Trong quá trình xây dựng và khai thác, các công trình cầu – một trong những loại kết cấu hạ tầng trọng yếu của hệ thống giao thông – luôn phải đối mặt với các tác động phức tạp từ môi trường tự nhiên và con người. Dưới ảnh hưởng của tải trọng giao thông, biến đổi khí hậu, ăn mòn, mỏi vật liệu, hoặc thậm chí là các hiện tượng bất thường như động đất, gió bão, kết cấu cầu có thể xuất hiện các dạng hư hỏng khác nhau, từ những vết nứt nhỏ, ăn mòn cục bộ cho đến suy giảm khả năng chịu lực nghiêm trọng. Những hư hỏng này nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng khai thác an toàn, làm giảm tuổi thọ công trình, gây thiệt hại lớn về kinh tế, thậm chí tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cho người và phương tiện lưu thông.

Trong bối cảnh đó, theo dõi sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring – SHM) ra đời như một công cụ tiên tiến, cho phép giám sát, đánh giá tình trạng kết cấu một cách liên tục, khách quan và chính xác. Hệ thống SHM giúp nhận biết sớm sự xuất hiện của hư hỏng, đánh giá mức độ và vị trí của chúng, từ đó đưa ra các quyết định bảo trì, sửa chữa hợp lý, góp phần nâng cao an toàn và kéo dài tuổi thọ công trình.

Trước đây, phương pháp phổ biến nhất để kiểm tra tình trạng công trình cầu là kiểm tra trực quan. Các kỹ sư sẽ quan sát, đo đạc hoặc thử nghiệm cục bộ để phát hiện các dấu hiệu hư hỏng. Tuy nhiên, với sự gia tăng về quy mô và độ phức tạp của các kết cấu hiện nay, phương pháp này ngày càng bộc lộ nhiều hạn chế. Việc kiểm tra trực quan thường tốn nhiều thời gian, chi phí lớn, đôi khi cần tháo dỡ hoặc can thiệp trực tiếp vào cấu kiện, làm thay đổi trạng thái làm việc của kết cấu. Quan trọng hơn, phương pháp này không thể phát hiện được các hư hỏng tiềm ẩn nằm sâu bên trong vật liệu hoặc các khu vực khó tiếp cận.

Bên cạnh đó, phương pháp theo dõi dựa trên đặc trưng tĩnh học (ứng suất, biến dạng, độ võng...) cũng được áp dụng trong một số công trình tại Việt Nam. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ cung cấp thông tin gián tiếp về tình trạng kết cấu và thường yêu cầu dừng khai thác công trình trong quá trình đo đạc, gây ảnh hưởng đến lưu thông, đặc biệt với các cầu có mật độ giao thông cao.

Để khắc phục những hạn chế nói trên, trong vài thập kỷ gần đây, các phương pháp giám sát không phá hủy (Nondestructive Testing/Monitoring – NDT/SHM) đã được phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Trong đó, các cảm biến thông minh, đặc biệt là cảm biến quang học sợi quang (Fiber Bragg Grating – FBG), được xem là một bước tiến đột phá. Công nghệ FBG cho phép đo đạc các đại lượng vật lý như biến dạng, nhiệt độ, tần số dao động, chuyển vị... với độ chính xác rất cao. Đặc biệt, hệ thống cảm biến quang có thể triển khai trong điều kiện khắc nghiệt (ẩm ướt, nhiệt độ cao hoặc môi trường có nhiễu điện từ mạnh), không cần nguồn điện cục bộ, khả năng truyền tín hiệu xa và ít bị suy hao.

Trên thế giới, công nghệ cảm biến quang FBG đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giám sát công trình dân dụng và giao thông. Nhiều công trình cầu lớn như cầu Akashi Kaikyō (Nhật Bản), cầu Tsing Ma (Hồng Kông), cầu Russky (Nga), cầu Stonecutters (Hồng Kông) hay cầu Runyang (Trung Quốc) đều được trang bị hệ thống SHM sử dụng cảm biến quang nhằm thu thập dữ liệu về dao động, ứng suất và biến dạng của kết cấu. Chẳng hạn, hệ thống giám sát trên cầu Tsing Ma gồm hơn 280 cảm biến thuộc nhiều loại khác nhau – từ cảm biến gia tốc, cảm biến nhiệt độ, cảm biến chuyển vị đến hệ thống định vị toàn cầu GPS – nhằm cung cấp dữ liệu thời gian thực phục vụ cho công tác bảo trì và đánh giá an toàn kết cấu.

Tại Việt Nam, mặc dù các công trình cầu lớn như cầu Nhật Tân, cầu Bãi Cháy, cầu Cần Thơ hay cầu Rạch Miễu đã bắt đầu áp dụng một số giải pháp giám sát cấu trúc, nhưng phần lớn vẫn sử dụng các cảm biến điện truyền thống. Các nghiên cứu, ứng dụng về cảm biến quang học trong lĩnh vực này còn rất hạn chế, chủ yếu ở mức thử nghiệm hoặc mô phỏng. Chính vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng cảm biến quang FBG trong giám sát sức khỏe công trình cầu có ý nghĩa cả về mặt khoa học lẫn thực tiễn, góp phần mở ra hướng đi mới trong công tác quản lý, khai thác, bảo trì cầu ở Việt Nam.

Xuất phát từ những lý do nêu trên, nghiên cứu sinh lựa chọn chủ đề “Quan trắc và đánh giá kết cấu cầu sử dụng hệ cảm biến cáp quang” làm hướng nghiên cứu cho luận án của mình. Mục tiêu của luận án là xây dựng hệ thống quan trắc kết cấu sử dụng cảm biến quang FBG, đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống này trong việc thu thập các đặc trưng động của kết cấu, đồng thời phát triển các thuật toán thông minh để phân tích dữ liệu, chẩn đoán vị trí và mức độ hư hỏng của công trình.

Trong luận án, tác giả đề xuất thuật toán tối ưu lai H5N1-SVD, kết hợp giữa phương pháp tối ưu hóa thông minh và kỹ thuật giảm kích thước ma trận, nhằm cập nhật mô hình phần tử hữu hạn và chẩn đoán hư hỏng kết cấu với độ chính xác cao hơn. Bên cạnh đó, nghiên cứu còn xây dựng mô hình số hóa kết cấu cầu giàn và cầu dây văng, thực hiện thí nghiệm đo dao động bằng cả cảm biến truyền thống và cảm biến quang để so sánh, kiểm chứng độ tin cậy của hệ thống đề xuất.

Luận án được triển khai dựa trên sự kết hợp của ba nhóm phương pháp chính: phân tích lý thuyết, mô phỏng số và thí nghiệm thực nghiệm. Đối tượng nghiên cứu bao gồm các đặc trưng động học của kết cấu cầu giàn và cầu dây văng, hệ thống cảm biến quang FBG và các phương pháp xử lý dữ liệu đo đạc.

Về mặt khoa học, luận án góp phần khẳng định tiềm năng ứng dụng của công nghệ cảm biến quang trong lĩnh vực giám sát sức khỏe công trình, đồng thời phát triển thuật toán tối ưu mới cho bài toán nhận dạng và cập nhật mô hình kết cấu. Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu giám sát công trình cầu, phục vụ công tác bảo trì, quản lý và cảnh báo sớm hư hỏng, góp phần đảm bảo an toàn khai thác và giảm chi phí vận hành trong suốt vòng đời công trình.

Luận án gồm bốn chương chính bên cạnh phần mở đầu, kết luận và kiến nghị:

- Chương 1: Tổng quan về giám sát sức khỏe công trình sử dụng hệ cảm biến và cảm biến quang, giới thiệu tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.

- Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết và các đặc trưng cơ lý của cảm biến FBG, bao gồm nguyên lý hoạt động, phân loại và ứng dụng.

- Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng cảm biến FBG trong việc theo dõi đặc trưng động học của kết cấu cầu, so sánh với kết quả từ các cảm biến truyền thống.

- Chương 4: Xây dựng và áp dụng các thuật toán tối ưu H5N1 và H5N1-SVD để cập nhật mô hình và chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên dữ liệu đo được.

Tổng thể, luận án hướng tới việc kết hợp giữa công nghệ cảm biến tiên tiến và phân tích mô hình số hiện đại, từ đó phát triển một giải pháp toàn diện, chính xác và có tính ứng dụng cao cho công tác giám sát sức khỏe công trình cầu tại Việt Nam.

Tác giả - Mai Đức Anh - Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông