Trong quá trình quan trắc kết cấu cầu, các cảm biến thuộc hệ thống SHM sẽ đo đạc và thu thập được rất nhiều loại dữ liệu khác nhau gồm có dữ liệu về tải trọng động là các nguồn tác động đến sự làm việc của cầu và dữ liệu về đáp ứng kết cấu cầu là các phản ứng của cầu khi chịu các tác động trên. Dữ liệu của tải trọng động là các tham số mơi trường như gió, nhiệt độ, động đất, mưa, độ ẩm, tải trọng của xe cộ đi lại trên cầu. Dữ liệu về đáp ứng kết cấu cầu gồm có chuyển vị, gia tốc, ứng suất, biến dạng, nội lực trong các bộ phận kết cấu. Nhằm thu thập được đầy đủ, chính xác các thơng tin cần thiết cho việc theo dõi tình trạng làm việc của cầu thì cần thiết phải lựa chọn các nội dung quan trắc kết cấu cầu dây văng trong giai đoạn khai thác sử dụng cũng như tổ chức quan trắc theo các nội dung này thật hợp lý, tiết kiệm. Nội dung quan trắc chủ yếu phụ thuộc vào kết cấu cầu, tính chất cơ học, điều kiện mơi trường xung quanh. Như vậy ứng với mỗi cầu sẽ có một nội dung quan trắc phù hợp với nó. Việc tổ chức quan trắc kết cấu theo các nội dung đã xác định gồm có bố trí, lắp đặt các cảm biến tại các vị trí thích hợp trên cầu, xác lập cơ sở dữ liệu sau quan trắc và quy trình hoạt động của hệ thống quan trắc kết cấu. Dưới đây sẽ là phần tổ chức quan trắc và cơ sở dữ liệu có được theo nội dung quan trắc ở phần lớn các cầu dây văng.
3.4.1. Tổ chức quan trắc và xác lập cơ sở dữ liệu quan trắc kết cấu cầu dây văng
3.4.1.1. Đo tải trọng động tác động đến cầu dây văng
- Đo gió: Những cảm biến đo gió thuộc dạng thiết bị siêu âm, thường được đặt tại đỉnh trụ tháp, trên mặt cầu tại điểm giữa nhịp chính cầu. Dữ liệu thu thập được sau khi đo có thể là vận tốc gió, sự phân bố của hướng gió, phổ gió hỗn loạn, đường tốc độ gió giật, quan hệ giữa gió đứng và gió ngang, biểu đồ gió trung bình và gió giật,...
- Đo nhiệt độ: Nhiệt độ khơng khí được theo dõi thơng qua các cảm biến thường được bố trí trên mặt cầu và đỉnh trụ tháp cầu. Ngoài ra, nhiệt độ bên trong các bộ phận của kết cấu cầu như dầm, cột tháp, dây cáp văng được xác định bằng các bộ cảm biến nhiệt nằm dọc theo dầm, trên các mặt cắt ngang cột tháp và trong dây cáp. Kết quả thu được là nhiệt độ khơng khí, nhiệt độ dầm chủ, cột tháp, dây cáp, mặt đường. - Đo độ ẩm môi trường bằng cảm biến thường được lắp đặt tại đỉnh tháp cầu và trên mặt cầu.
- Đo lượng mưa trên cầu với cảm biến đặt tại điểm giữa nhịp chính.
- Cảm biến đo rung động địa chấn là các máy gia tốc kế được đặt ở móng mỗi cột tháp hoặc móng khối neo nhằm đo phổ gia tốc của đất nền từ đó đánh giá tác động của tải trọng động đất lên cầu.
- Muốn dị tìm sự ăn mịn kim loại và gỉ của cốt thép trong kết cấu trụ và bản mặt cầu thì những cảm biến macropar thường được lắp đặt sẵn tại các bộ phận này. - Kiểm sốt tình trạng xói lở xung quanh móng mố trụ cầu, các cơng trình bảo vệ cầu, kè hướng dịng,... Một số thiết bị được sử dụng là máy đo sâu hồi âm, máy đo cao độ và tốc độ dòng nước.
- Hệ thống cân đếm xe tự động WIM được sử dụng với mục đích xác định các đặc tính của xe khi chạy trên đường như trọng lượng từng xe, phân bố tải trọng trục, phổ tải trọng khai thác. Hệ thống này thường được đặt cố định tại các trạm trên đường hoặc đường dẫn vào cầu.
- Các Camera kiểm sốt giao thơng trên cầu bằng hình ảnh dùng để ghi nhận mật độ giao thông, phân loại phương tiện, các thơng tin về dịng xe (lưu lượng, tốc độ,..) trên cầu theo thời gian vào mọi thời điểm, thường được đặt tại trụ tháp với độ cao khoảng 15-25m so với mặt đường.
Như vậy với những cảm biến được lắp đặt trên cầu dây văng thì các các ngoại lực tác động đến cầu như vận tốc gió, hướng gió, nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, tải trọng đất do động đất gây nên, tải trọng xe cộ,... được xác định và nó sẽ là các yếu tố đầu vào cho q trình phân tích, đánh giá tình trạng cầu dây văng.
3.4.1.2. Đo đáp ứng của kết cấu cầu
- Theo dõi độ võng của dầm, sự chuyển vị tại khe co giãn của dầm chủ bằng một số cảm biến đo chuyển vị laser được đặt tại các mặt cắt ngang dầm, khe co giãn.
- Quan trắc chuyển dịch tổng quát của cầu theo cả 3 phương X, Y, Z nhờ sử dụng hệ thống GNSS được đặt tại các điểm đặc trưng của cầu dây văng như tại điểm ẵ nhp chớnh, ẳ nhp chính, đỉnh cột tháp cầu.
- Việc xác định lực căng của dây cáp chủ, bó cáp văng được thực hiện là nhờ một vài cảm biến được lắp đặt trên các dây cáp văng.
- Độ nghiêng của các đỉnh trụ tháp được quan trắc dựa vào các cảm biến đặt trên đỉnh cột tháp. Nếu các trụ tháp cao có thể bố trí thêm một số điểm đo dọc theo trụ tháp. Độ nghiêng của trụ tháp theo các phương dọc, phương ngang cầu cần phải được xác định nhằm đánh giá được hiện tượng vặn xoắn của trụ tháp.
- Đo dao động cả 3 phương X, Y, Z của dầm chủ, của cột tháp do gió, xe cộ qua cầu, tác động của địa chấn hay dao động của dây cáp do gió, mưa gây nên hoặc dao động xoắn của dầm bằng các gia tốc kế. Vị trí của các thiết bị này thường ở một số mặt cắt đặc trưng của dầm, cột tháp, ở ¼ chiều dài bó cáp. Các thơng tin thu được sau đo là các đặc tính dao động của cầu, tần số, các dạng dao động, dao động uốn, xoắn của cầu khi chịu ảnh hưởng của tải trọng động, tỷ số cản, hệ số phân bố khối lượng.
- Đo ứng suất nhằm giám sát biến dạng các bộ phận kết cấu cầu mà chủ yếu ở đây là biến dạng của dầm và cột tháp. Một số máy tensơmét sẽ được lắp trên các mặt cắt ngang dầm và cột tháp. Hình 3. 13 là sơ đồ bố trí thiết bị đo ứng suất trên mặt cắt ngang dầm nhịp chính.
Số liệu tổng hợp hệ thống quan trắc kết cấu cầu được thể hiện trên Hình 3.14:
Hình 3. 14: Kết quả quan trắc kết cấu cầu dây văng [29]
3.4.2. Quy trình hoạt động của hệ thống SHM
Do hệ thống SHM có chức năng là phát hiện, xác định vị trí, đánh giá mức độ hư hỏng từ sớm, chính xác của kết cấu nên có thể nói SHM là một hệ thống hỗ trợ ra quyết định. Số liệu quan trắc được xử lý thành các thông tin, các thông tin này trở thành hiểu biết của người quản lý đồng thời nó cũng là cơ sở quan trọng trợ giúp cho việc ra các quyết định trong cơng tác bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa và vận hành cầu. Quy trình hoạt động của hệ thống SHM được thể hiện qua Hình 3.15 [24].
Số liệu quan trắc Lưu trữ số liệu đo
Hệ thống cơ sở số liệu Xử lý số liệu Phân tích số liệu
Đánh giá, dự báo tình trạng làm việc của kết cấu cơng trình
Cảnh báo khẩn cấp, điều tiết giao thông, duy tu sửa chữa cầu
Các thiết bị quan trắc được đặt ngoài hiện trường 24/24 giờ và liên tục ghi số liệu theo thời gian, số liệu đo được chuyển đổi, lưu trữ và truyền trực tuyến đến bộ phận máy chủ để xử lý, phân tích, đánh giá, dự báo theo u cầu, khi có sự cố hoặc các biểu hiện bất thường của kết cấu, của yếu tố mơi trường thì hệ thống này phát tín hiệu cảnh báo và gửi thơng tin đến người sử dụng ngay tức thời. Điều này cũng được thể hiện rõ trong Hình 3. 16 là sơ đồ kết nối của hệ thống GNSS thuộc SHM trong quan trắc liên tục cầu dây văng nhằm xác định chuyển dịch tổng quát của cầu theo cả 3 phương X, Y, Z.
Hình 3. 16: Sơ đồ hệ thống quan trắc liên tục bằng GNSS [28]