Hệ quan trắc công trình cầu Cần Thơ

PGS. TS. HOÀNG NAM PGS. TS. LÊ VĂN NAM Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh ThS. NGUYỄN VĂN THÀNH KS. MÃ LÝ THÔNG Bộ Giao thông vận tải

TÓM TẮT: Bài báo giới thiệu chi tiết hệ quan trắc đã được lắp đặt cho cầu Cần Thơ nhằm xác định được các thông tin cơ bản liên quan đến quá trình vận hành cũng như các thông tin phản ánh trạng thái kết cấu công trình. Những thông tin này là công cụ đắc lực hỗ trợ các chuyên gia, nhà quản lý, nhà nghiên cứu, tư vấn thiết kế hay nhà thầu có thể phân tích dài hạn, thiết lập các cảnh báo liên quan đến phản ứng của công trình, kiểm soát các trạng thái giới hạn hay dự báo tuổi thọ mỏi và dò tìm khuyết tật, phục vụ thiết thực công tác quản lý, khai thác vận hành và bảo trì.

TỪ KHÓA: Giám sát Y tế Kết cấu (SHM), cầu cáp, thiết bị, mô hình hóa phần tử hữu hạn, xác nhận.

Abstract: This paper describes a structural health monitoring system of various sensors including anemometers, accelerometers, and inclinometers, along with data acquisition and processing unit, which has installed in a 550-m span cable-stayed bridge in the South of Vietnam. This SHM system aims to collect real-time information of traffic conditions as well as structural performance of the bridge. The information derived can then be used by the owner/authorities to monitor as well as to support decision making during the bridge operation and maintenance.

Keywords: Structural Health Monitoring (SHM), cable-stay bridge, instrumentation, finite element modeling, validation.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Cầu Cần Thơ là cầu dây văng bắc qua sông Hậu, nối TP. Cần Thơ và tỉnh Vĩnh Long. Cầu được khởi công xây dựng vào tháng 9/2004 và hoàn thành vào tháng 4/2010. Tại thời điểm hoàn thành, đây là cầu hai mặt phẳng dây văng có nhịp chính dài nhất khu vực Đông Nam Á (550m). Trụ tháp cầu hình chữ Y ngược cao 134.7m tính từ mặt cầu. Móng trụ tháp được đặt trên hệ cọc khoan nhồi đường kính 2.5m, dài 94m. Kết cấu mặt cầu chính gồm đoạn giữa dài 210m là kết cấu dầm hộp thép ghép nối với hai đoạn cầu còn lại là kết cấu dầm hộp bê tông ứng suất trước. Hệ dây văng là các bó cáp chế tạo sẵn thế hệ mới NPWS (new prefabricated wire strands), bó cáp dài nhất là 264.5m [Bộ GTVT, 2010].

Hai năm sau khi khánh thành, một hệ quan trắc (Structural Health Monitoring - SHM) đã được lắp đặt cho cầu Cần Thơ [NTT Data, 2012], tuy nhiên hệ này chỉ mới minh họa khả năng của các thiết bị cảm biến và nhận diện các dữ liệu đo bất thường, chưa thật sự cung cấp thông tin trợ giúp đánh giá trạng thái kết cấu cầu từ các dữ liệu quan trắc [Hoàng, 2015]. Năm 2017, trong khuôn khổ Dự án xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu quan trắc cầu dây văng ở Việt Nam, một mạng lưới trực tuyến kết nối hệ SHM ở tất cả các cầu dây văng, bước đầu bao gồm 4 cầu: Cần Thơ, Rạch Miễu, Bãi Cháy và Kiền đã được thiết lập [Hoang và To, 2017]. Ở cầu Cần Thơ, hệ quan trắc cũ đã được tiến hành hiệu chuẩn lại và bổ sung cảm biến mới, sau đó đồng bộ truyền dẫn - xử lý dữ liệu. Với mạng lưới này, mỗi hệ quan trắc cần cung cấp thông tin liên quan đến sự làm việc thực của công trình, thông qua một mô hình kết cấu đã được hiệu chỉnh cho đến chuẩn xác, nghĩa là tối thiểu xử lý dữ liệu quan trắc tại các công trình đạt đến mức 3 trong các mức độ thông tin đề xuất bởi Web và cộng sự năm 2014 [Webb và cộng sự, 2014; Hoàng, 2015].

2. CẤU HÌNH CHÍNH CỦA HỆ QUAN TRẮC

Cấu trúc của hệ quan trắc hiện có ở cầu Cần Thơ bao gồm ba mô-đun cơ bản: (i) Thiết bị quan trắc, (ii) thiết bị thu thập và truyền dữ liệu, (iii) phần mềm kiểm soát và xử lý dữ liệu, trong đó có xử lý cập nhật mô hình kết cấu công trình. Dữ liệu được lưu đồng thời tại trạm quan trắc và tại một máy chủ đám mây (cloud server). Một giao diện trực tuyến sinh động đã được thiết kế như trong Hình 2.1, trên cơ sở điện toán đám mây, đảm bảo khả năng kiểm soát và xử lý chẩn trị liên tục 24/7, từ bất kỳ địa điểm truy cập nào, một cách danh nghĩa đặt tại một trung tâm quản lý cơ sở dữ liệu của Tổng cục ĐBVN. Bằng phân cấp đối tượng sử dụng, đơn vị quản lý tại các trạm quan trắc đặt gần công trình cầu chỉ có thể theo dõi tức thời (real-time) hay thực hiện các phân tích ngắn hạn dữ liệu thu thập được, trong khi tại Trung tâm Quản lý cơ sở dữ liệu - nơi tập họp các nhà quản lý và chuyên gia sẽ có thêm các chức năng chẩn đoán dữ liệu dài hạn liên quan đến trạng thái kết cấu công trình cầu trong suốt quá trình khai thác.

Hình 2.1: Giao diện trực tuyến cho hệ quan trắc cầu Cần Thơ

Sau khi bổ sung các thiết bị theo dõi kết cấu, hệ quan trắc cầu Cần Thơ có tổng cộng 59 thiết bị cảm biến, cùng với các bộ thiết bị thu thập dữ liệu và truyền dẫn, như minh họa trong Hình 2.2. Các thông số kỹ thuật của hệ này trình bày trong Bảng 2.1. Có thể thấy các cảm biến, với tính đối xứng của công trình, tập trung quan trắc các phản ứng tĩnh và động của nửa cầu phía Tháp Nam, trong đó 8 cảm biến đo dao động dầm và dây văng là các cảm biến hai phương, dẫn đến tổng số kênh đo là 67. Hệ cảm biến phân loại theo đối tượng quan trắc gồm 3 nhóm: (A) Kết cấu công trình (hình học, biến dạng, gia tốc, độ nghiêng tháp...) thông qua các biến dạng kế, gia tốc kế và cảm biến đo nghiêng; (B) khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa) thông qua các nhiệt kế, phong kế, và vũ kế; (C) giao thông (tình hình lưu thông...) thông qua các thiết bị ghi hình. Như đã nêu, mục tiêu thiết kế hệ quan trắc cầu Cần Thơ là xác định được các thông tin cơ bản liên quan đến việc vận hành cầu (tình hình giao thông, cấp gió tác động, lực căng cáp…) và cảnh báo khi cần thiết, đồng thời đạt được các thông tin liên quan đến các đặc trưng động lực học cơ bản (tần số riêng, dạng dao động riêng, tỉ số cản) của các bộ phận kết cấu chính yếu (hệ cáp, dầm chính, tháp) và tổng thể, hướng đến cập nhật chính xác mô hình kết cấu cầu.

Hình 2.2: Hệ quan trắc cầu Cần Thơ sau bổ sung (2017)

Việc xử lý dữ liệu thu thập đáp ứng yêu cầu theo dõi tức thời hoặc phân tích ngắn hạn thành các thông tin cơ bản liên quan đến việc vận hành cầu và cảnh báo khi cần thiết (như thống kê vận tốc gió, tính toán lực căng...) được tự động thực hiện bởi các phần mềm trực tuyến. Phần mềm phân tích trực tuyến này có thể thực thi tại trạm hoặc trên máy chủ đám mây. Đối với các nhu cầu chẩn đoán, phân tích cao cấp hơn như xác định nhận dạng động lực học, cập nhật mô hình kết cấu cầu, tính toán phản ứng sau sự cố… thì các chuyên gia có thể sử dụng các phần mềm ứng dụng độc lập chuyên dụng (như Etabs, Matlab, Midas..) sau khi truy cập và tải dữ liệu từ máy chủ đám mây.

Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật các cảm biến

3. MÔ HÌNH KẾT CẤU CHO CẦU CẦN THƠ

Do cấu hình phức tạp của công trình cầu dây văng và những biến động về hình học, vật liệu, địa hình, cũng như năng lực nhà thầu... trong quá trình thi công, một mô hình phần tử hữu hạn (finite element model), với rất nhiều giả thuyết đơn giản hóa áp dụng trong quá trình thiết lập, có thể cho kết quả phản ứng sai khác với công trình thực. Cân chỉnh mô hình này khi đó được định nghĩa là một kỹ thuật để giảm thiểu kết quả khác biệt. Các phương pháp cân chỉnh sẽ dùng các dữ liệu/thông tin thu thập được từ hệ thống quan trắc để cân chỉnh một số thông số kết cấu tiêu biểu của mô hình (như độ cứng, khối lượng, mô-đun đàn hồi...) hay thông số điều kiện biên (chuyển vị gối tựa, ràng buộc góc xoay...) cho đến khi mô hình phản ánh sát sao hành vi của công trình thực [Friswell và Mottershead, 1995]. Một mô hình như vậy sẽ giúp các chuyên gia, nhà quản lý, nhà nghiên cứu, tư vấn thiết kế hay nhà thầu có thể phân tích dài hạn, thiết lập các cảnh báo liên quan đến phản ứng của công trình, kiểm soát các trạng thái giới hạn hay dự báo tuổi thọ mỏi và dò tìm khuyết tật, hư hỏng một cách chính xác và hiệu quả, phục vụ thiết thực công tác quản lý, khai thác vận hành và bảo trì.

Hình 3.1 giới thiệu mô hình phần tử hữu hạn dựng theo bản vẽ hoàn công công trình cầu Cần Thơ với các thông số hình học, vật liệu và điều kiện biên phù hợp, sử dụng phần mềm Abaqus 6.10. Các bước thiết lập mô hình đã được kiểm chứng qua bài toán chuẩn (benchmark) của cầu dây văng do nhóm giáo sư Viện kỹ thuật Harbin Trung Quốc công bố năm 2014 [Li và cộng sự, 2014]. Trong mô hình này, dầm cầu (kết cấu dầm hộp thép ghép với dầm hộp bê tông ứng suất trước) và trụ tháp được mô hình bởi các phần tử dầm 3 chiều B31; hệ dây văng mô hình bởi các phần tử dàn 3 chiều T3D2, liên kết với dầm và trụ tháp bằng các kết nối đa điểm (multi-point constraint). Tổng cộng mô hình có 1.988 điểm nút; 1.733 phần tử dầm và 216 phần tử dàn. Từ mô hình này, kết quả các đặc trưng tần số riêng và dạng dao động riêng cơ bản được trình bày trong Hình 3.1, cùng với thông tin tương ứng từ phân tích sơ bộ dữ liệu các bản ghi dao động thu thập được. Có thể thấy tần số riêng của 3 dạng dao động đầu tiên từ kết quả phân tích mô hình đều lớn hơn giá trị đo, hay nói cách khác độ cứng tổng thể của mô hình còn tương đối lớn so với thực tế và cần tiếp tục cân chỉnh cùng với dữ liệu thu thập đủ dài trong tương lai.

Hình 3.1: Mô hình công trình cầu Cần Thơ và các dạng dao động cơ bản

4. KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày hệ quan trắc đã được lắp đặt cho cầu Cần Thơ trong mạng lưới trực tuyến kết nối các hệ quan trắc cầu dây văng ở Việt Nam. Mô hình kết cấu ban đầu của công trình cầu cũng đã được xây dựng, cùng với các dữ liệu bắt đầu được thu thập liên tục và ổn định sẽ được cập nhật để đạt đến mô hình chuẩn để từ đó có thể phát triển các mức thông tin tiếp theo phản ánh sự làm việc thực tế của công trình. Những thông tin này là công cụ đắc lực hỗ trợ các chuyên gia, nhà quản lý, nhà nghiên cứu, tư vấn thiết kế hay nhà thầu có thể phân tích dài hạn, thiết lập các cảnh báo liên quan đến phản ứng của công trình, kiểm soát các trạng thái giới hạn hay dự báo tuổi thọ mỏi và dò tìm khuyết tật, hư hỏng một cách chính xác và hiệu quả, phục vụ thiết thực công tác quản lý, khai thác vận hành và bảo trì.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ GTVT, Ban Quản lý dự án Mỹ Thuận (2010), Bản vẽ hoàn công cầu Cần Thơ.

[2]. Friswell, M.I. and Mottershead, J.E. (1995), Finite Element Model Updating in Structural Dynamics, Kluwer Academic Publishers.

[3]. Hoàng, Nam (2015), Dữ liệu và thông tin trong chẩn đoán kỹ thuật công trình cầu nhịp lớn ở Việt Nam, Tạp chí Kết cấu và Công nghệ xây dựng, 17, 94-101.

[4]. Hoang, N. and To, N.T. (2017), A Structural Health Monitoring Network for Cable-stayed Bridges in Vietnam, Proc., 15th East Asia - Pacific Conference on Structural Engineering & Construction, EASEC-15, Xian, Shaanxi, China.

[5]. Li, S., Li, H., Liu, Y., Lan, C., Zhou, W., and Ou, J., SMC Structural Health Monitoring Benchmark Problem Using Monitored Data from an Actual Cable-stayed Bridge, Structural Control and Health Monitoring, 21(2), 2014, 156-172.

[6]. NTT Data (2012), Sổ tay hướng dẫn sử dụng hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu cầu Cần Thơ.

[7]. Webb, G.T., Vardanega, P.J., Middleton, C.R. (2014), Categories of SHM Deployments: Technologies and Capabilities, J. Bridge Engineering, 20 (11).