Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu trong điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu giải pháp công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu trong điều kiện Việt Nam" trình bày tổng quan về quan trắc chuyển dịch cầu trên thế giới và Việt Nam; Nghiên cứu ứng dụng phương pháp hướng chuẩn trong quan trắc chuyển dịch ngang cầu cứng; Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS - RTK trong quan trắc và phân tích chuyển dịch cầu dây văng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THÙY LINH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ CÔNG TRÌNH CẦU TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THÙY LINH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ CÔNG TRÌNH CẦU TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ MÃ SỐ: 9.520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Trần Khánh 2. PGS. TS Hồ Thị Lan Hương HÀ NỘI - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Thùy Linh
ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ .................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH CẦU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM ...................................................................................... 6 1.1. Tổng quan về công trình cầu ............................................................................... 6 1.1.1. Khái niệm công trình cầu ............................................................................... 6 1.1.2. Phân loại cầu .................................................................................................. 6 1.2. Tổng quan về quan trắc chuyển dịch công trình cầu........................................... 9 1.2.1. Khái niệm, nguyên nhân gây ra chuyển dịch công trình cầu ......................... 9 1.2.2. Yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch công trình cầu ................................ 9 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn quan trắc chuyển dịch cầu trên thế giới và Việt Nam. ........................................................................................ 11 1.3.1. Trên thế giới ................................................................................................. 11 1.3.2. Tại Việt Nam................................................................................................ 21 1.4. Các vấn đề tồn tại và định hướng nghiên cứu trong luận án............................. 24 1.4.1. Một số vấn đề tồn tại .................................................................................... 24 1.4.2. Định hướng nghiên cứu trong luận án ......................................................... 24 CHƯƠNG 2NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HƯỚNG CHUẨN .. 25 TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CẦU CỨNG .......................... 25 2.1. Đặc điểm kết cấu và yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch ngang cầu cứng 25 2.1.1. Đặc điểm kết cấu công trình cầu cứng ......................................................... 25 2.1.2. Một số yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch cầu có kết cấu cứng .......... 26 2.2. Hệ thống lưới quan trắc chuyển dịch ngang ..................................................... 27 2.2.1. Nguyên tắc xây dựng lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình ........... 27
iii 2.2.2. Yêu cầu độ chính xác các bậc lưới .............................................................. 28 2.2.3. Các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang công trình ......................... 30 2.3. Phương pháp hướng chuẩn trong quan trắc chuyển dịch ngang cầu cứng ....... 32 2.3.1. Khái niệm hướng chuẩn ............................................................................... 32 2.3.2. Đo độ lệch hướng trong hướng chuẩn quang học ........................................ 32 2.3.3. Nguyên tắc xác định chuyển dịch ngang bằng hướng chuẩn....................... 34 2.3.4. Khảo sát một số sơ đồ hướng chuẩn kinh điển ............................................ 35 2.4. Nghiên cứu mô hình hướng chuẩn tổng quát .................................................... 38 2.4.1. Mô hình hóa một phép đo trong hướng chuẩn ............................................. 38 2.4.2. Xử lý số liệu đo lưới hướng chuẩn theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất ................................................................................................................................ 39 2.5. Thành lập lưới khống chế cơ sở theo đồ hình hướng chuẩn ............................. 40 2.5.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................. 40 2.5.2. Quy trình tính toán ....................................................................................... 44 2.5.3. Ví dụ xử lý số liệu lưới cơ sở....................................................................... 46 2.6. Tính toán chuyển dịch ngang cầu cứng theo số liệu quan trắc hướng chuẩn ... 48 2.6.1. Xác định độ chuyển dịch ngang các điểm quan trắc.................................... 48 2.6.2. Lập biểu đồ chuyển dịch ngang và đánh giá chuyển dịch tổng thể cầu....... 48 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS - RTK .............. 51 TRONG QUAN TRẮC VÀ PHÂN TÍCH CHUYỂN DỊCH CẦU DÂY VĂNG .. 51 3.1. Quan trắc kết cấu công trình cầu dây văng ....................................................... 52 3.1.1. Mục đích và khái niệm quan trắc liên tục kết cấu cầu dây văng ................. 52 3.1.2. Đặc điểm cầu dây văng, yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch và phương pháp GNSS - RTK trong quan trắc cầu dây văng .................................................. 53 3.1.3. Hệ thống quan trắc kết cấu công trình cầu dây văng ................................... 54 3.2. Ứng dụng GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu dây văng ................ 55 3.2.1. Phương pháp định vị vệ tinh ........................................................................ 55 3.2.2. Bố trí lắp đặt máy thu GNSS trong quan trắc chuyển dịch cầu dây văng ... 57
iv 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. ................... 62 3.3.1. Quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu dây văng bằng phương pháp GNSS - RTK .......................................................................................................... 63 3.3.2. Ứng dụng phương pháp trung bình động trong lọc nhiễu số liệu GNSS- RTK ................................................................................................................................ 65 3.3.3. Nghiên cứu đánh giá độ chính xác phương pháp GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu dây văng........................................................ 66 3.4. Tổ chức quan trắc và xác lập cơ sở dữ liệu quan trắc kết cấu cầu dây văng .... 69 3.4.1. Tổ chức quan trắc và xác lập cơ sở dữ liệu quan trắc kết cấu cầu dây văng 69 3.4.2. Quy trình hoạt động của hệ thống SHM ...................................................... 72 3.5. Mạng nơ-ron nhân tạo và ứng dụng ANN trong xây dựng mô hình chuyển dịch cầu dây văng ............................................................................................................. 73 3.5.1. Khái niệm mạng nơ-ron nhân tạo ................................................................ 73 3.5.2. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo.................................................................... 76 3.5.3. Huấn luyện mạng nơ-ron nhân tạo ............................................................... 80 3.5.4. Giải thuật lan truyền ngược ......................................................................... 81 3.5.5. Ứng dụng ANN trong xây dựng mô hình chuyển dịch cầu dây văng ......... 90 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3......................................................................................... 97 CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM ................................................................................ 98 4.1. Thực nghiệm xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch ngang cầu Chương Dương . 98 4.1.1. Giới thiệu chung về cầu Chương Dương ..................................................... 98 4.1.2. Sơ đồ phân bố mốc khống chế cơ sở và mốc quan trắc ............................... 98 4.1.3. Kết quả đo lưới khống chế quan trắc chuyển dịch ngang cầu Chương Dương ................................................................................................................................ 99 4.1.4. Kết quả bình sai lưới cơ sở hướng chuẩn cầu Chương Dương .................. 100 4.2. Thực nghiệm đánh giá độ chính xác quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu Bạch Đằng bằng phương pháp GNSS - RTK .................................................. 102 4.2.1. Mô tả thực nghiệm ..................................................................................... 102
v 4.2.2. Đánh giá độ chính xác số liệu GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu Bạch Đằng ............................................................................... 105 4.3. Thực nghiệm đánh giá độ chính xác quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu Cần Thơ bằng phương pháp GNSS - RTK ...................................................... 109 4.3.1. Mô tả số liệu............................................................................................... 109 4.3.2. Đánh giá độ chính xác số liệu GNSS-RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu .............................................................................................................................. 111 4.4. Xây dựng mô hình chuyển dịch cầu dây văng Cần Thơ bằng phương pháp ANN truyền thẳng nhiều lớp............................................................................................ 112 4.4.1. Chuẩn bị dữ liệu ......................................................................................... 113 4.4.2. Xây dựng mô hình chuyển dịch điểm giữa nhịp chính cầu dây văng ........ 118 4.4.3. Đánh giá độ chính xác mô hình chuyển dịch cầu dây văng ....................... 126 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4....................................................................................... 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................ 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 132 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 141
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ ANN: Artificial Neural Network Mạng nơ-ron nhân tạo ARIMA: Auto Regressive Integrated Trung bình động kết hợp tự hồi quy Moving Average BP: Back - Propagation Thuật toán lan truyền ngược FNN: Feedforward neural networks Mạng nơ-ron truyền thẳng GNSS: Global Navigation Satellite Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu System GPS: Global Positioning System Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu MA: Moving Average Trung bình động MAE: Mean Absolute Error Sai số tuyệt đối trung bình MLP: Multi Layer Perceptron Mạng nơ – ron nhân tạo nhiều lớp MSE: Mean squared error Sai số toàn phương trung bình R2 Coefficient of determination Hệ số xác định (Hệ số hồi quy) RMSE: Root Mean Squared Error Sai số trung phương RTK: Real time kinematic Đo động thời gian thực SHM: Structure Health Monitoring: Hệ thống quan trắc kết cấu công trình TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
vii DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ TT Tên bảng, biểu Trang Bảng 1. 1: Một số cầu dây văng có lắp đặt GNSS trong hệ thống quan trắc ............20 Bảng 1. 2: Cầu dây văng ở Việt Nam có lắp đặt GNSS trong hệ thống SHM .........23 Bảng 2. 1: Sai số trung phương cho phép quan trắc chuyển dịch ngang ..................26 trong giai đoạn xây dựng và sử dụng công trình (Đơn vị milimét) ..........................26 Bảng 2. 2:Yêu cầu độ chính xác quan trắc theo nền đất, tầm quan trọng công trình ....27 Bảng 2. 3: Sai số trung phương độ lệch hướng của các sơ đồ hướng chuẩn [15]....37 Bảng 2. 4: Tọa độ các điểm gốc ................................................................................46 Bảng 2. 5: Trị đo và trị bình sai độ lệch hướng ........................................................47 Bảng 2. 6: Tọa độ bình sai và sai số vị trí điểm ........................................................47 Bảng 2. 7: Đánh giá độ lệch tọa độ điểm cơ sở lần 1 (lặp lần 1) ..............................47 Bảng 2. 8: Đánh giá độ lệch tọa độ điểm cơ sở lần 2 (lặp lần 2) ..............................48 Bảng 3. 1: Một số loại máy thu GNSS ......................................................................56 Bảng 3.1: Số liệu đầu vào ANN ................................................................................87 Bảng 3.2: Trọng số khởi đầu ANN ...........................................................................87 Bảng 4. 1: Tọa độ các điểm gốc ................................................................................99 Bảng 4. 2: Tọa độ bình sai và sai số vị trí điểm ......................................................100 Bảng 4. 3: Trị đo và trị bình sai độ lệch hướng ......................................................100 Bảng 4. 4: Đánh giá độ lệch tọa độ điểm cơ sở ......................................................102 Bảng 4. 5: Vị trí của thước trượt và giá trị trên thước tại các điểm QT1, QT2 ......104 Bảng 4. 6: Kết quả độ lệch theo phương đứng giữa giá trị trên thước trượt và hiệu độ cao của điểm QT01 tại hai thời điểm đo liên tiếp nhau. ...........106 Bảng 4. 7: Kết quả độ lệch theo phương đứng giữa giá trị trên thước trượt và hiệu độ cao của điểm QT02 tại hai thời điểm đo liên tiếp nhau. ...........107 Bảng 4. 8: Kết quả sai số trung phương độ cao tại các vị trí thước trượt ...............108 Bảng 4. 9: Kết quả đo các trị đo kép và kết quả tính ..............................................109 Bảng 4.10: Mối quan hệ tương quan giữa nhiệt độ, gió, chuyển vị đỉnh tháp và chuyển dịch điểm giữa nhịp chính .........................................................116
viii Bảng 4.11: Mối quan hệ tương quan giữa chuyển vị và ứng suất điểm giữa nhịp chính ......................................................................................................117 Bảng 4. 13: Phương án thiết kế ANN .....................................................................119 Bảng 4. 14: Kết quả độ chính xác huấn luyện mạng...............................................121 Bảng 4. 15: Kết quả lập mô hình chuyển dịch theo phương X điểm giữa nhịp chính ......................................................................................................123 Bảng 4. 16: Kết quả lập mô hình chuyển dịch theo phương Y điểm giữa nhịp chính ......................................................................................................124 Bảng 4. 17: Kết quả lập mô hình chuyển dịch theo phương Z điểm giữa nhịp chính ......................................................................................................125 Bảng 4. 18: Kết quả sai số trung phương trong xây dựng mô hình chuyển dịch cầu ..........................................................................................................126
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Tên hình Trang Hình 1. 1: Kết cấu cầu .................................................................................................6 Hình 1. 2: Mô hình kết cấu cầu dầm ...........................................................................7 Hình 1. 3: Mô hình kết cấu nhịp cầu vòm ...................................................................7 Hình 1.4: Mô hình kết cấu nhịp cầu dàn .....................................................................7 Hình 1.5: Công trình cầu khung ..................................................................................7 Hình 1. 6: Mô hình kết cấu nhịp cầu dây văng ...........................................................8 Hình 1. 7: Công trình cầu treo dây võng .....................................................................8 Hình 1. 8: Cầu dây văng Stonecutters (Hồng Kông) ................................................17 Hình 1. 9: Bố trí cảm biến đo trên cầu Stonecutters .................................................18 Hình 1. 10: Cầu Kap Shui Mun (HongKong) ...........................................................18 Hình 1. 11: Sơ đồ bố trí các cảm biến trên cầu Kap Shui Mun ................................19 Hình 1. 12: Cầu Ting Kau (Hong Kong) ..................................................................19 Hình 1. 13: Sơ đồ bố trí các cảm biến trên cầu Ting Kau .........................................20 Hình 2. 1: Công trình cầu bị chuyển dịch .................................................................26 Hình 2. 2: Sơ đồ nguyên lý đo hướng chuẩn.............................................................32 Hình 2. 3: Phương pháp đo góc nhỏ..........................................................................33 Hình 2. 4 : Sơ đồ bảng ngắm di động .......................................................................34 Hình 2. 5: Sơ đồ hướng chuẩn toàn hướng ...............................................................35 Hình 2. 6: Sơ đồ hướng chuẩn phân đoạn .................................................................35 Hình 2. 7: Sơ đồ hướng chuẩn nhích dần ..................................................................36 Hình 2. 8: Sơ đồ hướng chuẩn giao chéo ..................................................................36 Hình 2. 9: Độ chính xác các sơ đồ đo hướng chuẩn .................................................37 Hình 2. 10: Sơ đồ hướng chuẩn tổng quát ................................................................38 Hình 2. 11: Sơ đồ lưới cơ sở thành lập theo đồ hình hướng chuẩn ..........................40 Hình 2. 12: Hướng chuẩn của các chu kỳ quan trắc .................................................42 Hình 2. 13: Sơ đồ xử lý số liệu lưới cơ sở ................................................................45 Hình 2. 14: Sơ đồ hướng chuẩn toàn hướng lưới cơ sở ............................................46
x Hình 2. 15: Tham số chuyển dịch ngang công trình .................................................48 Hình 3. 1: Ứng dụng phương pháp GPS - RTK cho cầu dây văng [43] ..................55 Hình 3.2: Sơ đồ bố trí trạm Base tại cầu Cần Thơ [28] ............................................58 Hình 3. 3: Bố trí thiết bị quan trắc trong đó có GNSS trên cầu Bạch Đằng [26] .....58 Hình 3. 4: Anten máy thu GNSS trên đỉnh tháp [28]................................................58 Hình 3. 5: Anten máy thu GNSS trên bản mặt cầu [28] ...........................................59 Hình 3. 6: Anten và máy thu GNSS ..........................................................................59 Hình 3. 7: Sơ đồ kết nối dữ liệu của GNSS - RTK trong quan trắc cầu [28] ...........61 Hình 3. 8: Màn hình thời gian thực (Realtime), xử lý thống kê (Statistic)[28] ........62 Hình 3. 9: Màn hình xử lý thống kê (1giờ, 1ngày) [28]............................................62 Hình 3. 10: Độ cao của một điểm quan trắc tại thời điểm i và j ...............................63 Hình 3. 12: Số liệu quan trắc chuyển dịch cầu dây văng theo phương đứng............65 Hình 3. 15: Sơ đồ xử lý của hệ thống SHM ..............................................................72 Hình 3. 16: Sơ đồ hệ thống quan trắc liên tục bằng GNSS [28] ...............................73 Hình 3. 17: Cấu trúc nơ-ron sinh vật.........................................................................74 Hình 3. 18: Cấu tạo của nơ-ron nhân tạo [3].............................................................75 Hình 3. 19: Đồ thị của hàm đồng nhất ......................................................................77 Hình 3. 20: Đồ thị của hàm bước nhị phân ...............................................................77 Hình 3. 21: Đồ thị của hàm Sigmoid ........................................................................77 Hình 3. 22: Đồ thị của hàm sigmoid lưỡng cực ........................................................78 Hình 3. 23: Mô hình mạng nơron một lớp. ...............................................................78 Hình 3. 24: Mô hình mạng nơ-ron 3 lớp truyền thẳng ..............................................79 Hình 3. 25: Mô hình mạng nơ-ron 3 lớp hồi quy ......................................................79 Hình 3.26: Sơ đồ quá trình lan truyền ngược ............................................................82 Hình 3. 27: Mạng truyền thẳng 3 lớp [6] ..................................................................83 Hình 3.28: Sơ đồ thuật toán mạng nơ-ron .................................................................86 Hình 3.29: Sơ đồ mạng nơ-ron ..................................................................................87 Hình 4. 1: Cầu Chương Dương .................................................................................98 Hình 4. 2: Sơ đồ hướng chuẩn trong quan trắc chuyển dịch ngang cầu ...................99
xi Hình 4. 3: Sơ đồ bố trí máy GNSS trên cầu Bạch Đằng .........................................103 Hình 4. 4: GNSS đo QT01 ......................................................................................103 Hình 4. 5: Các vị trí của thước trượt tại QT01, QT02 ............................................103 Hình 4. 6: Kết quả đo độ cao tại các vị trí thước trượt của điểm QT01, QT02. .....104 Hình 4. 7: Sơ đồ vị trí máy đo gió, nhiệt độ không khí, anten GNSS, ứng suất .....110 Hình 4. 8: Chuyển dịch theo phương đứng điểm giữa nhịp chính cầu Cần Thơ ....111 Hình 4. 9: Giá trị trung bình động của chuyển dịch theo phương đứng .................111 Hình 4. 10: Số hiệu chỉnh kết quả đo theo phương đứng điểm giữa nhịp chính. ...112 Hình 4. 11: Số liệu quan trắc cầu Cần Thơ .............................................................115 Hình 4. 12: Thiết kế ANN .......................................................................................120 Hình 4. 13: Sai số MSE, hệ số hồi quy R2 phương X, Y, Z ....................................121 Hình 4. 14: Kết quả xây dựng mô hình chuyển dịch phương X điểm giữa nhịp chính ......................................................................................................124 Hình 4. 15: Kết quả xây dựng mô hình chuyển dịch phương Y điểm giữa nhịp chính ......................................................................................................125 Hình 4. 16: Kết quả xây dựng mô hình chuyển dịch phương Z điểm giữa nhịp chính ......................................................................................................126
xii PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1 .............................................................................................................142 PHỤ LỤC 2 .............................................................................................................143 PHỤ LỤC 3 .............................................................................................................144 PHỤ LỤC 4 .............................................................................................................145 PHỤ LỤC 5 .............................................................................................................146
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Tại Việt Nam, giao thông vận tải đường bộ có vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Hàng năm, việc vận chuyển bằng đường bộ lớn nhất chiếm 70% khối lượng hàng hóa và 90% lượng hành khách so với các phương thức vận tải khác. Nhằm đáp ứng kịp thời nhịp độ phát triển của nền kinh tế, hàng loạt các cây cầu nhịp lớn có kết cấu hiện đại được xây dựng và hàng nghìn cây cầu cũ phải sửa chữa, tăng cường. Vì vậy, để nâng cao chất lượng công trình, việc theo dõi khả năng làm việc của kết cấu cầu mang một ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Quan trắc chuyển dịch công trình cầu được thực hiện với mục đích thu thập các số liệu về sự chuyển dịch của công trình một cách chính xác, cùng với các số liệu quan trắc khác được sử dụng để tính toán sự thay đổi nội lực từ đó đánh giá, dự báo mức độ an toàn; kiểm tra thiết kế; cảnh báo nguy hiểm; cung cấp các số liệu phục vụ cho việc duy tu, sửa chữa cầu trong quá trình khai thác. Ở nước ta, trong những năm gần đây, công tác này mới bắt đầu được quan tâm chú ý, đặc biệt là năm 2012, Bộ Giao thông Vận tải ra công văn số 2727/BGTVT - KCHT về công tác quản lý, bảo trì cầu treo yêu cầu tất cả các cầu này phải được lắp đặt hệ thống quan trắc kết cấu và năm 2016, Bộ Xây dựng ban hành thông tư 26/2016/TT-BXD quy định công trình cầu từ cấp I trở lên bắt buộc phải thực hiện quan trắc kết cấu trong quá trình khai thác sử dụng thì công việc này càng được chú trọng hơn nữa. Tuy nhiên, khâu thiết kế, lắp đặt, đo đạc, xử lý, phân tích số liệu đo vẫn chưa được quy định đồng bộ, thống nhất trong các văn bản pháp quy. Vì vậy, công tác quan trắc kết cấu công trình cầu và ban hành các tiêu chuẩn về quan trắc cầu có ý nghĩa cấp bách trong xây dựng và khai thác. Với các công trình cầu lớn, có kết cấu phức tạp, để đảm bảo yêu cầu độ chính xác cao trong quan trắc chuyển dịch, lại đo trong điều kiện khó khăn, khối lượng dữ liệu quan trắc thường rất lớn thì việc sử dụng nhiều thiết bị hiện đại như dùng máy toàn đạc điện tử quan trắc chuyển dịch ngang, máy thủy bình điện tử quan trắc lún, hệ thống GPS trước đây hay hệ thống GNSS hiện nay quan trắc liên tục, thường xuyên
2 chuyển dịch cầu cũng như áp dụng công nghệ thông tin trong xử lý, phân tích số liệu quan trắc là rất cần thiết. Từ tất cả những lý do trên thì việc áp dụng các giải pháp công nghệ để nâng cao hiệu quả trong quan trắc chuyển dịch công trình cầu rất quan trọng và có giá trị thực tiễn trong điều kiện Việt Nam hiện nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu của luận án: Đưa ra các giải pháp công nghệ nhằm nâng cao độ chính xác khi quan trắc chuyển dịch công trình cầu trong quá trình khai thác tại Việt Nam. 3. Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Các công trình cầu có kết cấu cứng và cầu dây văng. 4. Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu của luận án gồm: Trong lĩnh vực quan trắc chuyển dịch công trình cầu trong quá trình khai thác sử dụng tại Việt Nam. 5. Nội dung nghiên cứu Với mục đích nghiên cứu giải pháp công nghệ trong quan trắc chuyển dịch công trình cầu tại Việt Nam, tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: 5. 1. Quan trắc chuyển dịch ngang công trình cầu có kết cấu cứng - Nghiên cứu sơ đồ đo hướng chuẩn ở dạng tổng quát và ứng dụng nguyên lý số bình phương nhỏ nhất để xử lý số liệu đo hướng chuẩn theo sơ đồ tổng quát này. 5. 2. Quan trắc chuyển dịch cầu dây văng - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu dây văng. - Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong thành lập mô hình chuyển dịch cầu dây văng dựa trên sự tác động các yếu tố tải trọng động như nhiệt độ không khí, tải trọng giao thông,… đến chuyển dịch cầu. 6. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu và cập nhật các thông tin trên mạng internet và các thư viện.
3 - Phương pháp toán học: Tập hợp các quy luật, định lý toán học để chứng minh một số công thức phục vụ cho việc tính toán, lập chương trình máy tính. - Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp đo hướng chuẩn, hệ thống định vị toàn cầu, mạng nơ-ron nhân tạo làm cơ sở lý luận, sử dụng các phương tiện, tiện ích để tính toán, phân tích số liệu giải quyết vấn đề được đặt ra. - Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu khác hoặc các nội dung liên quan để so sánh, đánh giá, đưa ra giải pháp phù hợp. - Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm cụ thể để chứng minh lý thuyết, khẳng định tính đúng đắn, khả thi và đi đến kết luận. - Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng các thuật toán và lập các chương trình tính toán trên máy tính. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Góp phần hoàn thiện lý thuyết về xử lý số liệu lưới khống chế trắc địa hướng chuẩn khi quan trắc chuyển dịch ngang công trình cầu cứng. - Là cơ sở khoa học trong việc xây dựng quy chuẩn về quan trắc chuyển dịch công trình cầu dây văng khi ứng dụng công nghệ GNSS - RTK (Hiện chưa có tiêu chuẩn riêng cho quan trắc cầu này). - Phát triển ứng dụng ANN trong thành lập mô hình chuyển dịch dựa trên một số lượng dữ liệu lớn của hệ thống quan trắc kết cấu công trình cầu dây văng. 8. Các luận điểm bảo vệ - Luận điểm thứ nhất: Tổng quát hóa sơ đồ đo hướng chuẩn và ứng dụng nguyên lý số bình phương nhỏ nhất để xử lý số liệu đo hướng chuẩn trong sơ đồ tổng quát này cho phép ứng dụng phương pháp hướng chuẩn một cách linh hoạt, thuận tiện đối với công trình cầu có kết cấu cứng. - Luận điểm thứ hai: Công nghệ GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu và phân tích số liệu quan trắc bằng phương pháp ANN cho phép thành lập mô hình chuyển dịch cầu dây văng đạt được độ chính xác, độ tin cậy cao.
4 9. Những điểm mới của đề tài luận án - Đề xuất sơ đồ hướng chuẩn tổng quát để xây dựng bậc lưới cơ sở, lưới quan trắc và xử lý số liệu đo trong mạng lưới này theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất. - Nghiên cứu độ chính xác và đánh giá khả năng ứng dụng quan trắc chuyển dịch công trình cầu dây văng theo phương đứng bằng phương pháp GNSS - RTK trong điều kiện Việt Nam. - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp mạng nơ-ron nhân tạo nhằm lập mô hình chuyển dịch công trình cầu dây văng dựa trên sự tác động của tải trọng động. 10. Cấu trúc của luận án Cấu trúc luận án gồm 3 phần: Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan luận án, tính cấp thiết, mục đích, ý nghĩa, phương pháp, nội dung nghiên cứu của luận án và đưa ra các luận điểm bảo vệ, luận điểm mới của luận án. Phần nội dung có 4 chương. Chương 1: Tổng quan về quan trắc chuyển dịch cầu trên thế giới và Việt Nam. Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp hướng chuẩn trong quan trắc chuyển dịch ngang cầu cứng. Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS - RTK trong quan trắc và phân tích chuyển dịch cầu dây văng. Chương 4: Thực nghiệm. Phần kết luận, kiến nghị: Tổng hợp lại những vấn đề nghiên cứu trong luận án, đưa ra những nhận xét, đánh giá các giải pháp công nghệ quan trắc chuyển dịch cầu trong quá trình khai thác sử dụng cầu tại Việt Nam cũng như định hướng cho nghiên cứu tiếp theo trong tương lai. 11. Lời cảm ơn Trước tiên, Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS Trần Khánh và PGS. TS Hồ Thị Lan Hương là những thầy cô đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận án.
5 Tiếp theo, Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, phòng Đào tạo Sau đại học, Ban Giám hiệu, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Trắc địa Công trình trường Đại học Mỏ - Địa chất đã luôn tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn Trắc địa, tập thể giảng viên khoa Công trình và Ban Giám hiệu trường Đại học Giao thông Vận tải nơi Nghiên cứu sinh đang công tác đã tận tình giúp đỡ, có những ý kiến đóng góp quý báu cho tác giả hoàn thành nội dung của luận án. Cuối cùng, Nghiên cứu sinh xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn với nghiên cứu sinh trong thời gian qua.
6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH CẦU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1. Tổng quan về công trình cầu 1.1.1. Khái niệm công trình cầu Công trình cầu là công trình xây dựng để vượt qua dòng nước, thung lũng, đường bộ, các khu vực sản xuất, khu thương mại, khu dân cư... Theo tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 11823:2017, cầu là một kết cấu bất kỳ vượt khẩu độ không dưới 6m tạo thành một phần của một con đường. Các bộ phận của công trình cầu bao gồm: Cầu, đường dẫn vào cầu, các công trình điều chỉnh dòng chảy và gia cố bờ sông. Kết cấu của cầu gồm có: Kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới. Kết cấu phần trên có kết cấu nhịp, là phần tạo ra bề mặt cho các phương tiện giao thông hoạt động trên cầu, giúp cho xe chạy an toàn. Kết cấu phần dưới gồm mố, trụ cầu, nền móng, đảm bảo đỡ kết cấu phần trên và truyền tải trọng từ kết cấu phần trên xuống đất nền. Hình 1. 1: Kết cấu cầu 1.1.2. Phân loại cầu Công trình cầu được phân loại dựa theo mục đích sử dụng, vật liệu làm kết cấu nhịp, theo chướng ngại vật, cao độ đường xe chạy và sơ đồ cấu tạo. Nếu phân loại theo sơ đồ cấu tạo thì cầu có các dạng sau: - Cầu dầm: Mặt cầu bằng phẳng, được nối dài, thường có phương nằm ngang, cùng độ cao kéo dài sang bên đầu kia. Chân cầu được đúc bê tông cứng, dầm vào đất, đáy sông. Bộ phận chịu lực chủ yếu là dầm.