reference station
Hình Phương thức đo chuyển vị hệ thống GPS
Việc xác định tọa độ thực cách lấy chiều dài véc tơ trạm cố định trừ chiều dài véc tơ trạm lưu động để xác định chiều dài véc tơ trạm cố định lưu động Các tọa độ xác định tính tốn cho chu kỳ đo (lần đo) Bằng cách chuyển vị vị trí đo đạc xác định hiệu số tọa độ véc tơ cho chu kỳ đo so với tọa độ ban đầu (hình 4)
Hiện cơng trình cầu lớn Việt Nam, đặc biệt cầu dây văng cầu Cần Thơ, tiến tới cầu Vàm Cống, cầu Cao Lãnh lắp đặt hệ thống quan trắc trạng thái kết cấu cơng trình – SHMS (Structural Heath Monitoring System) thời gian thực
Bảng 3.1 Số lượng trạm GPS/GNSS áp dụng cho số cầu dây văng Việt Nam
Cầu Tổng
Số
Trạm động
Trạm tĩnh Trụ
tháp
Dầm
Cần Thơ 10 4+3
Vàm Cống* 1
Cao Lãnh* 4+2
*- theo hồ sơ thiết kế
3.2. Công nghệ GNSS quan trắc chuyển vị cơng trình
Hệ thống quan trắc cơng trình áp dụng cơng nghệ đo đạc GPS/GNSS thời gian thực cho phép xác định chuyển vị biến dạng cơng trình với độ xác đến cm
Hệ thống quan trắc cơng trình áp dụng cơng nghệ GNSS giải hai vấn đề chính:
Thứ – đảm bảo công tác đo đạc trắc đạc cơng trình suốt thời gian thi cơng, xây dựng cơng trình
Thứ hai – cho phép xác định độ xác chất lượng thi cơng cơng trình sau hồn thành so với thiết kế ban đầu
Hình Bộ máy thu Topcon LEGACY-E [TOPCON]
4. ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG GNSS TRONG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG TRỤ THÁP CƠNG TRÌNH CẦU DÂY VĂNG
(4)khơng phát được, hạn chế GPS
Leica GeoSystem cung cấp loại ăng ten thu tín hiệu vệ tinh với độ xác cao, bao gồm AR10, AR 20 AR25 (bảng 4.1)
Bảng 4.1 GPS Phase centre offsets and dispersion
5. ỨNG DỤNG CÁC CẢM BIẾN ĐO GÓC TRONG XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG TRỤ THÁP CẦU DÂY VĂNG
5.1. Tổng quan công nghệ MEMS
Vào thếkỷXX, thiết bị điện tử tích hợp với sốlượng ngày lớn, kích thước ngày nhỏvà chức ngày nâng cao Điều mang lại thay đổi sâu sắc vềmặt công nghệ Vào cuối năm 50 thếkỷXX, cách mạng hố vềcơng nghệmicro diễn hứa hẹn tương lai cho tất cảcác ngành công nghiệp Hệthống vi điện tử(Micro Electro-Mechanical Systems) viết tắt MEMS đời phát triển giai đoạn MEMS bao gồm cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành vi điện tửcùng tích hợp chip (on chip) Một thiết bịMEMS thông thường hệthống vi cơtích hợp chip mà có thểkết hợp phần cơchuyển động với yếu tốsinh học, hoá học, quang điện Kết quảlà linh kiện MEMS đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc gia tốc Với ưu thếcó thểtạo cấu trúc cơhọc nhỏbé tinh tếvà nhạy cảm,
công nghệvi cơhiện cho phép tạo bộcảm biến (sensor)được ứng dụng rộng rãi sống Các bộcảm biến siêu nhỏvà tiện ích thay thếcho thiết bị đo cũkỹ, cồng kềnh trước
5.2. Vi cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc thiết bị vi dùng để đo gia tốc chế tạo theo cơng nghệ MEMS cơng nghệvi Đó sản phẩm phong phú đa dạng cơng nghệMEMS
Hình Sơ đồ hệ đo gia tốc
Cảm biến vi cơngày nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹhơn, rẻhơn quan trọng có độtin cậy cao so với cảm biến chếtạo theo công nghệ điện tửtrước
Hình Cảm biến gia tốc vi (MEMS) ADXL202
(5) Cảm biến góc
Định hướng 3D không gian
Phát va chạm: cung cấp thông tin gia tốc, vận tốc độ dịch chuyển giúp phân biệt va chạm việc không xảy va chạm
5.3. Nguyên tắc hoạt động cảm biến gia tốc
Gia tốc thay đổi vận tốc theo thời gian Vận tốc đến lượt lại đo thay đổi độ dịch chuyển theo thời gian Lực trọng trường nguyên nhân gây gia tốc rơi tựdo gia tốc 9.81 m2/s (1g)
Gia tốc thường tính thơng qua lực gây gia tốc lực liên hệvới gia tốc theo công thức:
F = m.a
F lực gây gia tốc, m khối lượng, a gia tốc
Các thiết bịdùng để đo gia tốc phải xác định giá trịcủa lực tác dụng lên khối vật thể biết trước
Một cách tiếp cận khác đểtính tốn gia tốc là: Gia tốc đạo hàm vận tốc theo thời gian Vận tốc lại đạo hàm độdịch chuyển theo thời gian
Hình Sơ đồ tụ điện phẳng cảm biến gia tốc vi
trong đó:
g - khoảng cách hai tụ điện δ - độ dịch chuyển hai tụ C - điện dung tụ điện
E - lượng hay điện trường hai tụ
k - số đàn hồi FM - hệ sốphẩm chất
5.4. Xác định chuyển vị trụ tháp cảm biến góc
Để xác định chuyển vị dao động trụ tháp cầu dây văng ngồi việc ứng dụng cơng nghệ GPS/GNSS giới áp dụng phương pháp khác – sử dụng cảm biến góc nghiêng (inclinometer) lắp đặt trụ tháp Có nhiều cảm biến góc nghiêng với độ xác lớn lên đến 0,001 deg, inclinometer CL-2 (Closed Loop Dual Axis Servo Inclinometer) hãng Level Development (Anh) hay TSD – 232 Series Instruments & Control Ltd (Israel) Chúng ta thử làm toán so sánh độ xác cảm biến đo góc GPS ví dụ chiều cao trụ tháp cầu Mỹ Thuận (116,5m) Theo kết báo cáo “Cơng trình quan trắc biến dạng cầu Mỹ Thuận Quốc lộ năm 2010” Trung tâm trắc địa đồ biển thực cho Khu quản lý đường dao động lớn trụ tháp xác định dao động tháp Tây bắc với giá trị 0,039m (3,9cm) Với độ xác 0,001deg inclinometer độ xác cm tính cho cầu Mỹ Thuận là:
(6)Bảng 5.1 Thống kê số cầu áp dụng cảm biến góc*
STT Quốc gia Tên cầu Loại cầu Inclinometer
1 Anh Quốc Humber Bridge Cầu dây võng Có
2 Đan mạch Faro Cầu dây văng Có
3 Đan mạch Great Belt Cầu dây võng Có
4 Trung Quốc Humen Cầu dây võng Có
5 Hàn Quốc Gwangan Cầu dây võng Có
6 Hàn Quốc Namhae Cầu dây võng Có
7 Hàn Quốc Youngjong Cầu dây võng Có
8 Trung Quốc Sutong Cầu dây văng Có
9 Trung Quốc Stonecutters Cầu dây văng Có
10 Trung Quốc Nanjing Yangtze River Cầu dây văng Có
11 Na uy Skarnsundet Cầu dây văng Có
12 Trung Quốc Zhanjiang Bay Cầu dây văng Có
13 Hàn Quốc Seohae Cầu dây văng Có
14 Thái Lan Rama IX Cầu dây văng Có
15 Hàn Quốc Jindo Cầu dây văng Có
* Nguồn: NeoStrain
6. KẾT LUẬN
Hệ thống quan trắc công trình cầu dây văng hệ thống phức tạp, tích hợp nhiều cơng nghệ tiên tiến nhằm quan trắc giám sát trạng thái cơng trình liên tục thời gian thực Công nghệ GPS cơng nghệ áp dụng với mục đích giám sát dao động biến dạng cơng trình
Nhưng với giá thành cao, giải pháp đươc thay cảm biến đo góc ghiêng với độ xác tương đương với giá thành rẻ tới chục lần Yếu tố kinh tế yếu tố quan trọng cần lưu ý việc thiết lập hệ thống quan trắc cơng trình với cầu dây văng triển khai nước ta
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Agnew, D.C and Larson, K.M (2007) “Finding the repeat times of the GPS constellation” GPS Solutions (Springer) 11 (1): 71–76 doi: 10.1007/s10291-006-0038-4
[2] Đặng Văn Công Bằng “Khảo sát độ xác phương đứng kỹ thuật đo động gps-
Monitoring vertical accuracies of gps kinematic technique” Bộ môn Địa tin học, Khoa Kỹ
thuật Xây dựng, Đại học Bách khoa, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam
[3] John Pike “GPS III Operational Control Segment (OCX)” Globalsecurity.org 8.12.2009 [4] Justin Walford (2012) “State of The Art, Leading Edge Geodetic Antennas from Leica
Geosystems” Leica Geosystems, Heerbrugg, Switzerland, 2012
[5] Krzysztof Karsznia, Maciej Wrona (2009) "Łącząc brzegi” Magazyn Geoinformacyjny Geodeta Nr7 (170) Lipiec 2009 p 46-50
(7)[7] Luong Minh Chinh (2014) "Long term structural health monitoring system for cable stayed
bridge in Viet Nam” Journal of Water Resources & Environmental Engineering No 44
(3/2014) ISSN 1859 – 3941 p 11-16
[8] Marek Skłodowski.„ "Współczesny monitoring obiektów budowlanych” Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN Pracownia Adaptroniki, email: msklod@ippt.gov.pl
[9] Quyết định số 05/2007/QĐ-BTNMT ngày 27/02/2007 công bố tham số dịch chuyển gốc tọa độ VN-2000 Bộ Tài nguyên Môi trường
[10] Trung tâm trắc địa đồ biển, Đoàn đo đạc miền nam (2010) "Báo cáo kết - Cơng trình
quan trắc biến dạng cầu Mỹ Thuận Quốc lộ năm 2010” Khu quản lý đường VII Tổng
cục đường Việt Nam
Abstract
MONITORING METHODS DETERMINE DISPLACEMENTS OF THE CABLE-STAYED BRIDGE TOWER ON STRUCTURAL HEALTH MONITORING SYSTEM (SHMS)
Structural health monitoring system (SHMS) is complicated system, consisting a lot of modern measurement technologies to determine technical conditions of cable stayed bridge in the real time GPS technology is one of most advanced technology used to monitoring displacements and deformation of the structure But a hight installation cost of this technology are often deterred and can be replaced by cheaper inclinometers with a similar accuracy The economic aspect is one of the most important factors to be taken into design of such systems Through this article the author compares the different technologies can be used to monitor the movements of the pylon cable-stayed bridge.
Keywords:GPS/GNSS, SHMS, Structural health monitoring system, cable-stayed bridge, inclinometer