HÖ THèNG §O Tù §éNG Kü THUËT Sè Vµ øNG DôNG X¸C
§ÞNH T×NH TR¹NG CÇU
AUTOMATIC DIGITAL MEASUREMENT SYSTEM AND
APPLICATION IN VERIFYING STATUS OF BRIDGES
Ng« KiÒu Nhi, Phan §øc Huynh, NguyÔn Nam Trang, Phan Quèc Th¸i
Phßng ThÝ NghiÖm C¬ Häc øng Dông - Tr−êng §¹i Häc B¸ch Khoa TP.HCM
Tãm t¾t
Dïng bé giao tiÕp víi biÕn c¶m ®iÖn trë d©y (Strain-Connector) tù chÕ t¹o, Phßng ThÝ NghiÖm C¬ Häc øng
Dông - Tr−êng §¹i Häc B¸ch Khoa TP.HCM ®· tiÕn hµnh thö nghiÖm ®o c¸c th«ng sè c¬ häc cña cÇu cÇn
thiÕt trong quy ph¹m kiÓm ®Þnh cÇu. Bµi b¸o giíi thiÖu c¸c kÕt qu¶ thu ®−îc trong c¸c ®ît thö nghiÖm víi cÇu
R¹ch ChiÕc (n¨m 2002- 03/2002). C¸c kÕt qu¶ thö nghiÖm cho ta thÊy kh¶ n¨ng cña hÖ thèng gãp phÇn theo
dâi th−êng xuyªn t×nh tr¹ng ho¹t ®éng thùc tÕ cña cÇu.
Abstract
With the self-manufactured Strain-Connector, the Laboratory of Applied Mechanics - University of
Technology manages to measure mechanical parameters required in the bridge verifying process. This
article shows the results from the tests with Rach Chiec bridge (year 2000 and March 2002). The results from
those tests prove the ability of the system to regularly verify the operation status of the bridge.
I. c¸c ®¹i l−îng cÇn ®o vµ c¸c thiÕt bÞ hiÖn sö dông trong qu¸
tr×nh kiÓm ®Þnh cÇu.
ChÕ ®é kiÓm tra ®èi víi c¸c c«ng tr×nh x©y dùng nãi chung vµ cÇu nãi riªng hiÖn chØ tËp
trung ë kh©u kiÓm ®Þnh. Thùc chÊt kiÓm ®Þnh lµ thö nghiÖm sau khi hoµn tÊt x©y dùng míi
hay sau söa ch÷a lín hoÆc thö nghiÖm tr−íc khi quyÕt ®Þnh cã söa ch÷a lín hay kh«ng. §Ó
xÐt toµn diÖn hiÖn tr¹ng c¬ häc cña cÇu cÇn cã nhiÒu gi¸m s¸t ë c¸c bé phËn kh¸c nhau ®Æc
biÖt lµ trô, mè, dÇm, phæ biÕn nhÊt lµ ®èi víi dÇm. Trªn B¶ng 1 ë cét 2 vµ 3 lµ c¸c ®¹i l−îng
cÇn ®o vµ thiÕt bÞ sö dông hiÖn hµnh [1] – [4] ®èi víi kiÓm ®Þnh cÇu.
B¶ng 1: C¸c ®¹i l−îng cÇn ®o trong qu¸ tr×nh kiÓm ®Þnh
TT C¸c ®¹i l−îng cÇn ®o
C¸c thiÕt bÞ ®−îc
sö dông hiÖn nay
[1] - [4]
HÖ thèng tù ®éng cã thÓ ®o
®−îc kh«ng?
(1) (2) (3) (4)
1
§é vâng
§é vâng lín nhÊt
§é vâng theo thêi gian
Vâng kÕ
§o trùc tiÕp
§o trùc tiÕp
2
BiÕn d¹ng
Gi¸ trÞ lín nhÊt
Gi¸ trÞ theo thêi gian
Tenx¬met ®iÖn
§o trùc tiÕp
§o trùc tiÕp
3 Modun ®µn håi cña bªt«ng
(c−êng ®é bªt«ng) Sóng b¾n bªt«ng
X¸c ®Þnh gi¸ trÞ t−¬ng ®−¬ng b»ng
tÝnh to¸n, dùa vµo gi¸ trÞ ®o biÕn
d¹ng, ®é vâng, h×nh häc mÆt c¾t
dÇm
4 TÇn sè riªng M¸y ®o dao ®éng
M¸y ¶nh TÝnh to¸n tõ sè liÖu ®o ®¹c
5 HÖ sè gi¶m chÊn TÝnh to¸n tõ sè liÖu ®o ®¹c
6 HÖ sè xung kÝch TÝnh to¸n tõ sè liÖu
®o ®¹c TÝnh to¸n tõ sè liÖu ®o ®¹c
7 Di chuyÓn trô/ mè cÇu Tenx¬met c¬ häc §o trùc tiÕp
8 §é më réng vÕt nøt KÝnh lóp
M¸y siªu ©m Kh«ng ®o ®−îc
Nh−îc ®iÓm cña c¸c thiÕt bÞ hiÖn ®−îc sö dông nh− sau:
1- BiÖn ph¸p ghi nhËn lµ thñ c«ng. §äc vµ ghi chÐp l¹i b»ng tay: chËm, kÐm chÝnh x¸c,
huy ®éng ®«ng nh©n lùc, chØ cho phÐp thu thËp sè liÖu tÜnh.
2- Mçi thiÕt bÞ sö dông cho viÖc lÊy sè liÖu 1 th«ng sè, sè l−îng thiÕt bÞ dïng mçi lÇn
®o lín.
3- §iÒu kiÖn an toµn kÐm v× ph¶i tiÕp cËn trùc tiÕp víi vÞ trÝ ®o, th−êng lµ d−íi gÇm
cÇu. Trong qu¸ tr×nh kiÓm nghiÖm, t¶i ®Æt trªn cÇu lín, do vËy rÊt kh«ng an toµn cho
ng−êi thùc hiÖn nhiÖm vô.
4- ChØ cho phÐp thùc hiÖn ®o ®¹c trong ®iÒu kiÖn thö nghiÖm mµ kh«ng thÓ thö nghiÖm
trong qu¸ tr×nh khai th¸c, tøc khi cã giao th«ng trªn cÇu.
ChÝnh v× c¸c nh−îc ®iÓm trªn mµ viÖc kiÓm tra t×nh tr¹ng cÇu ®−îc thùc hiÖn rÊt h¹n chÕ.
Víi t×nh tr¹ng giao th«ng ngµy cµng ë trong tr¹ng th¸i c¨ng th¼ng nh− l−u l−îng, t¶i träng
lín, vËn tèc di chuyÓn trªn cÇu cao, th× viÖc gi¸m s¸t tr¹ng th¸i c¬ häc cña cÇu cµng trë nªn
cÊp b¸ch ®èi víi c¬ quan qu¶n lý nh»m tr¸nh c¸c tæn thÊt to lín ®èi víi x· héi do c¸c h−
háng x¶y ra bÊt ngê.
a. HiÖn t¹i, b»ng biÖn ph¸p thñ c«ng b. Tù ®éng hãa bëi hÖ thèng thu sè liÖu kü thuËt sè.
H×nh 1: Ph−¬ng ph¸p nhËn sè liÖu trong qu¸ tr×nh kiÓm ®Þnh cÇu
II. Bé GIAO TiÕp Kü ThuËt Sè
2.1. ®Æc ®iÓm kü thuËt
Phßng ThÝ NghiÖm C¬ Häc øng Dông Tr−êng
§H B¸ch Khoa TP.HCM (PTNCHUD) ®· chÕ
t¹o thµnh c«ng bé giao tiÕp víi tÊm biÕn c¶m
®iÖn trë d©y tõ n¨m 2000 (ký hiÖu Strain
connector). ThiÕt bÞ nµy cho phÐp lÊy sè liÖu
®o tõ c¸c c¶m biÕn kh¸c nhau, ®Æc biÖt tÊm
®iÖn trë d©y (Strain gage).
Trªn H×nh 2 lµ h×nh ¶nh mét sè lo¹i tÊm ®iÖn
trë d©y.
H×nh 2: Mét sè lo¹i tÊm ®iÖn trë d©y
V× sè kªnh (sè tÝn hiÖu cho phÐp lÊy song song) lµ 20 nªn thiÕt bÞ nµy ®−îc ký hiÖu lµ
Strain connector –20. S¬ ®å m¹ch thiÕt kÕ nh− trªn H×nh 3.
H×nh 3: S¬ ®å khèi thiÕt kÕ m¹ch kü thuËt sè cña thiÕt bÞ Strain connector - 20
M¹ch gåm 5 card Analog, mçi card cã 4 kªnh ®o dïng ®Ó khuyÕch ®¹i tÝn hiÖu tõ m¹ch cÇu
Wheatstone. TÝn hiÖu tõ tÊm ®iÖn trë (Strain gage) rÊt nhá, do vËy ®−îc khuyÕch ®¹i vµ sau
®ã ®−a ®Õn bé chuyÓn ®æi A/D. Trªn mçi card cã mét bé switch chän kªnh cho phÐp ta
chän kªnh cÇn ®o trong sè kªnh ®Çu vµo, hoÆc quÐt tiÕp nèi c¶ 20 kªnh. Nhê card giao tiÕp
mµ Strain connector - 20 giao tiÕp víi vi tÝnh.
Mét ch−¬ng tr×nh gåm 2 module ®−îc cµi ®Æt trong m¸y tÝnh:
- Module 1: ch−¬ng tr×nh giao tiÕp gi÷a m¸y tÝnh víi phÇn cøng, cho phÐp ®iÒu khiÓn
chuyÓn ®æi A/D vµ thu nhËn sè liÖu d¹ng sè.
- Module 2: ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n ®Ó xö lý, hiÓn thÞ kÕt qu¶ trªn mµn h×nh.
Trªn H×nh 4 lµ h×nh ¶nh phÇn cøng hÖ thèng ®o cÇu do PTNCHUD chÕ t¹o: gåm c¶m biÕn
®o chuyÓn vÞ (H×nh 4a) vµ Strain Connector 20 kªnh (H×nh 4b).
a. C¶m biÕn ®o chuyÓn vÞ b. Strain connector - 20
H×nh 4: PhÇn cøng hÖ thèng ®o cÇu
2.2. C¸c ®¹i l−îng ®o trùc tiÕp vµ gi¸n tiÕp trong qu¸ tr×nh ®o
cÇu.
a- C¸c ®¹i l−îng ®o trùc tiÕp gåm biÕn d¹ng vµ ®é vâng. TÝn hiÖu biÕn d¹ng t¹i 1 ®iÓm
trªn bÒ mÆt dÇm cÇu nhËn trùc tiÕp tõ c¸c tÊm biÕn trë d¸n lªn mÆt dÇm. TÝn hiÖu ®é
vâng nhËn ®−îc tõ c¶m biÕn ®o ®é vâng. Trªn H×nh 4b lµ c¶m biÕn ®o ®é vâng do
PTNCHUD chÕ t¹o, cho phÐp ®o chuyÓn vÞ tèi ®a 5cm sai sè tèi ®a 0.1mm.
b- C¸c ®¹i l−îng ®o gi¸n tiÕp:
- §é vâng ®−îc tÝnh b»ng c¸c gi¶i thuËt [5].
- TÇn sè riªng ®−îc tÝnh b»ng gi¶i thuËt ph©n tÝch phæ.
- §é suy gi¶m loga vµ hÖ sè gi¶m chÊn.
- HÖ sè xung kÝch.
M¹ch Analog
4 kªnh
M¹ch Analog
4 kªnh
M¹ch Analog
4 kªnh
M¹ch Analog
4 kªnh Mµn h×nh
hiÓn thÞ
Ng«n ng÷
lËp tr×nh
Card giao tiÕp
víi m¸y tÝnh
M¹ch chän kªnh vµ
chuyÓn ®æi AD
M¹ch Analog
4 kªnh
III. Tæ chøc thÝ nghiÖm
3.1. ThiÕt bÞ
S¬ ®å toµn bé thiÕt bÞ nh− sau (H×nh 5):
H×nh 5: S¬ ®å hÖ thèng ®o tù ®éng kü thuËt sè
1- C¸c c¶m biÕn hoÆc lµ tÊm biÕn trë hoÆc c¶m biÕn ®o chuyÓn vÞ
2- Bé giao tiÕp 20 kªnh
3- M¸y tÝnh
3.2. §Æc ®iÓm ®èi t−îng thÝ nghiÖm
a- ViÖc thö nghiÖm ®−îc tiÕn hµnh nhiÒu lÇn t¹i cÇu R¹ch ChiÕc vµ cÇu B×nh §iÒn II. §Æc
®iÓm cña c¸c cÇu trªn lµ dÇm ®Òu cïng lo¹i bª t«ng øng lùc tr−íc, víi chiÒu dµi 24.7m.
Riªng t¹i cÇu R¹ch ChiÕc, viÖc ®o ®¹c ®· ®−îc tiÕn hµnh trong 2 n¨m 2000 vµ 2002. Së
dÜ c¸c cÇu trªn ®−îc tiÕn hµnh thÝ nghiÖm v× ®· cã nhiÒu sè liÖu tõ c¸c lÇn kiÓm ®Þnh
cña c¸c cÇu cã kÕt cÊu t−¬ng tù nh− cÇu R¹ch ¤ng, cÇu ¤ng Me, cÇu Kh¸nh Héi.
b- C¸c sè liÖu ®−îc thu thËp ngay trong qu¸ tr×nh giao th«ng b×nh th−êng. §iÒu nµy cho
thÊy −u ®iÓm vÒ sù tiÖn Ých, an toµn cña thiÕt bÞ. Tuy nhiªn v× h¹n chÕ vÒ kinh phÝ nªn
nhãm nghiªn cøu ch−a thÓ thö nghiÖm víi t¶i chuÈn nh− quy tr×nh kiÓm ®Þnh yªu cÇu.
3.3. Sè liÖu thu thËp
Sau ®©y lµ mét sè sè liÖu trong ®ît thö nghiÖm tõ ngµy 24/03 ®Õn 01/04 n¨m 2002 t¹i cÇu
R¹ch ChiÕc.
3.3.1. Bè trÝ c¶m biÕn
C¸c c¶m biÕn bè trÝ trªn dÇm nh− trªn H×nh 6
H×nh 6: Bè trÝ c¶m biÕn ®o vµ vÞ trÝ trªn dÇm
P - TÊm ®iÖn trë ®o biÕn d¹ng
CV - C¶m biÕn ®o chuyÓn vÞ
Mçi c¶m biÕn ®−îc ®−a vµo mét kªnh t−¬ng øng nh− trªn B¶ng 2
B¶ng 2: Sè thø tù kªnh cña c¸c c¶m biÕn
Sè thù tù c¶m
biÕn P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10
Sè thø thù kªnh K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10
Sè thù tù c¶m
biÕn P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 CV1 CV2 CV3
Sè thø thù kªnh K11 K12 K13 K14 K15 K16 K17 K18 K19 K20
(Trong ®ã, P: Strain gage, CV: ChuyÓn vÞ kÕ)
C¶m biÕn Strain connecto
r
M¸y tÝnh
1 23
3.3.2. Ph−¬ng ph¸p lÊy sè liÖu
T¹i mçi thêi ®iÓm thu thËp sè liÖu ë 20 kªnh víi tèc ®é lÊy mÉu lµ 64Hz (64 tÝn hiÖu/s).
Tæng sè sè liÖu thu thËp chøa h¬n 1000 files, mçi file l−u tÝn hiÖu theo thêi gian cña 20
kªnh, mçi kªnh tèi thiÓu cã 512 sè liÖu. Trªn H×nh 7 lµ c¸c ®å thÞ thu ®−îc cña 20 kªnh
®ång thêi.
H×nh 7: §å thÞ tÝn hiÖu biÕn d¹ng theo thêi gian cña file sè 30 thu ®−îc ë 20 kªnh
Trªn H×nh 8 lµ ®å thÞ tõ 1 kªnh chøa trong 36 files liªn tôc tøc trong kho¶ng thêi gian 288s.
H×nh 8: §å thÞ kªnh 5 chøa trong 36 files liªn tôc
3.4. C¸c th«ng sè thu ®−îc
Ngoµi c¸c sè liÖu vµ ®å thÞ biÓu diÔn theo thêi gian thÓ hiÖn trong c¸c files vµ ®å thÞ, th× c¸c
®¹i l−îng quan t©m cã thÓ rót ra ®−îc:
- Gi¸ trÞ lín nhÊt cña ®¹i l−îng ®o trùc tiÕp (chuyÓn vÞ, biÕn d¹ng) trªn B¶ng 3 cho vÝ dô
c¸c sè liÖu chuyÓn vÞ lín nhÊt.
B¶ng 3: ChuyÓn vÞ lín nhÊt cña dÇm
ChuyÓn vÞ lín nhÊt cña dÇm sè 8 - Ngµy 29-3-2002 (mm)
29-3-2002
17h30 17h50 19h30
1.662 0.520 2.754
§iÓm ®o 2 (CV2) 5.872 1.692 10.334
§iÓm ®o 3 (CV3) 1.555 0.857 2.521
010 20 30 40 50 60 70 80 90
-50
0
50
100
150
Time(s)
S
t
r
a
i
n
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
-50
0
50
100
150
Time(s)
S
t
r
a
i
n
200 210 220 230 240 250 260 270 280
-50
0
50
100
Time(s)
S
t
r
a
i
n
§iÓm ®o 1 (CV1)