Đặt vấn đề Trong những năm qua, sự tăng trưởng nhanh của nền kinh tế đã thúc đẩy cho sự kết nối mạng lưới hạ tầng giao thông ở các đô thị lớn, góp phần quan trọng trong vận chuyển hàng hóa, đảm bảo an ninh quốc phòng, nâng cao chất lượng đời sống nhân dân. Trong đó, một số tỉnh thành từng bước phát triển theo hướng hiện đại, đô thị hóa, nhờ vậy nguồn đầu tư được thu hút nhiều nên dẫn tới mật độ phương tiện giao thông tăng nhanh chóng, đặc biệt tại các khu công nghiệp có nhiều phương tiện giao thông tải trọng nặng. Hệ thống hạ tầng cầu đường dù đã được đầu tư nâng cấp, sửa chữa và bảo dưỡng theo định kỳ, nhưng hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông vẫn không đáp ứng kịp tốc độ phát triển của nền kinh tế. Phần lớn các cầu đã nhiều năm sử dụng thành thử tính năng hình học bị xuống cấp do bị thời tiết, động đất, khí hậu ăn mòn.) Ngoài ra, độ bền của vật liệu giảm dần theo thời gian.
Do đó, sức khỏe của kết cấu cầu cần được theo dõi để đảm bảo an toàn. Trụ cầu Shinkansen. 2004, Nhật Bản, bị ảnh hưởng động đất (Moehle và cộng sự, 2000) Có ba yếu tố chính được sử dụng để đánh giá khả năng làm việc của cầu đó là: tính nguyên vẹn của bề mặt, chất lượng vật liệu và khả năng chịu lực của kết cấu. Do đó, 2 quá trình đánh giá là cần thiết để dự đoán độ an toàn của các công trình hiện hữu này và đưa ra quyết định duy tu sửa chữa và thay thế một phần hoặc toàn bộ kết cấu.
Hướng dẫn đánh giá cầu của Hiệp hội đường bộ liên bang (FHWA) đã vạch ra một cách tiếp cận có hệ thống bao gồm mọi khía cạnh của đánh giá cầu, bao gồm đánh giá tính toàn vẹn bề mặt của kết cấu, chất lượng vật liệu và khả năng thi công. FHWA đã đưa ra những hướng dẫn chi tiết để đánh giá tình trạng của một cây cầu đường cao tốc ở Mỹ. Căn cứ vào hướng dẫn, các thanh tra viên sẽ đưa ra quyết định về việc bảo trì, xây dựng lại hoặc thay thế các cây cầu hiện có [1]. Trước đây, tính toàn vẹn bề mặt và đánh giá chất lượng vật liệu được kiểm tra trực quan bởi một thanh tra viên.
Việc kiểm tra trực quan có thể xác định các vấn đề như vết nứt, rỉ sét hoặc ăn mòn, chỉ ra các vấn đề tiềm ẩn đối với sự ổn định và an toàn của kết cấu công trình [2]. Ví dụ như mất mát khối lượng bề mặt kết cấu bởi dao động do các điều kiện tải trọng động gây ra như xe lưu thông và gió lớn, hoặc tác động của thời tiết khắc nghiệt, có thể tạo ra các hư hỏng như mất khối lượng, có thể nghiêm trọng theo thời gian [3]. Do đó, việc kiểm tra và giám sát tình trạng sức khỏe của các kết cấu cầu theo các khoảng thời gian nhất định có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc phát hiện các dấu hiệu xuống cấp và lập kế hoạch các biện pháp đối ứng hoặc khôi phục thích hợp [4]. Tuy nhiên, kết quả phụ thuộc nhiều vào các thí nghiệm và quyết định cá nhân của thanh tra viên.
Khi sử dụng các phương pháp truyền thống, các thanh tra viên đến thực tế tại chỗ để kiểm tra thường xuyên và đánh giá tình trạng là khá tốn kém, tốn thời gian và có khả năng không an toàn. Hơn nữa, bất kỳ sơ suất bảo trì hoặc bất kỳ hoạt động chậm trễ nào có thể dẫn đến chi phí tăng đáng kể trong tương lai. Điều này sẽ cần thiết hơn khi công trình được sử dụng hoặc có tầm quan trọng đặc biệt như huyết mạch vận chuyển hoặc quốc phòng vận chuyển các khí tài quân sự. Các thành phần quan trọng của hệ thống mạng lưới đường bộ, đặc biệt là các cây cầu, là một trong những cấu trúc dễ bị ảnh hưởng nhất và quan trọng nhất, cần được kiểm tra chính xác và bảo trì tốt.
Những kết cấu quan trọng này thường nằm ở những địa hình hiểm trở và được xây dựng ở những nơi khó tiếp cận. Do đó, việc thực hiện một phương pháp kiểm tra hiệu quả và có chiến lược bảo trì/phục hồi định 3 kỳ về cơ bản là cần thiết. Hơn nữa, việc áp dụng một phương pháp kiểm tra hiệu quả, nếu xét về chi phí là một yếu tố quan trọng khác. Dựa trên báo cáo gần đây nhất của Bộ phận Đường bộ và Hàng hải (RMS) của New South Wales (NSW) tại Úc, [5] hơn 28% ngân sách của chính phủ NSW được chi cho việc quản lý và duy trì tài sản cơ sở hạ tầng, đặc biệt là cầu đường.
Do đó, việc áp dụng các phương pháp kiểm tra, giám sát chủ động và hiệu quả về chi phí cũng như quản lý tài sản có thể giảm đáng kể những chi phí quá mức này. Thông thường, vật liệu sẽ ít bị thay đổi trong quá trình sử dụng, chủ yếu bị ảnh hưởng của thời tiết và ăn mòn. Do đó, một nghiên cứu để xem xét kỹ lưỡng tính toàn vẹn của bề mặt và đánh giá tỉ mỉ khả năng thi công kết cấu của nó cần phải thực hiện. Gần đây, một nhóm đặc biệt chung của Hiệp hội các cơ quan giao thông và đường cao tốc tiểu bang Hoa Kỳ (ASCE/SEI – AASHTO) đã được thành lập để xác định các nhu cầu và vấn đề liên quan đến việc đảm bảo sự an toàn của các cây cầu trên đường cao tốc trên khắp Hoa Kỳ và để kiểm tra xem có thể cải thiện các hoạt động kiểm tra cầu hiện tại như thế nào trong tương lai.
Họ giải quyết nhiều thách thức lớn, bao gồm chính sách kiểm tra cầu và tính nhất quán của xếp hạng kiểm tra (ASCE/SEI- AASHTO). Tuy nhiên, một trong những thách thức là việc phát triển các phương pháp kiểm tra không phá hủy Non-destructive (NDT) hiệu quả và các hướng dẫn của chúng để áp dụng các phương pháp sao cho phù hợp. Trong vài thập kỷ qua, các phương pháp NDT đã được phát triển và sử dụng như một phương tiện kiểm tra kết cấu nhanh chóng và hiệu quả. Năm 1990, cuốn sách hướng dẫn tham khảo kiểm tra cầu ((Bridge Inspector’s Reference Manual (BIRM) [6] đề xuất cho cầu bê tông: Ultrasonic Testing (UT)-siêu âm, Ground Penetration Radar (GPR), Impact Echo - tiếng vang (IE), Infrared Thermography – nhiệt độ hồng ngoại, Radiography Testing (RT) phóng xạ.
Tuy nhiên, những phương pháp này chưa có được thực hành rộng rãi. Một cuộc khảo sát để xác định tình trạng của thực tiễn cho kiểm tra cầu ở Hoa Kỳ được thực hiện bởi Rolander và cộng sự [7] là cần thiết để giảm thiểu sự thực hiện bởi con người. 4 Phản hồi thử tải (LTR) là một trong những phương pháp đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu cầu. Đây là một phương pháp được sử dụng để xem xét khả năng sử dụng/ chịu đựng của kết cấu cầu bằng cách cho nó chịu tải và quan sát phản ứng của nó.
Theo sách hướng dẫn AASHTO, phản ứng thử tải là một thành phần quan trọng của quy trình đánh giá sức khỏe kết cấu cầu [6]. Để kiểm chứng và so sánh kết quả của phương pháp LTR, Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để mô phỏng ứng xử của kết cấu. Wang và cộng sự. [8] đã đánh giá một số kết cấu cầu hiện có và các hướng dẫn được đề xuất dựa trên chương trình thử tải kết hợp và mô hình phần tử hữu hạn.
Hiện tại, FEM có thể cung cấp phân tích chi tiết về ứng xử của kết cấu cầu dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để kiểm tra ảnh hưởng của các kế hoạch sửa chữa và bảo trì khác nhau đối với tuổi thọ còn lại của kết cấu [9]. Cụ thể, FEM được sử dụng trên các cấu kiện cầu khác nhau, bao gồm trụ cầu, dầm và mặt cầu, để mô phỏng thử nghiệm phá hủy cấu trúc cầu ở các cấp độ khác nhau. Do đó, việc thu thập dữ liệu và tái tạo lại các bộ phận của kết cấu trở nên cấp thiết để kiểm tra và đánh giá chất lượng kết cấu.
Mô hình số trong FEM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác hình học của các bộ phận, điều này rất quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của kết cấu cầu [10]. Mô hình hình học thường được dựng lại thủ công từ bản vẽ hiện có. Nó có thể chứa những lỗi gây ra bởi sự bất cẩn của các kỹ thuật viên. Quá trình này dẫn đến nhiều sai sót cản trở chất lượng đánh giá tổng thể về khả năng làm việc của kết cấu hiện có [11].
Ngoài ra, ở các công trình cũ, tình trạng mất bản thiết kế, công trình bị biến dạng, sụt lún, bong tróc một số lớp bê tông bao che kết cấu dẫn đến việc thu thập số liệu đo đạc trực tiếp gặp nhiều khó khăn. Những tiến bộ của khoa học và công nghệ ngày nay đã đưa ra một số phương pháp mới mang lại những lợi thế đáng kể, thay thế các phương pháp truyền thống đo lường trực tiếp. Cụ thể, camera ghi lại hình ảnh công trình để trực quan hóa bề mặt công trình. Đây là một phương pháp không phá hủy để kiểm tra trực quan chất lượng xây dựng.
Quá trình kiểm tra chất lượng có thể được thực hiện bởi người kiểm tra hoặc bằng cách áp dụng thuật toán xử lý hình ảnh để xử lý dữ liệu lớn. Tuy nhiên, việc sử dụng hình ảnh 2D không tốt trong một số cuộc khảo sát, cần biết 5 độ chính xác của kích thước hình học hoặc thành phần bị ẩn bởi những người khác, trong khi hình ảnh đám mây điểm 3D được tạo ra là không chính xác. Một phương pháp khác để thu thập các đám mây điểm 3D chính xác của bề mặt công trình là công nghệ quét lazer. Máy quét Laser hiện nay hỗ trợ thu thập đám mây điểm 3D nhanh chóng với mật độ điểm cao trong thời gian ngắn.
Công nghệ này ngày càng trở nên nổi bật và đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt là trong ngành cơ sở hạ tầng giao thông [12]. Đám mây điểm 3D giúp đánh giá tính toàn vẹn của cấu trúc và xác định các khiếm khuyết tiềm ẩn [13]. Đối với điều này, đám mây điểm trở thành dữ liệu đầu vào để tạo mô hình lưới khối cho phân tích FEM. Một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các phương pháp cho việc chuyển đổi này, bao gồm sử dụng máy học và chỉnh sửa thủ công.
