Trên thế giới

1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn quan trắc chuyển dịch cầu

1.3.1. Trên thế giới

1.3.1.1. Các cơng trình nghiên cứu khoa học

Đến nay, lĩnh vực nghiên cứu quan trắc chuyển dịch cơng trình cầu vẫn liên tục nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới và đã đạt được nhiều thành tựu về cả về phương pháp luận lẫn thực tiễn. Các cơng trình khoa học đã được công bố chủ yếu theo các hướng nghiên cứu sau:

a. Phương pháp đo hướng chuẩn và xử lý số liệu đo hướng chuẩn

Một số bài báo đã nghiên cứu áp dụng phương pháp hướng chuẩn trong công tác đào hố móng xây dựng cơng trình, xác định chuyển dịch ngang của tường cọc

ván, mái dốc của đường cao tốc [54], [78], [79], [80]. Ngoài ra, tài liệu [84] đã tính tốn, xử lý kết quả đo đạc bằng cách bình sai kết quả đo hướng chuẩn. Cuốn sách [85] đã xác lập cơ sở lý thuyết của phương pháp hướng chuẩn trong đo chuyển dịch cơng trình. Tài liệu [86] đề cập đến phương pháp hướng chuẩn độ chính xác cao.

b. Ứng dụng GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cơng trình cầu dây văng

- Những nghiên cứu khoa học về thiết kế, lắp đặt GNSS và ứng dụng phương pháp đo GNSS - RTK trong hệ thống theo dõi sức khỏe cơng trình cầu đã được thực hiện. Các nhóm khoa học đã đề cập đến việc thiết kế hệ thống quan trắc kết cấu cầu dây văng bao gồm cách bố trí, các thành phần của hệ thống trong đó có GNSS, phương thức truyền tín hiệu và xử lý dữ liệu đo [41], [53], [73]. Nghiên cứu cho thấy hệ thống trên có thể cung cấp thơng tin có giá trị trong việc đánh giá tính tồn vẹn của kết cấu đồng thời đảm bảo cho việc lập kế hoạch duy tu sửa chữa và vận hành cầu an toàn. Nghiên cứu trong bài báo [35] đã chứng tỏ rằng phương pháp GNSS - RTK cho phép quan trắc chuyển dịch theo thời gian thực của cả ba phương X, Y, Z cơng trình cầu hệ dây, kết quả đo này có thể được sử dụng để xác định đặc điểm biến dạng của cầu và cung cấp khả năng cảnh báo sự hư hỏng của kết cấu. GNSS và máy đo gia tốc đã được các nhóm khoa học sử dụng trong thực nghiệm xác định phản ứng của cầu [39], [50], [51], [72]. Kết quả nghiên cứu là số liệu đo được bằng GNSS - RTK với tần số từ 10Hz trở lên sau khi lọc nhiễu rồi sau đó tính chuyển ra tần số dao động rất khớp với kết quả đo gia tốc. Từ đó kết luận rằng GNSS - RTK là một giải pháp hữu hiệu cho việc quan trắc chuyển dịch và xác định tần số dao động của cầu dây văng. Bài báo [67], [68] đã xác định chuyển dịch của cầu hệ treo dưới tác động của tải trọng động bằng GNSS - RTK. Kết quả đo GNSS được so sánh với kết quả đo bằng máy gia tốc kế và kết quả tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn, qua đó thấy rằng kỹ thuật GNSS - RTK đáng tin cậy trong việc làm rõ sự ảnh hưởng của tải trọng động đến cầu.

- Đánh giá độ chính xác vị trí mặt bằng, độ cao của GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cơng trình cầu. Sự chuyển dịch của cầu dây văng do các xe tải có tải trọng khác nhau tác động được đo bằng năm máy thu GNSS (Novatel Oem4-DL4 và

Trimble 5700) có tốc độ lấy mẫu 5Hz, đặt giữa nhịp chính cầu. Từ kết quả tính thực nghiệm này cho thấy độ chính xác của phương pháp GNSS - RTK khi đo phương đứng là ±25mm [33]. Tuy nhiên thực nghiệm này mới chỉ được xác định độ chính xác trong q trình thử tải cầu mà không thực hiện trong trường hợp các phương tiện giao thơng hoạt động bình thường. Bằng cách so sánh giữa kết quả chuyển dịch theo phương ngang và phương đứng của mơ hình đã biết các thơng số thực với kết quả chuyển dịch đo được bằng kỹ thuật RTK của các máy thu GNSS 1Hz đặt tại các nhà ga và trên mái tòa nhà cao tầng, các nhà khoa học đã xác định được độ chính xác kết quả đo chuyển dịch bằng GNSS - RTK đạt được 15mm theo phương ngang và 35mm theo phương đứng [64]. Một nghiên cứu khoa học khác, ba cây cầu treo Tsing Ma, Kap Shui Mun và Ting Kau đã được theo dõi thông qua hệ thống quan trắc kết cấu. Việc giám sát hiện tại được kiểm tra bằng máy gia tốc kế. Tuy nhiên thiết bị đo đạc này chỉ xác định được tần số dao động và các dạng dao động riêng của kết cấu mà không xác định trực tiếp được sự chuyển dịch của cơng trình. Do đó, tác giả bài báo đã cài đặt hệ thống GNSS trên dây cáp, nhịp chính để xác định sự dịch chuyển theo các phương của cầu và cải thiện độ chính xác của hệ thống quan trắc kết cấu cầu. Hệ thống GNSS được cải tiến có thể đo chuyển dịch theo phương đứng với độ chính xác ±20mm và với độ chính xác ±10mm theo phương ngang [83].

- Để nâng cao độ chính xác phương pháp GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu, các nhà khoa học đã sử dụng các bộ lọc Kalman, đáp ứng xung hữu hạn trong xử lý tín hiệu số, sóng nhỏ, trung bình động nhằm loại bỏ các nhiễu ra khỏi kết quả đo. Bằng cách sử dụng một bảng mơ phỏng chuyển động, nhóm tác giả đã đặt máy thu GNSS có tần số đo là 20Hz trên bàn mô phỏng chuyển dịch. Số liệu chuyển dịch của bảng do GNSS ghi lại sau khi lọc nhiễu bằng bộ lọc băng thông tiếp tục được so sánh với chuyển dịch ban đầu do bảng tạo ra. Từ đó đã kết luận GNSS - RTK sau khi lọc nhiễu có thể đo được sự chuyển dịch cầu chính xác nếu biên độ chuyển dịch lớn hơn 5mm theo phương ngang hoặc 10mm theo phương thẳng đứng với điều kiện tần số chuyển động nhỏ hơn hoặc bằng 1Hz [74], [81]. Với một thực nghiệm khác, nhóm nghiên cứu đã đánh giá phản ứng động của cầu treo Humber khi chịu tác động

từ hoạt tải. Từ phân tích phần tử hữu hạn, độ lệch ở nhịp giữa được dự đoán là 440mm theo phương đứng; các chuyển dịch đo được 420mm bởi các hệ thống GNSS và 430mm sau q trình lọc nhiễu [65]. Cơng trình khoa học [34] đã cơng bố số liệu đo GNSS - RTK tại điểm đỉnh tháp sau khi được lọc thông thấp bằng bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn có độ chính xác ±2.5mm cho phương ngang và ±4mm cho phương đứng khi tiến hành lắp đặt hệ thống giám sát GNSS tại các đỉnh tháp và trên nhịp chính cầu cho cầu treo Rosenbrücke tại Áo. Giá trị trung bình động đã được nhóm các nhà khoa học áp dụng để làm mịn, phẳng các số liệu quan trắc của cơng trình trong chu kỳ ngắn hoặc chu kỳ dài hạn theo chuỗi thời gian nhằm nâng cao độ chính xác kết quả đo và để làm nổi bật các xu hướng dao động của cơng trình [39], [40].

Từ các kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy độ chính xác của phương pháp GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu hệ dây theo phương ngang là ±15mm, theo phương đứng là ±35mm. Độ chính xác này có thể được cải thiện thêm bằng cách sử dụng các bộ lọc để loại nhiễu khỏi kết quả đo.

c. Nghiên cứu ứng dụng ANN để xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch cơng trình

- ANN được kết hợp với bộ lọc Kalman hoặc bộ lọc thích nghi, hoặc phương pháp tự hồi quy (ARIMA) để nâng cao độ chính xác GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu hệ dây. Trong bài báo [62], bộ lọc số liệu đo được tạo ra từ sự kết hợp giữa phương pháp xử lý tín hiệu số và ANN nhằm dự đốn và điều chỉnh dữ liệu quan trắc GNSS. Kết quả chỉ ra rằng mạng nơ-ron được đề xuất với mơ hình bộ lọc xử lý tín hiệu số có thể được áp dụng để khử nhiễu số liệu GNSS giúp cho việc phân tích số liệu và thành lập mơ hình chuyển động của mặt cầu được chính xác. Trong một số các nghiên cứu khoa học khác, ANN kết hợp bộ lọc Kalman được sử dụng để làm mịn và lọc dữ liệu giám sát GNSS - RTK. Các nghiên cứu trên đã áp dụng mạng nơ-ron nhiều lớp để xác định nhiễu khi đo bằng GNSS. Các mô phỏng số cho thấy việc sử dụng ANN kết hợp với Kalman mở rộng giúp giảm các lỗi trong hệ thống giám sát GNSS và độ chính xác định vị được cải thiện đáng kể [38], [62], [63]. Ứng dụng phương pháp ARIMA kết hợp với ANN để khử nhiễu số liệu đo GNSS - RTK 1Hz và thành lập mô hình chuyển dịch theo phương X, Y, Z tại các điểm đặc trưng

cầu dây văng đã được thực hiện trong cơng bố cơng trình khoa học [58], [61]. Ở bài báo [58], chuyển dịch theo phương đứng của một cây cầu giàn thép được xác định bằng GNSS vào thời điểm có một đồn tầu đi qua, qua đó thấy rằng ANN kết hợp với ARIMA phản ánh được chính xác độ võng của cầu. Trong tài liệu [61], các nhà khoa học đã thành lập được mơ hình chuyển dịch tại điểm đỉnh tháp cầu dây văng bằng phương pháp kết hợp ANN, ARIMA. Kết quả tính được so sánh với kết quả tính bằng phương pháp hồi quy. Qua đó thấy rằng phương pháp ANN có độ tin cậy hơn phương

pháp hồi quy do hệ số hồi quy (R2) của phương pháp hồi quy bằng 0.60 nhỏ hơn hệ

số hồi quy (R2) của ANN bằng 0.90.

- Nghiên cứu ứng dụng ANN trong mơ phỏng mơ hình chuyển dịch cầu, ANN được áp dụng để xây dựng mơ hình chuyển dịch phương dọc, phương ngang của điểm đỉnh tháp cầu dây văng Thiên Tân (Trung Quốc) dựa trên các số liệu đo bằng GNSS - RTK [36]. Kết quả xây dựng mơ hình bằng ANN được so sánh với kết quả tính được bằng phương pháp số bình phương nhỏ nhất và phương pháp đa thức Chebyshev. Qua đó thấy rằng phương pháp ANN đạt độ chính xác cao hơn hai phương pháp trên. Độ chênh lệch giữa giá trị tính được bằng ANN và giá trị thực bằng 3cm. Bài báo trên mới chỉ xét đến chuyển dịch ngang, dọc của điểm đỉnh tháp mà chưa xét đến chuyển dịch theo cả 3 phương điểm giữa nhịp chính cầu và ảnh hưởng của các yếu tố hoạt tải tác động đến cầu. Bài báo [48] đã nghiên cứu ứng dụng ANN để xây dựng mơ hình chuyển dịch theo phương đứng trên một cây cầu mô phỏng dựa trên các giả thiết về sự tác động của hoạt tải xe cộ. Tuy nhiên, nghiên cứu này khơng tính tốn trên cơng trình cầu thực tế và cũng chưa xét đến sự ảnh hưởng của gió, nhiệt độ khơng khí, chuyển dịch của điểm đỉnh tháp đến chuyển dịch điểm giữa nhịp chính cầu.

- Một số các cơng trình khoa học đã nghiên cứu phương pháp ANN trong dự đoán sự thay đổi tần số riêng của hệ thống cầu treo. Những thay đổi về tần số tự nhiên của kết cấu được sử dụng để xác định những thay đổi kết cấu do hư hỏng và xuống cấp. Song, các giá trị tần số tự nhiên cũng thay đổi theo sự tác động của các yếu tố như nhiệt độ, gió, tải trọng giao thơng [75], [76]. ANN đã được áp dụng để phát hiện và xác định vị trí sự hư hỏng của một cây cầu dây văng dựa trên số liệu đo của máy

gia tốc kế [63]. Bài báo [44], [45] đã ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo để mô phỏng và dự báo về sự thay đổi của tần số dao động do nhiệt độ khơng khí gây ra. Nhóm tác giả đã sử dụng dữ liệu đo trong 1 năm của tần số dao động và nhiệt độ khơng khí trên cầu dây văng Ting Kau, cùng với thuật toán lan truyền ngược ba lớp (BP) của mạng nơ-ron để mơ hình hóa mối tương quan giữa nhiệt độ và tần số. Bài báo [82] đã nghiên cứu tác động của nhiệt độ đến tần số dao động của một dầm bê tông. Dựa trên kết quả tính được bằng hai phương pháp là ANN và hồi quy tuyến tính, nhóm tác giả đã kết luận rằng phương pháp ANN chính xác hơn phương pháp hồi quy do hệ số hồi quy

R2 lớn hơn và sai số mơ hình dự báo của phương pháp ANN nhỏ hơn phương pháp

hồi quy. Một nghiên cứu khác đã xây dựng mơ hình dao động cầu treo dựa trên sự thay đổi các yếu tố ngoại lực như gió, nhiệt độ khơng khí, tải trọng của các phương tiện giao thông tác động đến tần số dao động và sau đó kết luận là phương pháp ANN đã đạt được giá trị dự đoán tốt hơn hồi quy tuyến tính [49].

Qua các nghiên cứu trên thấy rằng ANN là một giải pháp hiệu quả trong đánh giá và dự báo tình trạng của cơng trình. ANN được kết hợp với các phương pháp khác để lọc nhiễu, nâng cao độ chính xác kết quả đo GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu. Ngoài ra, ANN cịn được sử dụng để xây dựng mơ hình dự báo tần số dao động dựa vào các yếu tố hoạt tải trên cầu. Một số ít các cơng trình khoa học khác thì áp dụng ANN trong dự báo chuyển dịch của cầu dây văng tuy nhiên các nghiên cứu này chưa xét đến sự ảnh hưởng của gió, nhiệt độ khơng khí, tải trọng của phương tiện giao thông hoạt động trên cầu và sự chuyển dịch của các điểm đỉnh tháp cầu.

1.3.1.2. Các cây cầu dây văng trên thế giới có lắp đặt GNSS trong hệ thống quan trắc kết cấu cơng trình cầu (SHM)

Tại các nước Mỹ, Nga, Anh, Hàn Quốc, Trung Quốc,... việc theo dõi hoạt động của các bộ phận kết cấu cầu treo nhất là với các cây cầu dây văng lớn trong quá trình thi công, khai thác rất phổ biến nhằm đảm bảo độ bền, độ an tồn cho cơng trình và người tham gia giao thơng, tăng tuổi thọ cho cơng trình. Đầu tiên, hệ thống quan trắc kết cấu cơng trình sẽ được các đơn vị thi cơng lắp đặt một cách hoàn chỉnh ngay từ giai đoạn xây dựng, tiếp đó là sau khi hồn thành cơng trình, hệ thống được bàn giao

cho các chuyên gia quản lí vận hành trong suốt giai đoạn sử dụng cầu. Hệ thống sẽ đo đạc, thu thập và lưu trữ dữ liệu liên tục từ quá trình thi cơng đến q trình khai thác. Với cơ sở dữ liệu quan trắc đầy đủ, các chun gia có thể kiểm sốt được chính xác tình trạng làm việc của cầu như giá trị lực căng của các dây văng, độ biến dạng, độ nghiêng trụ tháp, độ chuyển vị theo ba phương X, Y, Z của cầu dưới sự tác động của tốc độ gió, hướng gió, lượng mưa, độ ẩm,… tại một thời điểm bất kì.

Một trong những chỉ số quan trọng trong đánh giá chất lượng cơng trình là chuyển dịch của cơng trình. GPS trước đây hay GNSS hiện nay là một thiết bị quan trọng thuộc hệ thống SHM nhằm xác định chuyển dịch của cầu. Sơ đồ bố trí các cảm biến trong đó có máy thu GNSS thuộc hệ thống SHM trên một số cầu dây văng sau:

- Cầu Stonecutters (Hồng Kơng)

Hình 1. 8: Cầu dây văng Stonecutters (Hồng Kông)

Cầu Stonecutters (Hồng Kông) được trang bị một hệ thống SHM hiện đại, do hãng COWI lắp đặt. Hệ thống có tổng số 1420 cảm biến theo dõi chuyển dịch, biến dạng cơng trình.

Hình 1. 9: Bố trí cảm biến đo trên cầu Stonecutters

- Cầu Kap Shui Mun (HongKong)

Đây là cây cầu dây văng 2 tầng. Cầu gồm cả đường bộ và đường sắt, với nhịp chính dài 430m, chiều rộng 32.5m và được hồn thành vào năm 1997.

Hình 1. 10: Cầu Kap Shui Mun (HongKong)

Hình 1. 11: Sơ đồ bố trí các cảm biến trên cầu Kap Shui Mun

- Cầu Ting Kau (Hong Kong)

Cầu Ting Kau là cầu dây văng lớn có 4 nhịp và 3 trụ tháp. Chiều dài nhịp chính là 448m và 474m với 6 làn đường.

Hình 1. 12: Cầu Ting Kau (Hong Kong)

Hình 1. 13: Sơ đồ bố trí các cảm biến trên cầu Ting Kau

Có thể liệt kê một số cầu dây văng lớn trên thế giới có lắp đặt GNSS trong hệ thống SHM được thể hiện trong Bảng 1. 1.

Bảng 1. 1: Một số cầu dây văng có lắp đặt GNSS trong hệ thống quan trắc