CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG SHM CHO CẦU AN ĐÔNG
5.1 MỤC TIÊU BỐ TRÍ HỆ THỐNG SHM
a) Quan trắc dầm chủ:
Cầu Extradosed là hệ kết cấu có độ cứng, độ ổn định kém hơn so với các cầu bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) nhịp liên tục thông thường. Vì vậy nó bị ảnh hưởng nhiều của các tải trọng gió, hoạt tải xe cộ,... khi chịu tác động của tải trọng thì cầu hệ dây biến dạng nhiều hơn so với các cầu BTCT DƯL khác. Chính vì vậy quan trắc dao động, biến dạng (độ võng, độ vồng, chuyển vị ngang) của dầm chủ rồi từ đó đánh giá được khả năng làm việc của cầu.
Theo tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam hiện hành [17] và [19] thì các giới hạn của kết cấu nhịp được xác định như sau:
Độ võng nhỏ hơn: L/800 ([17] 5.2.6.2).
Ứng suất nén không vượt giá trị giới hạn bằng: 0,45 f’ci (MPa) ([19] 9.4.2.1).
Ứng suất kéo không vượt giá trị giới hạn bằng:0,5 f'ci (MPa) ([19] 9.4.1.2).
b) Quan trắc dây văng:
Dây văng là bộ phận truyền lực giữa tháp và dầm chủ. Cường độ của dây văng ảnh hưởng đến độ cứng chung của kết cấu, dao động của dây văng dưới tác động của môi trường và tải trọng có tác động ngược lại với dầm và tháp. Vì vậy việc xác định dao động của cáp văng sẽ giúp đơn vị quản lý cầu xác định được các đặc trưng dao động riêng cũng như các đặc trưng động học của cáp. Từ đó có thể xác định được lực căng trong cáp, giúp đánh giá độ bền của cáp trong quá trình sử dụng.
Kiểm soát ứng suất trong cáp văng không vượt quá 0,6fpu (cường độ chịu kéo giới hạn của cáp DƯL) [20].
c) Quan trắc cột tháp:
Ngoài yếu tố về kết cấu là cột tháp chịu tác động của lực căng của dây văng và các thành phần lực nén và uốn khác, mặt cắt ngang của cột tháp có dạng hộp rỗng để bố trí neo dây văng, thang lên xuống cùng một số các thiết bị khác như thiết bị cung cấp điện cho việc duy tu bảo dưỡng nên tháp cầu có độ cứng và độ ổn định rất kém.
Vì thế cần quan trắc độ nghiêng hay quan trắc chuyển vị ngang đỉnh tháp nhằm mục đích theo dõi độ ổn định trụ tháp theo phương dọc và phương ngang cầu.
5.1.2 Quan trắc các yếu tố môi trường a) Quan trắc gió:
Gió và các tác động của tải trọng gió là các tham số rất quan trọng thiết kế.
Luồng gió có khuynh hướng tạo nên trong kết cấu các dao động cưỡng bức uốn và xoắn, tùy theo góc tới của gió có thể làm tăng biên độ của dao động đứng. Tải trọng gió tác động rất lớn đến kết cấu, gây ra chuyển vị của toàn bộ hệ thống kết cấu. Vì thề cần quan trắc tốc độ gió, hướng gió 3 phương (theo phương ngang cầu và dọc cầu và thẳng đứng) theo thời gian ở cao độ mặt cầu và đỉnh trụ tháp để kiểm soát tải trọng gió so với thiết kế.
Theo tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam hiện hành [18] thì các tải trọng của gió được xác định như sau:
Tải trọng gió ngang: PN = 0,0006 V2 At Cd ([18] 8.1.2.1)
Tải trọng gió dọc: PD = 0,25 x (0,0006 V2 At Cd) ([18] 8.1.2.2)
Tải trọng gió đứng: PV = 0,00045 V2 Av ([18] 8.2) b) Quan trắc nhiệt độ:
Kết cấu công trình có phản ứng đáng kể với nhiệt, sự thay đổi của nhiệt sẽ sinh ra sự thay đổi về ứng suất, biến dạng, chuyển vị một số các vị trí như chuyển vị thẳng đứng ở giữa nhịp chính, chuyển vị theo phương dọc đối với khe co giãn... Vì thế cần quan trắc nhiệt độ từ đó tính toán ứng suất trong kết cấu nhịp cầu, tháp cầu
c) Quan trắc mưa:
Khi mưa thì tốc độ xe chạy trên cầu thay đổi, ma sát giữa bánh xe và đường thay đổi. Vì vậy, cần đo lượng mưa để cung cấp các dữ liệu thông tin có hệ thống về lượng mưa, kết hợp quan trắc đo gió, nhiệt độ và đo dao động của cầu từ đó cho biết điều kiện làm việc của cầu.
d) Quan trắc động đất:
Động đất là hiện tượng chuyển động hỗn loạn của vỏ trái đất có phương và cường độ thay đổi theo thời gian. Động đất là thảm họa không lường trước và không thể dự báo trước, đây là một thảm họa có thể gây hậu quả cực kì quan trọng. Vì thế cần phải quan sát chấn động từ đó xác định được tác động của tải trọng động đất tới công trình.
5.1.3 Quan trắc giao thông
Khi chịu hoạt tải, dầm cứng phân bố tải trọng lên cáp văng như lên các gối đàn hồi, độ võng thẳng đứng của các nút dây gây mô men uốn tổng thể trong dầm cứng.
Ngoài ra cáp văng còn bị võng dưới tác dụng của trọng lượng bản thân khi cầu chịu hoạt tải, nội lực trong dây tăng, dây duỗi thẳng làm tăng độ võng và mô men uốn trong dầm cứng. Vì vậy cần quan trắc về phương tiện hoạt động với các ghi nhận về lưu lượng xe, về tải trọng xe và tình hình hoạt động của phương tiện trên cầu nhằm phục vụ công tác quản lý cũng như kiểm soát hoạt tải tác động tới dầm và cáp văng.
5.1.4 Độ tin cậy và hiệu quả kinh tế
Tính khả dụng của dữ liệu, độ tin cậy của các bộ cảm biến phải dựa trên các dự án đã thực hiện. Đồng thời, nó cũng cần dựa trên những kinh nghiệm của các hệ thống SHM đã được áp dụng trên thế giới và các ứng dụng đa dạng của bộ cảm biến đo đạc.
Số lượng thiết bị được lắp đặt tỉ lệ thuận với chi phí đầu tư, càng nhiều thiết bị được lắp đặt thì chi phí đầu tư càng cao. Vì vậy, cần phải có sự cân đối giữa chi phí với chủng loại và số lượng thiết bị/cảm ứng để tối ưu hiệu quả của nó.