Ứng dụng GNSS-RTK và ANN trong quan trắc chuyển vị cầu Việt Nam

Tính cấp thiết của đề tài Tại Việt Nam, giao thông vận tải đường bộ có vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Hàng năm, việc vận chuyển bằng đường bộ lớn nhất chiếm 70% khối lượng hàng hóa và 90% lượng hành khách so với các phương thức vận tải khác. Nhằm đáp ứng kịp thời nhịp độ phát triển của nền kinh tế, hàng loạt các cây cầu nhịp lớn có kết cấu hiện đại được xây dựng và hàng nghìn cây cầu cũ phải sửa chữa, tăng cường. Vì vậy, để nâng cao chất lượng công trình, việc theo dõi khả năng làm việc của kết cấu cầu mang một ý nghĩa đặc biệt quan trọng.

Quan trắc chuyển dịch công trình cầu được thực hiện với mục đích thu thập các số liệu về sự chuyển dịch của công trình một cách chính xác, cùng với các số liệu quan trắc khác được sử dụng để tính toán sự thay đổi nội lực từ đó đánh giá, dự báo mức độ an toàn; kiểm tra thiết kế; cảnh báo nguy hiểm; cung cấp các số liệu phục vụ cho việc duy tu, sửa chữa cầu trong quá trình khai thác. Ở nước ta, trong những năm gần đây, công tác này mới bắt đầu được quan tâm chú ý, đặc biệt là năm 2012, Bộ Giao thông Vận tải ra công văn số 2727/BGTVT - KCHT về công tác quản lý, bảo trì cầu treo yêu cầu tất cả các cầu này phải được lắp đặt hệ thống quan trắc kết cấu và năm 2016, Bộ Xây dựng ban hành thông tư 26/2016/TT-BXD quy định công trình cầu từ cấp I trở lên bắt buộc phải thực hiện quan trắc kết cấu trong quá trình khai thác sử dụng thì công việc này càng được chú trọng hơn nữa. Tuy nhiên, khâu thiết kế, lắp đặt, đo đạc, xử lý, phân tích số liệu đo vẫn chưa được quy định đồng bộ, thống nhất trong các văn bản pháp quy. Vì vậy, công tác quan trắc kết cấu công trình cầu và ban hành các tiêu chuẩn về quan trắc cầu có ý nghĩa cấp bách trong xây dựng và khai thác.

Với các công trình cầu lớn, có kết cấu phức tạp, để đảm bảo yêu cầu độ chính xác cao trong quan trắc chuyển dịch, lại đo trong điều kiện khó khăn, khối lượng dữ liệu quan trắc thường rất lớn thì việc sử dụng nhiều thiết bị hiện đại như dùng máy toàn đạc điện tử quan trắc chuyển dịch ngang, máy thủy bình điện tử quan trắc lún, hệ thống GPS trước đây hay hệ thống GNSS hiện nay quan trắc liên tục, thường xuyên 2 chuyển dịch cầu cũng như áp dụng công nghệ thông tin trong xử lý, phân tích số liệu quan trắc là rất cần thiết. Từ tất cả những lý do trên thì việc áp dụng các giải pháp công nghệ để nâng cao hiệu quả trong quan trắc chuyển dịch công trình cầu rất quan trọng và có giá trị thực tiễn trong điều kiện Việt Nam hiện nay. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu 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. Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Các công trình cầu có kết cấu cứng và cầu dây văng.

Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu của luận án gồm: Trong lĩnh vực quan trắc chuyển dịch công trình cầu trong quá trình khai thác sử dụng tại Việt Nam. Nội dung nghiên cứu Với mục đích nghiên cứu giải pháp công nghệ trong quan trắc chuyển dịch công trình cầu tại Việt Nam, tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: 5. Quan trắc chuyển dịch ngang công trình cầu có kết cấu cứng - Nghiên cứu sơ đồ đo hướng chuẩn ở dạng tổng quát và ứng dụng nguyên lý số bình phương nhỏ nhất để xử lý số liệu đo hướng chuẩn theo sơ đồ tổng quát này. Quan trắc chuyển dịch cầu dây văng - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp GNSS - RTK trong quan trắc chuyển dịch theo phương đứng cầu dây văng.

- Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong thành lập mô hình chuyển dịch cầu dây văng dựa trên sự tác động các yếu tố tải trọng động như nhiệt độ không khí, tải trọng giao thông,… đến chuyển dịch cầu. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu và cập nhật các thông tin trên mạng internet và các thư viện. 3 - Phương pháp toán học: Tập hợp các quy luật, định lý toán học để chứng minh một số công thức phục vụ cho việc tính toán, lập chương trình máy tính. - Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp đo hướng chuẩn, hệ thống định vị toàn cầu, mạng nơ-ron nhân tạo làm cơ sở lý luận, sử dụng các phương tiện, tiện ích để tính toán, phân tích số liệu giải quyết vấn đề được đặt ra.

- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu khác hoặc các nội dung liên quan để so sánh, đánh giá, đưa ra giải pháp phù hợp. - Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm cụ thể để chứng minh lý thuyết, khẳng định tính đúng đắn, khả thi và đi đến kết luận. - Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng các thuật toán và lập các chương trình tính toán trên máy tính. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Góp phần hoàn thiện lý thuyết về xử lý số liệu lưới khống chế trắc địa hướng chuẩn khi quan trắc chuyển dịch ngang công trình cầu cứng.

- Là cơ sở khoa học trong việc xây dựng quy chuẩn về quan trắc chuyển dịch công trình cầu dây văng khi ứng dụng công nghệ GNSS - RTK (Hiện chưa có tiêu chuẩn riêng cho quan trắc cầu này). - Phát triển ứng dụng ANN trong thành lập mô hình chuyển dịch dựa trên một số lượng dữ liệu lớn của hệ thống quan trắc kết cấu công trình cầu dây văng. Các luận điểm bảo vệ - 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.

Những điểm mới của đề tài luận án - Đề xuất sơ đồ hướng chuẩn tổng quát để xây dựng bậc lưới cơ sở, lưới quan trắc và xử lý số liệu đo trong mạng lưới này theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất. - Nghiên cứu độ chính xác và đánh giá khả năng ứng dụng quan trắc chuyển dịch công trình cầu dây văng theo phương đứng bằng phương pháp GNSS - RTK trong điều kiện Việt Nam. - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp mạng nơ-ron nhân tạo nhằm lập mô hình chuyển dịch công trình cầu dây văng dựa trên sự tác động của tải trọng động. Cấu trúc của luận án Cấu trúc luận án gồm 3 phần: Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan luận án, tính cấp thiết, mục đích, ý nghĩa, phương pháp, nội dung nghiên cứu của luận án và đưa ra các luận điểm bảo vệ, luận điểm mới của luận án.

Phần nội dung có 4 chương. Chương 1: Tổng quan về quan trắc chuyển dịch cầu trên thế giới và Việt Nam. Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp hướng chuẩn trong quan trắc chuyển dịch ngang cầu cứng. Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS - RTK trong quan trắc và phân tích chuyển dịch cầu dây văng.

Chương 4: Thực nghiệm. Phần kết luận, kiến nghị: Tổng hợp lại những vấn đề nghiên cứu trong luận án, đưa ra những nhận xét, đánh giá các giải pháp công nghệ quan trắc chuyển dịch cầu trong quá trình khai thác sử dụng cầu tại Việt Nam cũng như định hướng cho nghiên cứu tiếp theo trong tương lai. Lời cảm ơn Trước tiên, Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS Trần Khánh và PGS.

TS Hồ Thị Lan Hương là những thầy cô đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận án. 5 Tiếp theo, Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, phòng Đào tạo Sau đại học, Ban Giám hiệu, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Trắc địa Công trình trường Đại học Mỏ - Địa chất đã luôn tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn Trắc địa, tập thể giảng viên khoa Công trình và Ban Giám hiệu trường Đại học Giao thông Vận tải nơi Nghiên cứu sinh đang công tác đã tận tình giúp đỡ, có những ý kiến đóng góp quý báu cho tác giả hoàn thành nội dung của luận án. Cuối cùng, Nghiên cứu sinh xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn với nghiên cứu sinh trong thời gian qua.

6 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.