Luận án Quan trắc và đánh giá kết cấu cầu sử dụng hệ cảm biến cáp quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -----------o0o----------- MAI ĐỨC ANH QUAN TRẮC VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT CẤU CẦU SỬ DỤNG HỆ CẢM BIẾN CÁP QUANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI – 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -----------o0o----------- MAI ĐỨC ANH QUAN TRẮC VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT CẤU CẦU SỬ DỤNG HỆ CẢM BIẾN CÁP QUANG Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. Nguyễn Ngọc Long HÀ NỘI – 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, ngày 02 tháng 04 năm 2024 Tác giả Mai Đức Anh ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................... v DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... xii KÝ HIỆU TOÁN HỌC .................................................................................................. xiv MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 1. Mở đầu .......................................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................... 2 3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................................... 3 6. Nội dung của luận án .................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG HỆ CẢM BIẾN VÀ CẢM BIẾN QUANG. ........................................................ 5 1.1. Tổng quan về hệ thống theo dõi sức khoẻ công trình cầu. ...................................... 5 1.2. Tổng quan về các nghiên cứu giám sát sức khoẻ công trình cầu. ........................ 14 1.3. Tổng quan về giám sát sức khoẻ công trình sử dụng hệ cảm biến và cảm biến quang. .............................................................................................................................. 19 1.4. Kết luận Chương 1 ................................................................................................... 26 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA CẢM BIẾN FBG .............................................................................................................. 27 2.1. Khái niệm về cảm biến FBG .................................................................................... 27 2.2. Phân loại cảm biến FBG .......................................................................................... 32 2.2.1. Cảm biến quang giản đơn ........................................................................................ 32 2.2.2. Cảm biến quang đồng nhất ...................................................................................... 34 2.2.3. Cảm biến quang biến thiên theo chiều dài [72] ....................................................... 35 2.2.4. Cảm biến quang lưới ghép nghiêng [73] ................................................................. 40 2.3. Đặc trưng cơ học của cảm biến quang.................................................................... 43 2.3.1. Khả năng phản xạ của sợi quang học ...................................................................... 43 2.3.2. Đặc trưng của băng thông. ....................................................................................... 47 2.3.3. Đặc điểm độ trễ nhóm và sự phân tán ..................................................................... 48 2.3.4. Ảnh hưởng nhiệt độ ................................................................................................. 52 iii 2.4. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến quang FBG ................................................... 57 2.4.1. Cường độ ................................................................................................................. 57 2.4.2. Mô đun đàn hồi và độ cứng ..................................................................................... 57 2.5. So sánh cảm biến FBG với một số cảm biến truyền thống ................................... 58 2.6. Tổng kết chương 2 .................................................................................................... 60 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN FBG ĐỂ THEO DÕI ĐẶC TRƯNG ĐỘNG HỌC CỦA KẾT CẤU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ................. 62 3.1. Thiết kế thí nghiệm ................................................................................................... 62 3.1.1. Cầu giàn thép ........................................................................................................... 62 3.1.2. Cầu dây văng ........................................................................................................... 73 3.2. Tiến hành đo đạc và phân tích số liệu .................................................................... 78 3.2.1. Thí nghiệm trên cầu dàn thép .................................................................................. 78 3.2.2. Thí nghiệm trên cầu dây văng ................................................................................. 81 3.3. Phân tích kết quả ...................................................................................................... 84 3.3.1. Đối với cầu dàn thép ................................................................................................ 84 3.3.2. Đối với cầu dây văng ............................................................................................... 95 3.4. Tổng kết chương 3 .................................................................................................. 103 CHƯƠNG 4: GIÁM SÁT SỨC KHỎE KẾT CẤU SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU ĐỀ XUẤT KẾT HỢP DỮ LIỆU THU ĐƯỢC TỪ CẢM BIẾN QUANG 105 4.1. Xây dựng mô hình số .............................................................................................. 105 4.1.1. Mô hình phần tử hữu hạn Cầu giàn thép ............................................................... 105 4.1.2. Mô hình phần tử hữu hạn Cầu dây văng ................................................................ 113 4.2. Thuật toán đề xuất .................................................................................................. 119 4.2.1. Thuật toán H5N1 ................................................................................................... 119 4.2.2. Phương pháp Phân rã Giá trị riêng (Singular Value Decomposition - SVD) ........ 127 4.2.3. Thuật toán H5N1-SVD .......................................................................................... 128 4.3. Áp dụng thuật toán đề xuất để cập nhật và xác định hư hỏng cho mô hình .... 129 4.3.1. Cập nhật mô hình số .............................................................................................. 129 4.3.2. Xác định hư hỏng cầu giàn thép ............................................................................ 137 4.3.3. Xác định hư hỏng cầu dây văng ............................................................................ 143 4.4. Kết luận chương 4................................................................................................... 152 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 153 iv Kết luận: .......................................................................................................................... 153 Kiến nghị: ........................................................................................................................ 154 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................... 155 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 156 Phụ lục ............................................................................................................................ 165 Phần 1: Mô hình cầu dàn thép thí nghiệm (Matlab). ....................................................... 165 Phần 2: Mô hình cầu dây văng thí nghiệm (Ansys APDL). ............................................ 174 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Hệ thống cảm biến được lắp đặt trên Cầu Tsing Ma phục vụ cho việc giám sát sức khỏe ...................................................................................................... 7 Hình 1-2: Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản) ............................................................................ 9 Hình 1-3: Hệ thống quan trắc của cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản) ................................... 10 Hình 1-4: Cầu Tatara (Nhật Bản) ...................................................................................... 10 Hình 1-5: Hệ thống quan trắc của cầu Tatara (Nhật Bản) ................................................. 11 Hình 1-6: Cầu Tsingma – Hong Kong .............................................................................. 11 Hình 1-7: Hệ thống quan trắc của cầu Tsingma (Hong Kông) ......................................... 12 Hình 1-8: Cầu Rồng - Thành phố Đà Nẵng ...................................................................... 12 Hình 1-9: Cầu Cần Thơ – Tỉnh Cần Thơ ........................................................................... 13 Hình 1-10: Hệ quan trắc cầu Cần Thơ ............................................................................... 14 Hình 1-11: Cầu Bính – Thành phố Hải Phòng .................................................................. 14 Hình 1-12: Sơ đồ các vị trí cảm biến FBG để giám sát biến dạng của cầu ....................... 22 Hình 2-1: Một bức xạ được phản xạ bởi cấu trúc mạng của một tinh thể và sẽ gây nhiễu nếu tuân theo định luật Bragg .............................................................. 27 Hình 2-2: Hình dạng sóng phản xạ Bragg điển hình với các tham số của nó được xác định ................................................................................................................ 29 Hình 2-3: Cách tử Bragg thống nhất với chỉ số biên độ và chu kỳ điều chế không đổi .. 33 Hình 2-4: Phổ phản xạ điển hình của trung tâm cách tử Bragg ở bước sóng 1550 nm như một hàm của bước sóng .......................................................................... 35 Hình 2-5: Sơ đồ của CFBG và phương pháp rời rạc hóa. (a) Phác thảo FBG được đa tần số tuyến tính; (b) rời rạc tương ứng CFBG thành MFBG thống nhất. .... 36 Hình 2-6: Mô phỏng phổ CFBG bằng mô hình dựa trên CMT. Biểu đồ cho thấy quang phổ có độ dài 𝐿 khác nhau nằm trong khoảng từ 20 mm đến 50 mm và hệ số tốc độ chia đa tần 𝜉 bằng 1–2 nm/mm; các tham số cách tử khác là 𝛿𝑛𝑒𝑓𝑓 = 10 − 6, 𝑛𝑒𝑓𝑓 = 1,5, 𝜆𝐵(0) = 1520 𝑛𝑚, 𝑘𝐿𝑔 = 0,4 và bước rời rạc là 𝐿𝑔 = 0,2 𝑚𝑚. ...................................................................... 39 Hình 2-7: Mô phỏng sự biến đổi của phổ CFBG với mô hình CMT, tiếp xúc với các kiểu nhiệt độ khác nhau. (a) Các biến đổi nhiệt độ áp dụng cho CFBG dài vi 50 mm với tốc độ chia đa tần 1 nm/mm; (b) Phổ phản xạ CFBG thu được cho từng cấu hình nhiệt độ. Mỗi biến đổi được hiển thị cùng màu trong hai biểu đồ. ........................................................................................................... 40 Hình 2-8. Sơ đồ cấu trúc của TFBG 𝛬 là chu kỳ cách tử và 𝜉 biểu thị góc nghiêng. ....... 41 Hình 2-9. Minh họa của vectơ sóng cho sự ghép cặp hình thái trong TFBG. ................... 41 Hình 2-10. Phổ truyền của TFBG có góc nghiêng nhỏ hơn hơn 5 độ. .............................. 42 Hình 2-11: Cách tử Bragg sợi đồng nhất [74] ................................................................... 43 Hình 2-12: Đáp ứng phổ phản xạ và truyền dẫn đối với cách tử Bragg đồng nhất với các giá trị cường độ cách tử khác nhau đối với (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme [74]. .................................................................................. 45 Hình 2-13: Đáp ứng phổ phản xạ và thời gian trễ so với bước sóng đối với cách tử Bragg đồng nhất với các giá trị khác nhau của cường độ cách tử đối với (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme[74] .......................................... 46 Hình 2-14: Tính chất phân tán của hàm POF đồng nhất với chiều dài cách tử (𝐿𝑔) ở các giá trị ξ khác nhau [76]. ........................................................................... 48 Hình 2-15: Ảnh hưởng của chiết suất trung bình (δn) đến tính chất phân tán của hàm POF đồng nhất đến chiều dài cách tử (𝐿𝑔) đối với (a) ξ = 2,41 / m và (b) ξ = 61 / m [76]. ................................................................................................. 49 Hình 2-16: Ảnh hưởng của chiết suất trung bình (δn) đến tính chất phân tán của hàm POF đồng nhất đến chiều dài cách tử (Lg) dựa trên các giá trị tối ưu của (a) ξ = 2,41/m và (b) ξ = 61/m [76]. .............................................................. 50 Hình 2-17: Ảnh hưởng của sự biến thiên nhiệt độ (T) đến tính chất phân tán của hàm POF đồng nhất đến chiều dài cách tử (Lg) (a) ξ = 2,41/m và (b) ξ = 61/m [76]. ................................................................................................................ 50 Hình 2-18: Phổ phản xạ và truyền dẫn so với sự thay đổi nhiệt độ đối với cách tử Bragg đồng nhất với các giá trị độ bền cách tử khác nhau đối với (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme [74]. ................................................... 52 Hình 2-19: Phổ phản xạ và thời gian trễ so với sự thay đổi nhiệt độ đối với cách tử Bragg đồng nhất với các giá trị cường độ cách tử khác nhau đối với (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme [74]. ................................................... 54 Hình 2-20: Phổ phản xạ và độ trễ thời gian so với sự thay đổi nhiệt độ đối với cách tử Bragg đồng nhất với điều chế chỉ số Δn = 1 × 10 − 4 cho các giá trị khác vii nhau của chiều dài cách tử (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme [74]. ................................................................................................................ 55 Hình 2-21: Phổ phản xạ và độ trễ thời gian so với sự thay đổi nhiệt độ đối với cách tử Bragg đồng nhất với điều chế chỉ số Δn = 5 × 10 − 4 cho các giá trị khác nhau của chiều dài cách tử (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme [74]. ................................................................................................................ 56 Hình 3-1: Mô hình cầu giàn thép trong phòng thí nghiệm ................................................ 62 Hình 3-2: Bản vẽ chi tiết kết cấu nhịp ............................................................................... 63 Hình 3-3: Liên kết tại nút giàn .......................................................................................... 63 Hình 3-4: Gối cầu .............................................................................................................. 64 Hình 3-5: Cáp quang ......................................................................................................... 65 Hình 3-6: Bộ kẹp cáp quang .............................................................................................. 65 Hình 3-7: Thông số kích thước bộ kẹp cáp (mm) ............................................................. 65 Hình 3-8: Bộ dò tín hiệu quang FAZT-I4G ...................................................................... 67 Hình 3-9: Giao diện phần mềm Femtosense ..................................................................... 68 Hình 3-10: Giao diện phần mềm MACEC ........................................................................ 69 Hình 3-11: Đầu đo nhận dạng dao động ............................................................................ 70 Hình 3-12: Cáp truyền tín hiệu .......................................................................................... 70 Hình 3-13: Bộ thu tín hiệu ................................................................................................. 71 Hình 3-14: Mô-đun thu tín hiệu ......................................................................................... 71 Hình 3-15: Sơ đồ bố trí đo đạc .......................................................................................... 72 Hình 3-16: Mô hình cầu dây văng trong phòng thí nghiệm .............................................. 73 Hình 3-17: Neo dây cáp được hàn cố định trên bản mặt cầu ............................................ 74 Hình 3-18: Hệ thống điều chỉnh lực căng dây văng tại đỉnh tháp ..................................... 74 Hình 3-19: Quả nặng được treo dưới các neo cáp tại bản dưới của kết cấu nhịp ............. 75 Hình 3-20: Bố trí đầu đo gia tốc tại các vị trí theo sơ đồ đo ............................................. 77 Hình 3-21: Theo dõi dữ liệu đo theo thời gian bằng phần mềm LabView 2014 .............. 78 Hình 3-22: Bố trí đo đạc .................................................................................................... 78 Hình 3-23: Lắp đặt cảm biến quang trên các thanh mạ thượng và mạ hạ ......................... 79 Hình 3-24: (a) Vị trí cảm biến quang tại nút giàn (b) tạo kích thích dao động ................. 79 Hình 3-25: Giao diện phần mềm Fentosense trong quá trình đo....................................... 80 Hình 3-26: Một số điểm đo trong phòng thí nghiệm ......................................................... 81 viii Hình 3-27: Lắp đặt cáp quang ........................................................................................... 81 Hình 3-28: Một số điểm đo FBG trên cầu dây văng trong phòng thí nghiệm .................. 82 Hình 3-29: Tạo kích thích bằng búa .................................................................................. 82 Hình 3-30: Tạo kích thích .................................................................................................. 83 Hình 3-31: Một số điểm đo cảm biến gia tốc trên cầu dây văng trong phòng thí nghiệm 84 Hình 3-32: Biểu đồ dữ liệu biến dạng theo miền thời gian ............................................... 84 Hình 3-33: Biểu đồ dữ liệu biến dạng theo miền tần số .................................................... 84 Hình 3-34: Biểu đồ dữ liệu biến dạng theo miền thời gian ............................................... 90 Hình 3-35: Biểu đồ dữ liệu biến dạng theo miền tần số .................................................... 90 Hình 3-36: Đo đạc dữ liệu từ cảm biến quang cầu dây văng ............................................ 96 Hình 3-37: Biểu đồ đo dữ liệu từ cảm biến quang ............................................................ 96 Hình 3-38: Biểu đồ ổn định ............................................................................................... 97 Hình 3-39: Biểu đồ đo dữ liệu từ cảm biến gia tốc ........................................................... 99 Hình 3-40: Dữ liệu đo trên miền thời gian trước và sau khi áp dụng biế