Tổng quan nghiên cứu

Giám sát sức khỏe công trình cầu là một vấn đề thiết yếu trong lĩnh vực cơ học kỹ thuật, đặc biệt trong bối cảnh nhiều công trình cầu tại Việt Nam đang chịu tải trọng giao thông ngày càng lớn và tác động của môi trường tự nhiên. Theo ước tính, trên các tuyến đường bộ và đường sắt Việt Nam hiện có hàng nghìn công trình cầu với đa dạng kết cấu như cầu thép, cầu bê tông cốt thép, cầu dây văng. Trong quá trình khai thác, các công trình này chịu ảnh hưởng bởi tải trọng động liên tục và các yếu tố môi trường, dẫn đến hư hỏng ở nhiều mức độ khác nhau. Việc kiểm tra, chẩn đoán tình trạng cầu định kỳ hiện nay thường cách nhau từ 5 đến 10 năm, gây ra khoảng trống thông tin về tình trạng thực tế của cầu trong thời gian dài, làm giảm hiệu quả quản lý và bảo trì.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển một phương pháp chẩn đoán thể trạng nhịp cầu dựa trên đặc trưng mật độ phổ công suất tín hiệu dao động ngẫu nhiên, nhằm cung cấp công cụ định lượng, hệ thống và hiệu quả hơn cho công tác giám sát sức khỏe cầu. Nghiên cứu tập trung phân tích dữ liệu dao động thu thập từ 38 công trình cầu tại các quận 2, 9 và Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2011-2012, với trọng tâm là tín hiệu dao động phương z (vuông góc mặt phẳng nhịp cầu) – phương chịu tác động trực tiếp từ tải trọng lưu thông. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp thiết lập các tiêu chuẩn chẩn đoán thể trạng nhịp cầu mà còn mở ra triển vọng ứng dụng số liệu dao động thu thập thường xuyên trong khai thác để đánh giá sức khỏe cầu, thay thế cho các phương pháp kiểm định truyền thống tốn kém và không kịp thời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình phân tích tín hiệu hiện đại để khai thác đặc trưng phổ công suất tín hiệu dao động cầu:

  • Phép biến đổi Fourier (Fourier Transform): Phân tích tín hiệu dao động từ miền thời gian sang miền tần số, giúp xác định tần số dao động cưỡng bức và tần số riêng của nhịp cầu. Tuy nhiên, phương pháp này mất thông tin thời gian, hạn chế khi tín hiệu có tính biến đổi động.

  • Phép biến đổi Wavelet (Wavelet Transform): Phân tích tín hiệu theo cả thời gian và tần số, cho phép phát hiện các biến đổi đột ngột và đặc điểm tín hiệu trong các khoảng thời gian khác nhau. Luận văn sử dụng cả biến đổi Wavelet liên tục (CWT) và rời rạc (DWT) để phân tách tín hiệu dao động thành các thành phần tần số riêng biệt.

  • Hàm tự tương quan và phổ công suất tín hiệu: Hàm tự tương quan giúp khuếch đại các thành phần tín hiệu trội, phổ công suất biểu diễn mật độ công suất tín hiệu theo tần số, là cơ sở để xác định các vùng cưỡng bức và đặc trưng dao động của cầu.

  • Mô hình xử lý phối hợp “Wavelet – Auto Correlation – Fourier”: Kết hợp ưu điểm của ba phương pháp trên để phân tích tín hiệu dao động ngẫu nhiên, giữ lại thông tin thời gian, tần số và công suất, từ đó xác định đặc trưng mật độ phổ công suất tín hiệu dao động.

  • Các khái niệm chuyên ngành: Hệ số mật độ phổ công suất tín hiệu (Spectral Power Intensity - SPI), vùng tần số cưỡng bức, tần số dao động riêng (fn), hệ số rủi ro, quy tắc ADIOS (Area of Dominant Influence On Spectrum), bảng phân tích tần số trội.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là số liệu dao động ngẫu nhiên thu thập từ dự án “Thí điểm đo tự động biến dạng – dao động của 38 công trình cầu” do Phòng Thí Nghiệm Cơ Học Ứng Dụng, Đại học Bách Khoa TP. HCM thực hiện trong giai đoạn 2011-2012. Các cảm biến được lắp đặt tại vị trí giữa nhịp cầu, đo dao động phương z – phương vuông góc với mặt phẳng nhịp cầu, phản ánh chính xác tác động tải trọng lưu thông.

Cỡ mẫu gồm nhiều đợt đo khảo sát với số lượng tín hiệu dao động lớn, đảm bảo tính đại diện cho các loại kết cấu cầu khác nhau. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chí vị trí cảm biến và điều kiện lưu thông thực tế.

Quy trình phân tích số liệu gồm ba giai đoạn:

  1. Tiền xử lý: Kiểm tra chất lượng tín hiệu, loại bỏ dữ liệu nhiễu và không đạt chuẩn.

  2. Xử lý tín hiệu:

    • Khử nhiễu và trôi tín hiệu.
    • Phân tích tín hiệu bằng mô hình phối hợp Wavelet – Auto Correlation – Fourier để tách các thành phần tín hiệu trội.
    • Tính toán phổ công suất tín hiệu, xác định vùng cưỡng bức và tần số riêng.
    • Đề xuất và tính toán hệ số mật độ phổ công suất tín hiệu (SPI) và các thông số liên quan.

  3. Hậu xử lý: Thống kê, phân tích quy luật phân bố các thông số, thiết lập tiêu chuẩn chẩn đoán và đánh giá thể trạng nhịp cầu.

Toàn bộ quá trình tính toán và thống kê được thực hiện trên nền tảng ngôn ngữ lập trình MATLAB, đảm bảo độ chính xác và khả năng xử lý dữ liệu lớn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố mật độ phổ công suất tín hiệu dao động có tính đặc trưng rõ ràng: Qua phân tích phổ công suất của các nhịp cầu, vùng tần số cưỡng bức dao động chủ yếu tập trung trong khoảng từ 2 Hz đến 6 Hz, với tần số riêng cơ bản thường nằm trong vùng này. Ví dụ, nhịp 5 cầu Giồng Ông Tố 2 có vùng cưỡng bức tập trung từ 4 Hz đến 6 Hz với công suất tín hiệu cao nhất tại khoảng 5 Hz. Tỷ lệ công suất tín hiệu trong vùng cưỡng bức chiếm khoảng 30-40% tổng công suất toàn phổ.

  2. Hệ số mật độ phổ công suất tín hiệu (SPI) là thông số định lượng hiệu quả: SPI được đề xuất như một chỉ số thể hiện sự liên hệ giữa công suất tín hiệu dao động và thể trạng cầu. Thống kê trên tập mẫu 38 cầu cho thấy SPI có khả năng phân biệt rõ ràng các nhóm cầu với tình trạng thể trạng khác nhau, với sai số chuẩn dưới 5%. Đường hồi quy SPIAM (Spectral Power Intensity in Arithmetical Mean) cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa SPI và mức độ rủi ro của nhịp cầu.

  3. Phương pháp chẩn đoán kết hợp SPI với tần số riêng và xác suất cho phép phân loại thể trạng nhịp cầu: Sử dụng mô hình tọa độ vector trong không gian (f, η, p) – với f là tần số riêng, η là hệ số mật độ phổ công suất, p là xác suất xuất hiện – cho phép xác định mức độ rủi ro và phân loại thể trạng nhịp cầu thành các nhóm an toàn, cảnh báo và nguy hiểm. Ví dụ, nhịp 3 cầu Rạch Chiếc có tần số riêng thấp nhất khoảng 2.2 Hz, không thỏa điều kiện tránh cộng hưởng theo tiêu chuẩn TCN 243-98, đồng thời có SPI vượt ngưỡng an toàn, cảnh báo cần theo dõi nghiêm ngặt.

  4. Phân tích thống kê cho thấy sự phân bố công suất tín hiệu dao động có tính đồng đều và đặc trưng riêng theo loại kết cấu cầu: Các nhóm cầu bê tông dự ứng lực, bê tông cốt thép và bê tông liên hợp – dầm thép có đặc điểm phân bố công suất khác nhau, phản ánh sự khác biệt về tính chất cơ học và ứng xử dao động. Ví dụ, cầu bê tông dự ứng lực có xu hướng tập trung công suất tín hiệu ở vùng tần số thấp hơn so với cầu bê tông cốt thép.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ bản chất dao động ngẫu nhiên của nhịp cầu dưới tác động tải trọng lưu thông thực tế, trong đó tần số riêng và mật độ phổ công suất tín hiệu phản ánh đặc tính động học và trạng thái vật lý của kết cấu. Việc kết hợp phân tích phổ công suất với biến đổi Wavelet và hàm tự tương quan giúp khắc phục nhược điểm mất thông tin thời gian của biến đổi Fourier truyền thống, từ đó cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về tín hiệu dao động.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, phương pháp đề xuất tương đồng với xu hướng ứng dụng hệ thống giám sát sức khỏe cầu (HMS) tự động, nhưng có ưu điểm chi phí thấp hơn và phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Kết quả cũng phù hợp với các nghiên cứu về phân tích mật độ công suất phổ trong chẩn đoán khuyết tật cầu dây văng và các phương pháp phân tích Wavelet mode dao động.

Ý nghĩa của nghiên cứu là mở ra hướng tiếp cận mới trong công tác chẩn đoán thể trạng cầu, giúp chuyển từ kiểm định định kỳ cách quãng nhiều năm sang giám sát liên tục dựa trên số liệu dao động thực tế, nâng cao hiệu quả quản lý và đảm bảo an toàn giao thông.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống đo dao động tự động tại các vị trí trọng yếu của cầu: Lắp đặt cảm biến dao động phương z tại giữa nhịp cầu để thu thập dữ liệu liên tục, phục vụ cho việc phân tích phổ công suất tín hiệu và tính toán hệ số SPI. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; Chủ thể thực hiện: Sở Giao thông Vận tải phối hợp với các đơn vị nghiên cứu.

  2. Xây dựng phần mềm phân tích và chẩn đoán tự động dựa trên mô hình phối hợp Wavelet – Auto Correlation – Fourier: Phát triển công cụ xử lý dữ liệu, tính toán SPI và phân loại thể trạng nhịp cầu theo tiêu chuẩn đã thiết lập. Thời gian: 12 tháng; Chủ thể: Phòng Thí Nghiệm Cơ Học Ứng Dụng, Đại học Bách Khoa TP. HCM.

  3. Thiết lập tiêu chuẩn chẩn đoán thể trạng cầu dựa trên hệ số SPI kết hợp tần số riêng và xác suất: Ban hành quy định kỹ thuật áp dụng cho công tác kiểm định và bảo trì cầu, giúp các cơ quan quản lý có căn cứ khoa học để ra quyết định bảo dưỡng. Thời gian: 18 tháng; Chủ thể: Bộ Giao thông Vận tải, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ kỹ thuật trong công tác giám sát sức khỏe cầu: Tổ chức các khóa đào tạo về phương pháp đo đạc, xử lý tín hiệu và phân tích phổ công suất, đảm bảo vận hành hiệu quả hệ thống giám sát. Thời gian: liên tục; Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và các đơn vị quản lý cầu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư cầu đường: Luận văn cung cấp phương pháp chẩn đoán thể trạng cầu dựa trên dữ liệu dao động thực tế, giúp nâng cao hiệu quả quản lý, lập kế hoạch bảo trì và đảm bảo an toàn giao thông.

  2. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực cơ học kỹ thuật và kỹ thuật xây dựng: Nội dung luận văn trình bày chi tiết về lý thuyết phân tích tín hiệu, phương pháp xử lý dữ liệu dao động và ứng dụng thực tiễn, là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu và giảng dạy.

  3. Các đơn vị thiết kế và thi công công trình cầu: Thông tin về đặc trưng dao động và phương pháp chẩn đoán giúp đánh giá chất lượng công trình sau thi công, phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng.

  4. Các tổ chức phát triển hệ thống giám sát sức khỏe công trình (HMS): Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển các hệ thống đo đạc tự động, phần mềm phân tích và tiêu chuẩn chẩn đoán phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp phân tích phổ công suất tín hiệu dao động có ưu điểm gì so với các phương pháp truyền thống?
    Phương pháp này cho phép khai thác thông tin động học thực tế của cầu dưới tải trọng lưu thông ngẫu nhiên, cung cấp dữ liệu liên tục và định lượng chính xác hơn so với kiểm định định kỳ truyền thống, giúp phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng.

  2. Hệ số mật độ phổ công suất tín hiệu (SPI) được tính toán như thế nào?
    SPI được tính dựa trên tỷ số công suất tín hiệu trong các vùng tần số cưỡng bức so với tổng công suất toàn phổ, kết hợp với phân tích thống kê để phản ánh mức độ tập trung công suất và liên hệ với thể trạng cầu.

  3. Tại sao chỉ quan tâm đến dao động phương z trong nghiên cứu này?
    Phương z vuông góc với mặt phẳng nhịp cầu chịu tác động trực tiếp từ tải trọng lưu thông, phản ánh rõ nhất đặc trưng dao động và trạng thái làm việc của nhịp cầu, do đó được chọn làm hướng phân tích chính.

  4. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại cầu khác nhau không?
    Có, nghiên cứu đã khảo sát đa dạng loại kết cấu cầu như bê tông dự ứng lực, bê tông cốt thép và bê tông liên hợp – dầm thép, cho thấy phương pháp có tính tổng quát và khả năng phân biệt đặc trưng dao động theo loại kết cấu.

  5. Làm thế nào để chuyển từ kết quả phân tích sang quyết định bảo trì cầu?
    Kết quả phân tích SPI kết hợp tần số riêng và xác suất được dùng để phân loại thể trạng nhịp cầu thành các mức an toàn, cảnh báo và nguy hiểm, từ đó cơ quan quản lý có căn cứ khoa học để lập kế hoạch bảo trì, sửa chữa hoặc giám sát chặt chẽ.

Kết luận

  • Đề tài đã phát triển thành công phương pháp chẩn đoán thể trạng nhịp cầu dựa trên đặc trưng mật độ phổ công suất tín hiệu dao động ngẫu nhiên, kết hợp biến đổi Wavelet, hàm tự tương quan và biến đổi Fourier.
  • Hệ số mật độ phổ công suất tín hiệu (SPI) được đề xuất là chỉ số định lượng hiệu quả, giúp phân loại thể trạng cầu một cách chính xác và có cơ sở khoa học.
  • Phương pháp cho phép sử dụng số liệu dao động thu thập thường xuyên trong khai thác để đánh giá sức khỏe cầu, thay thế cho kiểm định định kỳ truyền thống tốn kém và không kịp thời.
  • Kết quả nghiên cứu đã thiết lập các tiêu chuẩn chẩn đoán thể trạng nhịp cầu, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam và có thể áp dụng cho nhiều loại kết cấu cầu khác nhau.
  • Đề xuất triển khai hệ thống đo dao động tự động, phát triển phần mềm phân tích và đào tạo cán bộ kỹ thuật để ứng dụng rộng rãi phương pháp trong công tác quản lý và bảo trì cầu.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và đơn vị nghiên cứu nên phối hợp triển khai thí điểm hệ thống giám sát dao động tự động tại các cầu trọng điểm, đồng thời hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và phần mềm phân tích để đưa phương pháp vào ứng dụng thực tế, góp phần nâng cao an toàn và hiệu quả khai thác công trình cầu.