Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống hạ tầng giao thông đường bộ tại các đô thị lớn đang chịu áp lực tải trọng ngày càng gia tăng. Theo thống kê của Sở Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, toàn thành phố hiện có hơn 1.000 cây cầu với quy mô và kết cấu đa dạng, trong đó phần lớn là cầu nhịp giản đơn vừa và nhỏ bắc qua hệ thống kênh rạch chằng chịt. Công tác kiểm định chất lượng cầu đường bộ hiện nay chủ yếu tuân theo Quyết định số 24/2003/QĐ-UB của Ủy ban nhân dân Thành phố Hồ Chí Minh, với chu kỳ kiểm định định kỳ dao động từ 3 năm đến 10 năm tùy theo cấp công trình. Khoảng thời gian giãn cách này quá dài, khiến các cơ quan quản lý gặp nhiều khó khăn trong việc nắm bắt diễn biến suy thoái cục bộ cũng như sự phát triển của các vết nứt tế vi dưới tác động tích lũy của tải trọng xe cộ lưu thông liên tục.

Về mặt lý thuyết và thực tiễn chẩn đoán công trình, các phương pháp nhận dạng hư hỏng truyền thống thường dựa vào sự thay đổi của tần số riêng. Tuy nhiên, nhiều khảo sát thực nghiệm đã chứng minh rằng tần số dao động riêng là thông số kém nhạy. Ngay cả khi tỷ lệ vết nứt phát triển sâu tới 50% bề dày dầm, mức độ suy giảm của tần số riêng chỉ đạt khoảng 1,8%, và khi xuất hiện đồng thời 3 vết nứt sâu 50% thì tần số riêng cũng chỉ giảm không quá 5%.

Mục tiêu trọng tâm của luận văn là khảo sát thực nghiệm mối quan hệ định lượng giữa số chu kỳ dao động mỏi tích lũy từ 0 đến hơn 2.000.000 chu kỳ và độ sâu vết cắt từ 0 mm đến 12 mm với các đặc trưng của phổ công suất dao động. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình dầm chịu tải di động tại Phòng thí nghiệm Cơ học Ứng dụng thuộc Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến năm 2018. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng giúp nâng cao độ chính xác của công tác giám sát sức khỏe kết cấu lên trên 85%, đồng thời tạo tiền đề xây dựng mô hình toán dự báo tuổi thọ công trình cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng đồng thời hai trụ cột lý thuyết cơ học kết cấu và cơ học phá hủy vật liệu:

Thứ nhất là lý thuyết dao động uốn của dầm Euler-Bernoulli dưới tác dụng của tải trọng di động. Phương trình vi phân chuyển động dao động uốn được thiết lập dựa trên nguyên lý D'Alembert, biểu diễn mối quan hệ tương hỗ giữa mômen uốn, lực cắt, khối lượng phân bố và lực quán tính. Khi tải trọng tập trung di chuyển qua dầm với vận tốc không đổi, phương trình dao động cưỡng bức được giải tích thông qua phép biến đổi Laplace-Carson, xác định độ võng động lớn nhất và hệ số động lực học trong trạng thái cộng hưởng. Độ cứng chống uốn của dầm được đặc trưng bởi thông số tích số giữa mô đun đàn hồi và mômen quán tính tiết diện.

Thứ hai là lý thuyết mỏi và biến đổi cơ tính vật liệu dưới tải trọng có chu kỳ. Dưới tác dụng của ứng suất biến thiên điều hòa với hệ số bất đối xứng R = -1, vật liệu kết cấu trải qua quá trình suy giảm khả năng chịu lực liên tục thông qua hai hiện tượng điển hình là biến cứng hoặc mềm hóa vật liệu theo chu kỳ hysteresis. Quá trình tích lũy mỏi kết hợp với sự hiện diện của vết nứt làm tiêu hao năng lượng cơ học và làm suy giảm độ cứng chống uốn một cách phi tuyến.

Các khái niệm then chốt được tích hợp trong nghiên cứu bao gồm: Phổ mật độ công suất (PSD), Phép biến đổi Fourier thời gian ngắn (STFT), Tần số dao động riêng, Năng lượng tiêu tán bề mặt và Trọng tâm phổ dao động.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm mô hình vật lý có đối chứng kết hợp phân tích xử lý tín hiệu số kỹ thuật số:

Cỡ mẫu và quy cách chế tạo: Nghiên cứu khảo sát 4 mẫu dầm thực nghiệm có cùng kích thước hình học chuẩn gồm chiều dài 1000 mm, chiều rộng 100 mm và chiều dày 15 mm. Các mẫu dầm được phân loại theo 4 mức độ sâu vết cắt ngang rộng 3 mm chạy suốt bề ngang dầm: dầm H0 có độ sâu vết cắt 0 mm (nguyên vẹn), dầm H1 có độ sâu vết cắt 4 mm, dầm H2 có độ sâu vết cắt 8 mm và dầm H3 có độ sâu vết cắt 12 mm.

Phương pháp tạo tải và chu kỳ mỏi: Mô hình tạo mỏi sử dụng cụm động cơ gắn khối lượng lệch tâm quay với tốc độ ổn định 12 vòng/giây (12 Hz) đặt tại giữa nhịp dầm. Dữ liệu được đo đạc qua 4 giai đoạn tích lũy mỏi: Giai đoạn 01 ứng với 0 chu kỳ (0 ngày), Giai đoạn 02 ứng với 100.000 chu kỳ, Giai đoạn 03 ứng với 2.000.000 chu kỳ (sau 2 ngày rung mỏi) và Giai đoạn 04 sau các đợt tích lũy mỏi tiếp theo.

Thu thập dữ liệu dao động: Tải trọng di động được mô phỏng bằng xe thí nghiệm 4 bánh di chuyển trên quãng đường 7 m với vận tốc ổn định điều khiển bằng máy biến tần. Hệ thống thu nhận tín hiệu sử dụng 4 kênh cảm biến gia tốc áp điện (K1, K2, K3, K4) bố trí phân bố đều dọc theo chiều dài dầm và truyền dữ liệu trực tiếp về máy tính thông qua bộ chuyển đổi đa kênh.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) và biến đổi Fourier thời gian ngắn (STFT) được lựa chọn nhằm chuyển đổi tín hiệu gia tốc từ miền thời gian sang miền tần số trong dải từ 0 Hz đến 60 Hz. Phương pháp này cho phép nhận diện chính xác sự dịch chuyển năng lượng và biến đổi các hài dao động bậc cao mà các phương pháp đo biến dạng tĩnh hoàn toàn không thể phát hiện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm trên 4 mẫu dầm qua 4 cấp độ mỏi đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, tần số riêng phản ứng rất chậm với quá trình tích lũy mỏi và khuyết tật cục bộ. Ở tiến trình mỏi thuần túy trên dầm H0 và H1, tần số riêng chỉ giảm trung bình khoảng 0,4% qua các đợt mỏi. Đối với dầm có vết nứt sâu như H2 và H3, đợt tạo mỏi đầu tiên làm tần số riêng suy giảm khoảng 12%, nhưng ở các đợt tích lũy mỏi tiếp theo, tốc độ suy giảm lại chững lại ở mức dưới 1%. Khi vết cắt tăng từ 0 mm lên 8 mm, tần số riêng suy giảm khoảng 18%, nhưng có hiện tượng biến động bất thường ở mức cắt 12 mm do biến dạng hình học cục bộ tại đáy vết nứt.

Thứ hai, số lượng vùng cộng hưởng trên phổ công suất thể hiện sự phân hóa rõ rệt theo không gian đo. Tại hai kênh biên K1 và K4 nằm xa vết cắt, số vùng cộng hưởng luôn giữ ổn định ở mức 2 vùng trong suốt toàn bộ các cấp độ mỏi. Ngược lại, tại hai kênh K2 và K3 nằm sát vị trí vết cắt, số vùng cộng hưởng giảm nhanh từ 2 vùng xuống còn 1 vùng khi chu kỳ mỏi vượt qua ngưỡng 100.000 chu kỳ.

Thứ ba, hiện tượng suy giảm diện tích phổ công suất diễn ra mạnh mẽ ở dải tần số cao. Trong dải tần số từ 20 Hz đến 60 Hz, diện tích dưới đường cong phổ công suất co hẹp từ 25% đến 40% khi số chu kỳ dao động và độ sâu vết cắt tăng lên. Năng lượng động học của các mode bậc cao bị triệt tiêu nhanh chóng do sự tiêu hao năng lượng tại bề mặt vết nứt.

Thứ tư, nghiên cứu đề xuất thành công thông số 7 trọng tâm phổ công suất. Toàn bộ diện tích phổ công suất được phân chia nhị phân thành 8 vùng thông qua 7 mốc trọng tâm tần số. Sự biến thiên tọa độ tần số của 7 trọng tâm này thể hiện độ nhạy cao vượt trội đối với cả độ sâu vết cắt và số chu kỳ mỏi tích lũy.

Thảo luận kết quả

Khi mô tả dữ liệu trên các đồ thị phổ công suất và sơ đồ biểu diễn 7 trọng tâm, có thể nhận thấy rõ xu hướng dịch chuyển về phía dải tần số thấp của các trọng tâm bậc cao (từ trọng tâm thứ 4 đến trọng tâm thứ 7). Tọa độ tần số của các trọng tâm này dịch chuyển từ 3 Hz đến 8 Hz sang bên trái khi độ sâu vết cắt đạt từ 8 mm đến 12 mm và số chu kỳ mỏi vượt mức 2.000.000 chu kỳ. Bảng ma trận theo dõi 7 trọng tâm trên 4 kênh đo cho thấy sự bất đối xứng của phổ năng lượng phản ánh chính xác vị trí khuyết tật nằm tại trung tâm nhịp dầm.

Cơ chế vật lý của hiện tượng này bắt nguồn từ sự chuyển hóa năng lượng. Khi dầm có vết nứt dao động dưới tải trọng di động, sự đóng mở chu kỳ của khe nứt gây tiêu hao thế năng biến dạng uốn và phân tán động năng thành nhiệt năng và công phá hủy liên kết vật liệu. Điều này dẫn đến sự triệt tiêu các thành phần dao động tần số cao, làm trọng tâm phổ dồn về dải tần số thấp.

So sánh với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ tập trung vào sự thay đổi dạng riêng (mode shape) hoặc hệ số giảm chấn, thông số 7 trọng tâm phổ công suất khắc phục triệt để nhược điểm phụ thuộc vào nhiễu ngẫu nhiên của môi trường. Các kết quả khảo sát trên 38 cây cầu thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh trước đó từng chỉ ra rằng dạng riêng dao động rất dễ bị phân tán bởi tải trọng ngẫu nhiên, trong khi đặc trưng phân bổ diện tích phổ công suất vẫn giữ được tính ổn định và độ nhạy định lượng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa các kết quả nghiên cứu thành giải pháp ứng dụng thực tế trong quản lý và bảo trì công trình cầu đường, luận văn đề xuất 4 nhóm khuyến nghị cụ thể:

Thứ nhất, tích hợp thuật toán phân tích 7 trọng tâm phổ công suất vào phần mềm giám sát sức khỏe công trình tự động. Các đơn vị vận hành hệ thống giám sát kết cấu cần cài đặt module tự động tính toán phổ mật độ công suất thời gian thực, thiết lập ngưỡng cảnh báo khi tọa độ các trọng tâm phổ bậc cao dịch chuyển vượt quá 5% so với trạng thái ban đầu, hoàn thiện triển khai thử nghiệm trong vòng 6 đến 12 tháng.

Thứ hai, đổi mới quy trình và chu kỳ kiểm định kỹ thuật cầu đường bộ. Cơ quan quản lý chuyên ngành như Bộ Giao thông Vận tải và Sở Giao thông Vận tải các tỉnh thành cần ban hành hướng dẫn kỹ thuật bổ sung phương pháp đo động lực học dưới tải trọng xe thực tế, rút ngắn chu kỳ thu thập dữ liệu dao động xuống 6 tháng một lần đối với các công trình cầu trên 15 năm tuổi, thay vì chỉ duy trì chu kỳ kiểm định tĩnh từ 3 năm đến 10 năm theo quy định cũ.

Thứ ba, triển khai lắp đặt mạng lưới cảm biến gia tốc đa kênh tại các vị trí xung yếu. Các ban quản lý dự án công trình giao thông cần bố trí tối thiểu 4 cụm cảm biến gia tốc áp điện tại các tiết diện chịu mômen uốn cực đại giữa nhịp và các gối đỡ, thiết lập tần số lấy mẫu tín hiệu tối thiểu 1.000 Hz để ghi nhận liên tục dữ liệu dao động trong giai đoạn vận hành từ năm 2026 đến năm 2028.

Thứ tư, hoàn thiện mô hình toán học số dự báo tuổi thọ mỏi của dầm. Các trường đại học và viện nghiên cứu cơ học cần ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến kết hợp dữ liệu thực nghiệm 2.000.000 chu kỳ mỏi để xây dựng thuật toán cập nhật tự động độ suy giảm độ cứng chống uốn, hoàn thành bộ công cụ phần mềm mô phỏng dự báo tuổi thọ kết cấu trong thời gian 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư kết cấu và chuyên gia kiểm định công trình cầu đường. Tài liệu cung cấp quy trình thực nghiệm chuẩn từ bố trí đầu đo, thu thập tín hiệu gia tốc đến phân tích phổ dao động, giúp đánh giá định lượng mức độ suy giảm khả năng chịu tải của các dầm cầu hiện hữu mà không cần tạm ngừng lưu thông phương tiện.

Nhóm thứ hai là các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học thuộc khối ngành Cơ kỹ thuật, Cơ học Công trình và Kỹ thuật Xây dựng Cầu đường. Luận văn cung cấp khung lý thuyết mở rộng về bài toán dầm chịu tải di động, kỹ thuật biến đổi Fourier thời gian ngắn và nguồn số liệu thực nghiệm gốc có giá trị để kiểm chứng các mô hình tính toán số.

Nhóm thứ ba là các cơ quan quản lý nhà nước về hạ tầng giao thông đô thị và các Sở Giao thông Vận tải. Báo cáo nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học tin cậy để điều chỉnh chính sách duy tu, xây dựng hệ thống định mức bảo trì dựa trên tình trạng kỹ thuật thực tế, giúp tối ưu hóa từ 25% đến 30% kinh phí bảo dưỡng hàng năm.

Nhóm thứ tư là các doanh nghiệp công nghệ phát triển thiết bị đo lường và giải pháp giám sát thông minh. Kết quả thuật toán 7 trọng tâm phổ công suất là cơ sở thuật toán lý tưởng để nhúng vào các thiết bị biên IoT và hệ thống giám sát kết cấu tự động 24/7.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tần số riêng truyền thống lại kém nhạy trong việc nhận dạng vết nứt dầm cầu? Tần số riêng là đại lượng đặc trưng cho độ cứng tổng thể của toàn bộ kết cấu dầm. Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng ngay cả khi dầm xuất hiện vết cắt sâu đến 50% hoặc 80% bề dày (tương đương 12 mm trên dầm dày 15 mm), tần số riêng chỉ suy giảm từ 0,4% đến 18%. Mức biến thiên này rất nhỏ và dễ bị che lấp hoàn toàn bởi sai số đo đạc hoặc biến đổi nhiệt độ môi trường xung quanh.

Đặc trưng 7 trọng tâm phổ công suất được xác định như thế nào? Phương pháp xác định 7 trọng tâm thực hiện thông qua quy trình phân chia nhị phân diện tích phổ công suất. Đầu tiên, trọng tâm thứ 4 chia đôi toàn bộ diện tích phổ thành hai phần bằng nhau. Sau đó, hai nửa diện tích tiếp tục được chia đôi bởi trọng tâm 2 và 6. Cuối cùng, bốn phân vùng này được chia đôi lần nữa bởi các trọng tâm 1, 3, 5 và 7 để theo dõi chi tiết sự phân bố năng lượng dao động.

Tải trọng di động tạo ra phản ứng động lực học khác biệt gì so với tải trọng tĩnh? Tải trọng di động trên quãng đường 7 m sinh ra đồng thời động năng chuyển động và thế năng biến dạng uốn tăng dần theo thời gian. Lực kích thích động kích hoạt các mode dao động cưỡng bức đa tần số trong dải từ 0 Hz đến 60 Hz, làm lộ rõ các vùng cộng hưởng và hiện tượng tiêu hao năng lượng tại vị trí vết nứt mà phương pháp thử tải tĩnh không thể hiện được.

Mô hình thí nghiệm tạo mỏi nhân tạo hoạt động với các thông số kỹ thuật nào? Mô hình tạo mỏi sử dụng cụm động cơ gắn khối lượng lệch tâm quay với tần số 12 Hz (12 vòng/giây) kẹp chặt tại giữa nhịp dầm. Thí nghiệm tạo ra lực tuần hoàn điều hòa tác động liên tục qua các mốc tích lũy mỏi từ 0 chu kỳ, 100.000 chu kỳ đến 2.000.000 chu kỳ dao động nhằm mô phỏng chính xác sự lão hóa cơ tính và suy giảm độ cứng chống uốn của vật liệu.

Kết quả nghiên cứu trên dầm mô hình có thể mở rộng ứng dụng cho công trình cầu thực tế không? Quy luật chuyển hóa năng lượng và nguyên lý dịch chuyển trọng tâm phổ công suất mang tính tổng quát cho mọi kết cấu dầm chịu uốn. Khi áp dụng cho cầu thực tế như cầu dầm bê tông cốt thép hoặc cầu thép, chỉ cần điều chỉnh dải tần số khảo sát và gia tăng mật độ cảm biến gia tốc dọc theo các nhịp dầm để giám sát hiệu quả sự suy giảm độ cứng cục bộ.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu với 5 kết luận khoa học cốt lõi:

  • Khẳng định sự kém nhạy của thông số tần số riêng truyền thống khi mức suy giảm tối đa chỉ đạt khoảng 18% ngay cả ở mức độ vết cắt sâu 12 mm chiếm 80% chiều dày dầm.
  • Chứng minh hiện tượng suy giảm diện tích phổ công suất ở dải tần cao từ 20 Hz đến 60 Hz từ 25% đến 40% dưới tác động của 2.000.000 chu kỳ dao động mỏi.
  • Xác lập quy luật phân hóa số vùng cộng hưởng giữa các kênh biên ổn định (K1, K4) và các kênh lân cận khuyết tật bị suy giảm từ 2 vùng xuống 1 vùng (K2, K3).
  • Đề xuất thành công công cụ định lượng 7 trọng tâm phổ công suất với độ nhạy vượt trội trong việc phát hiện sự thay đổi độ cứng cục bộ của dầm.
  • Xây dựng quy trình thí nghiệm hoàn chỉnh kết hợp giữa tải trọng di động trên ray dẫn hướng 7 m và hệ thống tạo rung mỏi 12 Hz.

Đóng góp khoa học lớn nhất của luận văn là đã đề xuất một phương pháp tiếp cận mới trong lĩnh vực kiểm tra không phá hủy, sử dụng đặc trưng hình học của phổ công suất để nhận dạng hư hỏng kết cấu dầm chịu tải di động.

Về lộ trình phát triển tiếp theo, trong giai đoạn 2026 - 2027, nhóm nghiên cứu dự kiến mở rộng thử nghiệm trên các kết cấu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực quy mô thực tế; giai đoạn 2027 - 2028 sẽ hoàn thiện thuật toán nhận dạng tự động kết hợp trí tuệ nhân tạo để triển khai trên các cầu giao thông huyết mạch.

Quý bạn đọc, các nhà nghiên cứu và các kỹ sư kết cấu quan tâm có thể khai thác toàn văn tài liệu luận văn tại thư viện Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM để cùng hợp tác ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào công tác bảo trì cầu đường hiện đại.