Nghiên cứu quan trắc ứng suất - biến dạng cầu vòm nhịp lớn trong quá trình thi công sử dụng hệ thống cảm biến dây rung ở Việt Nam

Bài báo này giới thiệu nghiên cứu ứng dụng thiết bị cảm biến dây rung quan trắc ứng suất – biến dạng theo thời gian trong suốt quá trình thi công hai công trình cầu vòm nhịp lớn có kết cấu và công nghệ thi công phức tạp: cầu Kỳ Cùng (Lạng Sơn) và cầu Hoàng Văn Thụ (Hải Phòng). Mời các bạn tham khảo!

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2021, 15 (7V): 13–25 NGHIÊN CỨU QUAN TRẮC ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CẦU VỊM NHỊP LỚN TRONG Q TRÌNH THI CÔNG SỬ DỤNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN DÂY RUNG Ở VIỆT NAM Trịnh Phúc Thànha , Trần Việt Hùnga , Cù Việt Hưnga,∗, Nguyễn Tiến Pháta , Nguyễn Hùng Sơna , Vũ Thị Hồng Nhungb , Nguyễn Ngọc Tuấna a Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam b Công ty TNHH Tư vấn Đại học Xây dựng Hà Nội, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 20/9/2021, Sửa xong 16/11/2021, Chấp nhận đăng 17/11/2021 Tóm tắt Ngày nay, quan trắc sức khỏe cơng trình, đặc biệt cầu nhịp lớn, thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học kỹ sư Phép đo ứng suất - biến dạng phép đo quan trọng quan trắc cơng trình cầu Cảm biến dây rung thiết bị đại có độ bền cao thích hợp cho việc thu thập liệu ứng suất - biến dạng kết cấu theo thời gian Trong vài thập kỉ vừa qua, lĩnh vực xây dựng cơng trình cầu Việt Nam có bước tiến vượt bậc, nhiều cầu nhịp lớn thực nhà thầu nước, theo nhu cầu quan trắc cho cơng trình cầu ngày cao Bài báo giới thiệu nghiên cứu ứng dụng thiết bị cảm biến dây rung quan trắc ứng suất – biến dạng theo thời gian suốt q trình thi cơng hai cơng trình cầu vịm nhịp lớn có kết cấu cơng nghệ thi công phức tạp: cầu Kỳ Cùng (Lạng Sơn) cầu Hồng Văn Thụ (Hải Phịng) Kết nghiên cứu cho thấy hiệu tiềm lớn việc ứng dụng thiết bị cảm biến dây rung quan trắc, theo dõi sức khỏe cơng trình cầu nhịp lớn với điều kiện đặc thù đất nước phát triển Việt Nam Từ khoá: theo dõi sức khỏe cơng trình; quan trắc theo thời gian; thiết bị cảm biến dây rung; cầu vịm bê tơng cốt thép; cầu vịm ống thép nhồi bê tơng STRESS-STRAIN MONITORING OF LONG-SPAN ARCH BRIDGES DURING CONSTRUCTION USING VIBRATION WIRE STRAIN GAUGE SYSTEM IN VIETNAM Abstract Structural health monitoring, especially for long span bridges, has attracted much attention from engineers and researchers Stress-strain measurement is one of the most important measurements in the bridge health monitoring Vibrating wire strain gauge is a modern and durable device which suitable for measuring stressstrain of structures over time In the past few decades, Vietnam’s bridge construction has a great progress, many long-span bridges have been built by domestic contractors, which has led to the high demand of structure monitoring during construction This paper introduces research and application of vibrating wire strain gauge to monitor stress-strain over time during construction of two long-span arch bridges with complex structure and construction technology: Ky Cung bridge (Lang Son) and Hoang Van Thu bridge (Hai Phong) The research results show the efficiency and great potential in the application of vibrating wire strain gauge in structural health monitoring of long-span bridges with the specific conditions of a developing country like Vietnam Keywords: structural health monitoring; long-term monitoring; vibrating wire strain gauge; RC arch bridge; CFST arch bridge https://doi.org/10.31814/stce.huce(nuce)2021-15(7V)-02 © 2021 Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (ĐHXDHN) ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: hungcv@nuce.edu.vn (Hưng, C V.) 13 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Giới thiệu Quan trắc sức khỏe cơng trình (Structural Health Monintoring - SHM) lĩnh vực nghiên cứu ngày phát triển mạnh mẽ giới Mục tiêu SHM đưa chuẩn đoán trạng thái kết cấu, vật liệu suốt vịng đời cơng trình từ lúc thi cơng đến hết thời gian khai thác bị phá hủy [1] Đặc biệt, cơng trình cầu, việc theo dõi trạng thái làm việc kết cấu để đánh giá, phát kịp thời hư hỏng cần thiết để trì nâng cao tuổi thọ cơng trình Thu thập liệu cơng tác quan trọng trình SHM [2] Với phát triển mạnh mẽ khoa học - kỹ thuật, nhiều loại thiết bị thu liệu đại ứng dụng công nghệ cao nghiên cứu, ứng dụng phát triển phải kể đến thiết bị cảm biến Có thể thấy rằng, hệ thống quan trắc tự động nói chung tốn quan trắc q trình nói riêng vai trị thiết bị cảm biến vơ quan trọng chúng có khả cảm nhận tín hiệu trạng thái kết cấu kết nối với tạo thành hệ thống thu thập liệu đồng liên tục theo thời gian Các liệu thu thập phục vụ cho công tác đánh giá sức khỏe cơng trình đa dạng liệu ứng suất - biến dạng, nhiệt độ, độ võng, gia tốc, mô đun đàn hồi vật liệu, cường độ vật liệu v.v [3] Trong đó, ứng suất - biến dạng điều kiện thông thường thông số quan trọng sử dụng rộng rãi quan trắc cơng trình [4] Có nhiều phương pháp sử dụng để xác định ứng suất - biến dạng kết cấu Tenzomet học (Mechanical strain gauges - Extensometer) thiết bị đo ứng suất - biến dạng phát minh Charles Huston vào năm 1879 [5], nhiên có nhược điểm đo biến dạng tĩnh sai số ảnh hưởng yếu tố thời tiết điều kiện lắp đặt tương đối lớn Một loại cảm biến sử dụng phổ biến để đo biến dạng kết cấu cảm biến điện trở (Electrical strain gauges - Metal foil strain gauge) Loại cảm biến gồm điện trở dạng lưới gắn trực tiếp lên bề mặt kết cấu đo dây dẫn nối trực tiếp với ghi liệu (Data logger) [6], biến dạng kết cấu xác định thông qua thay đổi điện trở Nhược điểm lớn cảm biến điện trở độ bền không cao, sai số lớn ảnh hưởng nhiệt độ, thời tiết, tác nhân bên công tác lắp đặt Cảm biến quang điện (Photoelectric gauges) sử dụng chùm sáng với hai lưới mịn máy dò quang điện (Photocell detector) để tạo dòng điện tỷ lệ thuận với biến dạng kết cấu [7] Phương pháp tương đối phức tạp tốn Cảm biến cáp quang (Fiber optic Strain gauges) xác định biến dạng kết cấu thông qua đo thời gian phản hồi ánh sáng cáp gắn vào kết cấu Đây phương pháp có độ xác cao, phù hợp với quan trắc dài hạn, nhiên chi phí cao lắp đặt tương đối phức tạp [8, 9] Cảm biến dây rung (Vibrating wire strain gauges - VWSG) làm việc dựa nguyên lý đo biến dạng thông qua số liệu tần số sợi dây mảnh kích thích chấn động VWSG có ưu điểm tốc độ kiểm tra nhanh, kết đo ổn định đáng tin cậy nên sử dụng phổ biến lĩnh vực quan trắc sức khỏe cơng trình [10, 11] Ở Việt Nam, với phát triển kinh tế - xã hội, xây dựng cơng trình cầu có bước tiến vượt bậc, đạt thành tựu to lớn Nhiều cầu nhịp lớn thiết kế, thi công đơn vị tư vấn, nhà thầu kỹ sư nước Để đảm bảo tiến độ, yêu cầu kỹ thuật, an tồn thi cơng suốt tuổi thọ cơng trình, nghiên cứu ứng dụng thiết bị quan trắc theo dõi, đánh giá trạng thái làm việc sức khỏe cơng trình nhằm đảm bảo an tồn cho cơng trình, thiết bị người suốt q trình thi cơng, sớm có cảnh báo phản ứng bất thường kết cấu từ làm sở đưa biện pháp xử lý kịp thời nhiệm vụ cấp bách, song hành với phát triển lĩnh vực xây dựng nói chung xây dựng cơng trình cầu nói riêng Tuy nhiên, cơng tác quan trắc sức khỏe cơng trình cầu chưa thực quan tâm đầu tư thích đáng, có vài cơng trình cầu lớn Bãi Cháy, Nhật Tân, Trần Thị Lý, Rạch Miễu v.v thực 14 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng quan trắc cơng ty nước ngồi với giá thành cao Thêm nữa, kiểm định cơng trình cầu thường tiến hành thời điểm sử dụng hai phương pháp đo ứng suất - biến dạng cổ điển sử dụng tenzomet cảm biến điện trở với nhiều hạn chế nhược điểm chúng Nghiên cứu ứng dụng VWSG thu liệu ứng suất – biến dạng kết cấu cầu hướng đắn, đặc biệt với điều kiện đặc thù kinh tế - kỹ thuật Việt Nam VWSG có độ bền cao, xử lý vấn đề sai số nhiệt độ, phù hợp với quan trắc lâu dài theo thời gian VWSG dán bên ngồi bề mặt chơn lịng kết cấu phù hợp với quan trắc phận cơng trình nằm sâu đất, nước vị trí khó tiếp cận Bài báo trình bày trình, kết nghiên cứu ứng dụng VWSG quan trắc ứng suất – biến dạng q trình thi cơng cho hai cơng trình cầu vịm nhịp lớn có kết cấu cơng nghệ thi cơng phức tạp cầu vịm bê tơng cốt thép (BTCT) Kỳ Cùng (Lạng Sơn) cầu vòm ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tubular – CFST) Hồng Văn Thụ (Hải Phịng) Kết nghiên cứu chứng minh độ tin cậy hiệu cao VWSG quan trắc ứng suất – biến dạng kết cấu theo thời gian, mở hướng tiềm lớn cho việc ứng dụng thiết bị để theo dõi sức khỏe cơng trình cầu nói riêng, cơng trình xây dựng nói chung khả làm chủ công nghệ kỹ sư Việt Nam Cấu tạo nguyên lý làm việc cảm biến dây rung VWSG giới thiệu lần giới vào năm 1936 Maihak [12–14] Sau đó, với ưu điểm bật, VWSG dần trở thành loại cảm biến ứng dụng rộng rãi để đo lực, ứng suất, nhiệt độ kết cấu, áp lực đất, áp lực nước, v.v cho cơng trình xây dựng phục vụ quan trắc sức khỏe cơng trình theo thời gian Hình thể cấu tạo điển hình thiết bị VWSG, bao gồm: hai nam châm điện; sợi dây rung thép bảo vệ bên ống thép không gỉ; hai đầu cảm biến có hai khối neo thép để đảm bảo sợi dây rung bên căng dao động tự do, đồng thời điểm neo để gắn thiết bị vào kết cấu Khi kết nối cảm biến với thiết bị đọc liệu, dây rung kích thích cuộn nam châm điện dao động, lúc giá trị tần số dao động ghi lại cuộn nam châm cuộn khác (nếu có) Ngồi ra, thiết bị tích hợp thêm nhiệt kế điện tử nhằm xác định nhiệt độ kết cấu thời điểm đo Hình Cấu tạo điển hình cảm biến dây rung thông minh Khi kết cấu cần quan trắc bị biến dạng làm thay đổi khoảng cách hai khối neo dẫn đến chiều dài dây rung bị thay đổi theo Dưới tác dụng dòng điện nối cảm biến với nguồn, tần số cộng hưởng dây rung sau thay đổi trạng thái xác định thông qua cảm biến điện tử Sau đó, tín hiệu điện thu từ cảm biến truyền tới thiết bị điều khiển để khuếch đại xử lý thành tín hiệu số hiển thị thiết bị đọc liệu Tần số đo dùng để xác định giá trị biến dạng, phụ thuộc vào chiều dài dây, trọng lượng riêng dây mô đun đàn hồi dây theo công thức (1): εE f = (1) 2L µ 15 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng f tần số dao động sợi dây rung (Hz); L chiều dài sợi dây rung (m); µ khối lượng riêng dây rung (kg/m3 ); E mô đun đàn hồi sợi dây rung ε biến dạng tỷ đối sợi dây rung Giá trị biến dạng dây rung tương ứng với biến dạng vị trí cần đo kết cấu xác định theo tần số dao động sau: (2) ∆ε = K( f − fo ) 4µL2 hệ số gauges VWSG; f E tần số dao động dây thời điểm đo (Hz); f0 tần số dao động ban đầu dây (Hz) Khi làm việc thực tế, nhiệt độ môi trường yếu tố ảnh hưởng đến giá trị biến dạng thơng qua hệ số giãn nở nhiệt vật liệu [15–17] Nếu vật liệu kết cấu thiết bị đo (sợi dây rung) có giá trị giãn nở nhiệt biến dạng kết cấu tính tương tự sợi dây theo công thức (2) Tuy nhiên, hệ số giãn nở nhiệt thiết bị đo kết cấu khác giá trị biến dạng kết cấu phải hiệu chỉnh theo công thức (3) đây: ∆ε biến dạng tỷ đối dây so với ban đầu; K = εmean = εload + (T − T )(α s − αw ) s s (3) εmean biến dạng thực tế kết cấu; εload biến dạng đo kết cấu từ thiết bị đo; s s T nhiệt độ thời điểm đo; T nhiệt độ thời điểm ban đầu; α s hệ số giãn nở nhiệt vật liệu kết cấu; αw hệ số giãn nở nhiệt dây rung Thiết lập hệ thống cảm biến dây rung quan trắc kết cấu cơng trình cầu giai đoạn thi công Một hệ thống thiết bị cảm biến đảm bảo đo ứng suất – biến dạng liên tục, lâu dài theo thời gian kết cấu nhiều vị trí cần nghiên cứu nhằm giúp người kiểm tra nhanh chóng phát kịp thời đưa cảnh báo xuất thay đổi bất lợi ứng suất – biến dạng kết cấu so với giá trị theo thiết kế tiêu chuẩn cho phép Xác định vị trí lắp đặt thiết bị cảm biến dây rung dựa vai trò, tầm quan trọng kết cấu cần đo, vị trí mặt cắt dự báo phát sinh nội lực lớn Thông thường vị trí lắp đặt cảm biến thống đơn vị liên quan dựa hồ sơ thiết kế, biện pháp thi công nhằm đảm bảo vừa tiết kiệm chi phí vừa đủ số liệu để đánh giá trạng thái làm việc kết cấu thực tế Hệ thống VWSG thiết lập phải đáp ứng yêu cầu sau: (1) Nhiều cảm biến kết nối đồng đồng thời thu giá trị ứng suất - biến dạng nhiều vị trí kết cấu cơng trình; (2) Các giá trị ứng suất – biến dạng thu đảm bảo độ xác liên tục; (3) Thiết bị cảm biến phải có độ bền cao, khơng thấm nước, đảm bảo khả khai thác lâu dài Dựa cách lắp đặt, cảm biến dây rung gồm loại: cảm biến gắn bên kết cấu (Hình 2(a)) cảm biến gắn bên ngồi kết cấu (Hình 2(b)) Cần lưu ý với cảm biến chôn bê tông, kết cấu cần quan trắc ngâm nước nằm đất phải lựa chọn loại có khả chống nước với áp lực cao Việc lắp đặt thiết bị cảm biến tương đối đơn giản, nhiên cần lưu ý số vấn đề sau: (1) Hai đầu cảm biến phải gắn chắn, phần cảm biến vị trí ống bảo vệ dây rung phải đảm bảo trống khơng cảm biến gắn ngồi trước đổ bê tông cảm biến chôn kết cấu; (2) Các dây dẫn phải dẫn đến vị trí thuận lợi để kết nối với thiết bị đọc liệu, tránh tác động làm hư hỏng suốt q trình thi cơng Việc đọc lưu số liệu quan trắc thực data logger kết nối với thiết bị cảm biến thông qua dây dẫn Tùy thuộc số lượng cảm biến yêu cầu lưu trữ kinh phí quan trắc, có 16 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng thể bố trí hay nhiều data logger Hình thể data logger đơn giản Data logger bao gồm: xử lý trung tâm (Central Processing Unit – CPU); nhớ giúp số liệu lưu trữ; hình hiển thị trực tiếp giá trị số liệu đo đơn vị đo; tự động xác định cảm biến Khi tiến hành đo, kết biến dạng tự động tính tốn dựa thông số thiết bị đo cài đặt từ ban đầu Hình Cảm biến dây rung thông minh: (a) - Cảm biến gắn bên kết cấu; (b) - Cảm biến gắn bên bề mặt kết cấu Hình Thiết bị đọc liệu (Data logger) Dữ liệu truyền từ data logger trung tâm quan trắc thông qua kết nối không dây Sau xử lý liệu, xuất kết thành báo cáo đưa cảnh báo phát vấn đề bất thường trạng thái làm việc kết cấu Hình thể sơ đồ hệ thống quan trắc ứng suất – biến dạng sử dụng cảm biến dây rung Hình Sơ đồ hệ thống quan trắc ứng suất – biến dạng sử dụng cảm biến dây rung Nghiên cứu ứng dụng VWSG quan trắc ứng suất - biến dạng cầu vịm nhịp lớn q trình thi cơng 4.1 Đối tượng nghiên cứu Để nghiên cứu hiệu thiết bị cảm biến dây rung việc quan trắc ứng suất – biến dạng kết cấu cơng trình cầu q trình thi cơng, nhóm nghiên cứu thiết lập, lắp đặt hệ thống thiết bị VWSG quan trắc ứng suất – biến dạng cho kết cấu hai cơng trình cầu vịm nhịp lớn tiêu biểu, có kết cấu cơng nghệ thi cơng phức tạp Việt Nam, cầu vịm BTCT Kỳ Cùng (Lạng Sơn) cầu vịm CFST cầu Hồng Văn Thụ (Hải Phòng) 17 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Cầu Kỳ Cùng (Lạng Sơn) Hình Cầu Hồng Văn Thụ (Hải Phịng) Cầu Kỳ Cùng (Hình 5) nằm trung tâm thành phố Lạng Sơn, bắc qua sông Kỳ Cùng cầu vòm BTCT đường xe chạy với nhịp độ 102,2 m, bề rộng cầu 21 m [18] Cầu Hồng Văn Thụ (Hình 6) bắc qua sông Cấm, nối liền phường Minh Khai với huyện Thủy Ngun, thành phố Hải Phịng [19] Cầu cầu Hoàng Văn Thụ thiết kế dạng kết cấu cầu vịm CFST đường xe chạy với nhịp 200 m, hai nhịp biên nhịp 45 m sử dụng bó cáp dự ứng lực làm giằng dọc Bề rộng cầu 33,5 m cho bốn xe giới hai xe thơ sơ Kết cấu vịm gồm hai sườn vòm ống CFST liên kết với hệ giằng ngang dạng khung phía dầm ngang đầu cầu Kết cấu vòm biên gồm hai sườn BTCT với mặt cắt ngang hình chữ nhật m × m 4.2 Thiết lập sơ đồ bố trí thiết bị chu kỳ quan trắc Với hai đối tượng nghiên cứu hai cơng trình cầu vịm có kết cấu khác nhau, nên nhóm nghiên cứu sử dụng VWSG chơn bê tơng cho cầu vịm BTCT Kỳ Cùng VWSG gắn bề mặt kết cấu cho cầu vịm CFST Hồng Văn Thụ Các thơng số kỹ thuật VWSG sử dụng nghiên cứu thể Bảng Bảng Thông số kỹ thuật cảm biến dây rung Thông số Giá trị Phạm vi ứng biến Độ xác ứng biến Độ phân giải ứng biến Phạm vi đo nhiệt độ Độ xác đo nhiệt độ Hệ số giãn nở nhiệt dây ±1500 µε 0,5% F.S 0,03% F.S (1 µε) −20 °C ∼ + 110 °C ±0,5 °C 12,2 µε/°C Loại thiết bị cảm biến dây rung nhóm nghiên cứu kiểm tra độ xác tin cậy thơng qua tiến hành số thí nghiệm phịng với kết cấu đơn giản có vật liệu đồng nhất, điều kiện lý tưởng Vành vòm kết cấu quan trọng cơng trình cầu vịm Trong suốt q trình thi cơng, quan trắc chuyển vị, ứng suất – biến dạng vành vòm cần thiết nhằm đảm bảo hình dạng khả chịu lực kết cấu nằm phạm vi an toàn Để quan trắc ứng suất – biến dạng, loạt VWSG lắp đặt vị trí, mặt cắt quan trọng vành vịm Đối với cầu Kỳ Cùng, 30 VWSG loại chôn bê tông lắp đặt vị trí mặt cắt dọc theo chiều dài vịm Hình theo trình tự thi cơng Trong q trình thi cơng cầu Kỳ Cùng, ứng 18 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng suất vành vòm thu thập xử lý với chu kỳ chính: Chu kỳ - Từ đổ bê tông đến tháo đà giáo ván khuôn; Chu kỳ - Sau tháo đà giáo đến sau thi cơng xong dầm đỉnh vịm dầm hộp bê tông dự ứng lực; Chu kỳ - Sau hồn thiện cầu Hình Sơ đồ, vị trí lắp đặt VWSG cho cầu Kỳ Cùng Hình Sơ đồ, vị trí lắp đặt VWSG cho vành vịm cầu Hoàng Văn Thụ Đối với cầu Hoàng Văn Thụ, sau kết thúc thi cơng nhồi bê tơng vành vịm, 15 VWSG loại gắn lắp đặt mặt cắt bất lợi thể Hình Mặt cắt bố trí mặt cắt VWSG thớ vành vòm thượng lưu cảm biến thớ vành vòm hạ lưu Mặt cắt vành vòm thượng lưu hạ lưu bố trí VWSG mặt hai ống thép VWSG mặt hai ống thép Mặt cắt bố trí VWSG thớ vành vịm thượng lưu Mặt cắt bố trí mặt cắt VWSG thớ vành vòm hạ lưu Dữ liệu ứng suất – biến dạng thu thập xử lý với chu kỳ: Chu kỳ - Sau lắp mặt cầu BTCT đợt 1; Chu kỳ Sau lắp mặt cầu BTCT đợt 2; Chu kỳ - Sau lắp mặt cầu BTCT đợt 3; Chu kỳ - Sau lắp mặt cầu BTCT đợt 4; Chu kỳ - Sau lắp bê tơng đợt (hồn thành thi cơng mặt cầu) 19 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 4.3 Kết quan trắc ứng suất – biến dạng Với cầu Kỳ Cùng, tính từ thời điểm lắp đặt VWSG đến kết thúc công tác quan trắc ứng suất – biến dạng khoảng tháng, với cầu Hoàng Văn Thụ tháng Tại thời điểm dừng quan trắc, tất VWSG hoạt động bình thường Mặc dù trải qua thời gian quan trắc tương đối dài với nhiều tác nhân thời tiết, công tác thi công ảnh hưởng thiết bị VWSG chứng tỏ độ bền ổn định Đặc biệt, q trình thi cơng cầu Kỳ Cùng, gặp lũ, phần lớn vành vịm chìm nước, thiết bị chơn bê tơng vịm ngâm nước thời gian dài, nhiên tất thiết bị hoạt động trạng thái ổn định Bảng thể kết quan trắc ứng suất vành vòm cầu Kỳ Cùng với chu kỳ đo Bảng thể kết quan trắc ứng suất vành vịm cầu Hồng Văn Thụ với chu kỳ đo Trong hai bảng này, giá trị dương (+) thể ứng suất kéo giá trị âm (−) thể ứng suất nén Bảng Giá trị ứng suất vành vòm quan trắc cầu Kỳ Cùng (MPa) Mặt cắt Mặt cắt Mặt cắt Mặt cắt Mặt cắt Chu kỳ Biên Biên Biên Biên Biên Biên Biên Biên Biên Biên 0,0 −1,23 0,45 1,23 0,0 −2,30 −7,60 −10,10 0,0 −2,70 −5,40 −5,87 0,0 −2,67 −5,86 −5,97 0,0 −2,33 −6,30 −6,80 0,0 −1,67 −3,47 −2,77 0,0 −2,43 −5,23 −5,60 0,0 −2,27 −5,10 −5,13 0,0 −1,07 0,20 0,80 0,0 −2,47 −7,40 −8,90 Từ Bảng thấy, chân đỉnh vịm cầu Kỳ Cùng có chênh lệch lớn ứng suất biên biên dưới, chứng tỏ mặt cắt xuất mô men tương đối lớn Tại mặt cắt 1/4 nhịp vòm, chênh lệch ứng suất biên biên khơng nhiều nghĩa mơmen vị trí nhỏ Ứng suất nén bê tông lớn đo chân vòm khoảng −10,10 MPa đỉnh vịm khoảng −6,80 MPa Đối cầu Hồng Văn Thụ, thiết bị lắp đặt sau lắp dựng xong vành vịm hồn thành công tác bơm nhồi bê tông vào ống thép vành vòm nên giá trị thể Bảng ứng suất thép vịm vị trí lắp đặt thiết bị tải trọng tác dụng kể từ thời điểm lắp đặt thiết bị tĩnh tải hệ dầm cầu, lan can, lớp phủ v.v Tại mặt cắt đỉnh vòm, giá trị ứng suất thép đo lớn khoảng −48,28 MPa mặt ống thép vành vòm thượng lưu Bảng Giá trị ứng suất vành vòm quan trắc cầu Hoàng Văn Thụ (MPa) Chu Mặt cắt Mặt cắt Mặt cắt Mặt cắt Mặt Mặt Mặt cắt cắt cắt kỳ TL-TOP HL-TOP TL-TOP HL-TOP TL-TOP HL-TOP TL-BOT HL-TOT TL-TOP HL-TOP TL-BOT HL-BOT TL-BOT HL-TOP HL-TOP 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 −4,80 −5,51 −8,28 −6,98 −8,45 −15,86 −7,86 −7,86 −7,52 −10,75 −10,98 −8,32 −10,47 −19,00 −12,84 −12,75 −19,36 −21,87 −34,12 −30,37 −8,40 −15,79 −7,77 −9,16 −9,75 −9,04 −14,87 −24,85 −30,97 −34,55 −34,45 −7,26 −18,71 −6,07 −16,65 −12,17 −18,39 −17,16 0,00 0,00 0,00 −15,10 −24,04 −31,17 0,00 0,00 0,00 0,00 −26,11 −7,86 −2,28 −5,41 −10,77 −16,91 −24,59 −21,81 −14,33 −21,65 −25,25 −22,35 −43,85 −45,32 −44,02 −34,46 −14,26 −40,40 −10,99 −12,95 −19,88 −22,17 −19,35 −21,05 −26,78 −27,49 −22,35 −43,60 −38,96 −48,28 −38,13 −19,05 −47,03 Ghi chú: TL - Thượng lưu; HL - Hạ lưu; TOP – mặt ống vòm trên; BOT – mặt ống vòm 20 −9,35 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Hình ảnh cầu Kỳ Cùng lũ Hình 10 VWSG cho cầu Hồng Văn Thụ So sánh ứng suất vành vịm kết phân tích kết cấu phần tử hữu hạn với kết quan trắc thực tế Độ tin cậy giá trị kết đo kiểm tra thông qua so sánh ứng suất vành vòm từ thực tế đo với phân tích kết cấu cầu sử dụng mơ phần tử hữu hạn theo giai đoạn thi công thực tế Hai phần mềm phân tích kết cấu sử dụng nghiên cứu Midas Civil cho cầu Kỳ Cùng RM Bridge cho cầu cầu Hồng Văn Thụ Các đặc trưng vật liệu, điều kiện biên khai báo mơ hình lấy theo hồ sơ thiết kế vẽ thi cơng [18, 19] Mơ hình phân tích kết cấu cầu Kỳ Cùng thể Hình 11 cầu cầu Hồng Văn Thụ thể Hình 12 Hình 11 Mơ hình phần tử hữu hạn cầu vòm BTCT Kỳ Cùng phần mềm Midas Civil Hình 12 Mơ hình phần tử hữu hạn cầu cầu vịm CFST Hồng Văn Thụ phần mềm RM Bridge Kết phân tích kết cấu theo lý thuyết kết quan trắc thực tế so sánh thể Hình 13 cho cầu Kỳ Cùng Hình 14 cho cầu Hồng Văn Thụ Trong hình này, kí hiệu LT thể giá trị lý thuyết, TOP thớ BOT thớ Hình 13 cho thấy giá trị ứng suất kết đo ứng suất – biến dạng cầu Kỳ Cùng tương đồng hình dạng với giá trị theo phân tích lý thuyết Các mặt cắt đối xứng có kết đo tương đồng, thấy rõ điều so sánh biểu đồ kết đo ứng suất mặt cắt với mặt cắt 5, mặt cắt với mặt cắt Sau hoàn thành cầu, mặt cắt chân vòm 5, thớ chịu ứng suất kéo, thớ nén chứng tỏ chân vòm xuất mômen âm Tại mặt cắt (1/4 nhịp vòm), tất kết đo từ cảm biến cho giá trị biến dạng nén chênh lệch không lớn, điều chứng tỏ mômen hai mặt cắt nhỏ Tại mặt cắt đỉnh vòm (mặt cắt 3), tất kết đo từ cảm biến cho giá trị biến dạng nén, ứng suất nén thớ lớn ứng suất nén thớ chứng tỏ mặt cắt đỉnh vịm có xuất mơmen dương Có thể thấy từ kết đo ứng suất – biến dạng cho thấy ứng xử thực tế vành vòm phù hợp với ứng xử lý thuyết kết cấu 21 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (a) Mặt cắt (b) Mặt cắt (c) Mặt cắt (d) Mặt cắt (e) Mặt cắt Hình 13 Ứng suất vành vịm cầu Kỳ Cùng Hình 14 cho thấy hầu hết giá trị ứng suất vành vịm cầu Hồng Văn Thụ đo tương quan với giá trị ứng suất lý thuyết theo quy luật Tại thời điểm kết thúc quan trắc, tất giá trị đo ứng suất nén Cần lưu ý cầu vòm CFST có kết cấu cơng nghệ thi cơng phức tạp, kết mơ hình phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công ảnh hưởng nhiều yếu tố đầu vào điều kiện biên Trong q trình thi cơng thực tế chắn có sai khác lớn với giả thiết phân 22 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng tích kết cấu theo lý thuyết Thêm nữa, khơng giống mơ hình thí nghiệm phịng với tỷ lệ nhỏ, tốn thí nghiệm ngồi trường chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác thời tiết, tác động thiết bị phụ trợ thi công, tải trọng cục v.v nên sai số kết đo thực tế cơng trường lý thuyết tương đối lớn Tuy nhiên, từ kết quan trắc phân tích lý thuyết cầu cầu Hồng Văn Thụ thấy ứng xử kết cấu thực tế tương đồng với lý thuyết (a) Mặt cắt Mặt cắt (b) Mặt cắt Mặt cắt 6-biên (c) Mặt cắt 3-biên (d) Mặt cắt mặt cắt 5-biên (e) Mặt cắt 4-biên (f) Mặt cắt 4-biên Hình 14 Ứng suất vành vịm cầu Hồng Văn Thụ 23 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Từ kết quan trắc ứng suất phân tích lý thuyết hai cầu vịm có kết cấu khác sử dụng hai loại VWSG chôn bê tơng gắn ngồi, thấy rằng: (1) Kết đo ứng suất từ VWSG tương đối khớp với kết mơ hình tính (2) Số liệu quan trắc thu thập VWSG chôn bê tông cho kết ổn định so với VWSG gắn ngồi Điều lý giải VWSG gắn ngồi chịu nhiều tác động khách quan bên hơn, đặc biệt q trình thi cơng (3) Mặc dù thời gian quan trắc tương đối dài, nhiên đến thời điểm kết thúc quan trắc, không bị hư hỏng va đập máy móc, thiết bị thi cơng VWSG hoạt động ổn định đảm bảo độ tin cậy Kết luận Thông qua nghiên cứu ứng dụng VWSG quan trắc ứng suất - biến dạng hai cơng trình cầu vịm nhịp lớn cầu vòm BTCT Kỳ Cùng (Lạng Sơn) cầu vòm CFST Hồng Văn Thụ, rút số kết luận sau: (1) Thiết lập hệ thống quan trắc sức khỏe cơng trình nói chung quan trắc ứng suất - biến dạng kết cấu cho cầu nhịp lớn Việt Nam giai đoạn thi công khai thác nói riêng cần thiết nhằm đảm bảo an tồn cho người cơng trình, kịp thời đưa cảnh báo biện pháp xử lý có vấn đề bất thường trạng thái làm việc kết cấu, nhờ giảm thiệt hại chi phí xảy rủi ro không lường trước (2) Đối với kết cấu đòi hỏi phải quan trắc theo dõi thời gian dài, sử dụng hệ thống VWSG để quan trắc ứng suất – biến dạng đặc biệt phù hợp ưu điểm như: - VWSG cho phép quan trắc theo thời gian, độ bền cao, ổn định, xử lý vấn đề sai số nhiệt độ, lắp đặt đơn giản, thích hợp với nhiều vị trí quan trắc kể kết cấu nằm nước, chôn vùi đất vị trí khó tiếp cận v.v - Công tác lấy liệu tương đối đơn giản, nhanh chóng, ảnh hưởng yếu tố bên ngồi Có thể đồng truy xuất liệu với thời gian thực liên tục, đặc biệt kết đo tích lũy dần theo giai đoạn nên phù hợp với cơng trình cầu với nhiều giai đoạn (bước) thi công (3) Từ kết quan trắc ứng suất vành vòm so sánh với giá trị phân tích lý thuyết hai cơng trình cầu vịm BTCT Kỳ Cùng cầu vịm CFST Hoàng Văn Thụ cho thấy: - VWSG cho kết đo đảm bảo độ ổn định xác cao, phản ánh ứng xử kết cấu theo lý thuyết - Mặc dù việc so sánh kết đo ứng suất – biến dạng từ VWSG công trình cầu vịm thực tế có kết cấu trình tự thi cơng phức tạp với kết phân tích lý thuyết từ mơ hình phần tử hữu hạn khó khăn, nhiên thấy kết đo thực tế tương đồng với lý thuyết tính tốn, đảm bảo mục tiêu quan trắc, đánh giá cảnh báo kết cấu trình thi cơng - Số liệu quan trắc thu thập VWSG chôn bê tông cho kết ổn định so với VWSG gắn ngồi chịu nhiều tác động khách quan bên Kết nghiên cứu cho thấy tiềm lớn khả ứng dụng VWSG kiểm định hay quan trắc dài hạn kết cấu cầu nhịp lớn Việt Nam Lời cảm ơn Nhóm tác giả xin trân trọng cảm ơn công ty Công ty Cổ phần Xây dựng Cầu 75, Công ty TNHH Thương mại & Xây dựng Trung Chính, Tổng Cơng ty Tư vấn Thiết kế Giao thông Vận tải (TEDI), Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cầu lớn Hầm, Công ty Tư vấn Cơng trình Châu Á Thái Bình Dương (APECO) hỗ trợ tạo điều kiện tốt cho chúng tơi hồn thành báo 24 Thành, T P., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Tài liệu tham khảo [1] Balageas, D., Fritzen, C.-P., Găuemes, A (2010) Structural health monitoring, volume 90 John Wiley & Sons [2] Sohn, H., Farrar, C R., Hemez, F M., Shunk, D D., Stinemates, D W., Nadler, B R., Czarnecki, J J (2003) A review of structural health monitoring literature: 1996–2001 Los Alamos National Laboratory, USA [3] Soyoz, S., Feng, M Q (2009) Long-Term Monitoring and Identification of Bridge Structural Parameters Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 24(2):82–92 [4] Doebling, S W., Farrar, C R., Prime, M B., Shevitz, D W (1996) Damage identification and health monitoring of structural and mechanical systems from changes in their vibration characteristics: A literature review Technical report, United States [5] Huston, C (1879) The effect of continued and progressively increasing strain upon iron Journal of the Franklin Institute, 107(1):41–45 [6] Webster, J G (1999) The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook Springer Science & Business Media [7] Juds, S (1988) Photoelectric sensors and controls: selection and application, volume 63 CRC Press [8] Habel, W R (1995) Fiber optic sensors in civil engineering: experiences and requirements Uttamchandani, D G., editor, Smart Structures: Optical Instrumentation and Sensing Systems, SPIE [9] Casas, J R., Cruz, P J S (2003) Fiber Optic Sensors for Bridge Monitoring Journal of Bridge Engineering, 8(6):362–373 [10] Lee, H M., Kim, J M., Sho, K., Park, H S (2010) A wireless vibrating wire sensor node for continuous structural health monitoring Smart Materials and Structures, 19(5):055004 [11] Bourquin, F., Joly, M (2004) A magnet-based vibrating wire sensor: design and simulation Smart Materials and Structures, 14(1):247–256 [12] Benmokrane, B., Chekired, M., Xu, H (1995) Monitoring Behavior of Grouted Anchors Using Vibrating-Wire Gauges Journal of Geotechnical Engineering, 121(6):466–475 [13] Dreyer, H (1979) Long-term measurements in rock mechanics by means of Maihak vibrating wire instrumentation Proc., Int Symp on Field Measurements in Rock Mech, 109–122 [14] Hanna, T H (1985) Field instrumentation in geotechnical engineering Series on rock and soil mechanics [15] Neild, S A., Williams, M S., McFadden, P D (2005) Development of a Vibrating Wire Strain Gauge for Measuring Small Strains in Concrete Beams Strain, 41(1):3–9 [16] Arutunian, S G., Dobrovolski, N M., Mailian, M R., Sinenko, I G., Vasiniuk, I E (1999) Vibrating wire for beam profile scanning Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams, 2(12):122801 [17] Arutunian, S (2008) Vibrating wire sensors for beam instrumentation Beam Instrumentation Workshop, BIW, Lake Tahoe, USA [18] Công ty CP TVTK Cầu lớn Hầm (2016) Dự án cầu Kỳ Cùng, thành phố Lạng Sơn, tỉnh Lạng Sơn Hồ sơ thiết kế vẽ thi công [19] Tổng cơng ty TVTK GTVT - CTCP (2017) Cầu Hồng Văn Thụ, thành phố Hải Phòng Hồ sơ thiết kế vẽ thi công 25 ... – biến dạng sử dụng cảm biến dây rung Hình Sơ đồ hệ thống quan trắc ứng suất – biến dạng sử dụng cảm biến dây rung Nghiên cứu ứng dụng VWSG quan trắc ứng suất - biến dạng cầu vịm nhịp lớn q trình. .. số giãn nở nhiệt dây rung Thi? ??t lập hệ thống cảm biến dây rung quan trắc kết cấu cơng trình cầu giai đoạn thi công Một hệ thống thi? ??t bị cảm biến đảm bảo đo ứng suất – biến dạng liên tục, lâu... lớn q trình thi cơng 4.1 Đối tượng nghiên cứu Để nghiên cứu hiệu thi? ??t bị cảm biến dây rung việc quan trắc ứng suất – biến dạng kết cấu cơng trình cầu q trình thi cơng, nhóm nghiên cứu thi? ??t lập,