Nghiên cứu giải pháp công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu trong điều kiện Việt Nam

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu giải pháp công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu phù hợp điều kiện Việt Nam, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Thùy Linh
• Người hướng dẫn: Trần Khánh
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu trong điều kiện Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH CẦU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
• 1.1. Tổng quan về công trình cầu
• 1.2. Khái niệm công trình cầu
• 1.3. Phân loại cầu
• 1.4. Tổng quan về quan trắc chuyển dịch công trình cầu
• 1.5. Khái niệm, nguyên nhân gây ra chuyển dịch công trình cầu
• 1.6. Yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch công trình cầu
• 1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn quan trắc chuyển dịch cầu trên thế giới và Việt Nam
• 1.7.1. Trên thế giới
• 1.7.2. Tại Việt Nam
• 1.8. Các vấn đề tồn tại và định hướng nghiên cứu trong luận án
• 1.8.1. Một số vấn đề tồn tại
• 1.8.2. Định hướng nghiên cứu trong luận án
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HƯỚNG CHUẨN
• 2.1. Đặc điểm kết cấu và yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch ngang cầu cứng
• 2.2. Đặc điểm kết cấu công trình cầu cứng
• 2.3. Một số yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch cầu có kết cấu cứng
• 2.4. Hệ thống lưới quan trắc chuyển dịch ngang
• 2.5. Nguyên tắc xây dựng lưới quan trắc chuyển dịch ngang công trình
• 2.6. Yêu cầu độ chính xác các bậc lưới
• 2.7. Các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang công trình
• 2.8. Phương pháp hướng chuẩn trong quan trắc chuyển dịch ngang cầu cứng
• 2.8.1. Khái niệm hướng chuẩn
• 2.8.2. Đo độ lệch hướng trong hướng chuẩn quang học
• 2.8.3. Nguyên tắc xác định chuyển dịch ngang bằng hướng chuẩn
• 2.8.4. Khảo sát một số sơ đồ hướng chuẩn kinh điển
• 2.8.5. Nghiên cứu mô hình hướng chuẩn tổng quát
• 2.8.6. Mô hình hóa một phép đo trong hướng chuẩn
• 2.8.7. Xử lý số liệu đo lưới hướng chuẩn theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất
• 2.8.8. Thành lập lưới khống chế cơ sở theo đồ hình hướng chuẩn
• 2.8.9. Quy trình tính toán
• 2.8.10. Ví dụ xử lý số liệu lưới cơ sở
• 2.8.11. Tính toán chuyển dịch ngang cầu cứng theo số liệu quan trắc hướng chuẩn
• 2.8.12. Xác định độ chuyển dịch ngang các điểm quan trắc
• 2.8.13. Lập biểu đồ chuyển dịch ngang và đánh giá chuyển dịch tổng thể cầu
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS - RTK
• 3.1. Trong quan trắc và phân tích chuyển dịch cầu dây văng
• 3.1.1. Quan trắc kết cấu công trình cầu dây văng
• 3.1.2. Mục đích và khái niệm quan trắc liên tục kết cấu cầu dây văng
• 3.1.3. Đặc điểm cầu dây văng, yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch và phương pháp GNSS - RTK trong quan trắc cầu dây văng
• 3.1.4. Hệ thống quan trắc kết cấu công trình cầu dây văng
• 3.1.5. Ứng dụng GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu dây văng
• 3.1.6. Phương pháp định vị vệ tinh
• 3.1.7. Bố trí lắp đặt máy thu GNSS trong quan trắc chuyển dịch cầu dây văng
• 3.1.8. 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
• 3.1.9. Quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu dây văng bằng phương pháp GNSS - RTK
• 3.1.10. Ứng dụng phương pháp trung bình động trong lọc nhiễu số liệu GNSS- RTK
• 3.1.11. Nghiên cứu đánh giá độ chính xác phương pháp GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu dây văng
• 3.1.12. Tổ chức quan trắc và xác lập cơ sở dữ liệu quan trắc kết cấu cầu dây văng
• 3.1.13. Quy trình hoạt động của hệ thống SHM
• 3.1.14. Mạng nơ-ron nhân tạo và ứng dụng ANN trong xây dựng mô hình chuyển dịch cầu dây văng
• 3.1.14.1. Khái niệm mạng nơ-ron nhân tạo
• 3.1.14.2. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo
• 3.1.14.3. Huấn luyện mạng nơ-ron nhân tạo
• 3.1.14.4. Giải thuật lan truyền ngược
• 3.1.14.5. Ứng dụng ANN trong xây dựng mô hình chuyển dịch cầu dây văng
• 3.2. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM
• 4.1. Thực nghiệm xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch ngang cầu Chương Dương
• 4.1.1. Giới thiệu chung về cầu Chương Dương
• 4.1.2. Sơ đồ phân bố mốc khống chế cơ sở và mốc quan trắc
• 4.1.3. Kết quả đo lưới khống chế quan trắc chuyển dịch ngang cầu Chương Dương
• 4.1.4. Kết quả bình sai lưới cơ sở hướng chuẩn cầu Chương Dương
• 4.2. Thực nghiệm đánh giá độ chính xác quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu Bạch Đằng bằng phương pháp GNSS - RTK
• 4.2.1. Mô tả thực nghiệm
• 4.2.2. Đánh giá độ chính xác số liệu GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu Bạch Đằng
• 4.3. Thực nghiệm đánh giá độ chính xác quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu Cần Thơ bằng phương pháp GNSS - RTK
• 4.3.1. Mô tả số liệu
• 4.3.2. Đánh giá độ chính xác số liệu GNSS-RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu
• 4.4. Xây dựng mô hình chuyển dịch cầu dây văng Cần Thơ bằng phương pháp ANN truyền thẳng nhiều lớp
• 4.4.1. Chuẩn bị dữ liệu
• 4.4.2. Xây dựng mô hình chuyển dịch điểm giữa nhịp chính cầu dây văng
• 4.4.3. Đánh giá độ chính xác mô hình chuyển dịch cầu dây văng
• 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu

Công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả của các công trình giao thông. Việc áp dụng các giải pháp công nghệ hiện đại giúp theo dõi và đánh giá tình trạng của cầu một cách chính xác. Các công nghệ như GNSS - RTK và hệ thống cảm biến hiện đại được sử dụng để thu thập dữ liệu về chuyển vị, từ đó đưa ra các phân tích và dự báo về tình trạng công trình. Điều này không chỉ giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn mà còn hỗ trợ trong việc quản lý và bảo trì cầu. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ đo đạc và giám sát công trình đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của các số liệu thu thập được.

1.1. Tình hình quan trắc chuyển vị cầu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, công tác quan trắc chuyển vị công trình cầu đang dần được chú trọng hơn. Các quy định từ Bộ Giao thông Vận tải và Bộ Xây dựng đã yêu cầu lắp đặt hệ thống quan trắc cho các cầu lớn. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ vẫn còn nhiều hạn chế. Các thiết bị hiện đại như máy toàn đạc điện tử và hệ thống GNSS chưa được sử dụng rộng rãi. Điều này dẫn đến việc thu thập dữ liệu không đồng bộ và thiếu chính xác. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp công nghệ phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả trong công tác giám sát công trình.

II. Ứng dụng công nghệ GNSS RTK trong quan trắc cầu

Công nghệ GNSS - RTK đã được chứng minh là một trong những giải pháp công nghệ hiệu quả trong việc quan trắc chuyển vị cầu dây văng. Phương pháp này cho phép thu thập dữ liệu với độ chính xác cao và thời gian thực. Việc sử dụng GNSS - RTK giúp giảm thiểu sai số trong quá trình đo đạc, đồng thời cung cấp thông tin liên tục về tình trạng chuyển vị của cầu. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ này không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí trong công tác giám sát công trình. Các kết quả thu được từ hệ thống GNSS - RTK có thể được sử dụng để phân tích và dự báo tình trạng cầu, từ đó đưa ra các biện pháp bảo trì kịp thời.

2.1. Đặc điểm và yêu cầu kỹ thuật của cầu dây văng

Cầu dây văng có kết cấu phức tạp, yêu cầu cao về độ chính xác trong quan trắc chuyển vị. Đặc điểm của cầu dây văng là khả năng chịu tải tốt và độ bền cao, tuy nhiên, việc theo dõi chuyển vị của cầu là rất cần thiết để đảm bảo an toàn. Các yêu cầu kỹ thuật trong quan trắc bao gồm độ chính xác của thiết bị, tần suất thu thập dữ liệu và khả năng phân tích số liệu. Việc áp dụng công nghệ GNSS - RTK đáp ứng được các yêu cầu này, giúp theo dõi tình trạng cầu một cách hiệu quả và chính xác.

III. Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo trong mô hình chuyển dịch cầu

Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) đã được áp dụng để xây dựng mô hình chuyển dịch cho cầu dây văng, giúp phân tích và dự đoán chuyển vị dựa trên các yếu tố tác động như tải trọng và điều kiện thời tiết. Việc sử dụng ANN cho phép xử lý một lượng lớn dữ liệu thu thập từ hệ thống quan trắc và đưa ra các dự đoán chính xác về tình trạng cầu. Nghiên cứu cho thấy rằng mô hình này có khả năng cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán chuyển vị, từ đó hỗ trợ trong công tác quản lý và bảo trì cầu. Việc áp dụng công nghệ thông tin trong quan trắc chuyển vị không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn tạo ra cơ sở dữ liệu phong phú cho các nghiên cứu tiếp theo.

3.1. Quy trình xây dựng mô hình chuyển dịch

Quy trình xây dựng mô hình chuyển dịch cầu bằng mạng nơ-ron nhân tạo bao gồm các bước như thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu và huấn luyện mô hình. Dữ liệu được thu thập từ các thiết bị quan trắc và được xử lý để loại bỏ nhiễu. Sau đó, mô hình ANN được huấn luyện với dữ liệu đã xử lý để tối ưu hóa khả năng dự đoán. Kết quả cho thấy mô hình có thể dự đoán chính xác chuyển vị của cầu trong các điều kiện khác nhau, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho công tác giám sát công trình.

IV. Kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp theo

Việc áp dụng các giải pháp công nghệ trong quan trắc chuyển vị công trình cầu tại Việt Nam đã cho thấy nhiều tiềm năng và lợi ích. Các công nghệ như GNSS - RTK và mạng nơ-ron nhân tạo không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong công tác giám sát công trình. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết, bao gồm việc đồng bộ hóa các quy định và tiêu chuẩn trong công tác quan trắc. Định hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến quy trình giám sát công trình, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các công trình cầu trong tương lai.

4.1. Đề xuất các giải pháp công nghệ mới

Để nâng cao hiệu quả trong công tác quan trắc chuyển vị, cần nghiên cứu và phát triển các giải pháp công nghệ mới, bao gồm việc tích hợp các hệ thống cảm biến hiện đại và ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong phân tích dữ liệu. Việc này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tạo ra một hệ thống giám sát công trình thông minh, có khả năng tự động phát hiện và cảnh báo các vấn đề tiềm ẩn. Các giải pháp này sẽ góp phần nâng cao chất lượng và độ bền của các công trình cầu tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu giải pháp công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu trong điều kiện Việt Nam" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Thùy Linh, thuộc ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ (mã số 9.520503), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Trần Khánh và PGS. TS. Hồ Thị Lan Hương tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất (Hà Nội, 2022).

Giao thông vận tải đường bộ tại Việt Nam chiếm khoảng 70% khối lượng vận chuyển hàng hóa và 90% lượng hành khách so với các loại hình vận tải khác. Sự gia tăng số lượng các cây cầu nhịp lớn cùng nhu cầu duy tu, gia cường hệ thống cầu cũ đòi hỏi công tác theo dõi khả năng làm việc của kết cấu cầu phải được thực hiện có hệ thống. Về cơ sở pháp lý, Bộ Giao thông Vận tải đã ban hành Công văn số 2727/BGTVT-KCHT năm 2012 quy định bắt buộc lắp đặt hệ thống quan trắc kết cấu cho cầu treo, và Bộ Xây dựng ban hành Thông tư 26/2016/TT-BXD năm 2016 yêu cầu quan trắc kết cấu bắt buộc đối với công trình cầu từ cấp I trở lên trong giai đoạn khai thác.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ việc quy trình thiết kế, lắp đặt, đo đạc và phân tích dữ liệu quan trắc chuyển vị cầu tại Việt Nam chưa được chuẩn hóa đồng bộ. Các phương pháp đo hướng chuẩn truyền thống áp dụng cho cầu cứng bị giới hạn bởi đồ hình cứng nhắc khi đo vượt sông lớn. Đồng thời, độ chính xác của công nghệ định vị vệ tinh động thời gian thực (GNSS - RTK) khi quan trắc chuyển vị theo phương đứng của cầu dây văng chưa được kiểm chứng đầy đủ trong điều kiện thực tế tại Việt Nam, và việc ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) để xử lý khối lượng lớn dữ liệu quan trắc kết cấu cầu chịu tác động của tải trọng động còn thiếu các nghiên cứu cụ thể.

Mục tiêu nghiên cứu 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.

Hai luận điểm bảo vệ được xác lập:

• 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.

Đối tượng nghiên cứu: Các công trình cầu có kết cấu cứng (cầu dầm, cầu khung, cầu dàn) và cầu dây văng.

Phạm vi nghiên cứu: Lĩnh vực quan trắc chuyển dịch công trình cầu trong quá trình khai thác sử dụng tại Việt Nam, tập trung giải quyết bài toán chuyển dịch ngang mố trụ cầu cứng và chuyển dịch không gian ba chiều (X, Y, Z) của dầm chủ và đỉnh tháp cầu dây văng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được phân chia theo ba nhóm nội dung chính trên thế giới và tại Việt Nam:

Về phương pháp hướng chuẩn và xử lý số liệu đo hướng chuẩn: Các công trình quốc tế của tác giả tài liệu [54], [78], [79], [80] nghiên cứu áp dụng hướng chuẩn cho hố móng, tường cọc ván và mái dốc đường cao tốc. Tác giả tài liệu [84] công bố phương pháp bình sai kết quả đo hướng chuẩn, tài liệu [85] thiết lập cơ sở lý thuyết tổng quan và tài liệu [86] phát triển hướng chuẩn độ chính xác cao. Tại Việt Nam, các tác giả tài liệu [13], [14], [15], [16], [17] đã nghiên cứu thành lập và bình sai lưới trắc địa cơ sở theo phương pháp bình sai tự do, đánh giá độ ổn định mốc. Tuy nhiên, các công trình này chưa mô hình hóa phép đo hướng chuẩn ở dạng tổng quát và chưa xây dựng thuật toán bình sai số bình phương nhỏ nhất cho mạng lưới hướng chuẩn tổng quát khi quan trắc mố trụ cầu cứng vượt sông.

Về ứng dụng công nghệ GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch cầu dây văng: Trên thế giới, các nhóm nghiên cứu [41], [53], [73] thiết kế hệ thống theo dõi sức khỏe công trình (SHM) tích hợp GNSS. Nhóm tác giả tài liệu [35] chứng minh GNSS - RTK xác định được biến dạng ba chiều thời gian thực. Tác giả tài liệu [39], [50], [51], [72] kết hợp GNSS với máy gia tốc để phân tích phản ứng động và tần số dao động. Tác giả tài liệu [67], [68] kiểm chứng độ tin cậy của GNSS - RTK bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Về độ chính xác, tài liệu [33] xác định sai số đo đứng của máy thu Novatel Oem4-DL4 và Trimble 5700 (tần số 5Hz) đạt ±25mm khi thử tải cầu; tài liệu [64] ghi nhận sai số 15mm phương ngang và 35mm phương đứng; tài liệu [83] ghi nhận hệ thống GNSS trên các cầu Tsing Ma, Kap Shui Mun, Ting Kau đạt độ chính xác ±10mm phương ngang và ±20mm phương đứng. Để nâng cao độ chính xác, các bộ lọc sóng nhỏ, lọc thích nghi, lọc Kalman và đáp ứng xung hữu hạn (FIR) được nhóm tác giả tài liệu [74], [81] áp dụng để đo biên độ chuyển dịch lớn hơn 5mm ngang và 10mm đứng ở tần số nhỏ hơn hoặc bằng 1Hz. Tác giả tài liệu [65] thử nghiệm trên cầu Humber, và tài liệu [34] ứng dụng bộ lọc FIR trên cầu Rosenbrücke (Áo) đạt sai số ±2.5mm phương ngang và ±4mm phương đứng. Tác giả tài liệu [39], [40] sử dụng phương pháp trung bình động (MA) để làm mịn chuỗi dữ liệu thời gian. Tại Việt Nam, tài liệu [11] phân tích hiện trạng hệ thống SHM; tài liệu [2], [24], [27], [29] hướng dẫn thiết kế và quản lý dữ liệu SHM; tài liệu [0] ghi nhận sai số độ cao khi đo động hậu xử lý là ±9mm; tài liệu [8] xác định sai số đo khoảng cách của GNSS - RTK là ±6mm và đo đỉnh tháp là ±4mm; tài liệu [9], [10] phân tích sự ảnh hưởng của gió và nhiệt độ đến dầm chủ nhịp chính bằng hàm hồi quy.

Về ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Các nghiên cứu quốc tế [38], [62], [63] kết hợp ANN với lọc Kalman mở rộng để khử nhiễu GNSS. Nhóm tác giả tài liệu [58], [61] kết hợp ANN với mô hình tự hồi quy tích hợp trung bình động (ARIMA) trên cầu giàn thép và đỉnh tháp cầu dây văng, đạt hệ số xác định $R^2$ vượt trội so với mô hình hồi quy tuyến tính ($R^2 = 0{,}60$). Tác giả tài liệu [36] dùng ANN mô hình hóa chuyển dịch đỉnh tháp cầu Thiên Tân với độ lệch so với thực tế là 3cm. Nhóm tác giả tài liệu [44], [45] dùng thuật toán lan truyền ngược 3 lớp (BP) dự báo tương quan nhiệt độ và tần số trên cầu Ting Kau; tài liệu [48], [49], [75], [76], [82] phân tích ảnh hưởng của tải trọng giao thông và nhiệt độ. Tại Việt Nam, ANN mới chỉ được tác giả tài liệu [12] áp dụng dự báo lún đập thủy điện Yaly và tài liệu [18] ứng dụng dự báo sụt lún khai thác hầm lò.

Tên công trình	Vị trí	Thông số kết cấu chính	Số lượng máy thu GNSS
Sutong	Trung Quốc	Dài 1088m, tháp cao 330m	16 máy thu
Stonecutters	Trung Quốc (Hồng Kông)	Dài 1018m, tháp cao 290m	20 máy thu
Kap Shui Mun	Trung Quốc (Hồng Kông)	Dài 750m, tháp cao 150m	6 máy thu
Incheon	Hàn Quốc	Dài 1480m, tháp cao 238,5m	6 máy thu
SeoHae	Hàn Quốc	Dài 990m, tháp cao 180m	6 máy thu
Cầu Cần Thơ	Việt Nam	Dài 850m, tháp cao 176,7m	9 anten
Cầu Nhật Tân	Việt Nam	Dài 1500m, tháp cao 108m	13 anten
Cầu Vàm Cống	Việt Nam	Dài 870m, tháp cao 150m	8 anten
Cầu Cao Lãnh	Việt Nam	Dài 350m, tháp cao 123m	3 anten
Cầu An Đông	Việt Nam	Dài 1100m, tháp cao 25m	2 anten
Cầu Trần Thị Lý	Việt Nam	Dài 731m, tháp cao 145m	1 anten

Vị trí của luận án: Kế thừa các nền tảng lý thuyết trên, luận án giải quyết khoảng trống về xây dựng thuật toán bình sai tổng quát cho lưới hướng chuẩn quan trắc cầu cứng, đồng thời đánh giá thực nghiệm độ chính xác đo đứng của GNSS - RTK và ứng dụng ANN nhiều lớp mô hình hóa chuyển vị không gian của dầm cầu dây văng dưới tác động tổng hợp của các yếu tố tải trọng động tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các hệ thống lý thuyết và quy chuẩn kỹ thuật gồm:

Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 11823:2017 về thiết kế cầu đường bộ, phân loại kết cấu cầu theo sơ đồ chịu lực (cầu dầm, cầu vòm, cầu dàn, cầu khung, cầu treo dây võng, cầu dây văng).

Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9398:2012 về công tác trắc địa trong xây dựng công trình, quy định sai số trung phương cho phép của chuyển dịch ngang:

Giá trị tính toán độ chuyển dịch ngang theo thiết kế (mm)	Giai đoạn xây dựng (Đất cát / Đất sét) (mm)	Giai đoạn sử dụng (Đất cát / Đất sét) (mm)
Nhỏ hơn 50	3 / 2	2 / 2
Từ 50 đến 100	5 / 3	3 / 3
Từ 100 đến 250	10 / 5	5 / 4
Từ 250 đến 500	12 / 10	10 / 5
Lớn hơn 500	15 / 15	15 / 10

Yêu cầu sai số vị trí điểm quan trắc theo loại đất nền và tầm quan trọng công trình:

• Đất cứng, nửa cứng, công trình quan trọng hoặc có ý nghĩa đặc biệt: sai số lún 1mm, sai số chuyển dịch ngang 2mm.
• Đất cát, đất sét, đất biến dạng cao, xác định nguyên nhân hư hỏng: sai số lún 2mm, sai số chuyển dịch ngang 5mm.
• Đất đắp, đất yếu, đất bị nén mạnh: sai số lún 3mm, sai số chuyển dịch ngang 10mm.

Mối quan hệ giữa sai số chuyển dịch $m_q$ và sai số vị trí điểm $m_P$:

• Quan trắc theo một hướng: $m_X \le \frac{m_q}{\sqrt{2}}$ hoặc $m_Y \le \frac{m_q}{\sqrt{2}}$.
• Quan trắc trong mặt phẳng: $m_P = \frac{m_q}{\sqrt{2}}$.
• Phân bố sai số giữa cấp lưới cơ sở ($m_{cs}$) và cấp lưới quan trắc ($m_{qt}$) qua hệ số suy giảm bậc lưới $k$: $$m_{cs} = \frac{m_P}{\sqrt{1 + k^2}}, \quad m_{qt} = \frac{k \cdot m_P}{\sqrt{1 + k^2}}$$

Lý thuyết đo hướng chuẩn quang học: Xác định khoảng cách lệch hướng $y_i$ của điểm quan trắc so với mặt phẳng chuẩn đứng $AB$ bằng phương pháp góc nhỏ ($y_i = S_i \cdot \frac{\beta_i}{\rho}$) hoặc phương pháp bảng ngắm di động trên thước khắc vạch milimét. Sai số trung phương xác định độ lệch hướng: $$m_y^2 = \frac{S^2}{\rho^2}(m_o^2 + m_{ng}^2 + m_f^2)$$ trong đó $m_o$ là sai số định hướng chuẩn, $m_{ng}$ là sai số đưa bảng ngắm vào trục ngắm, $m_f$ là sai số điều quang, $S$ là khoảng cách ngắm. Chuyển dịch ngang giữa hai chu kỳ đo được tính bằng $q_{(j,1)} = y_j - y_1$, với sai số $m_q = m_y\sqrt{2}$.

Lý thuyết định vị vệ tinh động thời gian thực (GNSS - RTK) và phương pháp lọc nhiễu trung bình động (Moving Average - MA) để xử lý dữ liệu độ cao chuỗi thời gian.

Lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo: Cấu trúc mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp (FNN/MLP) kết hợp thuật toán lan truyền ngược (Back-Propagation - BP). Quá trình huấn luyện sử dụng các hàm kích hoạt (đồng nhất, bước nhị phân, Sigmoid, Sigmoid lưỡng cực) và đánh giá thông qua các chỉ số: sai số toàn phương trung bình (MSE), sai số trung phương (RMSE), sai số tuyệt đối trung bình (MAE) và hệ số xác định ($R^2$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp tài liệu chuyên ngành và cơ sở dữ liệu quan trắc.
• Phương pháp toán học: Thiết lập hệ phương trình sai số, xây dựng mô hình bình sai gián tiếp theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất $\sum p v^2 = \min$.
• Phương pháp phân tích: Phân tích cơ học kết cấu, động lực học công trình và đánh giá chuỗi số liệu đo trắc địa.
• Phương pháp so sánh: Đối chiếu kết quả đo GNSS - RTK với số liệu cơ học thước trượt, so sánh mô hình ANN với các phương pháp toán học truyền thống.
• Phương pháp thực nghiệm: Đo đạc thực tế trên hệ thống mốc lưới cầu Chương Dương, thực nghiệm đo cao GNSS - RTK bằng thước trượt trên cầu Bạch Đằng, xử lý dữ liệu hệ thống SHM tại cầu Cần Thơ.
• Phương pháp ứng dụng tin học: Lập trình thuật toán bình sai lưới hướng chuẩn tổng quát và xây dựng cấu trúc mạng ANN trên máy tính tính toán tự động.

Nguồn dữ liệu:

• Dữ liệu đo góc, đo khoảng cách và độ lệch hướng tại hệ thống mốc khống chế cơ sở và mốc quan trắc cầu Chương Dương (Hà Nội).
• Dữ liệu độ cao GNSS - RTK và số đọc cơ học trên thước trượt chuyên dụng tại các mốc QT01, QT02 trên cầu Bạch Đằng (Quảng Ninh - Hải Phòng).
• Cơ sở dữ liệu vận hành của hệ thống SHM cầu Cần Thơ, bao gồm: tọa độ không gian 3 chiều (X, Y, Z) từ 9 trạm anten GNSS, số liệu vận tốc và hướng gió từ máy đo gió, nhiệt độ không khí và số liệu cảm biến ứng suất dầm chủ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về quan trắc chuyển dịch cầu trên thế giới và Việt Nam

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm kết cấu công trình cầu theo TCVN 11823:2017, phân loại các sơ đồ cầu (cầu dầm, cầu vòm, cầu dàn, cầu khung, cầu treo dây văng, cầu treo dây võng) và phân tích nguyên nhân gây chuyển vị công trình như sự thay đổi địa chất nền móng, yếu tố thủy văn dòng chảy, xói lở mố trụ, rung động do hoạt tải xe chạy và chất lượng thi công.

Chương này xác định đối tượng quan trắc trọng yếu đối với cầu cứng là mố và trụ cầu do phải chịu toàn bộ phản lực đứng và áp lực đẩy ngang của đất, dòng nước; đối với cầu dây văng là đỉnh trụ tháp (nơi dao động ngang lớn nhất) và điểm giữa nhịp chính dầm chủ (nơi xuất hiện độ võng lớn nhất). Tác giả tổng hợp thực trạng lắp đặt hệ thống SHM tại các cầu dây văng lớn trên thế giới (cầu Stonecutters, Kap Shui Mun, Ting Kau, Sutong, Incheon...) và tại Việt Nam (cầu Cần Thơ, Nhật Tân, Vàm Cống, Cao Lãnh, Bạch Đằng...). Trên cơ sở đó, chương 1 chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện tại và xác định 3 định hướng nghiên cứu trọng tâm của đề tài.

Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp hướng chuẩn trong quan trắc chuyển dịch ngang cầu cứng

Chương 2 tập trung phân tích đặc điểm làm việc của cầu cứng với kết cấu bê tông cốt thép hoặc thép có độ cứng lớn, nhịp ngắn đến trung bình, sự cố công trình chủ yếu do chuyển vị mố trụ. Tác giả khảo sát 4 sơ đồ hướng chuẩn kinh điển:

• Sơ đồ hướng chuẩn toàn hướng: Đo ngắm trực tiếp từ trạm máy đến tất cả các mốc quan trắc theo hai chiều thuận và nghịch, nhược điểm là sai số tăng nhanh khi chiều dài hướng chuẩn lớn.
• Sơ đồ hướng chuẩn phân đoạn: Chia hướng chuẩn gốc thành các đoạn phụ qua các điểm nút, giúp giảm khoảng cách ngắm nhưng yêu cầu thông hướng phức tạp.
• Sơ đồ hướng chuẩn nhích dần: Điểm đặt máy và điểm ngắm di chuyển tịnh tiến liên tiếp dọc theo tuyến đo.
• Sơ đồ hướng chuẩn giao chéo: Thiết lập các tia ngắm chéo xen kẽ giữa các điểm quan trắc liên tiếp.

Từ hạn chế của các sơ đồ cố định, tác giả nghiên cứu xây dựng mô hình hướng chuẩn tổng quát. Phép đo độ lệch hướng được mô hình hóa toán học, thiết lập hệ phương trình sai số và xây dựng thuật toán xử lý số liệu bình sai lưới cơ sở và lưới quan trắc theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất. Phương pháp này cho phép liên kết hỗn hợp nhiều đồ hình đo khác nhau trên cùng một tuyến cầu, đánh giá độ ổn định mốc cơ sở qua các chu kỳ lặp và tính toán độ chuyển dịch ngang của từng mố trụ một cách khách quan.

Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS - RTK trong quan trắc và phân tích chuyển dịch cầu dây văng

Chương 3 trình bày giải pháp quan trắc kết cấu cầu dây văng bằng công nghệ định vị vệ tinh động thời gian thực GNSS - RTK. Tác giả phân tích cấu trúc hệ thống SHM đồng bộ gồm các trạm thu GNSS đặt tại mốc chuẩn ổn định (Base), các trạm đo động đặt tại đỉnh tháp và bản mặt dầm chủ, kết hợp hệ thống cảm biến môi trường (nhiệt độ, tốc độ gió) và cảm biến ứng suất.

Để khử nhiễu tín hiệu tần số cao trong chuỗi số liệu độ cao GNSS - RTK, tác giả ứng dụng giải thuật trung bình động (MA), làm phẳng sai số ngẫu nhiên và làm rõ xu hướng chuyển dịch thực tế của dầm cầu. Tiếp đó, chương 3 thiết lập cơ sở lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo nhiều lớp (MLP) với thuật toán lan truyền ngược (BP). Mô hình ANN được thiết kế để phân tích mối tương quan phức tạp phi tuyến tính giữa các biến đầu vào (nhiệt độ môi trường, vận tốc gió, chuyển vị đỉnh tháp, ứng suất) và biến đầu ra là chuyển dịch theo 3 trục tọa độ không gian (X, Y, Z) tại điểm giữa nhịp chính dầm cầu.

Chương 4: Thực nghiệm

Chương 4 thực hiện ba nội dung thực nghiệm cụ thể nhằm chứng minh tính khả thi của các thuật toán và mô hình đã đề xuất:

Thực nghiệm 1: Xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch ngang cầu Chương Dương (Hà Nội). Tuyến mốc quan trắc và lưới khống chế cơ sở được thiết lập và đo đạc theo đồ hình hướng chuẩn tổng quát. Thuật toán bình sai số bình phương nhỏ nhất được áp dụng để xác định tọa độ bình sai, đánh giá sai số vị trí mốc qua các chu kỳ lặp, kiểm tra độ ổn định của hệ thống mốc chuẩn và tính toán chuyển vị ngang thực tế của các trụ cầu.

Thực nghiệm 2: Đánh giá độ chính xác quan trắc chuyển dịch theo phương đứng bằng GNSS - RTK trên cầu Bạch Đằng. Tác giả thiết kế hệ thống thực nghiệm sử dụng thước trượt cơ học chuyên dụng tại hai vị trí quan trắc QT01 và QT02. Bằng cách so sánh độ chênh cao đo bằng GNSS - RTK giữa hai thời điểm liên tiếp với giá trị dịch chuyển cơ học trên thước trượt, tác giả xác định được sai số trung phương đo cao thực tế của phương pháp GNSS - RTK trong điều kiện khai thác cầu tại Việt Nam.

Thực nghiệm 3: Đánh giá độ chính xác số liệu GNSS - RTK và xây dựng mô hình chuyển dịch cầu Cần Thơ bằng ANN. Số liệu chuỗi thời gian của hệ thống SHM cầu Cần Thơ được lọc nhiễu bằng phương pháp trung bình động. Mạng ANN truyền thẳng 3 lớp được huấn luyện bằng thuật toán lan truyền ngược. Kết quả đánh giá độ chính xác mô hình chuyển dịch theo 3 phương X, Y, Z tại điểm giữa nhịp chính thông qua các chỉ số thống kê (MSE, $R^2$) khẳng định mô hình ANN mô phỏng sát với chuyển vị thực tế của dầm cầu dưới tác động tổng hợp của nhiệt độ, gió và tải trọng xe chạy.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt học thuật và thực tiễn của luận án:

• Đã xây dựng mô hình toán học và sơ đồ đo hướng chuẩn dạng tổng quát, thiết lập thuật toán và quy trình xử lý số liệu lưới trắc địa quan trắc chuyển dịch ngang mố trụ cầu cứng theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất, khắc phục hạn chế gò bó của 4 sơ đồ hướng chuẩn truyền thống khi đo qua chướng ngại vật sông nước lớn.
• Đã thực nghiệm đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng của công nghệ GNSS - RTK trong việc theo dõi liên tục chuyển dịch theo phương đứng của kết cấu nhịp cầu dây văng trong điều kiện khí hậu và tải trọng khai thác tại Việt Nam.
• Đã ứng dụng thành công mạng nơ-ron nhân tạo truyền thẳng nhiều lớp với thuật toán lan truyền ngược để thành lập mô hình chuyển dịch không gian ba chiều (X, Y, Z) tại điểm giữa nhịp chính cầu dây văng, tích hợp đầy đủ các yếu tố tải trọng động ngoại cảnh (nhiệt độ không khí, tốc độ gió, chuyển vị đỉnh tháp, ứng suất dầm).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

• Đề xuất các cơ quan quản lý ngành giao thông và xây dựng sớm xây dựng, ban hành tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật chuyên biệt cho công tác thiết kế, lắp đặt, đo đạc và phân tích dữ liệu quan trắc kết cấu cầu dây văng sử dụng công nghệ GNSS - RTK.
• Kiến nghị áp dụng sơ đồ hướng chuẩn tổng quát và thuật toán bình sai số bình phương nhỏ nhất vào quy trình bảo trì, kiểm định định kỳ chuyển dịch ngang mố trụ các cầu cứng khẩu độ lớn trên mạng lưới giao thông đường bộ Việt Nam.
• Đề xuất ứng dụng mô hình ANN vào hệ thống phần mềm quản lý SHM tự động để đưa ra cảnh báo sớm về các biến dạng bất thường của dầm cầu dây văng trong quá trình khai thác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế: Luận án tập trung khảo sát trên các dạng cầu điển hình gồm cầu cứng (cầu Chương Dương) và cầu dây văng (cầu Bạch Đằng, cầu Cần Thơ). Việc đánh giá chuyển dịch chủ yếu dựa trên các chuỗi dữ liệu trong thời gian khai thác thông thường và các đợt đo thực nghiệm định kỳ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Tiếp tục hoàn thiện và tự động hóa quy trình thu thập, xử lý số liệu lưới hướng chuẩn tổng quát kết hợp với các thiết bị đo quang điện tử tự động (Robot toàn đạc).
• Mở rộng nghiên cứu thuật toán mạng nơ-ron sâu hoặc mạng nơ-ron hồi quy kết hợp xử lý dữ liệu lớn theo thời gian thực đối với các dạng cầu có kết cấu đặc thù khác (cầu vòm thép, cầu treo dây võng nhịp siêu lớn).
• Tích hợp thêm các yếu tố biến động môi trường phức tạp (như dòng chảy đáy sông, xói lở mố trụ theo mùa lũ) vào mô hình dự báo biến dạng tổng thể công trình.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn phục vụ các đối tượng sau:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên các chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Trắc địa Công trình, Kỹ thuật Xây dựng Cầu hầm và Công trình Giao thông.
• Các kỹ sư, chuyên gia tư vấn thiết kế, kiểm định và quan trắc tại các viện nghiên cứu, doanh nghiệp xây dựng và bảo trì cầu đường.
• Các nhà quản lý kỹ thuật thuộc Bộ Giao thông Vận tải, Bộ Xây dựng, các ban quản lý dự án giao thông trong việc xây dựng quy chuẩn kỹ thuật và giám sát an toàn kết cấu cầu.

Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

• Quy trình toán học và phương pháp bình sai số bình phương nhỏ nhất cho lưới hướng chuẩn tổng quát ở Chương 2.
• Phương pháp lọc nhiễu trung bình động MA và kỹ thuật thiết kế mạng ANN phân tích dữ liệu SHM ở Chương 3.
• Toàn bộ quy trình tổ chức đo thực nghiệm và kết quả xử lý dữ liệu thực tế tại cầu Chương Dương, cầu Bạch Đằng và cầu Cần Thơ ở Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Phương pháp hướng chuẩn tổng quát được đề xuất trong luận án có điểm gì khác biệt so với các sơ đồ hướng chuẩn kinh điển?

Trả lời: Các sơ đồ hướng chuẩn kinh điển (toàn hướng, phân đoạn, nhích dần, giao chéo) áp dụng các đồ hình đo cố định, gây khó khăn khi tầm nhìn bị che khuất hoặc khi đo vượt sông lớn. Phương pháp hướng chuẩn tổng quát mô hình hóa từng phép đo độ lệch hướng đơn lẻ, cho phép phối hợp linh hoạt các tia ngắm khác nhau trên cùng một mạng lưới và áp dụng nguyên lý số bình phương nhỏ nhất để bình sai chặt chẽ, nâng cao độ chính xác xác định chuyển vị ngang mố trụ cầu.

Câu hỏi 2: Công nghệ GNSS - RTK trong luận án được kiểm chứng độ chính xác quan trắc chuyển dịch đứng bằng phương pháp nào?

Trả lời: Luận án thực hiện đo thực nghiệm trên cầu Bạch Đằng bằng cách bố trí hệ thống máy thu GNSS - RTK kết hợp đồng thời với thước trượt cơ học chính xác tại các điểm quan trắc QT01 và QT02. Độ chênh cao đo được giữa các chu kỳ đo bằng GNSS - RTK được so sánh trực tiếp với số đo dịch chuyển vật lý trên thước trượt để xác định sai số trung phương đo độ cao thực tế.

Câu hỏi 3: Vì sao luận án áp dụng phương pháp lọc trung bình động (MA) cho dữ liệu GNSS - RTK của cầu dây văng?

Trả lời: Dữ liệu độ cao thu nhận liên tục từ hệ thống GNSS - RTK tần số cao thường chứa các thành phần nhiễu ngẫu nhiên do môi trường tầng điện ly, đối lưu và phản xạ tín hiệu. Phương pháp trung bình động (MA) có tác dụng làm mịn và lọc bỏ các dao động nhiễu ngắn hạn, làm nổi bật đường xu hướng chuyển dịch thực của kết cấu dầm cầu.

Câu hỏi 4: Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trong luận án gồm những tham số đầu vào và đầu ra nào?

Trả lời: Mạng ANN (cấu trúc truyền thẳng nhiều lớp MLP, huấn luyện bằng thuật toán lan truyền ngược BP) sử dụng các tham số đầu vào gồm: nhiệt độ không khí, vận tốc gió, độ chuyển vị của đỉnh tháp cầu và ứng suất kết cấu. Đầu ra của mạng là giá trị chuyển dịch không gian theo 3 trục tọa độ X, Y, Z tại điểm giữa nhịp chính dầm chủ cầu dây văng.

Câu hỏi 5: Căn cứ pháp lý nào tại Việt Nam quy định bắt buộc phải thực hiện quan trắc kết cấu công trình cầu trong quá trình khai thác?

Trả lời: Công tác quan trắc kết cấu cầu được quy định bắt buộc theo Công văn số 2727/BGTVT-KCHT năm 2012 của Bộ Giao thông Vận tải đối với tất cả các công trình cầu treo, và Thông tư số 26/2016/TT-BXD năm 2016 của Bộ Xây dựng đối với các công trình cầu từ cấp I trở lên trong suốt giai đoạn khai thác sử dụng.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Thùy Linh đã giải quyết trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu đề ra về giải pháp công nghệ quan trắc chuyển vị công trình cầu trong điều kiện Việt Nam. Đề tài đã hoàn thiện cơ sở lý thuyết xử lý dữ liệu hướng chuẩn tổng quát cho cầu cứng, kiểm chứng độ chính xác đo cao của công nghệ GNSS - RTK và xây dựng thành công mô hình ANN mô phỏng chuyển vị 3 chiều cầu dây văng dưới tác động của tải trọng động. Các kết quả nghiên cứu và dữ liệu thực nghiệm tại cầu Chương Dương, Bạch Đằng và Cần Thơ cung cấp cơ sở khoa học tin cậy phục vụ công tác xây dựng quy chuẩn kỹ thuật và nâng cao hiệu quả quản lý, bảo trì an toàn cầu đường bộ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH CẦU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1. Tổng quan về công trình cầu 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.

1: Kết cấu cầu 1. 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. 2: Mô hình kết cấu cầu dầm - Cầu vòm: Kết cấu chính trong cầu vòm bao gồm: Vòm, hệ giằng ngang, hệ thanh treo, hệ dầm ngang, hệ dầm dọc và hệ thanh kéo. Bộ phận chịu lực chủ yếu là vòm sẽ chịu nén, cắt và uốn trong mặt phẳng vòm dưới tác dụng của toàn bộ tải trọng. 3: Mô hình kết cấu nhịp cầu vòm - Cầu dàn: Kết cấu chịu lực chính của kết cấu nhịp cầu dàn là các mặt phẳng dàn, với các thanh dàn chỉ chịu lực dọc trục (kéo hoặc nén).

Chiều cao dàn lớn nên khả năng chịu lực, vượt nhịp của kết cấu nhịp cầu dàn lớn hơn so với kết cấu nhịp cầu dầm. Nhược điểm chính của cầu dàn là cấu tạo và thi công phức tạp.4: Mô hình kết cấu nhịp cầu dàn - Cầu khung: Trụ và dầm được liên kết cứng với nhau để chịu lực.5: Công trình cầu khung 8 - Cầu treo: Cầu treo có bộ phận chịu lực chủ yếu là dây cáp hoặc dây xích đỡ hệ mặt cầu. Cầu treo được phân thành 2 loại: + Cầu treo dây xiên (cầu dây văng): Cầu có cột tháp liên kết với dây cáp neo chịu đỡ toàn bộ hệ mặt cầu và các dầm cầu. Cầu có kết cấu dầm cứng tựa trên các gối cứng là các gối cầu trên mố - trụ và trên các gối đàn hồi là các dây văng.

Các bộ phận chính hợp thành cầu như cột tháp, dây cáp, dầm chính và trụ cầu. Cầu dây văng có ưu điểm như vượt được nhịp lớn, độ võng nhỏ hơn cầu dây võng, dễ thi công, có tính mỹ thuật cao, hiệu quả kinh tế cao. 6: Mô hình kết cấu nhịp cầu dây văng + Cầu treo dây võng: Cầu chủ yếu làm việc dưới dạng chịu kéo. Khác với cầu dây văng là có cáp treo trực tiếp vào trụ cầu thì cầu dây võng có dạng cáp treo trên cáp.

Hệ cáp treo chính của cầu được móc liên kết vào đỉnh các trụ cầu. Vì khoảng cách nhịp lớn và chịu tải nặng nên cầu thường bị võng xuống ở khoảng giữa nhịp cầu.