Các phương pháp quan trắc và xác định chuyển vị trụ tháp cầu dây văng của hệ thống quan trắc công trình cầu (SHMS)

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 48 (3/2015) 57
CÁC PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC VÀ XÁC ĐỊNH CHUYỂN VỊ 
TRỤ THÁP CẦU DÂY VĂNG CỦA HỆ THỐNG QUAN TRẮC 
CÔNG TRÌNH CẦU (SHMS) 
Lương Minh Chính1 
Tóm tắt: Hệ thống quan trắc công trình cầu dây văng là một hệ thống phức tạp, được tích hợp 
nhiều công nghệ tiên tiến nhằm quan trắc giám sát trạng thái công trình liên tục trong thời gian 
thực. Công nghệ GPS là một trong những công nghệ được áp dụng với mục đích giám sát các dao 
động và biến dạng của công trình. Nhưng với giá thành cao, giải pháp này có thể đươc thay thế bởi 
các cảm biến đo góc nghiêng với độ chính xác tương đương nhưng với giá thành rẻ hơn tới cả chục 
lần. Yếu tố kinh tế là một yếu tố quan trọng cần được lưu ý đối với việc thiết lập một hệ thống quan 
trắc công trình với những cầu dây văng đang triển khai ở nước ta. Qua bài viết này tác giả đưa ra 
những so sánh và đánh giá độ chính xác giữ hai công nghệ nhằm xác định biến dạng và dao động 
của trụ tháp cầu dây văng. 
Từ khóa:GPS/GNSS, SHMS, hệ thống quan trắc cầu, cầu dây văng, cảm biến góc nghiêng 
. 
1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG GPS 1 
Hệ thống GPS (Global Positioning System) 
được thiết lập mạng lưới vệ tinh trong không 
gian bao quanh trái đất để cung cấp thông tin về 
vị trí và thời gian ở mọi lúc, mọi nơi trên trái đất 
và trong mọi điều kiện thời tiết. Cấu trúc của hệ 
thống này bao gồm 3 đoạn hoạt động: 
 không gian (Space segment), 
 điều khiển (Control segment), 
 sử dụng (Use segment). 
Hình 1. Mô phỏng các vệ tinh trên quỹ đạo 
1 Trường Đại học Thủy lợi 
Hệ thống GPS nhận hệ tọa độ thế giới WGS-
84 (World Geodetic System 1984) làm cơ sở 
hoạt động. 
Vệ tinh phát ra các tín hiệu bao gồm vị trí 
của chúng, thời điểm phát tín hiệu. Máy thu 
tính toán được khoảng cách từ các vệ tinh, 
giao điểm của các mặt cầu có tâm là các vệ 
tinh, bán kính là thời gian tín hiệu đi từ vệ 
tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ là toạ 
độ điểm cần định vị. GPS là một hệ thống 
gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạtđộng và 3 vệ 
tinh dự phòng) chuyển động trên các qũy đạo 
chung quanh trái đất (hình 1). 
1.1. Tín hiệu GPS 
Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến 
công suất thấp dải L1 và L2 (dải L là phần sóng 
cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 
1,55 GHz). GPS dân sự dùng dải L1 với tần 
1575.42 MHz trong dải UHF. Tín hiệu truyền 
trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, 
thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn 
các đối tượng cứng như núi và nhà.Tín hiệu 
GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả 
ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch. 
1.2. Độ chính xác của GPS 
Các máy thu GPS ngày nay rất chính xác, 
nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song 
song của chúng. Các máy thu GPS có độ chính 
xác trung bình trong vòng 15 mét. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 48 (3/2015) 58
Bảng 1.1 Các tín hiệu GNSS hiện nay và 
được đề xuất (Mhz) 
Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS 
(Wide Area Augmentation System) có thể tăng 
độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Không 
cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi 
điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có độ 
chính xác tốt hơn với GPS vi sai (Differential 
GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ 
chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. 
2. CÁCH HOẠT ĐỘNG CỦA TRẠM 
THU GPS 
Trạm thu GPS thường bao gồm những thành 
phần sau: 
 Ăng ten thu sóng, 
 Thiết bị thu song radio từ vệ tinh, 
 Thiết bị chuyển đổi tín hiệu radio, 
 Modem hoặc thiết bị truyền dữ liệu (để 
truyền các dữ liệu thu thập được từ các vệ tinh 
đến các serverđể có thể thực hiện các tính toán), 
 Thiết bị cung cấp điện năng (có thể là pin 
năng lượng mặt trời hoặc ắc quy). 
Hình 3. Sơ đồ cấu tạo của một trạm thu GPS 
Công việc của một trạm thu GPS là xác 
định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa, tính toán 
khoảng cách từ các vệ tinh và sử dụng các 
thông tin đó để xác định vị trí của chính nó. 
Quá trình này dựa trên một nguyên lý toán học 
đơn giản, ta có 3 (hoặc 4) mặt cầu giao nhau 
tại một điểm. 
2.1. Xác định khoảng cách đến vệ tinh 
Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, 
công suất cực thấp từ các vệ tinh, các trạm thu 
GPS tính toán ra được hai thứ trên. Các trạm thu 
chuyên dụng có thể thu nhận tín hiệu của nhiều 
vệ tinh đồng thời. Sóng radio chuyển động với 
vận tốc ánh sáng, tức là 300 ngàn km/giây trong 
chân không. Máy thu có thể tính toán được 
khoảng cách dựa vào thời gian cần thiết để tín 
hiệu đến được máy thu. 
2.2. Xác định vị trí của vệ tinh 
Saukhi đã biết khoảng cách rồi, chúng ta còn 
phải xác định vị trí chính xác của các vệ tinh 
trên quĩ đạo. Điều này cũng không khó lắm vì 
các vệ tinh chuyển đông trên các quĩ đạo biết 
trước và có thể dự đoán được.Trong bộ nhớ của 
mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính 
toán của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ thời điểm 
nào gọi là Almanac. 
3. ỨNG DỤNG HỆ THỐNG GPS 
TRONG HỆ THỐNG QUAN TRẮC BIẾN 
DẠNG CÔNG TRÌNH – SHMS 
Hệ thống quan trắc công trình xây dựng, 
trong đó có cả các công trình cầu là đề tài của 
nhiều nghiên cứu. Hệ thống giám sát trắc địa 
công trình là một phần của hệ thống quan trắc 
công trình.Khác với các công tác kiểm tra 
định kỳ công trình thì hệ thống quan trắc giám 
sát công trình một cách liên tục trong thời 
gian thực, thu thập và cung cấp các dữ liệu 
chính xác về các trạng thái kết cấu cũng như 
chuyển vị và biến dạng của công trình, giúp 
chúng ta đảm bảo công trình được khai thác 
một cách hiệu quả. Việc ứng dụng công nghệ 
GPS trong xác định chuyển vị và biến dạng 
công trình với độ chính xác lên đến vài 
milimet. Điều này cho phép chúng ta xác định 
được các chuyển vị và biến dạng nhỏ của 
những công trình cầu lớn. Nhưng hệ thống 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 48 (3/2015) 59
GPS cũng có những giới hạn nhất định, chẳng 
hạn GPS bị hạn chế một phần bởi đa đường 
dẫn và độ trượt chu kỳ, tần số dữ liệu tương 
đối thấp, cũng như GPS yêu cầu phải có độ 
phủ sóng tốt của các vệ tinh. 
3.1. Các xác định chuyển vị của công trình 
bằng hệ thống GPS. 
Về cơ bản thì các trạm GPS ứng dụng trong 
quan trắc được chia làm 2 loại: 
 Trạm lưu động (để đo đạc) – rover station 
 Trạm cố định (để so sánh) – reference 
station. 
Hình 4. Phương thức đo chuyển vị bằng hệ 
thống GPS 
Việc xác định tọa độ được thực hiện bằng 
cách lấy chiều dài các véc tơ của trạm cố định 
trừ đi chiều dài các véc tơ của trạm lưu động để 
xác định chiều dài véc tơ giữa trạm cố định và 
lưu động. Các tọa độ này sẽ được xác định và 
tính toán cho mỗi chu kỳ đo (lần đo). Bằng cách 
này các chuyển vị của các vị trí đo đạc được xác 
định bằng hiệu số các tọa độ của các véc tơ cho 
mỗi chu kỳ đo so với tọa độ ban đầu (hình 4). 
Hiện nay các công trình cầu lớn ở Việt Nam, 
đặc biệt là các cầu dây văng như cầu Cần Thơ, 
tiến tới là cầu Vàm Cống, cầu Cao Lãnh đều 
được lắp đặt các hệ thống quan trắc trạng thái 
kết cấu công trình – SHMS (Structural Heath 
Monitoring System) trong thời gian thực. 
Bảng 3.1. Số lượng các trạm GPS/GNSS áp 
dụng cho một số cầu dây văng ở Việt Nam 
Cầu 
Tổng 
Số 
Trạm động 
Trạm 
tĩnh 
Trụ 
tháp 
Dầm 
chính 
Cần Thơ 10 4+3 2 1 
Vàm Cống* 4 2 1 1 
Cao Lãnh* 9 4+2 2 1 
*- theo hồ sơ thiết kế 
3.2. Công nghệ GNSS trong quan trắc 
chuyển vị công trình 
Hệ thống quan trắc công trình áp dụng công 
nghệ đo đạc GPS/GNSS trong thời gian thực 
cho phép xác định các chuyển vị và biến dạng 
của công trình với độ chính xác đến từng cm. 
Hệ thống quan trắc công trình áp dụng công 
nghệ GNSS giải quyết được hai vấn đề chính: 
 Thứ nhất – đảm bảo được công tác đo đạc 
và trắc đạc công trình trong suốt thời gian thi 
công, xây dựng công trình. 
 Thứ hai – cho phép xác định độ chính xác 
và chất lượng thi công của công trình sau khi 
hoàn thành so với thiết kế ban đầu. 
Hình 5. Bộ máy thu Topcon 
LEGACY-E [TOPCON] 
4. ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG 
GNSS TRONG QUAN TRẮC BIẾN DẠNG 
TRỤ THÁP CÔNG TRÌNH CẦU DÂY VĂNG 
Theo kết quả tính toán trong nghiên cứu [6] 
thì sai số trung phương phương đứng của một 
lần đo gần bằng σ = ±9mm, với độ tin cậy 2σ 
thì có thể áp dụng vào thực tế để giám sát độ 
chuyển dịch theo phương đứng của các công 
trình chịu tải trọng động có độ dịch chuyển 
lớn hơn 18mm. Còn đối với các công trình có 
độ chuyển dịch nhỏ hơn 18mm thì thiết bị sẽ 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 48 (3/2015) 60
không phát hiện được, đây chính là những hạn 
chế của GPS. 
Leica GeoSystem hiện nay cung cấp 3 loại 
ăng ten thu tín hiệu vệ tinh với độ chính xác 
rất cao, bao gồm AR10, AR 20 và AR25 
(bảng 4.1). 
Bảng 4.1. GPS Phase centre offsets and 
dispersion 
5. ỨNG DỤNG CÁC CẢM BIẾN ĐO 
GÓC TRONG XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG 
TRỤ THÁP CẦU DÂY VĂNG 
5.1. Tổng quan về công nghệ MEMS 
Vào thếkỷXX, các thiết bị điện tử được tích 
hợp với sốlượng ngày càng lớn, kích thước ngày 
càng nhỏvà chức năng ngày càng được nâng 
cao. Điều này đã mang lại sự thay đổi sâu sắc 
vềmặt công nghệ. Vào cuối những năm 50 của 
thếkỷXX, một cuộc cách mạng hoá vềcông 
nghệmicro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai 
cho tất cảcác ngành công nghiệp. Hệthống vi cơ 
điện tử(Micro Electro-Mechanical Systems) viết 
tắt là MEMS đã được ra đời và phát triển trong 
giai đoạn này. MEMS bao gồm những cấu trúc 
vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tửcùng 
được tích hợp trên cùng một chip (on chip). Một 
thiết bịMEMS thông thường là một hệthống vi 
cơtích hợp trên một chip mà có thểkết hợp 
những phần cơchuyển động với những yếu 
tốsinh học, hoá học, quang hoặc điện. Kết quảlà 
các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều 
loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động 
vận tốc và gia tốc...Với ưu thếcó thểtạo ra 
những cấu trúc cơhọc nhỏbé tinh tếvà nhạy cảm, 
công nghệvi cơhiện nay đã cho phép tạo ra 
những bộcảm biến (sensor)được ứng dụng rộng 
rãi trong cuộc sống. Các bộcảm biến siêu nhỏvà 
rất tiện ích này đã thay thếcho các thiết bị đo 
cũkỹ, cồng kềnh trước đây. 
5.2. Vi cảm biến gia tốc 
Cảm biến gia tốc là một thiết bị vi cơ dùng 
để đo gia tốc và được chế tạo theo công nghệ 
MEMS công nghệvi cơ. Đó chính là một trong 
những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của 
công nghệMEMS. 
Hình 6. Sơ đồ một hệ đo gia tốc 
Cảm biến vi cơngày càng nhanh hơn, nhạy 
hơn, nhẹhơn, rẻhơn và quan trọng hơn cả là có 
độtin cậy rất cao so với các cảm biến chếtạo 
theo công nghệ điện tửtrước đây. 
Hình 7. Cảm biến gia tốc vi cơ 
(MEMS) ADXL202 
Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay 
thếcác loại cảm biến gia tốc thông thường trước 
đây trong nhiều ứng dụng. Một vài những ứng 
dụng điển hìnhcủa cảm biến gia tốc vi cơ trong 
quan trắc chuyển vị: 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 48 (3/2015) 61
 Cảm biến góc. 
 Định hướng 3D trong không gian 
 Phát hiện va chạm: cung cấp những 
thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển 
giúp phân biệt sự va chạm và việc không xảy 
ra va chạm. 
5.3. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến 
gia tốc 
Gia tốc là sự thay đổi của vận tốc theo thời 
gian. Vận tốc đến lượt nó lại đo sự thay đổi của 
độ dịch chuyển theo thời gian. Lực trọng trường 
là nguyên nhân gây ra gia tốc rơi tựdo và gia tốc 
này bằng 9.81 m2/s (1g). 
 Gia tốc thường được tính thông qua lực 
gây ra gia tốc đó vì lực liên hệvới gia tốc theo 
công thức: 
F = m.a 
F là lực gây ra gia tốc, m là khối lượng, a là 
gia tốc. 
Các thiết bịdùng để đo gia tốc phải xác định 
được giá trịcủa lực tác dụng lên một khối vật thể 
đã biết trước. 
 Một cách tiếp cận khác đểtính toán gia tốc 
đó là: Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời 
gian. Vận tốc lại là đạo hàm của độdịch chuyển 
theo thời gian. 
Hình 8. Sơ đồ tụ điện phẳng của 
cảm biến gia tốc vi cơ 
trong đó: 
g - khoảng cách giữa hai bản tụ điện 
δ - độ dịch chuyển của hai bản tụ 
C - điện dung của tụ điện 
E - năng lượng hay điện trường giữa hai 
bản tụ 
k - hằng số đàn hồi 
FM - hệ sốphẩm chất 
5.4. Xác định chuyển vị trụ tháp bằng cảm 
biến góc 
Để xác định các chuyển vị và dao động của 
trụ tháp cầu dây văng ngoài việc ứng dụng 
công nghệ GPS/GNSS hiện nay trên thế giới 
cũng áp dụng một phương pháp khác – đó là 
sử dụng các cảm biến góc nghiêng 
(inclinometer) lắp đặt trên trụ tháp. Có rất 
nhiều cảm biến góc nghiêng với độ chính xác 
rất lớn lên đến 0,001 deg, như inclinometer 
CL-2 (Closed Loop Dual Axis Servo 
Inclinometer) của hãng Level Development 
(Anh) hay TSD – 232 Series của Instruments 
& Control Ltd (Israel). Chúng ta thử làm một 
bài toán so sánh độ chính xác của cảm biến đo 
góc và GPS trên ví dụ chiều cao trụ tháp của 
cầu Mỹ Thuận (116,5m). Theo kết quả báo 
cáo của “Công trình quan trắc biến dạng 
cầu Mỹ Thuận Quốc lộ 1 năm 2010” của 
Trung tâm trắc địa bản đồ biển thực hiện cho 
Khu quản lý đường bộ 2 thì dao động lớn nhất 
của trụ tháp được xác định là dao động ở tháp 
Tây bắc với giá trị 0,039m (3,9cm). Với độ 
chính xác là 0,001deg của inclinometer thì độ 
chính xác bằng cm tính cho cầu Mỹ Thuận là: 
Từ kết quả trên cho thấy là dao động đo được 
của cầu Mỹ Thuận hoàn toàn có thể xác định 
được bởi inclinometer. Với độ chính xác tới mm 
như vậy các cảm biến góc nghiêng có độ chính 
xác tương đồng với các thiết bị GPS và hòa toàn 
có thể thay thế chúng trong việc quan trắc dao 
động của trụ tháp. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 48 (3/2015) 62
Bảng 5.1. Thống kê một số cầu áp dụng cảm biến góc* 
STT Quốc gia Tên cầu Loại cầu Inclinometer 
1 Anh Quốc Humber Bridge Cầu dây võng Có 
2 Đan mạch Faro Cầu dây văng Có 
3 Đan mạch Great Belt Cầu dây võng Có 
4 Trung Quốc Humen Cầu dây võng Có 
5 Hàn Quốc Gwangan Cầu dây võng Có 
6 Hàn Quốc Namhae Cầu dây võng Có 
7 Hàn Quốc Youngjong Cầu dây võng Có 
8 Trung Quốc Sutong Cầu dây văng Có 
9 Trung Quốc Stonecutters Cầu dây văng Có 
10 Trung Quốc Nanjing Yangtze River Cầu dây văng Có 
11 Na uy Skarnsundet Cầu dây văng Có 
12 Trung Quốc Zhanjiang Bay Cầu dây văng Có 
13 Hàn Quốc Seohae Cầu dây văng Có 
14 Thái Lan Rama IX Cầu dây văng Có 
15 Hàn Quốc Jindo Cầu dây văng Có 
* Nguồn: NeoStrain 
6. KẾT LUẬN 
Hệ thống quan trắc công trình cầu dây văng 
là một hệ thống phức tạp, được tích hợp nhiều 
công nghệ tiên tiến nhằm quan trắc giám sát 
trạng thái công trình liên tục trong thời gian 
thực. Công nghệ GPS là một trong những 
công nghệ được áp dụng với mục đích giám 
sát các dao động và biến dạng của công trình. 
Nhưng với giá thành cao, giải pháp này có thể 
đươc thay thế bởi các cảm biến đo góc ghiêng 
với độ chính xác tương đương nhưng với giá 
thành rẻ hơn tới cả chục lần. Yếu tố kinh tế là 
một yếu tố quan trọng cần được lưu ý đối với 
việc thiết lập một hệ thống quan trắc công 
trình với những cầu dây văng đang triển khai 
ở nước ta. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Agnew, D.C. and Larson, K.M. (2007). “Finding the repeat times of the GPS constellation”. 
GPS Solutions (Springer) 11 (1): 71–76. doi: 10.1007/s10291-006-0038-4 
[2] Đặng Văn Công Bằng. “Khảo sát độ chính xác phương đứng của kỹ thuật đo động gps- 
Monitoring vertical accuracies of gps kinematic technique”. Bộ môn Địa tin học, Khoa Kỹ 
thuật Xây dựng, Đại học Bách khoa, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam 
[3] John Pike. “GPS III Operational Control Segment (OCX)”. Globalsecurity.org. 8.12.2009 
[4] Justin Walford. (2012). “State of The Art, Leading Edge Geodetic Antennas from Leica 
Geosystems”. Leica Geosystems, Heerbrugg, Switzerland, 2012 
[5] Krzysztof Karsznia, Maciej Wrona. (2009). "Łącząc brzegi”. Magazyn Geoinformacyjny 
Geodeta Nr7 (170). Lipiec 2009. p. 46-50 
[6] Lương Minh Chính. (2013). "Hệ thống quan trắc công trình cầu lớn”. Hội nghị khoa học 
thường niên năm 2013. Trường Đại học Thủy Lợi. 2013 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 48 (3/2015) 63
[7] Luong Minh Chinh. (2014). "Long term structural health monitoring system for cable stayed 
bridge in Viet Nam”. Journal of Water Resources & Environmental Engineering No 44 
(3/2014). ISSN 1859 – 3941. p. 11-16. 
[8] Marek Skłodowski.„ "Współczesny monitoring obiektów budowlanych”. Instytut 
Podstawowych Problemów Techniki PAN. Pracownia Adaptroniki, email: 
msklod@ippt.gov.pl 
[9] Quyết định số 05/2007/QĐ-BTNMT ngày 27/02/2007 về công bố tham số dịch chuyển gốc 
tọa độ VN-2000. Bộ Tài nguyên và Môi trường 
[10] Trung tâm trắc địa bản đồ biển, Đoàn đo đạc miền nam (2010). "Báo cáo kết quả - Công trình 
quan trắc biến dạng cầu Mỹ Thuận Quốc lộ 1 năm 2010”. Khu quản lý đường bộ VII. Tổng 
cục đường bộ Việt Nam 
Abstract 
MONITORING METHODS DETERMINE DISPLACEMENTS OF THE CABLE-STAYED BRIDGE 
TOWER ON STRUCTURAL HEALTH MONITORING SYSTEM (SHMS). 
Structural health monitoring system (SHMS) is complicated system, consisting a lot of modern 
measurement technologies to determine technical conditions of cable stayed bridge in the real time. 
GPS technology is one of most advanced technology used to monitoring displacements and 
deformation of the structure. But a hight installation cost of this technology are often deterred and 
can be replaced by cheaper inclinometers with a similar accuracy. The economic aspect is one of 
the most important factors to be taken into design of such systems. Through this article the author 
compares the different technologies can be used to monitor the movements of the pylon cable-
stayed bridge. 
Keywords:GPS/GNSS, SHMS, Structural health monitoring system, cable-stayed bridge, 
inclinometer. 
BBT nhận bài: 29/01/2015 
Phản biện xong: 01/4/2015