3.1. Quan trắc kết cấu công trình cầu dây văng
3.1.2. Đặc điểm cầu dây văng, yêucầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch và phương
pháp GNSS - RTK trong quan trắc cầu dây văng
- Đặc điểm cầu dây văng
Cầu treo có nhiều ưu điểm như khả năng vượt được nhịp lớn, tính mỹ thuật cao, tiết kiệm vật liệu. Tuy nhiên, cầu có một số đặc điểm khác với các loại cầu khác như chiều dài nhịp lớn, kích thước của dầm mảnh, độ cứng dầm nhỏ so với chiều dài nhịp, chiều cao của cột tháp cao, trọng lượng bản thân cầu nhỏ, kết cấu phức tạp. Chính vì vậy, kết cấu cầu là một hệ thống mềm dẻo, linh hoạt, độ cứng, độ ổn định kém hơn so với các loại cầu khác. Trong giai đoạn khai thác, cầu dây văng ngoài chịu tác dụng của tĩnh tải do trọng lượng bản thân và các thiết bị phục vụ việc bảo trì, theo dõi, cầu cịn chịu tác động của nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, gió bão, mưa, động đất, các phương tiện lưu thông trên cầu. Các tác động đó là nguyên nhân chủ yếu làm cầu dây văng bị chuyển dịch, biến dạng và ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu lực của cầu.
- Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch
Với đặc điểm trên của cầu dây văng có thể thấy nó khá nhạy cảm trước tác động của hoạt tải. Khi chịu các tác động này thì độ chuyển dịch của cầu thường lớn hơn so với các loại cầu khác. Vì vậy, theo tài liệu [7], nếu yêu cầu độ chính xác khi quan trắc chuyển dịch với mục đích là để bảo đảm an tồn của cơng trình thì sai số quan trắc phải nhỏ hơn 1/10 đến 1/20 lần giá trị biến dạng cho phép. Giá trị biến dạng cho phép được lấy từ bản thiết kế cơng trình.
- Chu kỳ quan trắc chuyển dịch
Đối với các cơng trình cầu dây văng có độ mảnh lớn thì cần quan trắc liên tục theo thời gian, khoảng cách giữa các chu kỳ phụ thuộc vào đặc điểm của cơng trình như tần số dao động cơ bản, dải chu kỳ có thể là 1/20 giây; 1/2 giây; 1 giây….
Ví dụ cầu dây văng có chu kỳ dao động cơ bản của dầm chủ là 4 giây thì muốn đo được dao động của cầu, chu kỳ quan trắc chuyển dịch bằng GNSS - RTK phải nhỏ hơn 4 giây (nhỏ hơn chu kỳ dao động cơ bản của cầu).
3.1.3. Hệ thống quan trắc kết cấu cơng trình cầu dây văng
Quan trắc liên tục cầu không chỉ quan trắc chuyển dịch của cầu như lún, nghiêng và chuyển dịch ngang mà còn quan trắc các yếu tố biến đổi theo thời gian.
3.1.3.1. Thành phần chính hệ thống quan trắc kết cấu cơng trình
Một hệ thống quan trắc kết cấu cơng trình (SHM) thường gồm có ba thành phần chính [24]:
- Hệ thống các cảm biến là những cảm biến quan trắc tham số môi trường, cảm biến quan trắc phản ứng của kết cấu cầu, cảm biến theo dõi giao thông trên cầu. Các cảm biến xác định tham số môi trường xung quanh như cảm biến đo vận tốc gió, hướng gió, nhiệt độ, độ ẩm, mưa. Cảm biến quan trắc phản ứng của kết cấu cầu có cảm biến đo dao động, lực căng của dây cáp, độ nghiêng trụ tháp, hệ thống GNSS, cảm biến đo biến dạng. Cảm biến theo dõi tình trạng giao thơng trên cầu như camera theo dõi giao thông, cảm biến đo trọng lượng trục xe WIM.
- Hệ thống thu nhận và truyền dữ liệu: Vì hệ thống SHM có nhiều cảm biến nên việc thu nhận dữ liệu, truyền và lưu trữ một lượng rất lớn các số liệu quan trắc liên tục là một thách thức lớn. Bộ phận thu thập dữ liệu có chức năng chuyển đổi các tín hiệu tương tự từ các cảm biến sang dạng tín hiệu số để thuận tiện cho việc lưu trữ và xử lý tín hiệu. Hệ thống này thường có những mạch lọc tín hiệu, mạch khuếch đại và mạch chuyển tín hiệu A/D. Việc truyền tín hiệu từ hệ thống thu thập sang hệ thống quản lý dữ liệu được thực hiện bằng cách kết hợp 3 mạng sau:
+ Mạng Lanwork được sử dụng với mục đích là truyền tín hiệu từ cảm biến đo và bộ khuếch đại tín hiệu đến máy tính đặt tại cơng trường.
+ Mạng Lan được áp dụng khi phải truyền số liệu thu thập được trên máy tính tại cơng trường đến cơ sở dữ liệu trên máy chủ server.
+ Mạng Internet hỗ trợ người dùng truy cập cơ sở dữ liệu trên máy chủ để tìm kiếm các thơng tin cần thiết về tình trạng cầu.
- Trung tâm xử lý số liệu gồm có bộ phận lưu trữ dữ liệu, hệ thống đánh giá tình trạng cầu (các phần mềm chẩn đốn, đánh giá, quản lý thơng tin). Trung tâm xử lý số liệu có nhiệm vụ phân tích các số liệu được truyền đến từ hệ thống thu nhận dữ liệu
nhằm xác định các đặc điểm đặc trưng phục vụ cho việc đánh giá tình trạng cầu dây văng. Ví dụ như nó sẽ phân tích các yếu tố của tải trọng động ảnh hưởng tới cơng trình và phân tích các ứng xử của cầu như chuyển dịch, ứng suất, gia tốc,...trước các tác động đó. Sau đó trung tâm lưu trữ các kết quả phân tích này theo thứ tự thời gian và dự báo xu hướng phát triển của chúng. Thường các dữ liệu quan trắc này được lưu trữ trên 20 năm nên để thực hiện chức năng trên thì nó phải sử dụng máy tính có khả năng lưu trữ lớn, tốc độ nhanh và các phần mềm phân tích chuyên dùng kèm theo.
3.2. Ứng dụng GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu dây văng
3.2.1. Phương pháp định vị vệ tinh
GNSS - RTK là phương pháp đo GNSS động theo thời gian thực, kết quả đo cho giá trị tọa độ, độ cao tức thời của điểm quan trắc trên cầu. Nguyên lý hoạt động của phương pháp này gồm một máy tĩnh (Base) đặt tại một điểm đã biết tọa độ, độ cao hoặc được kết nối với điểm đã biết tọa độ, độ cao và một hoặc nhiều máy (Rover) đặt tại điểm cần xác định tọa độ, độ cao. Cả hai loại máy đồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh. Tại trạm Base, máy có thêm thiết bị phát sóng Radio link hoặc sóng 3G liên tục phát ra tín hiệu cải chính, số cải chính này sẽ được truyền tới các máy di động nhằm mục đích hiệu chỉnh vị trí để đạt được độ chính xác cao. Phạm vi hoạt động của máy Rover so với máy Base lên tới 10km với sóng Radio link và lớn hơn với sóng 3G trong điều kiện thuận lợi.
Hình 3. 1: Ứng dụng phương pháp GNSS - RTK cho cầu dây văng [43]
Trong quan trắc chuyển dịch cơng trình cầu dây văng, phương pháp GNSS có một số ưu điểm so với các phương pháp đo đạc mặt đất như:
+ Tốc độ đo nhanh, cung cấp thường xuyên, liên tục số liệu chuyển dịch theo ba phương của cầu trong cả ngày lẫn đêm với thời gian thực. Các kết quả đo này góp
phần cung cấp các thơng tin có độ tin cậy cao, tức thời về phản ứng của kết cấu cầu dưới tác động của các yếu tố môi trường, của áp lực giúp các cơ quan quản lý kịp thời phát hiện, dự báo các yếu tố bất thường của cầu để từ đó có các biện pháp khắc phục. + Đặc biệt hệ thống GNSS còn theo dõi các ứng xử của cầu trong trường hợp đặc biệt (như bão lũ, thiên tai hoặc sự cố tai nạn nghiêm trọng) mà các phương pháp truyền thống khác không thể giám sát được.
+ Phương pháp GNSS giúp khắc phục hạn chế của các phương pháp truyền thống như không phải phân luồng giao thông, dừng xe.
+ Áp dụng GNSS trong quan trắc cầu đem lại hiệu quả kinh tế vì nó khơng tốn thời gian, đảm bảo an toàn cho nhân lực tham gia, không cần một lượng lớn nhân công, không cần sự thơng hướng, có thể tự động đo trong điều kiện khó khăn tại hiện trường đặc biệt là khơng bị giới hạn bởi chiều dài, chiều cao cơng trình.
Mặc dù có những ưu điểm như trên nhưng quan trắc chuyển vị bằng GNSS cũng có những hạn chế nhất định như: yêu cầu tại các trạm thu phải có sự thơng thống lên bầu trời, độ chính xác của kết quả đo phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh và phương pháp tính tốn. Độ chính xác xác định độ cao tức thời của điểm đo không cao. Số lượng dữ liệu đo lớn, phương pháp lưu trữ, xử lý, phân tích dữ liệu quan trắc phức tạp.
Một số máy GNSS đo được phương pháp RTK được thể hiện trên Bảng 3.1
Bảng 3. 1: Một số loại máy thu GNSS
STT Loại máy Hãng
sản xuất Phương
Sai số phương ngang, phương đứng Tần số tối đa (Hz) 1 GMX902 GNSS Leica Ngang 10mm+ 1ppm 50 Thẳng đứng 20mm+ 1ppm 2 GMX910 Leica Ngang 8mm+ 1ppm 10 Thẳng đứng 15mm+ 1ppm 3 GMX30 Leica Ngang 8mm+ 1ppm 50 Thẳng đứng 15mm+ 1ppm 4 GRX1 Sokkia Ngang 10mm+1ppm 20 Thẳng đứng 15mm+1ppm
STT Loại máy Hãng
sản xuất Phương
Sai số phương ngang, phương đứng
Tần số tối đa (Hz)
5 GRX2 Sokkia Ngang 10mm+1ppm 20
Thẳng đứng 15mm+1ppm
6 HiPerV Topcon Ngang 10mm+1ppm 20
Thẳng đứng 15mm+1ppm
7 HiPerSR Topcon Ngang 10mm+1ppm 20
Thẳng đứng 15mm+1ppm
8 GRS- 1 Topcon
Ngang 10mm+1ppm
100
Thẳng đứng 15mm+1ppm
9 NET-G3A Topcon Ngang 10mm+1ppm 100
Thẳng đứng 15mm+1ppm 10 R8s Trimble Ngang 8mm + 1ppm 20 Thẳng đứng 15 mm + 1 ppm 11 R9s Trimble Ngang 8mm + 1ppm 20 Thẳng đứng 15 mm + 1 ppm 12 R10 Trimble Ngang 8 mm + 1 ppm 20 Thẳng đứng 15 mm + 1 ppm
3.2.2. Bố trí lắp đặt máy thu GNSS trong quan trắc chuyển dịch cầu dây văng
Để theo dõi chuyển dịch cầu dây văng, phương pháp GNSS - RTK được áp dụng gồm có trạm Base và trạm Rover.
Trạm Base được đặt tại điểm đã biết tọa độ, được xây dựng kiên cố, đặt trên nền đá gốc, có độ ổn định cao, thơng thống và bố trí ngồi phạm vi ảnh hưởng của độ chuyển dịch cơng trình (Hình 3.2).
Trạm Rover được đặt tại các vị trí nhạy cảm với các thay đổi về độ cứng của kết cấu cầu, phải phản ánh được các dao động thực của cầu. Đó là điểm đặc trưng của cầu như đỉnh tháp, chân tháp, giữa nhịp chính, ¼ nhịp chính, ¾ nhịp chính.
Hình 3.2: Sơ đồ bố trí trạm Base tại cầu Cần Thơ [28]
Hệ thống GNSS bố trí trên cầu dây văng thể hiện trên Hình 3.3, Hình 3.4, Hình 3.5.
Hình 3. 5: Anten máy thu GNSS trên bản mặt cầu [28]
Các bộ phận chính trong hệ thống quan trắc liên tục có lắp đặt GNSS gồm: - Anten GNSS và máy thu GNSS
Hình 3. 6: Anten và máy thu GNSS
Các đầu thu GNSS chủ yếu là của hãng Trimble, Leica,... Các thiết bị này có thể đo dữ liệu có độ chính xác cao, liên tục.
- Hệ thống thu nhận và chuyển đổi dữ liệu
Hệ thống này có nhiệm vụ thu nhận, hiệu chỉnh, chuyển đổi và truyền dữ liệu tới máy tính. Dữ liệu GNSS sau khi chuyển đổi thành tín hiệu điện hoặc tín hiệu tương
này sẽ được biến đổi thành dạng số để máy tính có thể làm việc. Các bộ thu nhận dữ liệu phải có bộ nhớ đệm để làm bộ nhớ tạm thời khi tính tốn và lưu trữ trong một khoảng thời gian nhất định trước khi truyền đi.
- Hệ thống truyền dẫn dữ liệu
Dữ liệu sau khi thu thập, phân tích sẽ được truyền dẫn trực tiếp hoặc qua mạng đến khối điều khiển trung tâm.
+ Thiết bị truyền dẫn dữ liệu trực tiếp
Việc truyền dữ liệu bằng các dây dẫn hoặc qua cáp quang rất thơng dụng. Khơng giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, nguyên lý truyền tín hiệu của sợi cáp quang dựa trên phản xạ ánh sáng toàn phần và cơng nghệ mã hóa thơng tin vào các xung ánh sáng có các bước sóng khác nhau. Do đó mà cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao, truyền xa hơn so với truyền dẫn bằng dây cáp đồng.
+ Thiết bị truyền dẫn dữ liệu qua mạng
Sử dụng hệ thống truyền dẫn dữ liệu thông qua mạng không dây, mạng cục bộ (LAN) hoặc hệ thống mạng Internet đến các máy trạm giúp khắc phục được các khiếm khuyết của truyền dẫn trực tiếp.
Hiện nay, trên thế giới, đối với các cầu dây văng lớn, khi phải xử lý, quản lý, phân tích số liệu quan trắc ở nhiều nơi khác nhau với khoảng cách rất xa lên đến hàng nghìn km thì thiết bị truyền dẫn trực tiếp khơng cịn được áp dụng phổ biến nữa vì nhược điểm của nó là bị hạn chế về khoảng cách truyền, gặp nhiều khó khăn trong lắp đặt, vận hành, bảo trì hệ thống cáp và chi phí cao. Song ở Việt Nam, việc truyền dữ liệu bằng mạng vẫn bị hạn chế do hệ thống mạng thường không ổn định cho nên đối với hệ thống SHM của cầu hệ dây chủ yếu là truyền dữ liệu bằng cáp quang.
- Phần mềm xử lý số liệu quan trắc
Một số phần mềm xử lý số liệu quan trắc như Leica GNSS Spider của hãng Leica, 3D TRACKER của Condor Earth Technologies Inc, GOCA (GPS-based Online Control and Alarm), INTETRAK by Orion Monitoring Systems Inc, … Trong đó phần mềm Leica GNSS Spider được sử dụng thông dụng hơn cả. Phần
mềm này được thiết kế cho Leica GR/GM series, GNSS 1200, GNSS 900, GPS 500 với một hoặc nhiều trạm tham chiếu và nhiều trạm quan trắc.
Phần mềm Spider gồm 2 phần cơ bản: phần 1 là GNSS Spider thực hiện các tính tốn cơ bản của trạm tham chiếu và trạm quan trắc trong hệ tọa độ WGS - 84, tọa độ tương đối được tính theo thời gian thực; trung bình theo phút, giờ, ngày tháng. Phần 2 là Monitoring nhận kết quả tính tốn từ Spider, chuyển kết quả sang hệ tọa độ địa phương hoặc hệ tọa độ cơng trình, chuyển cơ sở dữ liệu đến máy chủ, quản lý tập tin. Sự kết nối dữ liệu của GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cơng trình cầu được thể hiện trên Hình 3.7.
Hình 3. 7: Sơ đồ kết nối dữ liệu của GNSS - RTK trong quan trắc cầu [28]
Trước khi hệ thống SHM trong đó có GNSS hoạt động, phần mềm hệ thống phải cài đặt các thông số về trạm base, trạm rover, hệ tọa độ, trạng thái “0” của máy rover và phải thiết lập các giá trị tới hạn. Các giá trị tới hạn này được sử dụng trong đánh giá tình trạng của cầu, trong cảnh báo giao thông và kiểm tra lại thiết kế. Các giá trị này có thể được thay đổi trong q trình sử dụng cầu. Tất cả các giá trị đo GNSS đều được lưu ở máy tính dưới dạng số, sau khi cài đặt các thơng số cơ bản thì màn hình sẽ hiển thị kết quả đo một cách trực quan dưới dạng biểu đồ quan hệ giữa
Hình 3. 8: Màn hình thời gian thực (Realtime), xử lý thống kê (Statistic)[28]
Hình 3. 9: Màn hình xử lý thống kê (1giờ, 1ngày) [28]
3.3. Nghiên cứu đánh giá độ chính xác quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu dây văng bằng phương pháp GNSS - RTK trong điều kiện Việt Nam.
Độ chính xác giá trị hiệu độ cao GNSS tại 1 điểm theo thời gian khi đo bằng GNSS - RTK được tính tốn và đánh giá độ chính xác này có đáp ứng u cầu phân
3.3.1. Quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu dây văng bằng phương pháp GNSS - RTK GNSS - RTK
Khi quan trắc chuyển dịch cầu dây văng bằng GNSS, giá trị thu được là độ cao trắc địa
M tđ
H (độ cao của điểm đó so với bề mặt Ellipxoid WGS-84 theo phương pháp
tuyến), trong khi đó hệ độ cao được sử dụng phổ biến trong quan trắc cơng trình cầu ở nước ta là hệ độ cao thường
M t
H (độ cao của điểm so với mặt Kwadigeoid theo
phương đường dây dọi). Nếu bỏ qua độ lệch dây dọi thì mối quan hệ giữa độ cao trắc địa và độ cao thường được thể hiện qua hình cơng thức sau:
𝐻𝑡𝑀 = 𝐻𝑡đ𝑀+ξ (3.1)
M t
H : Độ cao thường tại điểm quan trắc M
M tđ
H : Độ cao trắc địa
ξ: Dị thường độ cao
Hình 3. 10: Độ cao của một điểm quan trắc tại thời điểm i và j
Vì độ chính xác khi xác định dị thường độ cao không cao nên độ cao thường tại của một điểm được tính từ cơng thức (3.1) sẽ có độ chính xác khơng cao. Tuy nhiên trong quan trắc chuyển dịch cầu dây văng, giá trị quan trắc theo phương đứng bằng GNSS là giá trị độ cao trắc địa của một điểm tại các thời điểm khác nhau, và các