Chẩn đoán thử tải và Phương pháp tích hợp_ BDI Inc, USA

 

Giới thiệu	1
Chẩn đoán thử tải và Phương pháp tích hợp	1
Tóm tắt qui trình thực hiện	2
Mục tiêu của Thử tải	2
Thiết bị đo đạc và Kế hoạch thử tải	4
Phân bố tải trọng theo phương ngang (Phân bố ngang)	4
Những đặc trưng về mặt cắt ngang của dầm	5
Những bộ phận kết cấu quan trọng	6
Dầm có gối đỡ đơn giản thực sự không đơn giản	7
Nhịp không liên tục lại là liên tục	7
Tính đối xứng	8
Cân nhắc về phần cứng	9
Trạng thái của kết cấu	9
Thử tải	9
Ví dụ về các dạng kết cấu cầu	10
Cầu dầm thép nhịp giản đơn	11
Mô tả kết cấu	11
Thiết bị thí nghiệm và chi tiết công tác thử tải	11
Cầu dầm liên tục nhiều nhịp	13
Mô tả kết cấu	13
Thiết bị thí nghiệm và chi tiết công tác thử tải	13
Cầu dầm bản bê tông cốt thép liên tục	15
Mô tả kết cấu	15
Thiết bị thí nghiệm và chi tiết công tác thử tải	16
Phần mềm phân tích theo yêu cầu	17
Khảo sát sơ bộ đối với dữ liệu thử tải	18
Tái tạo dữ liệu thử nghiệm	19
Xác định sự liên quan/tham chiếu đối với vị trí xe thử tải	20
Hoạt động không đàn hồi hoặc trục trặc của đầu đo	21
Vị trí trục trung hòa	22
Mối quan hệ phi tuyến	24
Ứng dụng Hệ số đầu đo thứ cấp	26
Lập mô hình và Phân tích kết cấu	27
Đặc tính hình học của mô hình	28
Những bộ phận hợp thành mô hình	30
Những thuộc tính của vật liệu và mặt cắt ngang	30
Nhóm thành phần được xác định	32
Chất tải	32
Vị trí gắn cảm biến/đầu đo	33
Giải nén dữ liệu STS (biến dạng hiện trường)	35
So sánh dữ liệu	36
Điều gì sai trong trường hợp này?	38
Dữ liệu lệch pha	40
Việc xác định đường đi của xe sai trình tự	41
Việc lập mô hình cho mặt cắt ngang không chính xác (các trục trung hòa)	42
Hiệu chuẩn mô hình	43
Phân loại/đánh giá tải trọng	49
Tài liệu tham khảo	52

 

DANH MỤC HÌNH VẼ
 
 
Hình 1 Minh họa về Phương pháp Tích hợp......................................................... 2
Hình 2 (A) Gối đỡ trụ nhịp không liên tục, (B) Sơ đồ kết cấu ............................. 8
Hình 3 Mặt bằng bố trí thiết bị đo tại cầu IA 3 bắc qua lạch Cedar ................... 12
Hình 4 Dạng tải trọng của Xe thử tải .................................................................. 12
Hình 5 Mặt bằng bố trí thiết bị cầu IA 3 bắc qua ngã ba phía đông sông Des
Moines ................................................................................................................. 14
Hình 6 Dạng tải trọng của Xe thử tải .................................................................. 14
Hình 7 Mặt bằng bố trí thiết bị cầu I-29 bắc qua mương Robinson ................... 16
Hình 8 Dạng tải trọng của Xe thử tải .................................................................. 17
Hình 9 Sơ đồ phần mềm dữ liệu BDI.................................................................. 18
Hình 10 Minh họa việc tính toán độ cong và trục trung hòa .............................. 23
Hình 11 Quá trình biến dạng của một cây cầu 3 nhịp biểu thị quan hệ tuyến tính
............................................................................................................................. 25
Hình 12 Phản ứng phi tuyến do bề mặt tiếp xúc dầm-bản bán liên hợpgây ra ... 25
Hình 13 Phản ứng phi tuyến do gối đỡ tuyến tính kép ....................................... 26
Hình 14 Mô hình cầu một nhịp do WinGEN tạo ra ............................................ 29
Hình 15 Hai phương pháp của mối quan hệ liên hợp giả lập ............................. 32
Hình 16 Giải quyết trục trặc – hệ khung và mặt bằng bố trí thiết bị đo ............. 39
Hình 17 Sự mô phỏng không đúng vị  trí xe thử tải trên cầu.............................. 40
Hình 18 Trình tự đường đi của xe bị mâu thuẫn ................................................. 41
Hình 19 Mặt cắt ngang của dầm liên hợp bị mô hình hóa thành không liên hợp42
Hình 20 So sánh biến dạng ở giữa nhịp và gối của dầm nhịp đơn ..................... 44
Hình 21 Phân bố tải trọng ngang tại giữa nhịp ................................................... 45
Hình 22 Dầm đơn giản có cản trở chuyển vị xoay.............................................. 48
Hình 23 Mối quan hệ giữa độ cứng lò xo và tỷ số chịu nhiệt ............................. 49
Hình 24 Cấu trúc xếp và phân loại tải trọng theo AASHTO .............................. 51
 
 
DANH MỤC BẢNG BIỂU
 
 
Bảng 1 Tệp dữ liệu thử tải................................................................................... 12
Bảng 2 Tệp dữ liệu thử tải................................................................................... 15
Bảng 3 Tệp dữ liệu thử tải................................................................................... 17

 

Giới thiệu
 

Mục đích của sách hướng dẫn là tóm tắt những nguyên tắc và thủ tục cơ bản để thực hiện “Phương  pháp Tích hợp” phân loại tải trọng dựa trên số liệu thí nghiệm hiện trường. Những phương pháp được mô tả trong sách này dựa trên kinh nghiệm thu được từ những thí nghiệm thử tải cho khoảng 250 kết cấu và những đánh giá về số liệu tiếp theo. Gần 200 thí nghiệm thử tải được tiến hành đối với cầu với mục tiêu phát triển những phân loại tải trọng chính xác.
 
Mặc dù có chung bản chất  và chủ yếu liên quan tới hoạt động của kết cấu cũng như hoạt động phản ứng quan sát được, những quy trình mô tả trong cuốn sách này hướng tới những khả năng và sự thiết thực do Hệ thống thử nghiệm kết cấu Bridge Diagnostic,  Inc. (BDI – STS) và phần mềm bổ trợ đem lại. Một số phương pháp sử dụng những hệ thống thu thập dữ liệu dạng khác, những gói phần mềm phân tích hoặc phần mềm xử lý dữ liệu có thể gặp khó khăn khi thực hiện do không được thiết kế chuyên biệt như Phương pháp Tích hợp.
 
Chẩn đoán thử tải và Phương pháp Tích hợp
 
Chẩn đoán thử tải có liên quan tới việc sử dụng những phản ứng đo tại hiện trường để hiểu thêm về cách phản ứng với tải trọng của kết cấu trong phạm vi tuyến tính. Một điều quan trọng cần ghi nhớ là dạng thí nghiệm này chủ yếu cung cấp thông tin về hướng của tải trọng động trong toàn bộ phần kết cấu trên chứ không phải sức chịu tải của kết cấu. Những tính toán về sức chịu tải có thể bị ảnh hưởng do kết quả thử tải, nhưng nói chung những tính toán này đều đáng tin cậy dựa trên qui chuẩn thiết kế và lý thuyết sức bền vật liệu.

Những giá trị đo được trong quá trình chẩn đoán có thể sử dụng để trợ giúp trong việc xác định đặc tính của mặt cắt ngang bộ phận kết cấu, điều kiện biên và đặc điểm phân bố tải trọng của kết cấu. Những thí nghiệm này thường được thực hiện với những tải trọng thông thường và những giá trị đo được so sánh với giá trị theo lý thuyết hoặc những giới hạn được xác định theo qui chuẩn/tiêu chuẩn.
 
Mục tiêu của “Phương pháp Tích hợp” là đưa phương pháp này tiến thêm một bước nữa. Điều này có nghĩa là sử dụng dữ liệu hiện trường một cách tích cực như là cơ sở để chỉnh sửa những thông số mô hình phân tích của kết cấu cho tới khi mô hình hoạt động ngày càng giống với kết cấu trong thực tế. Kết quả “mô hình hiệu chuẩn” thường có thể coi như hoàn toàn chính xác và dùng để phân loại tải trọng, dự đoán tải trọng cho phép hoặc ứng suất khi quá tải. Mô hình này cũng được sử dụng để trợ giúp thiết kế đối với bất kỳ việc nâng cấp/trang bị thêm hoặc trong việc bảo trì công trình. Sơ đồ trong Hình 1 minh họa khái niệm Phương pháp Tích hợp.

 
 Tầm quan trọng hàng đầu của tài liệu này là nhằm cung cấp những nét chính mang tính thực tiễn đối với việc thực hiện Phương pháp Tích hợp. Danh mục sau đây là những công việc bắt buộc phải hoàn thành để phát triển mô hình đánh giá tải trọng chính xác. Từng mục của tài liệu được trình bày trong những phần tiếp theo.
 
Tóm tắt qui trình thực hiện
 
1.  Xác định mục đích thử tải
2.  Trình bày về thiết bị đo đạc và kế hoạch thử tải
3.  Tiến hành thử tải trên cầu
4.  Kiểm tra dữ liệu và tiến hành đánh giá định tính về dữ liệu và kết cấu
5.  Tạo lập mô hình đại diện cho kết cấu và tiến hành phân tích
6.  So sánh kết quả phân tích với những phản ứng đo được và sửa những lỗi mô hình tổng thể
7.  Hiệu chuẩn mô hình
8.  Đánh giá kết quả và xác định kết quả nào đủ độ tin cậy và hợp lý để phân loại tải trọng
9.  Áp dụng phân loại tải trọng để hiệu chỉnh mô hình cầu và tính toán hệ số phân loại
 
Mục tiêu của Thử tải
 
Đối với bất kỳ thí nghiệm thử tải nào bước đầu tiên trong là phải xác định được những mục tiêu thử tải ngay từ đầu và vạch ra một cách cụ thể thông tin nào cần thu được. Để thực hiện bước này có hai điều kiện tiên quyết. Thứ nhất là cần có một kiến thức đồng bộ về phân loại cầu sao cho kỹ sư có thể đánh giá được những bộ phận nào là quan trọng và xác định có khả năng thu nhận thêm được những thông tin để tiến hành phân tích chính xác hơn hay không. Ví dụ như nếu tiến hành thử tải với một hệ kết cấu được xác định là tĩnh hoàn toàn thì những dữ liệu thu được rất ít. Bởi vì đối với những trường hợp hiếm như thế này, tải trọng tác dụng vào những bộ phận cụ thể đều đã được biết rõ do không còn hướng truyền lực nào khác, còn bất kỳ độ chính xác nào thu được cũng không đáng kể.

 
Tuy nhiên trong thực tế hiếm khi kết cấu cầu lại được xác định là tĩnh thực sự. Những cầu dầm bản và bản BTCT thường có hoạt động phức tạp mà không thể miêu tả chính xác bằng phương pháp hệ số phân bố tải trọng và phân tích dầm. Mức độ phức tạp chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau, liên quan tới dạng hình học và hiệu ứng độ cứng thứ cấp. Việc xem xét dạng hình học ban đầu có ảnh hưởng tới sự phân bố tải trọng, bao gồm cả độ nghiêng và tỷ số khoảng cách giữa các dầm với chiều dài nhịp. Có nhiều yếu tố độ cứng thứ cấp ảnh hưởng tới hướng truyền lực, trong đó phổ biến nhất là độ cứng cạnh do gờ bê tông, lan can thành cầu tạo nên, gối đỡ tạo ngăn cản chuyển vị của đầu dầm và hoạt động liên hợpkhông được định hướng trước. Phạm vi yếu tố độ cứng thứ cấp ảnh hưởng tới cách thức phản ứng của kết cấu thay đổi rất lớn từ cầu này sang cầu khác và là chức năng của cả thiết kế chi tiết và qui trình thi công thực tế.
 
Thứ hai, việc xác định mục tiêu yêu cầu kiến thức và kinh nghiệm về thí nghiệm hiện trường để có thể xác định điều gì sẽ thu được từ công việc thử tải. Thông thường nhất việc thử tải được thực hiện để thu được sự phân loại tải trọngmà không cần hiểu rõ làm cách nào để chuyển dữ liệu đo (biến dạng, chuyển vị, gia tốc v.v…) thành cơ sở cho giới hạn tải trọng của kết cấu. Trong phần lớn các trường hợp, nếu chỉ đơn thuần đo biến dạng rồi đem so sánh với những giá trị lý thuyết hoặc qui định của qui chuẩn/tiêu chuẩn và nội suy hoặc ngoại suy ra kết quả thì không  đủ. Mục  đích  chính  của Phương  pháp  Tích  hợp là xác định nguyên nhân dẫn đến dữ liệu đo khác với mong muốn và kiểm tra cơ cấu gây ra sự không thống nhất bằng cách tái tạo dữ liệu đo theo phương pháp phân tích đại diện. Phương pháp này có ưu điểm ở chỗ kỹ sư có thể kiểm soát những thông số độ cứng nào được sử dụng, những thông số nào bỏ qua trong quá trình tính toán phân loại tải trọng.
 
Nếu chúng ta giả thiết mục tiêu chính của thử tải là để cung cấp việc phân loại tải trọngthực tế thì mục tiêu thí nghiệm cụ thể có thể bao gồm như sau:
−   Xác định những thuộc tính của mặt cắt ngang có ảnh hưởng
−   Xác định sự khác nhau giữa độ cứng của dầm bên trong và dầm biên (gờ bê tông/lan can thành cầu)
−   Xác định độ cứng có ảnh hưởng của những bộ phận truyền lực ngang (bản mặt cầu và dầm ngang)
−   Tính toán hệ số phân bố thực tế đối với dầm bên trong và dầm biên 

−   Xác định ngăn cản chuyển vị xoay và/hoặc chuyển vị thẳng do trạng thái gối đỡ dầm
−   Định lượng tính liên tục của dầm giữa các nhịp liền kề
−   Định lượng ảnh hưởng của hư hỏng về kết cấu đã biết
−   Xác định lợi ích của việc sửa chữa hoặc cải tạo/nâng cấp
 
Thiết bị đo đạc và Kế hoạch thử tải
 
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới việc thiết kế bố trí thiết bị đo đạc. Do các dạng kết cấu, chi tiết bộ phận công trình, khả năng tiếp cận, trạng thái kết cấu v.v… rất phong phú nên khó có thể xác định một cách chính xác một bộ qui tắc bố trí cảm biến đo. Kiểu/dạng kết cấu và mục tiêu thử nghiệm là những yếu tố chủ yếu để xây dựng kế hoạch ban đầu, nhưng những khoản như khả năng tiếp cận và giới hạn của thiết bị đo lại thường quyết định tới vị trí cuối cùng của điểm đo. Trong nhiều trường hợp, mặt bằng bố trí thiết bị đo lại phải “tinh chỉnh” ở hiện trường vì một số lý do dẫn đến cảm biến không gắn được vào những vị trí được xác định từ đầu.
 
Khi tiến hành chẩn đoán thử tải, cần phải nhớ một điều quan trọng là dữ liệu luôn được xác định để trợ giúp trong việc phân tích chính xác và những phản ứng của kết cấu được xác định nhờ việc phân tích. Vì vậy không cần phải tiến hành đo đạc tại những vị trí quan trọng/then chốt hoặc vị trí có biến dạng lớn nhất của kết cấu, chỉ cần đo tại những vị trí thông thường gần đó là đủ. Để đạt độ chính xác cao, người ta thường tiến hành đo tại những vị trí mà phản ứng hoạt tải đủ lớn như xung quanh vị trí giữa nhịp. Tuy nhiên việc đo đạc cũng phải tiến hành tối thiểu ở những vùng quan trọng để giúp xác định dạng phản ứng đối với uốn và sự phân bố ứng suất trong mặt cắt ngang. Một số hướng dẫn tổng thể đối với thiết bị đo đạc cho những mục tiêu thí nghiệm cụ thể được liệt kê trong những phần tiếp theo.
 
Cần lưu ý rằng phương pháp này được sử dụng để hiểu mối quan hệ tổng thể của phần kết cấu công trình chứ không phải để đo ứng suất tại những điểm tập trung như các mối nối. Ý tưởng của phương pháp là định lượng lực trong từng bộ phận truyền tới mối nối rồi sử dụng những phương pháp tiêu chuẩn để xác định ứng suất tại mối nối/liên kết.
 
Phân bố tải trọng theo phương ngang (Phân bố ngang)
 
Hầu hết nguồn gốc lớn nhất của sai số (thường là cố hữu) trong những phân tích đánh giá tải trọng thông thường tác động lên cầu dạng dầm đều liên quan đến độ lớn của tải trọng tác dụng lên riêng từng dầm. Tải trọng theo lý thuyết thường được tính toán bằng tải trọng trục bánh xe của một loại xe tải cụ thể nhân với hệ số phân bố theo AASHTO. Mặc dù hệ số phân bố là một công cụ xuất sắc cho mục đích thiết kế nhưng lại hiếm khi thể hiện đúng đặc tính của sự phân bố thực tế. Chính vì lý do này, mục tiêu chính của thử tải là tạo ra một mô hình có quan hệ phân bố ngang giống như kết cấu thật. Để thỏa mãn yêu cầu này thì giải pháp tốt nhất là bố trí thiết bị đo đạc tại tất cả các dầm ở khoảng giữa nhịp (ngay tại hoặc gần vị trí mô men dương lớn nhất).

Khái niệm về hệ số phân bố hàm ý rằng từng dầm chịu một tỷ lệ phần trăm của từng trục bánh trên cầu. Trong thực tế, độ lớn và dạng của hàm tải trọng biến thiên từ dầm này sang dầm khác, có nghĩa là sự phân bố ngang thực tế thay đổi theo chiều dài nhịp. Sự phân bố thực tế ở giữa nhịp nói chung không bằng sự phân bố ở gần mố hoặc gối đỡ bên trong. Độ cứng của trụ đỡ, độ cứng của bản mặt cầu và dạng hình học của cầu đều tác động tới sự thay đổi của phân bố ngang từ vị trí này sang vị trí khác. Để nắm được hiệu ứng theo phương dọc cầu lên sự phân bố, người ta thường gắn thêm các thiết bị đo lên một số mặt cắt ngang cầu, nhất là tại những vị trí gần gối đỡ.
 
Những đặc trưng về mặt cắt ngang của dầm
 
Khi đo đạc những bộ phận chịu uốn cần có hai cảm biến tại mỗi mặt cắt ngang. Mục đích của việc bố trí là đo được trực tiếp vị trí trục trung hòa (N/A) và đường cong uốn từ phản ứng của biến dạng. Có nhiều lý do để đo vị trí N/A. Trước hết, việc so sánh giữa biến dạng tính toán và đo được đòi hỏi xác định chính xác những điểm gắn cảm biến theo trục trung hòa. Nếu biến dạng liên quan tới uốn, kiến thức về vị trí trục trung hòa là thiết yếu. Vị trí trục trung hòa đo được luôn luôn thay đổi đáng kể so với vị trí lý thuyết.

Lý do khác để định vị trục trung hòa vì điều này giúp xác định đặc trưng của những bộ phận thuộc mặt cắt ngang cho quá trình tính toán khả năng tiếp theo. Ví dụ như vị trí của trục trung hòa cho biết nếu như dầm làm việc đồng thời với bản mặt cầu thì nó sẽ được dùng để tìm được bề rộng/bề dày phù hợp của cánh dầm (hoặc tỷ số độ cứng của vật liệu). Do vị trí trục trung hòa có liên quan tới độ cứng của mặt cắt ngang nên có thể có thể tiến hành so sánh với những mặt cắt tương tự để xác định độ chắc đối với đặc trưng độ cứng dầm. Cần lưu ý là BDI đã từng thử nghiệm những cây cầu được thiết kế không liên hợp nhưng lại làm việc/ứng xử một cách hỗn hợp, cũng như trường hợp xấu nhất là những cây cầu được thiết kế liên hợp nhưng lại làm việc không liên hợp.

Độ cứng tuyến tính liên quan tới độ lớn của tải trọng cũng có thể thẩm tra bằng cách theo dõi sự thống nhất của vị trí trục trung hòa xét theo khía cạnh vị trí xe thử tải. Những quan hệ bán liên hợp, trong đó xuất hiện hiện tượng trượt giữa bản mặt cầu và dầm, được quan sát thấy giống như những dao động lớn quanh trục trung hòa từ đầu đến cuối mỗi chu trình gia tải.
 
Người ta khuyến cáo bất cứ khi nào có thể, mỗi mặt cắt ngang nên bố trí hai cảm biến/đầu đo khi đo phản ứng uốn kể cả không có bất kỳ giá trị trung bình có khả năng của hoạt động liên hợp. Điều này có nguyên nhân là những hoạt động phức hợp có thể xuất hiện vào những lúc không mong muốn nhất. Cảm biến thứ hai cung cấp số đo dự trữ giúp cho việc xác định những số đo bị nghi ngờ có bị lỗi hay do những hoạt động không mong muốn.

 
Khi tiến hành đo biến dạng trên các cấu kiện chịu tải trọng trục như giàn, vị trí của cảm biến trên mặt cắt ngang rất quan trọng. Trong thực tế kết cấu không bao giờ có tải trọng trục thuần nhất mà luôn có thêm thành phần uốn đo được. Thậm chí những cấu kiện chịu kéo trong kết cấu giàn móc cầu cũng chịu uốn. Nếu các cấu kiện được gắn chắc, vị trí các điểm gắn sẽ không thẳng hàng với trọng tâm cấu kiện hoặc cấu kiện bị cong không đáng kể hoặc do tĩnh tải trọng lượng bản thân, quá trình sản xuất hoặc tác động của xe. Trong những trường hợp này, các cấu kiện có xu hướng trở nên thẳng khi lực kéo tăng và các số đo cho thấy đó 1à ứng suất do uốn. Bởi vậy các đầu đo nên bố trí càng gần trọng tâm cấu kiện càng tốt nếu như chỉ cần đo lực dọc. Nếu cần đo thêm các cấu kiện chịu uốn thì cần bố trí đầu đo gắn càng xa hết mức càng tốt (nên sử dụng từ 2 đến 4 đầu đo tùy thuộc vào việc cần đo ứng suất uốn một trục hay hai trục).
 
Những bộ phận kết cấu quan trọng

Một điều rất có ích khi biết trước bộ phận kết cấu và cơ cấu phản ứng nào (uốn, lực dọc, lực cắt v.v…) hiện đang kiểm soát việc phân loại tải trọng. Kiến thức này có một số ảnh hưởng tới việc bố trí thiết bị đo đạc vì mục đích của thí nghiệm là xác định trạng thái tải trọng tác động lên những bộ phận quan trọng. Tuy nhiên, nếu chỉ bố trí thiết bị tại những bộ phận kết cấu quan trọng thì không đủ vì người ta thường cần xác định lực truyền tới đâu trong hệ tĩnh định. Ví dụ nếu như số liệu đo biến dạng khác với số liệu dự báo theo phân tích thì nguyên nhân có thể do bộ phận kết cấu có độ cứng nhiều hoặc ít hơn độ cứng giả thiết trong mô hình hoặc thực tế bộ phận kết cấu chịu tải khác với tải trọng tác dụng trong mô hình. Nếu các phép đo chỉ tiến hành đối với những bộ phận quan trọng thì không có cách nào để làm rõ cơ cấu gây ra sai số. Nói một cách toán học, số lượng ẩn số nhiều hơn số phương trình và số lượng lời giải là vô hạn.
 
Trong trường hợp cầu dầm bản, không cần xét tới dầm bên trong hay dầm biên tác động tới sự phân loại tải trọng hoặc sự phân loại chịu tác động của mô men hay lực cắt thì mặt bằng bố trí thiết bị đều có những khác biệt nhỏ. Có thể bố trí những thiết bị phụ trợ trên những bộ phận quan trọng nhưng toàn bộ các xà ngang đều nên gắn thiết bị để có thu được sự phân bố tải trọng thực tế.
 
Trong trường hợp hệ dầm sàn nhiều khoang tạo bởi dầm và xà ngang, việc bố trí thiết bị đo có thể thay đổi một chút tùy thuộc vào dầm hay xà ngang kiểm soát việc đánh giá tải trọng. Trong cả hai trường hợp, cần phải bố trí thiết bị tại tối thiểu một khoang giữa các xà ngang sao cho có thể xác định sự phân bố tải trọng trên bản mặt cầu. Hơn nữa, tối thiểu nên bố trí thiết bị đo tại một số điểm dọc theo chiều dài của một dầm sàn bởi vì về cơ bản dầm này là một gối đỡ đàn hồi của xà ngang. Nếu giả thiết xà ngang là một kết cấu quan trọng thì có thể bố trí thiết bị đo trong nhiều khoang xà ngang để phục vụ cho mục đích so sánh. Việc bố trí thêm cảm biến trên các dầm sàn khác chỉ thật cần thiết nếu những dầm này thực sự quan trọng hoặc người ta mong muốn có thêm dữ liệu. Sở dĩ có điều này là vì hầu như dầm sàn tương tác với xà ngang một cách hoàn toàn không đồng thời và những cảm biến bổ sung làm tăng thêm độ chính xác của mô hình.

 
Dầm có gối đỡ đơn giản thực sự không đơn giản
 
Mặc dù trong thiết kế người ta thường giả thiết dầm có gối đỡ giản đơn, gối đỡ thực tế của dầm luôn gây ra sự kiềm chế chuyển vị xoay đáng kể ở đầu dầm. Ngay cả đối với trạng thái gối đỡ có bộ phận cân bằng được thiết kế riêng cho phép co giãn và tạo ra sức kháng mô men bằng không, người ta vẫn quan sát được sự cản trở (mô men âm) tới mô men phần dưới giữa nhịp tối đa là 30%.
 
Sự xuất hiện cản trở chuyển vị đầu dầm có thể được kiểm tra một cách đơn giản bằng việc bố trí những đôi cảm biến gần các gối đỡ. Việc quan sát được bất kỳ đường cong âm (đáy dầm chịu nén) trong quá trình gia tải đều chỉ ra sự hiện diện của cản trở chuyển vị đầu dầm. Việc đo đạc gần các đầu dầm hoặc bố trí tối thiểu nhiều bộ đầu đo dọc theo chiều dài dầm là cần thiết để xác định mức độ cản trở chuyển vị đầu dầm thông qua việc hiệu chỉnh phân tích tiếp theo.
 
Nếu có thể giả thiết tính vững chắc giữa các gối đỡ dầm thì hầu như không cần đặt các đầu đo gần đầu dầm. Tuy nhiên, thông thường với một đầu nhịp gối đỡ có những chi tiết khác đầu còn lại (cố định/co giãn), bởi vậy một kinh nghiệm hữu ích là gắn các đầu đo ở cả hai đầu những dầm được lựa chọn. Dầm bên trong và dầm biên cũng có cản trở chuyển vị đầu dầm với hiệu ứng khác nhau do những chi tiết cấu tạo như dầm ngang ở trụ và mố nên việc xác định cản trở chuyển vị đầu dầm cần áp dụng cho tối thiểu một dầm trong và một dầm biên.
 
Do sức kháng uốn thường được sử dụng để so sánh nên tốt nhất là gắn những đầu đo ngoài rìa tại vị trí cách gối tựa từ một đến hai lần chiều cao dầm. Điều này nhằm tránh sự tập trung ứng suất và biến dạng liên quan tới ứng suất theo phương thẳng đứng thường được bỏ qua trong giai đoạn phân tích. Thậm chí ngay cả khi sử dụng mô hình 3-D phức tạp tái hiện được ứng suất theo phương đứng thì người ta vẫn khuyên chỉ nên so sánh những biến dạng do sức kháng uốn tạo nên.
 
Nhịp không liên tục lại là liên tục
 
Một dạng phân loại cấp thấp hơn của cầu dầm có gối đỡ “đơn giản” là trường hợp cầu nhiều nhịp không liên tục. Ngay cả khi không có sự liên kết rõ ràng giữa những nhịp liền kề nhau trên cầu nhiều nhịp thì tính liên tục vẫn thường xuất hiện khi các dầm từ hai nhịp tựa lên cùng một trụ. Sở dĩ có điều này là vì phản lực từ một nhịp sẽ tạo ra tải trọng tác dụng lên nhịp kế tiếp thông qua trụ cầu.

 
Nguyên nhân gây ra tính uốn liên tục thường xuất phát từ những chi tiết đặt dầm tạo tính liên tục theo phương dọc thông qua trụ từ vị trí đặt dầm này tới vị trí kế tiếp. Việc đặt dầm thường có độ lệch tâm tương đối so với trục trung hòa của dầm tạo ra lực dọc trong gối đỡ dầm gây nên sức kháng xoay và tiếp đến là mô men trong nhịp liền kề. Hình 2 chỉ ra cơ cấu điển hình tạo ra tính liên tục giữa các nhịp.
 
Nói chung không cần xem xét việc bố trí thiết bị bổ sung đối với cầu nhiều nhịp không liên tục, nhưng qui trình thí nghiệm có thể cần chỉnh sửa nếu như quan sát được tính liên tục tại hiện trường. Do chúng ta thường mong muốn kết cấu hoàn toàn không chịu tải khi bắt đầu và kết thúc mỗi lần chạy thử tải nên việc bắt đầu và kết thúc ghi dữ liệu cần thực hiện khi xe thử tải đã chạy cách nhịp bố trí thiết bị đo một nhịp. Thực hiên được điều này thì việc tái tạo dữ liệu giữa những lần chạy đều có thể định lượng và đều có thể phát hiện ra bất cứ hoạt động không đàn hồi nào.
 

 

 
Tính đối xứng
 
Một số thông tin hữu ích đối với việc đánh giá định tính kết cấu thường thu được từ việc so sánh phản ứng đối với biến dạng của những vị trí đầu đo giống nhau. Sự khác nhau về độ lớn biến dạng từ những vị trí đầu đo tương tự chịu cùng một tải trọng có thể chỉ ra sự không đồng nhất về độ cứng của dầm, tình trạng gối đỡ hoặc sự phân bố tải trọng. Bởi vậy, bất cứ lúc nào có thể cần khai thác những ưu điểm về tính đối xứng của kết cấu cả trong việc bố trí thiết bị đo và chất tải.

Xem xét phần cứng
 
Phần cứng BDI-STS có cấu hình để điều khiển 4 đầu đo cho từng hộp STS. Sau hàng loạt những thí nghiệm thử tải, cấu hình này được xác định là thuận tiện và kinh tế nhất đối với việc bố trí thiết bị đo kiểm định/thử tải cầu. Thông thường người ta thường sử dụng hai đầu đo/cảm biến trên một mặt cắt ngang dầm đơn. Với việc sử dụng hộp STS đặt giữa hai dầm người ta có thể lắp đặt và treo thiết bị đo trên mặt cắt ngang của cả hai dầm mà không cần di chuyển hệ thống tiếp cận (thang, đà giáo v.v…). Do cấu hình của thiết bị này nên trong quá trình thiết kế bố trí thiết bị đo cần chú ý sao cho vị trí đầu đo hợp thành những nhóm 4. Những cặp mặt cắt ngang được gắn thiết bị đo (kể cả cạnh nhau hoặc dọc theo dầm) phải nằm trong phạm vi của dây cáp nối đầu đo, khoảng 10 – 20 ft. (30 m– 60 m) tùy thuộc vào chiều dài dây cáp được cung cấp cùng đầu đo.
 
Số lượng kênh đo dữ liệu có thể trong hệ thống thí nghiệm sẽ quyết định tới điểm gắn đầu đo. Luôn luôn có một qui trình điều chỉnh giữa vị trí định bố trí đầu đo và vị trí thực tế của đầu đo.
 
Trạng thái của kết cấu
 
Một yếu tố nữa ảnh hướng tới vị trí và số lượng thiết bị đo là trạng thái kết cấu. Ví dụ như có thể bố trí thiết bị đo cho một hoặc hai nhịp trên kết cấu nhiều nhịp là đủ nếu như những hư hỏng là rất nhỏ và trạng thái gối đỡ dầm từng nhịp giống nhau. Mặt khác nếu như cầu có những hư hỏng đáng kể và không thể giả định sự thống nhất giữa các nhịp hoặc dầm thì người ta sẽ bố trí thiết bị cho những nhịp quan trọng nhất và số lượng thiết bị trên từng nhịp cũng lớn hơn (mỗi dầm được bố trí từ 3 thiết bị trở lên dọc theo nhịp dầm).
 
Thử tải
 
Chi tiết về qui trình thử tải được giới thiệu trong Sổ tay hướng dẫn STS. Tuy nhiên một điều rất quan trọng là người tiến hành thử tải cần có sự am hiểu thấu đáo về mục đích thử tải và hiểu được những khả năng cũng như hạn chế của thí nghiệm chẩn đoán. Một điều quan trọng không kém, đó là những người xác định mục tiêu thí nghiệm và bố trí thiết bị, sắp đặt kịch bản thử tải phải là những người có kinh nghiệm hàng đầu trong các công việc ở hiện trường. Không có ranh giới rõ ràng công việc tại hiện trường và việc tiếp theo là đánh giá kết cấu, bởi vậy tốt nhất là cho cùng một người tiến hành thử tải và đánh giá/phân tích dữ liệu, đảm bảo tính liên tục.
 
Những thay đổi trong việc bố trí thiết bị phải tiến hành ở hiện trường một cách khá thường xuyên vì những lý do tiếp cận hoặc những chi tiết kết cấu có thể gây khó khăn cho việc bố trí. Đối với kết cấu cũ đôi khi không thể thiết kế trước mà toàn bộ việc bố trí thiết bị đo phải thực hiện ngay tại chỗ. Trong bất cứ trường hợp nào cũng nên có những bản ghi chép hiện trường một cách rõ ràng và chính xác. Tất cả các vị trí đo phải gắn với những điểm mốc dễ thấy như tim gối đỡ dầm, tim trụ, vị trí dầm ngang v.v.... Một điều cần chỉ rõ là từng cảm biến được gắn vào đâu trên mặt cắt ngang của dầm.

 
Trong công việc đo đạc và bố trí thiết bị, “những quan sát khác thường” lại mang tính tiêu chuẩn. Ví dụ: cầu nhiều nhịp được thiết kế, thi công và hình thành như một kết cấu không liên tục lại cho thấy mức độ liên tục đáng kể giữa các nhịp. Một điều quan trọng là những tình huống như vậy chỉ nhận biết được tại hiện trường nên qui trình thử tải vẫn tiến hành đúng cách thức. Những phản ứng bất thường như tính liên tục không được định hướng trước hoặc hoạt động liên hợp từng phần thường được phát hiện ra bằng cách kiểm tra nhanh vài chuỗi dữ liệu về biến dạng tại hiện trường.

Việc theo dõi/ nhanh dữ liệu hiện trường trong lúc thí nghiệm cũng có ích để phát hiện những vấn đề về thiết bị như gắn đầu đo không đảm bảo, đầu đo bị trục trặc hoặc thiết bị định vị tải trọng hỏng. Những cá nhân được đào tạo tốt trong việc đánh giá dữ liệu có thể phát hiện ra những vấn đề này và giải quyết ngay tại hiện trường hơn là mang những dữ liệu không hoàn thiện về văn phòng.
 
Ví dụ về các dạng kết cấu cầu
  
Những phần tiếp theo của tài liệu chứa thông tin cơ bản và những sơ đồ bố trí thiết bị cho những dạng kết cấu cầu phổ biến nhất. Điều quan trọng cần nhớ là từng thí nghiệm thử tải đều mang tính độc nhất dù là do bản thân kết cấu hay vì những lý do mà nó cần thử tải.

 
Mô tả kết cấu
 

ID của kết cấu	7601.2S03
Địa điểm	IA 6 bắc qua lạch Cedar – quận Pocahontas, bang Iowa
Dạng kết cấu	Dầm thép, nhịp đơn – hỗn hợp
Chiều dài nhịp	41’ – 3”
Độ xiên	Vuông góc
Bề rộng kết cấu/mặt đường	31’ – 10,5”, 30’ – 0”
Kiểu dầm	(2) Dầm biên W24×76 hỗn hợp (2) Dầm trong W27×94 hỗn hợp
Khoảng cách đặt dầm	3 khoang @ 9’ – 8 ¼” = 29’ – 0 ¾”
Chi tiết gờ chắn xe/lan can	Gờ BTCT gắn liền với bản mặt cầu. Lan can BTCT gắn trên gờ chắn xe – không đổ cùng kết cấu chịu lực nguyên thủy. Lan can kéo dài liên tục dọc theo chiều dài cầu và được gắn chặt với gờ chắn xe.
Tình trạng cầu khi quan sát bằng thị giác	Tình trạng các dầm tốt, không bị ăn mòn hoặc mất tiết diện

 
 
Thiết bị thí nghiệm và chi tiết công tác thử tải
 

Ngày tiến hành	10/08/1999
Điểm tham chiếu kết cấu	X = 0, Y = 0 tại giao điểm của mặt mố phía nam với trục trung tâm dầm phía tây nam
Hướng xe thử tải	Hướng phía đông cho tất cả các thí nghiệm (chiều dương của trục X)
Vị trí bắt đầu ghi dữ liệu	Tất cả các thí nghiệm bắt đầu khi trục trước xe vào vị trí X = - 15,4’
Vị trí xe thử tải	Vị trí ghi dữ liệu cho từng vòng quay bánh xe (10,8’). Thiết bị AutoClicker gắn tại vị trí bánh trước phía lái xe
Vị trí vệt bánh xe theo phương ngang	2 vệt bánh xe được xác định để thử tải. Theo phương Y vị trí được qui chiếu theo khoảng cách giữa vệt bánh xe trước phía người lái

 

	và trục trung tâm của dầm tây nam Y1 = 11,4’ Y2 = 25,25’
Số lượng đầu đo	(28) cảm biến đo biến dạng ghi dữ liệu tại tần số 33 Hz
Vị trí đặt đầu đo	Xem Hình 3. Ở cánh dưới cảm biến gắn tại vị trí trung tâm, đối với cánh trên cảm biến gắn cách thân dầm 2”. Đối với dầm ngang, cảm biến gắn tại mép cánh dầm cả trên và dưới
Kiểu cảm biến	BDI Inteliducer
Số lượng chu trình thử tải	Dữ liệu được ghi khi xe thử tải trườn lên cầu với vận tốc 5 mph. Mỗi xe chạy 2 lần để kiểm tra khả năng tái tạo dữ liệu. Tiến hành thử khi xe chạy tốc độ cao một lần dọc theo hướng Y1 để đo phản ứng động của cầu

 
 
 
   

Hướng xe thử tải   Tệp dữ liệu STS   Chú thích Y1 WCED1.dat Bánh xe bên phía hành khách, vai đường bên phải tuyến Y1 WCED2.dat “ Y2 WCED3.dat Bánh xe bên phía người lái, vai đường bên trái tuyến

Bảng 1 Tệp dữ liệu thử tải

Y2	WCED4.dat	“
Y1	WCED5.dat	Bánh xe bên phía hành khách, vai đường bên phải tuyến Tốc độ cao (45 mph)

 
Cầu dầm liên tục nhiều nhịp


 
Mô tả kết cấu
 

ID của kết cấu	4631.1S003
Địa điểm	IA 3 bắc qua ngã ba phía đông sông Des Moines, hạt Humboldt, bang Iowa
Dạng kết cấu	3 nhịp liên tục, dầm thép liên hợp
Chiều dài nhịp	97’ – 6”, 125’ – 0”, 97’ – 6”
Độ xiên	Vuông góc
Bề rộng kết cấu/mặt đường	34’ – 0” / 28’ – 0”
Kiểu dầm
Khoảng cách đặt dầm	4 dầm đặt cách nhau 8’ – 11”
Chiều cao dầm	Dầm bên trong: W36×245 có bản đậy Dầm bên ngoài: W36×194 có bản đậy
Chi tiết gờ chắn xe/lan can	Gờ chắn xe bằng BTCT có chôn sẵn thanh thép liên kết với lan can thép. Gờ chắn nằm trực tiếp trên đường tim dầm bên ngoài
Bản mặt cầu	Bản BTCT dầy 8” với lớp bê tông phủ dầy từ 1” – 3”. Đỉnh mặt cầu dạng parabol tại vị trí dầy 3” thu được nhờ vi phân cao độ của dầm
Tình trạng cầu khi quan sát bằng thị giác	Tình trạng của các dầm tốt, không bị ăn mòn hoặc mất tiết diện

 
Thiết bị thí nghiệm và chi tiết công tác thử tải
 

Ngày tiến hành	11/08/1999
Điểm tham chiếu kết cấu	X = 0, Y = 0 tại giao điểm của mặt mố phía đông với trục trung tâm dầm phía nam

 

Hướng xe thử tải	Hướng phía tây cho tất cả các thí nghiệm (chiều dương của trục X)
Vị trí bắt đầu ghi dữ liệu	Tất cả các thí nghiệm bắt đầu khi trục trước xe vào vị trí X = - 15,4’
Vị trí xe thử tải	Vị trí ghi dữ liệu cho từng vòng quay bánh xe (10,8’). Thiết bị AutoClicker gắn tại vị trí bánh trước phía lái xe
Vị trí vệt bánh xe theo phương ngang	2 vệt bánh xe được xác định để thử tải. Theo phương Y vị trí được qui chiếu theo khoảng cách giữa vệt bánh xe trước phía người lái và trục trung tâm của dầm phía nam Y1 = 2,0’ Y2 = 18,5’
Số lượng đầu đo	(40) cảm biến đo biến dạng ghi dữ liệu tại tần số 33 Hz
Vị trí đặt đầu đo	Xem Hình 5. Ở cánh dưới cảm biến gắn tại vị trí trung tâm, đối với cánh trên cảm biến gắn cách thân dầm 2”. Đối với dầm ngang, cảm biến gắn tại mép cánh dầm cả trên và dưới
Kiểu cảm biến	BDI Inteliducer
Số lượng chu trình thử tải	Dữ liệu được ghi khi xe thử tải trườn lên cầu với vận tốc 5 mph. Mỗi xe chạy 2 lần để kiểm tra khả năng tái tạo dữ liệu. Tiến hành một lần thử với xe chạy ở tốc độ cao

 
 

 

Hướng xe thử tải   Tệp dữ liệu STS   Chú thích Y2 DMR1.dat Bánh xe bên phía hành khách, vai đường bên phải tuyến (mất lần ghi đầu tiên) Y2 DMR2.dat Bánh xe bên phía hành khách, vai đường bên phải tuyến Y2 DMR3.dat “ Y1 DMR4.dat Bánh xe bên phía người lái, vai đường bên trái tuyến Y1 DMR5.dat “ Y2 DMR6.dat Bánh xe bên phía hành khách, vai đường bên phải tuyến Tốc độ cao (55 mph)

Bảng 2 Tệp dữ liệu thử tải
 
Cầu dầm bản bê tông cốt thép liên tục

 
Mô tả kết cấu
 

ID của kết cấu	6723.5R029
Địa điểm	I-29 bắc qua mương thoát nước Robinson, hạt Monona, bang Iowa
Dạng kết cấu	Bản BTCT, 3 nhịp liên tục
Chiều dài nhịp	24’ – 5”, 31’ – 2”, 24’ – 5”
Độ xiên	17° 9’ L. A. (hợp với phương vuông góc theo chiều kim đồng hồ)
Bề rộng kết cấu/bản/mặt đường	46’ – 0”, 43’ – 0”, 40’ – 0”
Bề dầy bản	Thay đổi theo phương ngang theo đường cong parabol của chiều dầy lớp trên cùng 10 ½ “ tại mép bản 17 ½ “ tại giữa bản
Chi tiết gờ chắn xe/lan can	Gờ chắn xe bằng BTCT đổ cùng với bản và lan can BTCT
Tình trạng cầu khi quan sát bằng thị giác	Bản mặt cầu trong tình trạng rất tốt với một số vết nứt do nhiệt hoặc uốn ở mức tối thiểu.

Thiết bị thí nghiệm và chi tiết công tác thử tải
 

Ngày tiến hành	05/08/1999
Điểm tham chiếu kết cấu	X = 0, Y = 0 tại giao điểm của mặt mố phía nam với mép bản phía đông. Trục X có hướng song song với trục đường
Hướng xe thử tải	Hướng phía bắc cho tất cả các thí nghiệm (chiều dương của trục X)
Vị trí bắt đầu ghi dữ liệu	Tất cả các thí nghiệm bắt đầu khi trục trước xe vào vị trí X = - 13,6’
Vị trí xe thử tải	Vị trí ghi dữ liệu cho từng vòng quay bánh xe (10,808’). Thiết bị AutoClicker gắn tại vị trí bánh trước phía lái xe
Vị trí vệt bánh xe theo phương ngang	3 vệt bánh xe được xác định để thử tải. Theo phương Y vị trí được qui chiếu theo khoảng cách giữa vệt bánh xe trước phía người lái và cạnh phía đông của bản mặt cầu Y1 = 13,7’ Y2 = 20,6’ Y3 = 36,6’
Số lượng đầu đo	(36) cảm biến đo biến dạng ghi dữ liệu tại tần số 33 Hz
Vị trí đặt đầu đo	Xem Hình 7. Toàn bộ cảm biến đo bản được gắn dưới đáy bản. Các cảm biến cũng gắn ở mặt trên lan can (cách đáy bản 42”). Cảm biến gắn song song hoặc vuông góc với hướng đường đi
Kiểu cảm biến	BDI Inteliducer có mở rộng (chiều dài cảm biến là 18”)
Số lượng chu trình thử tải	Dữ liệu được ghi khi xe thử tải trườn lên cầu với vận tốc 5 mph. Mỗi xe chạy 2 lần để kiểm tra khả năng tái tạo dữ liệu. Do điều kiện giao thông không cho phép tiến hành thử tải với xe chạy tốc độ cao

 

 

Hướng xe thử tải   Tệp dữ liệu STS   Chú thích Y1 Rob1.dat Bánh xe phía người lái ở vai đường bên phải Y1 Rob2.dat “ Y2 Rob3.dat Bánh xe phía hành khách ở vai đường bên phải Y2 Rob4.dat “ Y3 Rob5.dat Bánh xe phía người lái ở vai đường bên trái Y3 Rob6.dat “

Bảng 3 Tệp dữ liệu thử tải

Phần mềm phân tích theo yêu cầu
 
Sau khi thu được dữ liệu hiện trường thì dữ liệu phải được xử lý và sử dụng theo cách để hỗ trợ việc đánh giá kết cấu. Quá trình xử lý bao gồm việc đánh giá chất lượng của dữ liệu hiện trường, phân tích và mô hình hóa kết cấu, so sánh dữ liệu và hiệu chuẩn lại mô hình. Về mặt lý thuyết, những bước nêu trên có thể thực hiện bằng những gói phần mềm có sẵn dạng bảng tính và chương trình phân tích. Tuy nhiên, do khối lượng dữ liệu lớn và sự phức tạp của nhớ vị trí nên quá trình xử lý sẽ vô cùng nhàm chán và không tránh khỏi nhưng sai số do con người gây nên. Để sắp xếp quá trình xử lý tốt hơn, hãng BDI đã phát triển một bộ chương trình có những chức năng sau đây:
 

WinGRF	Đồ họa Xử lý dữ liệu/Rút gọn So sánh dữ liệu
WinGEN	Tạo mô hình cầu Mô phỏng thử tải
WinSAC	Phân tích kết cấu Hiệu chuẩn lại mô hình Tính toán việc phân loại/ tải trọng

 Mặc dù sách hướng dẫn sử dụng phần mềm cả BDI cung cấp thông tin về việc vận hành từng chương trình riêng biệt thì những phần còn lại của tập hướng dẫn này vẫn hỗ trợ trong việc xác định tại sao có các chức năng khác nhau và cách sử dụng chúng như thế nào. Hình 9 cho thấy chu trình dữ liệu từ một chương trình chuyển sang chương trình khác như thế nào.

 
Do có nhiều tệp dữ liệu được tạo ra trong lúc thử tải, quá trình lập mô hình và phân tích tiếp theo nên người ta vẫn khuyến cáo nên tạo ra những thư mục con cho từng cây cầu. Quá trình phân tích dữ liệu sẽ được đơn giản hóa rất nhiều nếu toàn bộ dữ liệu của một kết cấu được lưu trữ trong cùng một thư mục.
 
Khảo sát sơ bộ đối với dữ liệu thử tải
 
Một trong những bước quan trọng nhất đối với quá trình đánh giá kết cấu chính là việc xem xét dữ liệu hiện trường. Đây là bước đầu tiên trong quá trình đánh giá hoạt động của kết cấu và rất cần thiết để hoàn tất công việc hiệu chuẩn mô hình cũng như phân loại tải trọng. Việc đánh giá trực quan đối với dữ liệu cung cấp cho kỹ sư cảm giác về chất lượng dữ liệu, sự xác định bộ phận trong mặt cắt ngang và hành động phản ứng. Rất nhiều thông tin thu được về bản chất là định tính như độ lớn tương đối của biến dạng từ vị trí này tới vị trí khác và hình dáng của chuỗi dữ liệu về phản ứng. Trong khi đánh giá sơ bộ, nên lưu ý tới những giá trị mang tính định lượng như những dữ liệu đo về trục trung hòa hay biến dạng đỉnh. Thông tin này thường ảnh hưởng tới việc xác định những thông số ban đầu của việc mô hình hóa cùng với những điều kiện biên sao cho mô hình ban đầu tối thiểu cũng chấp nhận được.
 
Phần mềm WinGRF được sử dụng để xem dữ liệu do nó có thể đọc được những tệp dữ liệu thô STS. Phần mềm này có những quá trình xử lý số liệu và công cụ đồ họa đa dạng, có thể đơn giản hóa quá trình theo dõi và quá trình so sánh tiếp theo cùng các kết quả phân tích. Cũng có thể sử dụng bảng tính để thực hiện nhưng điều này cần một khối lượng đáng kể dữ liệu được định dạng. Những phần tiếp theo mô tả về một qui trình kiểm tra điển hình được thực hiện trước khi hiệu chuẩn mô hình.

 
Phần lớn công việc theo dõi dữ liệu được thực hiện theo dạng chuỗi dữ liệu phản ứng mà biến dạng, độ cong hoặc vị trí trục trung hòa được thể hiện cho một chu trình chất tải hoàn chỉnh (lượt xe chạy )và là hàm số của thời gian hoặc vị trí tải trọng. Các đồ thị chỉ ra độ lớn của phản ứng tại vị trí gắn cảm biến như một hàm số của vị trí tải trọng và tương đương với đường ảnh hưởng. Vì hầu hết các kỹ sư đều quen thuộc hơn với biểu đồ lực cắt, mô men và chuyển vị (kết hợp với trạng thái chất tải đơn) nên đồ thị chuỗi dữ liệu phản ứng có thể bị xáo trộn lúc ban đầu. Chuỗi dữ liệu phản ứng rất hữu ích vì chúng chứa thông tin cho một chu trình chất tải hoàn chỉnh và mang tính đại diện cho việc dữ liệu được ghi thực tế như thế nào. Mỗi chuỗi dữ liệu được tạo ra từ một vị trí gắn cảm biến trong khi xe chạy qua. Vì vậy khi tiến hành thử tải một cây cầu có thể tạo ra hàng trăm chuỗi dữ liệu. Việc biên dịch những đồ thị này sẽ trở thành trạng thái thứ hai sau khi xem xét dữ liệu từ một loạt thí nghiệm thử tải (khoảng mười nghìn chuỗi số liệu về biến dạng). Sau khi thu được những kinh nghiệm ban đầu trong việc phân chia một lượng lớn dữ liệu thì nhu cầu về một phần mềm theo yêu cầu là hiển nhiên.
 
Tái tạo dữ liệu thử nghiệm
 
Tại hiện trường, người ta thường thực hiện một đến hai lượt chạy đối với mỗi đường thử tải. Điều này để đảm bảo phản ứng của kết cấu và qui trình thử tải đều có thể tái tạo. Quá trình tái tạo có thể kiểm tra nhanh bằng cách nạp những dữ liệu trùng lặp vào phần mềm WinGRF sau đó xem một hoặc hai chuỗi dữ liệu về biến dạng cùng một lúc. Trong phần lớn các trường hợp, biến dạng từ những kịch bản chất tải cụ thể sẽ năm trong phạm vi một vài micro-strain (10-6) hoặc một vài phần trăm so với nhau.
 
Một lỗi phổ biến tại hiện trường rất dễ phát hiện đó là việc mất hoặc “click” nhầm vị trí xếp tải. Không xét tới việc theo dõi vị trí xếp tải được thực hiện bằng tín hiệu radio bấm tay hay bằng thiết bị AutoClicker, các cú nhấp thường bị trượt hoặc những cú nhấp bổ sung bị tín hiệu radio chèn. Hiện tượng này xuất hiện khi kiểm tra việc tái tạo dữ liệu bởi vì chuỗi dữ liệu biến dạng sẽ bị lệch pha nhau. Vị trí trong tệp dữ liệu có thể dò bằng cách ghi nhớ nơi xảy ra việc thay đổi dữ liệu. Những cú nhấp bổ sung được nhận ra nhờ những phân đoạn phẳng trong biểu đồ ghi dữ liệu bởi vì đồ thị cho thấy ngay cả khi xe thử tải di chuyển thêm một chu trình thì biến dạng có thay đổi rất nhỏ. Những cú nhấp trượt trong đồ thị biến dạng thường thể hiện có độ dốc lớn hơn những vùng lân cận.

Những phần mềm biên tập văn bản như Notepad, WordPad, Brief, MultiEdit v.v… được sử dụng để định vị và hiệu chỉnh việc đánh dấu vị trí của chu trình. Những lỗi đánh dấu vị trí còn có thể phát hiện bằng cách hiển thị kết quả đo biến dạng với phần mềm STS. Tại phần cuối tệp dữ liệu biến dạng, những khối dữ liệu sau đây xác định vị trí xếp tải:
 

*   Vị trí bắt đầu
0.000E+00
 
*   Khoảng cách Clicker
10.46
 
*   Tổng số lượng lần nhấp
32
 
*   Số lần Clicker
0
67
125
...
 
Những chữ số nằm dưới tiêu đề “* Số lần Clicker” cho biết số lần lấy mẫu dữ liệu tại vị trí radio thu dò ra tín hiệu (lần nhấp). Nếu xe thử tải chạy với tốc độ không đổi vừa phải dọc theo cầu, vòng lặp giữa “số lần clicker” cũng không đổi. Nếu một vòng lặp quá ngắn, việc xóa giá trị lần nhấp lại là sai lầm. Nếu một vòng lặp lớn gấp khoảng hai lần những vòng lặp khác thì chèn một lần nhấp với giá trị nằm giữa những giá trị có trước và tiếp theo giá trị bị nhấp trượt. Cũng cần phải cập nhật giá trị cho “* Tổng số lượng lần nhấp”
 
Xác định sự liên quan/ đối với vị trí xe thử tải
 
Một điều thường hay xảy ra là những nhân viên tại hiện trường thường hay bỏ qua việc nhập những giá trị đối với “* Vị trí bắt đầu” và “* Khoảng cách Clicker”, hoặc nếu như có được nhập thì những giá trị đó lại sai. Bởi vậy những giá trị thích hợp cần được nhập trước khi thử dựng đồ thị từ dữ liệu thu được. Vị trí bắt đầu cần tương thích với kinh độ (tọa độ dọc) của mô hình cầu để thuận tiện cho việc so sánh giữa số liệu hiện trường và số liệu phân tích. Ví dụ:
 
 Nếu dữ liệu ghi bắt đầu trước vị trí X = 0 của mô hình cầu là 10 ft. (khoảng
3,05 m) và khoảng cách lăn bánh cho thiết bị AutoClicker là 10,6 ft. (khoảng
3,25 m), cần sử dụng những thông tin về vị trí như sau:
 
∗     Vị trí bắt đầu
-10,0
 
∗     Khoảng cách Clicker
10,6
•    Một lựa chọn khác, nếu như cầu có chiều dài là 100 ft. (khoảng 300,5 m), xe thử tải chạy từ phải sang trái (theo chiều âm của trục X) có xét đến hệ trục tọa độ của mô hình và dữ liệu ghi bắt đầu cách điểm cuối cầu 10 ft. thì thông tin về vị trí sẽ là:

∗     Vị trí bắt đầu
-110
 
∗     Khoảng cách Clicker
10,6
 
Hoạt động không đàn hồi hoặc trục trặc của đầu đo
 
Khi xem xét chuỗi dữ liệu biến dạng, một điều quan trọng cần lưu ý đó là số đọc ban đầu và số đọc cuối cùng trên mỗi cảm biến. Nếu các cảm biến hoạt động tốt và phản ứng có dạng tuyến tính thì số đọc ban đầu và cuối cùng sau mỗi chu trình chất tải gần như bằng nhau. Nếu không phải như vậy thì phải kiểm tra toàn diện dữ liệu để xác định nguyên nhân. Nói chung hoạt động không đàn hồi ít khi xảy ra trong trạng thái tải trọng khai thác. Đôi khi vẫn xảy ra hiện tượng offset tương đối nhẹ do ma sát trong gối đỡ ngăn cản chuyển vị cục bộ hoặc những đoạn dầm liên hợp một phần. Mức phản ứng không đàn hồi thường ít hơn 5 % so với biến dạng lớn nhất đo được.
 
Những sự cố thường hay xảy ra là nhiệt độ thay đổi (nhiệt độ bị trôi) hoặc đầu đo bị trục trặc. Đầu đo bị trục trặc thường biểu lộ không có chút phản ứng nào hoặc tín hiệu rất nhiễu có khuynh hướng bị trôi. Xem xét các dữ liệu từ hàng loạt thí nghiệm và những vị trí đặt cảm biến khác để biết nếu có can nhiễu và hiện tượng trôi liên kết tới một cảm biến hay những hiện tượng đó xuất hiện thực sự liên quan tới kết cấu. Một trường hợp khi cảm biến gắn không chuẩn thì rất dễ phát hiện. Độ lớn của biến dạng sẽ tăng (kể cả trường hợp kéo và nén) khi tải trọng gia tăng và sau đó rơi đột ngột khi cảm biến bị tách khỏi kết cấu. Điều này sẽ tạo nên những sai khác đáng kể giữa biến dạng lúc bắt đầu và khi kết thúc.

Nếu như xác định những số đo bất thường là do trục trặc của thiết bị thì chỉ cần bỏ qua dữ liệu từ những cảm biến bị lỗi. Khi xuất hiện những biểu hiện không đàn hồi thì nên cố gắng xác định nguồn gây ra và sử dụng thông tin một cách tốt nhất. Khi công việc phân tích dựa trên phản ứng đàn hồi tuyến tính thì độ chính xác của mô hình sẽ bị giảm đi. Sự biểu diễn tuyến tính tiếp theo nên dựa vào mức độ vừa phải. Trong trường hợp quan hệ liên hợp cục bộ, việc phân loại tải trọng rất có khả năng dựa vào trường hợp không liên hợp. Nếu trạng thái gối đỡ dầm được phát hiện là hoạt động không đàn hồi thì nên dùng giả thiết gối đỡ đơn giản cho mô hình cuối cùng (mô hình đã được hiệu chuẩn).
 
Những trạng thái khác có thể xuất hiện xuất hiện hoạt động không đàn hồi là sự thay đổi nhiệt độ thất thường. Thông thường một chu trình chất tải đơn kéo dài không quá một phút nên có thể bỏ qua những hiệu ứng của nhiệt độ. Tuy nhiên trong trường hợp cảm biến/đầu đo bị phơi nắng trên thanh dàn thì sẽ bị ảnh hưởng rất nhanh khi bị mây che phủ do khối lượng của nó quá nhỏ hoặc quán tính nhiệt. Những trạng thái gây ra bởi gió cũng có thể gây ra biến dạng nhiệt cục bộ khi gắn kèm những bản đế bằng nhôm. Tốt nhất là phát hiện những hiện tượng này tại hiện trường và giải quyết bằng cách che phủ những đầu đo bị phơi ra. Khi không thể thực hiện các giải pháp và rõ ràng có sự trôi nhiệt độ xuất hiện ở một loạt cảm biến thì cách tốt nhất là kiểm tra dữ liệu từ những lượt xe chạy trùng lặp và chọn ra một lượt chạy (tệp dữ liệu) ít bị ảnh hưởng của môi trường nhất.

  
Trong một số trường hợp, việc thử tải được tiến hành tại nơi xe thử tải không thể ra hẳn ngoài cầu hoặc bắt đầu tại vị trí chưa được dỡ tải hoàn toàn tại thời điểm bắt đầu/kết thúc thử nghiệm. Điều này xảy ra sẽ dẫn đến có thể không kiểm định được quan hệ đàn hồi. Là một trong những biện pháp đưa ra điểm “0” tham chiếu đối với biến dạng đo được, phần mềm WinGRF cung cấp ba chức năng bù đắp khi nạp dữ liệu STS:
 
•   Loại trừ giá trị bù ban đầu
•   Loại trừ giá trị bù cuối cùng
•   Không loại trừ giá trị bù
 
Những lựa chọn này loại trừ những giá trị biến dạng đầu tiên và cuối cùng từ tất cả các điểm dữ liệu khác để tạo ra trạng thái “0” tham chiếu.
 
Vị trí trục trung hòa
 
Vị trí trục trung hòa có thể tính toán từ dữ liệu thô bằng phần mềm WinGRF. Như đã trình bầy trong phần Bố trí thiết bị, phép đo trục trung hòa được thực hiện với hai cảm biến gắn trên một mặt cắt ngang và cần đến những giá trị biến dạng liên quan đến sức kháng uốn. Hình 10 giới thiệu cách tính toán trục trung hòa và độ cong từ số đo của hai cảm biến.

 

 
WinGRF có thể thực hiện công việc tính toán trục trung hòa từ tệp dữ liệu thô sau khi người sử dụng đã nhập những thông tin liên quan tới cặp cảm biến. Với menu đồ họa xác định, người sử dụng có thể xác định cặp cảm biến hay “Những vị trí Phi”. Đối với mỗi cặp cảm biến, người sử dụng phần mềm phải định danh cho cảm biến trên và dưới cũng như định rõ khoảng cách giữa các cảm biến. Khi vẽ sơ đồ trục trung hòa người sử dụng được nhắc cần xác định độ chênh biến dạng nhỏ nhất giữa các cảm biến trên và dưới. Sở dĩ có điều này là vì việc tính toán trục trung hòa sẽ vô hiệu khi không có chênh lệch về biến dạng và dễ bị ảnh hưởng bởi sai số rất nhỏ. Giá trị mặc định là 20 µå nên phép đo không bị ảnh hưởng nhiều bởi độ phân giải của hệ thống thu nhận dữ liệu cũng như độ chính xác của đầu đo. Ví dụ như khi vẽ đồ thị, trục trung hòa được xem như là hàm số của vị trí xe thử tải (hoặc thời gian) và chỉ tính toán và hiển thị khi sai khác giữa biến dạng trên và dưới lớn hơn độ chênh biến dạng nhỏ nhất do người dùng xác định.
 
Những giá trị trục trung hòa dao động bất thường là biểu thị cho những đặc trưng phi tuyến của mặt cắt ngang hoặc không phải đơn thuần chỉ có sức kháng uốn. Nếu như ứng suất của tải trọng dọc trục có liên quan đáng kể tới ứng suất uốn hơn tính toán nêu trên thì phương pháp này vô hiệu. Một điều quan trọng cần nhận thấy là hiếm khi có uốn thuần túy và nhiều biến dạng thứ cấp có thể gây ra ảnh hưởng tới phép đo trục trung hòa. Tình trạng không rõ ràng cục bộ khá phổ biến đối với những số đọc của cảm biến trên khi các bánh xe thử tải lăn qua vị trí cảm biến. Những thay đổi này thường là do áp suất theo phương đứng, xoắn cắt hoặc uốn cục bộ cánh dầm và phải được loại bỏ khi đánh giá trục trung hòa tương ứng với sức kháng uốn thuần túy.

Do góc đo rất nhỏ (đơn vị là micro-radian) nên tốt nhất là gắn các cảm biến càng xa nhau càng tốt để tối đa hóa độ chênh biến dạng và tối thiểu hóa ảnh hưởng từ những sai số nhỏ của cảm biến.

Đơn vị đo của trục trung hòa giống với đơn vị đo được dùng để xác định khoảng cách và các kết quả sẽ có liên quan tới vị trí đặt cảm biến dưới. Đường cong uốn cũng có thể tính toán từ những cặp cảm biến được xác định, trong trường hợp này đơn vị dùng cho việc xác định cặp cảm biến nên phù hợp với đơn vị khoảng cách cơ sở dùng trong phân tích. Điều này là do đường cong phân tích được tính toán như (M/EI) dẫn tới sự thay đổi góc xoay trên chiều dài đơn vị.
  
Mối quan hệ phi tuyến

Khi kiểm tra chuỗi dữ liệu biến dạng, luôn phải để ý tới những phản ứng bất thường có thể biểu thị mối quan hệ phi tuyến. Chuỗi dữ liệu biến dạng thông thường biểu thị những phản ứng tuyến tính bao gồm những đường đồ thị trơn đều, không có những thay đổi thất thường hoặc đột ngột về độ lớn/biên độ. Độ dốc của đồ thị biến thiên theo vị trí của xe thử tải tương ứng với vị trí gắn cảm biến nhưng thông thường sự chuyển tiếp từ giai đoạn này sang giai đoạn kế tiếp đều trơn phẳng. Hình 11 mô tả chuỗi dữ liệu biến dạng có mối quan hệ tuyến tính. Lưu ý rằng số đọc cảm biến trên và dưới giao nhau tại điểm không của trục biến dạng. Điều này thể hiện sức kháng/phản ứng của hều hết các bộ phận trong kết cấu là uốn thuần túy và không chịu ảnh hưởng của tác động dọc trục.
 
Các cảm biến gắn ở cánh trên của mặt cắt ngang dầm có xu hướng gặp những sự cố về quan hệ phi tuyến. Khi xảy ra sự trượt tách giữa bản mặt cầu và dầm ở trạng thái bán liên hợp, cảm biến gắn phía trên sẽ chịu ảnh hưởng lớn của sự thay đổi vị trí trục trung hòa. Một điều thú vị cần lưu ý là cảm biến gắn phía dưới hầu như không bị ảnh hưởng của việc dịch chuyển trục trung hòa. Đây là phản ứng thông thường và biểu thị độ cứng của dầm không có quan hệ tuyến tính với tải trọng, mô đun của mặt cắt liên quan tới cảm biến phía dưới gần như là hằng số. Hình 12 nêu một ví dụ về chuỗi dữ liệu biến dạng cánh trên và cánh dưới dầm tại trạng thái bán liên hợp.

   
   
Một sự cố tương đối hay gặp nữa là trạng thái gối đỡ tuyến tính kép. Dạng này chủ yếu được phát hiện tại công trình cầu thép có gối đỡ hoặc tường mố đã bị hỏng hoặc dầm chịu tải trọng vượt quá giới hạn đàn hồi nên bị uốn thường xuyên (vĩnh cửu). Điều này dẫn đến đầu dầm sẽ không tiếp xúc được với gối đỡ và chỉ tiếp xúc khi bị tải trọng của xe ấn xuống. Hình 13 đưa ra ví dụ minh họa cho trường hợp này. Biến dạng mang dấu âm xuất hiện ở giữa nhịp khi xe thử tải mới tới đầu cầu được tạo ra do tác động hẫng của dầm. Một khi đầu dầm đã bị nhấn chạm xuống gối đỡ thì phản ứng trở lại bình thường.

 
 
Ứng dụng Hệ số đầu đo thứ cấp

Thông thường người ta sử dụng bổ sung một số nhân cho một số hoặc toàn bộ số đọc thô của biến dạng. Nhu cầu dùng Hệ số đầu đo thứ cấp phổ biến nhất đối với khi dùng đầu đo gắn lên kết cấu BTCT. Trong quá trình thử tải, cảm biến Intelliducer tự nhận dạng bản thân đối với hệ thống thu thập dữ liệu. Sau đó hệ thống thu thập dữ liệu tìm kiếm hằng số hiệu chuẩn chính xác và sử dụng hệ số cho số đọc biến dạng. Những hệ số này qui định biến dạng chính xác đối với mối quan hệ giữa hiệu điện thế với chiều dài cơ bản của cảm biến. Sự thay thế một cảm biến mở rộng tập trung vào bản thân cảm biến nên việc đo biến dạng được khuếch đại và số đo thu được không bằng biến dạng thực tế. Hệ số đầu đo thứ cấp phải sử dụng là một hàm số của chiều dài dãn nở và có thể sử dụng như một hệ số giữa chiều dài nguyên thủy của cảm biến trên chiều dài dãn nở như trong phương trình (1):
 
 

     

GF = 0, 9 ×  Li   
 Lx  
Trong đó:    Li là chiều dài nguyên thủy của cảm biến (3 in.)
Lx  là chiều dài dãn nở của cảm biến (6, 9, 12, 15, 18, 21 hoặc 24in.)

Những trường hợp khác có nhu cầu sử dụng hệ số đầu đo thứ cấp bao gồm cảm biến sử dụng là loại không tương thích Intelliducer nên hệ thống không tự động gán hệ số hiệu chuẩn, hệ thống STS không tìm được hệ số hiệu chuẩn cho riêng từng cảm biến (tệp XDUCER.CAL) hoặc dữ liệu hiển thị trên các thiết bị khác với những dữ liệu đã được chỉ định bằng hệ số hiệu chuẩn.
 
Lập mô hình và Phân tích kết cấu
 
Nguyên nhân chính dẫn tới việc phát triển “Phương pháp Tích hợp” để phân loại tải trọnglà do việc nhận thấy qui trình thiết kế đều dựa trên những phân tích đã được đơn giản hóa (phân tích dầm với hệ số phân bố) không đáp ứng đầy đủ việc tái hiện hoạt động thực tế của kết cấu hiện hữu. Việc sử dụng những hệ số phân bố là hợp lý đối với công việc thiết kế vì chúng đáp ứng đủ yêu cầu của thiết kế và tạo ra những cây cầu an toàn cho hầu hết các trường hợp. Tuy nhiên khi xem xét tới những cây cầu hiện hữu cần có những phân tích phức tạp hơn để có được sự phân loại tải trọngchính xác hơn. Yêu cầu về phân loại tải trọng chính xác hơn thường kết hợp với việc dành ưu tiên cho thay thế cầu cũ, xác định lộ trình được phép của xe tải hoặc xác định giới hạn tải trọng gần với thực tế hơn đối với những cầu có biểu hiện hoạt động còn tốt nhưng theo những tính toán cơ bản lại cho kết quả phân loại/kém. Trong những trường hợp như vậy các cầu có thể được kiểm tra riêng biệt sao cho yếu tố độ cứng cụ thể cho từng cầu có thể xác định và sử dụng được.
 
Kết quả từ hàng loạt các dự án nghiên cứu và thử tải chỉ ra rằng việc phân tích chính xác đòi hỏi phải lập mô hình cho phân bố tải trọng toàn bộ chứ không chỉ cho một bộ phận tải trọng tác động vào riêng một cấu kiện. Bởi vậy những phân tích dùng để so sánh với phản ứng đo được như trong “Phương pháp Tích hợp” không nên dựa trên hệ số phân bố tải trọng mà dựa trên sự tái hiện hợp lý về mặt hình học thực tế của kết cấu. Sự phức tạp về hình học của mô hình thay đổi phụ thuộc vào dạng kết cấu.
 
Đối với phần lớn dạng cầu, mô hình phẳng là đủ cho việc tái hiện hướng truyền lực với mức độ chính xác hợp lý bởi vì cả phân bố lực ngang và lực dọc đều có thể giả lập. Những bộ phận có độ cứng dọc gồm có dầm, trạng thái đầu dầm còn bản mặt cầu, các xà ngang và những biến đổi về độ cứng dọc theo cầu đem lại sự truyền lực ngang. Với một mô hình phẳng những đặc tính như góc nghiêng, tỷ số tương quan giữa chiều dài và khoảng cách dầm và độ cứng do phần gờ chắn xe và lan can đem lại đều có thể giả lập.
 
Những yêu cầu khác đối với việc mô hình hóa một cách thực tế và thực hiện “Phương pháp Tích hợp” bao gồm áp dụng đầy đủ các loại tải trọng xe, khả năng tính toán phản ứng tương thích với số đo của thử tải, phương pháp so sánh kết quả và đánh giá độ chính xác của mô hình và những công cụ làm tăng độ chính xác. Một số lượng đáng kể nhớ vị trí cần thiết để so sánh giữa kết quả phân tích và thử tải. Đối với việc thử tải cho một cây cầu điển hình, có thể cần tới 64 cảm biến và 2 hoặc 3 đường thử tải, biến dạng được ghi liên tục suốt quá trình thử.  Trạng thái của tải trọng tác động có thể giả lập bằng việc phân tích trên 100 trường hợp tải trọng khác nhau, có nghĩa là tạo ra hàng nghìn điểm dữ liệu để so sánh. Để quá trình này có thể thực hiện được, phải áp dụng tự động hóa càng nhiều càng tốt.

 
Sự đa dạng của của những phân tích phẳng bao gồm các phương pháp phần tử hữu hạn, kỹ thuật grillage, bán liên tục và những phương pháp khác. Phương pháp nào cũng có thể cho ra kết quả, tuy nhiên hãng BDI chọn phương pháp phần tử hữu hạn do nó có độ linh hoạt trong việc lập mô hình áp dụng rộng rãi được cho nhiều dạng kết cấu. Cũng cần thực hiện những chức năng riêng biệt của “Phương pháp Tích hợp” sao cho việc lập mô hình, so sánh và hiệu chuẩn có thể thực hiện một cách đầy đủ. Đó là lý do vì sao BDI lại chọn việc phát triển phần mềm riêng hơn là sử dụng những gói phần mềm phân tích có sẵn. Những phần tiếp theo nêu chi tiết về những chức năng phân tích có thể và những kỹ thuật lập mô hình được khuyến cáo.
 
Gói phần mềm phân tích do WinSAC cung cấp là một chương trình phần tử hữu hạn 3-D dùng chung. Tuy nhiên phần lớn các công cụ lập mô hình đều hướng tới mô hình hóa một cây cầu điển hình như một kết cấu dạng ô lưới. WinGEN là chương trình tạo mô hình dùng để khởi tạo các tệp đầu vào SAC. Nó cho phép người kỹ sư nhanh chóng tái lập mô hình 2-D của cầu và thực hiện những bước cần thiết để giả lập thí nghiệm thử tải.
 
Cũng có thể khởi tạo những mô hình 3-D và phân tích. Tuy nhiên với tình trạng về phần mềm như hiện nay thì quá trình này hết sức phức tạp. Một tổ hợp phần mềm CAD, WinGEN và những thao tác tính tay đối với dữ liệu đầu vào là cần thiết. Để đơn giản, phần hướng dẫn này chỉ xem xét những qui trình lập mô hình
2-D trong tài liệu này.

Đặc tính hình học của mô hình
 
Bước đầu tiên trong việc tạo ra một mô hình thực tế là giả lập đặc tính hình học một cách tối ưu nhất. Để thực hiện điều này ccó số lượng chính xác dầm dọc, khoảng cách, chiều dài nhịp và góc xiên. Những vấn đề khác có thể cần xem xét là các cấu kiện phương ngang, bề rộng trụ đỡ trong và mô hình hóa gờ chắn xe và lan can. Mục thứ hai cũng quan trọng bởi vì nó kiểm soát vị trí các điểm làm việc (vị trí những nút bắt buộc). Ví dụ: nếu như bản mặt cầu của cầu dầm bản không lao hẫng qua dầm ngoài nên tải trọng bánh xe không thể tác động có hiệu quả giữa trục dầm và gờ chắn xe thì dầm biên cùng với gờ chắn/lan can có thể xem như một dầm đơn. Bất kỳ độ cứng của gờ chắn đều có thể giả thiết có góp phần cho độ cứng dầm biên. Nói một cách khác, nếu như bản mặt cầu không có độ hẫng đáng kể (Lớn hơn 2 ft. tính từ tim dầm đến bề mặt gờ chắn) thì gờ chắn/lan can được coi là một dầm riêng biệt.

 
WinGEN cho phép người sử dụng xác định thông số hình học cơ bản của hầu hết các cầu bản và cầu dầm bản bằng cách điền vào bảng tương ứng thông tin nêu trên bằng những thông số được tinh lọc theo hệ lưới mong muốn. Sau đó hệ lưới bao gồm các nút và liên kết phần tử được xác định tự động và thể hiện như trên Hình 14.
  

 
Tiếp theo hệ lưới được điều chỉnh thêm bằng cách thêm vào những phần tử theo phương ngang tại những vị trí xác định cùng các liên kết lò xo để giả lập trạng thái gối đỡ đàn hồi. Khi lập mô hình luôn cần có những thành phần phương ngang (dầm ngang) vì chúng có một số ảnh hưởng nhất định tới sự phân bố lực theo phương ngang. Chúng thường được sử dụng như những điểm tham chiếu tại hiện trường khi định vị đầu đo trên kết cấu nên cũng thuận tiện trong việc xác định  những  điểm  tương  tự  trên  mô  hình.  Những  thành  phần  chịu  lực  theo phương ngang (không có độ cứng) cũng có thể sử dụng để kẻ đường nút đặt lực tại những vị trí riêng biệt (ví dụ như những vị trí nối hay bề mặt toàn bộ trụ hoặc mố cầu). Thông thường, bề rộng thực tế của gối đỡ phía trong có thể tác động tới phản ứng của kết cấu. Điều này rất phổ biến đối với các bản BTCT liên tục được đỡ toàn bộ có bề rộng gối đỡ tối đa là 1/10 chiều dài nhịp. Trong trường hợp này, có thể nên lập mô hình bản dầy hơn tại vị trí gối đỡ hoặc giả lập trạng thái gối đỡ dài. Điều này giúp cho việc tái tạo chính xác hơn và chuyển vùng chịu cắt nguy hiểm tới bề mặt của trụ hơn là để tại trung tâm trụ.

Những phần tử lò xo nên đưa vào tất cả những vị trí gối đỡ dầm và thông thường những nút trung gian của bản dọc theo tuyến mố và trụ. Việc xác định gối đỡ chính xác gần như là yếu tố quan trọng nhất để thu được một mô hình cầu sát với thực tế. Bất kỳ nút nào bị kết cấu ngăn cản cục bộ đều được gắn liên kết lò xo. Tài nguyên tối thiểu có thể đặt về không nếu có thể bỏ qua việc bổ sung lò xo và hằng số độ cứng, bởi vậy sẽ có lợi hơn nếu đặt chúng vào chỗ cần có hơn là thêm chúng vào sau.
 
Sự đa dạng của những vấn đề xảy ra với những phần khác của việc xác định mô hình khi lưới phần tử bị thay đổi. Những việc như bố trí cảm biến, xác định nhóm bộ phận kết cấu và điều kiện biên thường thay đổi nên bất kỳ lúc nào có thể, cách tốt nhất là định hình lần cuối về hình học trước khi tiếp tục xác định mô hình.
 
Những bộ phận hợp thành mô hình
 
Những bộ phận chính cấu thành một mô hình cầu bao gồm những phần tử khung thể hiện dầm chính và dầm ngang, phần tử dạng vỏ thể hiện bản mặt cầu, phần tử lò xo để giả lập lại liên kết đàn hồi của gối đỡ và các điều kiện biên. Tiếp theo việc xác định yếu tố hình học là việc đặt vào vị trí những bộ phận cấu thành mô hình của cấu kiện bằng thủ tục tạo lưới. Như thế có nghĩa là toàn bộ những phần tử khung, tấm/vỏ và lò xo đều được đặt vào đúng chỗ và gắn liền với các nút phần tử. Tuy nhiên tới điểm này chưa có sự kết hợp giữa những bộ phận kết cấu với thuộc tính của vật liệu và đặc trưng mặt cắt ngang.
  
Mặc dù cả phần tử lò xo và điều kiện biên đều cùng liên kết với vị trí gối đỡ, một điều rất quan trọng cần phải hiểu chúng không giống nhau. Lò xo là bộ phận hợp thành mô hình kiểu phần tử hữu hạn đơn giản nhất qui định một số cấp độ của độ cứng đối với một hoặc nhiều bậc tự do và có xu hướng đưa ra một số dạng cản trở chuyển động. Mặt khác, điều kiện biên chỉ đơn thuần “bộ chuyển mạch nhị phân” cùng với các nút phần tử xác định có hay không bậc tự do riêng có thể chuyển động. Điều kiện biên có thể giả lập bằng các phần tử lò xo, bằng cách nhập giá trị độ cứng bằng không hoặc vô cùng (hoặc một số thật lớn).
 
Những thuộc tính của vật liệu và mặt cắt ngang
 
Những thuộc tính của vật liệu và mặt cắt ngang được tạo ra và phân theo các nhóm bộ phận kết cấu. Sau đó những nhóm này được chỉ định cho những phần tử khác nhau. Khi sử dụng phương pháp này, không cần xác định rõ thuộc tính của vật liệu và mặt cắt ngang đối với bộ phận kết cấu riêng lẻ. Thông thường, những bộ phận kết cấu có cùng loại mặt cắt ngang thì được đưa vào cùng một nhóm. Tuy nhiên có thể tạo ra nhiều nhóm có thuộc tính giống hệt nhau khi có nhu cầu phát sinh. Ví dụ như lúc đầu, dầm giữa và dầm biên có thể chung thuộc tính nhưng nhiệm vụ từng nhóm khác nhau nên chúng có thể thay đổi một cách độc lập trong quá trình hiệu chuẩn mô hình. Nhiệm vụ của từng nhóm bộ phận kết cấu có thể được kiểm soát bằng sự đa dạng khả năng của bộ phận kết cấu ngay cả khi những đặc trưng về độ cứng hầu như không thay đổi.

 
Dạng phần tử (dầm/khung, tấm/vỏ hoặc lò xo) là thông số đầu tiên được xác định cho từng nhóm bộ phận kết cấu đi theo cùng những thông số độ cứng khác nhau kết hợp với phần tử. Thuộc tính của tấm và lò xo phải được xác định rõ ràng; phần tử tấm cần có những giá trị về chiều dầy, mô đun trung bình của vật liệu, hệ số Poisson, còn phần tử lò xo được xác định bằng hằng số của lò xo đối với từng bậc tự do. WinGEN có những công cụ để tạo ra thuộc tính độ cứng cho nhiều kiểu mặt cắt ngang dầm đa dạng như bảng tra thép của AISC và công cụ đồ họa dựng mặt cắt ngang. Từng nhóm bộ phận kết cấu phải được đặt tên riêng biệt để sau này có thể tham khảo, tra cứu.
 
Mối quan hệ liên hợp giữa dầm và bản mặt cầu có thể được xác định bằng định nghĩa của mặt cắt ngang hay gợi ý bằng đặc trưng hình học. Bật chế độ “Composite/Liên hợp” một đoạn biến đổi được tạo ra. Những phần chia của bản mặt cầu được xác định theo chiều dầy bản, bề rộng hữu hiệu của cánh dầm và cánh vòm (phần khuỷu giữa bản mặt cầu và cánh trên dầm). Cũng cần xác định cả tỷ số độ cứng của vật liệu làm dầm và bản mặt cầu. Đặc trưng của mặt cắt ngang được tự động tính toán đối với đoạn biến đổi. Tuy nhiên diện tích mặt cắt ngang lại hoàn toàn dựa vào phần không liên hợp của dầm. Khi mối quan hệ liên hợp được mô hình hóa theo cách này, bằng phương pháp phân tích người ta coi như trục trung hòa của dầm liên hợp nằm ở mặt phẳng giữa phần tử vỏ bản mặt cầu (độ lệch tâm bằng không).
 
Một phương pháp khác để giả lập những hoạt động liên hợp là qui định độ lệch tâm để chỉ rõ khoảng cách giữa trọng tâm dầm và tâm của các phần tử bản mặt cầu. Trường hợp này dầm được xác định như dầm không liên hợp (không có đoạn chuyển đổi) và mối quan hệ liên hợp có được hoàn toàn nhờ vào yếu tố hình học. Vì dầm offset từ bản mặt cầu thông qua liên kết cứng, phần tử dầm sẽ chịu cả lực uốn và lực dọc. Về mặt kỹ thuật, phương pháp này gần với thực tế hơn đối với việc tái hiện lại quan hệ liên hợp. Tuy nhiên do bản chất của việc truyền lực cắt giữa các phần tử vỏ và dầm nên cần hệ lưới phần tử dầy hơn. Theo hướng tiếp cận này, việc phân loại tải trọng trở nên phức tạp hơn vì ứng suất là hàm số của hai lực thành phần. Hình 15 minh họa cả hai dạng kết cấu hoạt động liên hợp mà WinGEN có thể lập mô hình.

 
Nhóm thành phần được xác định
 
Những thuộc tính độ cứng của một phần tử được xác định bằng cách gán nhóm mặt cắt ngang của bộ phận kết cấu cho bộ phận đó. Việc này được thực hiện bằng cách lựa chọn tên nhóm từ danh sách, sau đó lựa chọn bộ phận kết cấu được hỗ trợ. Sử dụng trỏ chuột lựa chọn những bộ phận kết cấu trong ô cửa sổ. Di chuyển từ trái qua phải cửa sổ dùng để lựa chọn tất cả các bộ phận kết cấu nằm trọn vẹn trong cửa sổ; từ phải qua trái để lựa chọn những bộ phận trong hình chữ nhật cũng như những bộ phận ngoại biên. WinGEN chỉ lựa chọn những bộ phận kết cấu đúng chủng loại. Ví dụ như khi nhóm đang là kiểu dầm thì chỉ có dầm được lựa chọn. Bởi vậy người dùng không phải lo lắng tới việc gán nhầm thuộc tính của dầm cho phần tử bản có thể nằm cùng trong cửa sổ hình chữ nhật.
 
Chất tải

Việc chất tải được thực hiện làm hai giai đoạn. Đối với giai đoạn đầu, dữ liệu được so sánh với dữ liệu thử tải và một điều hết sức quan trọng là phải giả lập được trạng thái thực của tải trọng tác dụng. Chỉ sử dụng hoạt tải xe thử vì biến dạng đo được đều do hoạt tải gây ra. Vệt bánh xe thử tải được xác định sao cho khoảng cách trục, bề rộng bánh và tải trọng bánh xe giống với xe thử tải thực tế. Nếu có nhiều cầu cần tiến hành thử tải cùng với một loại xe thử tải thì điều này rất thuận lợi để lưu trữ cấu hình trên trong thư viện xe thử tải.
 
Sau khi xác định được xe thử tải, phải xác định được đường thử tải phù hợp với đường thử tải thực tế. Phải đánh dấu vị trí phương ngang tương ứng với trên kết cấu, bởi vậy đường thử tải thực tế phải được ghi lại chính xác và báo cáo trong bản ghi hiện trường. Mỗi đường thử tải được giả lập bằng một chuỗi những vị trí riêng rẽ của xe thử (trường hợp tải trọng xếp theo dãy). Đường thử tải được xác định trong WinGEN bằng cách qui định vị trí bắt đầu, vị trí kết thúc và khoảng cách lặp. Một điều quan trọng cần ghi nhớ là những giá trị xác định đường thử tải phải được định rõ theo hệ tọa độ của mô hình và điểm tham chiếu của xe thử tải là bánh trước bên trái. Những vị trí riêng rẽ không cần phải phù hợp với những khoảng cách lặp “click” của quá trình thử tải. Trong trường hợp việc phân tích tải trọng tác dụng bằng không thì tốt nhất vẫn phải có một số xe thử tải ít nhất ở vị trí đầu và cuối. Nên lựa chọn một chu trình xếp xe thuận lợi sao cho có thể giả lập một cách thích hợp hình dáng đường cong quá trình phản ứng. Thông thường từ 10 đến 15 lần xếp là phù hợp cho một nhịp

 
Sau khi xác định đường thử tải nên xem lại trên màn hình để đảm bảo sự chính xác. Trong số những lỗi thường hay gặp nhất khi lập mô hình là sai sót trong việc xác định đường thử tải. Một kịch bản dễ hình dung nhất là xe thử tải được cung cấp sai hướng chạy nên chạy ngược lại, vị trí ngang được đo từ phía hành khách chứ không phải phía người lái hoặc đưa ra ký hiệu nhầm đối với vị trí để ra dấu cho xe chạy sang phải hoặc trái. Một lỗi phổ biến nữa trong bước này là chỉ xác định một vệt trục bánh xe nên trong mô hình chỉ thể hiện có một nửa tải trọng tác động lên kết cấu. Do đó từng đường thử phải được hiển thị từ đầu đến cuối.
 
Khi quá trình tiến tới giai đoạn phân loại tải trọng, cần xây dựng một mô hình phân loại riêng. Mô hình này có những điều kiện phân loại tải trọng, thường khác với những điều kiện thử tải. Trước hết xe thử tải là xe tải loại tiêu chuẩn hoặc xe chế tạo theo yêu cầu. Đường thử tải cũng phải xác định sao cho tạo ra tải trọng tới hạn cho tất cả các bộ phận kết cấu. Những chỉ dẫn kỹ thuật của AASHTO yêu cầu vệt bánh xe phía ngoài cách gờ chắn 2’ – 0 để tạo ra tải trọng tới hạn cho dầm biên. Cũng cần   xác định những đường thử tải dự phòng/bổ sung để tạo ra kịch bản tải trọng nhiều làn. AASHTO còn chỉ rõ khoảng cách giữa các xe (theo làn) là 10 ft.
 
Phải xác định một loạt đường xe thử tải để tối thiểu có được tải trọng tới hạn trên một dầm trong. Đặt trực tiếp tải trọng bánh xe lên dầm trong và bổ sung thêm đường tải trọng nhiều làn. Lặp lại lần nữa, vị trí xe đầu và cuối lần lượt chỉ nằm trong và gần như ngoài phạm vi kết cấu. Đường thử tải có thể được tạo ra để điểu khiển những xe dài nhất để phục vụ việc tiến hành đánh giá. Khoảng cách vị trí hợp lý nhất để tạo ra trạng thái tải trọng tới hạn đối với tất cả bộ phận kết cấu khoảng 1/12 nhịp ngắn nhất. Khoảng cách này ngắn hơn khoảng cách dùng cho đường thử hiệu chuẩn mô hình. Khi hiệu chuẩn, mục tiêu chính là tạo ra mô hình có khả năng tái hiện kết cấu chứ không cần những phản ứng then chốt nhất. Cần hết sức lưu ý là càng nhiều trường hợp xếp tải thì thời gian tiến hành cũng tăng lên nên tốt nhất là tránh những tính toán không cần thiết.
 
Vị trí gắn cảm biến/đầu đo

Cảm biến được định vị bằng đồ họa theo cách giống như gắn tại hiện trường. Đối với dạng cầu dầm – bản, các cảm biến được gắn chủ yếu lên phần tử dầm chính hoặc đáy dầm bản trên cầu bản BTCT. Trong cả hai trường hợp đều sử dụng một số điểm dễ tham chiếu để định vị từng cảm biến. Điểm tham chiếu có thể là bất cứ điểm nào trên mô hình (gối đỡ, điểm giao cắt các dầm ngang, chỗ

mặt cắt ngang thay đổi).
 
Đối với cảm biến gắn vào dầm, người sử dụng định vị điểm tham chiếu rồi sau đó định vị thêm một điểm để  định hướng. Tiếp theo chương trình sẽ nhắc người dùng về khoảng cách từ điểm tham chiếu và thông tin về số lượng cảm biến trong mặt cắt ngang cũng như ID của cảm biến. Sau khi xác định được vị trí trên mô hình hình ảnh của mặt cắt ngang sẽ hiển thị và người dùng định vị bằng đồ họa vị trí của cảm biến trên bề mặt dầm. Để thuận tiện cho cho quá trình so sánh dữ liệu tiếp theo phải qui định ID của cảm biến giống với ID đã liệt kê trong bản ghi hiện trường.
 
Đối với cảm biến gắn vào dầm, người sử dụng định vị điểm tham chiếu rồi sau đó định vị thêm một điểm để định hướng. Tiếp theo chương trình sẽ nhắc người dùng về khoảng cách từ điểm tham chiếu và thông tin về số lượng cảm biến trong mặt cắt ngang cũng như ID cảm biến. Sau khi xác định được vị trí trên mô hình, hình ảnh của mặt cắt ngang sẽ hiển thị trên màn hình và người dùng định vị bằng đồ họa vị trí của cảm biến trên bề mặt dầm. Để thuận tiện cho quá trình so sánh dữ liệu tiếp theo, phải qui định ID của cảm biến giống với ID được liệt kê trong bản ghi hiện trường.
 
Các cảm biến gắn trên bản cũng tương tự như vậy, ngoại trừ việc nhập các kích thước theo phương dọc và phương ngang để định vị cảm biến so với điểm tham chiếu. Tiếp theo người dùng phải xác định vị trí trục trung hòa của bản, ID cảm biến và hướng theo chiều dọc của cảm biến so với trục X và trục Y của bản.
 
Đôi khi việc xác định khoảng cách theo phương đứng từ trục trung hòa của bản BTCT tới cảm biến đòi hỏi phải có cách nhìn mang tính kỹ thuật. Một trong những mục tiêu chính của việc thử tải là xác định vị trí trục trung hòa, tuy nhiên quá trình này sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong trường hợp kết cấu dạng bản. Việc tính toán đòi hỏi phải có được biến dạng từ hai chiều cao. Không kể đến phần rìa bản thường bố trí gờ chắn và lan can thì bề mặt phần đáy bản có thể tiếp cận trong thực tế. Về mặt lý thuyết, các cảm biến cũng có thể bố trí ở phần trên bản thẳng hướng với các cảm biến phần dưới nhưng điều này lại không thực tế. Bề mặt phía trên thường có lớp asphalt dày vài inch không thuận lợi cho việc đo biến dạng, ngoài ra còn có ảnh hưởng của giao thông ở phía trên cầu. Bằng những cố gắng đáng ghi nhận trong việc bảo vệ đầu đo và cáp nối vẫn có thể tiến hành đo trên bề mặt nhưng thành công rất hạn chế. Dựa vào những kết quả đo nêu trên và việc nhận thấy trục trung hòa nằm giữa hai cực (phần bị nứt theo lý thuyết và phần giữa bề mặt bản (toàn bộ là bê tông)), vị trí nằm giữa bề mặt chịu nén (bê tông) và trọng tâm cốt thép chịu kéo được lựa chọn là vị trí thích hợp của trục trung hòa. Như vậy, đối với những vị trí bên trong bản, giá trị nhập vào của khoảng cách từ trục trung hòa mang dấu âm (bên dưới) với độ lớn bằng khoảng cách giữa vị trí giả định của trục trung hòa và đáy bản. Lưu ý là các tính toán có thay đổi một chút giữa vùng mô men âm và mô men dương bởi vì trong trường hợp đầu cảm biến được gắn trên bề mặt chịu kéo, nơi mô men âm nằm trong vùng chịu nén.

 
Đối với phần mềm hiện tại, có nhiều tình huống dẫn đến sai sót nếu có thay đổi trong việc xác định mặt cắt ngang dầm sau khi đã gắn cảm biến. Ví dụ như vị trí theo phương đứng của cảm biến được lưu trữ theo mặt trên của bản mặt cầu, nếu thay đồi mặt cắt ngang bằng cách tăng độ cứng bản thì vị trí cảm biến cũng dịch chuyển theo mặt trên nên cũng mất đi sự chính xác. Do vậy việc kiểm tra lại vị trí cảm biến sau khi tiến hành thay đổi thuộc tính mặt cắt ngang có ý nghĩa rất quan trọng.
 
Giải nén dữ liệu STS (biến dạng hiện trường)
 
Việc xác định độ chính xác của mô hình đòi hỏi phải có những biện pháp thuận tiện trong việc so sánh phản ứng đo được và phản ứng theo tính toán. Những so sánh theo dạng trực quan như đồ thị chuỗi dữ liệu biến dạng sẽ cung cấp cho kỹ sư biện pháp trực giác tốt nhất. Nhưng một điều quan trọng là phải có được những phương pháp số tiêu biểu cũng là yếu tố tuyệt đối cần thiết cho qui trình hiệu chuẩn mô hình. Do số lượng cảm biến và số lượng mẫu đo lớn, lại thêm việc phân tích các trạng thái chất tải nên quá trình so sánh số học nêu trên đòi hỏi những cố gắng ghi nhớ vị trí đáng kể. Bởi vậy, WinGEN có một chức năng giải nén dữ liệu hiện trường tương thích chính xác với vị trí xe thử tải đang được xác định trong mô hình. Người dùng chỉ cần đơn giản là xác định tệp dữ liệu nào (STS) gắn với từng vệt bánh.
 
Người dùng cần lưu ý rằng menu lựa chọn “Biến dạng hiện trường/Field Strain” tiếp theo các mục menu “Tùy chọn tải trọng/Load  Options” và “Vị trí cảm biến/Gage Loactions”. Điều này là có chủ ý vì cả vị trí xe thử tải và nhận dạng cảm biến đều đòi hỏi phần mềm có thể giải nén dữ liệu STS một cách chính xác. Điều này cũng hàm ý là nếu như có bất kỳ một thay đổi nào trong việc xác định đường xe thử tải (vị trí xuất phát/kết thúc và/hoặc vị trí vòng lặp) thì dữ liệu của đường đó phải giải nén lại. Việc thay đổi vị trí cảm biến không cần giải nén lại dữ liệu hiện trường, nhưng lại yêu cầu bất kỳ ID của cảm biến do WinGEN cung cấp phải có trong tệp dữ liệu STS.
 
Khi sử dụng chức năng giải nén dữ liệu STS, chương trình sẽ cung cấp một bảng chứa tất cả đường xe chạy đã được xác định cùng với vị trí phương ngang và phạm vi các trường hợp xếp tải. Người dùng chỉ cần nhấp chuột vào một hàng trong bảng thì tệp dữ liệu STS có sẵn sẽ hiển thị. Sau khi hiệu chỉnh tệp dữ liệu STS được lựa chọn, WinGEN sẽ nhắc người dùng chỉ rõ có cần “Hệ số cảm biến thứ cấp” hay không. Hệ số cảm biến thứ cấp được xác định cùng với phần mềm WinGRF trong giai đoạn khảo sát sơ bộ của quá trình xử lý và lưu trữ dưới dạng tệp đồ thị. Nếu người dùng bấm nút “Yes” khi được hỏi có sử dụng hệ số thứ cấp hay không thì sẽ thấy hiển thị các tệp cài đặt dạng đồ thị (*.GRF) và người dùng có thể lựa chọn ra thông tin chính xác về hệ số cảm biến.

 
So sánh dữ liệu
 
Khái niệm thực sự của Phương pháp Tích hợp dựa hoàn toàn vào khả năng so sánh những phản ứng đo được với phản ứng tính toán. Quá trình so sánh phải đạt được hiệu quả sao cho nó có thể tiến hành dựa trên những nền tảng thông thường. Cần tiến hành cả hai dạng so sánh: so sánh trực quan để cung cấp cho kỹ sư thông tin về trực giác và so sánh thống kê để đưa ra những thước đo định lượng thật chính xác.
 
Toàn bộ những phương pháp thử tải và lập mô hình do BDI phát triển đều hướng tới việc đơn giản hóa quá trình so sánh. Trong quá trình thử tải, vị trí xe thử tải được theo dõi và dữ liệu đo được lưu trữ sao cho có thể dễ dàng thu được phản ứng từ bất kỳ cảm biến cho từng vị trí đường thử tải. Phần mềm thiết lập mô hình được thiết kế sao cho toàn bộ quá trình thử tải có thể tái tạo theo hình thức hợp lý. Ví dụ như phần mềm có thể ghi nhớ được thông tin về tải trọng và khoảng cách trục của cùng một loại xe thử tải, đường thử tải hay vị trí của cảm biến có cùng vị trí điểm tham chiếu, ID của nhửng cảm biến giống nhau để sử dụng trong mô hình giống như đã liệt kê trong bản ghi hiện trường.
 
Do dữ liệu STS được nhập vào tệp dữ liệu phân tích đầu vào nên có thể thực hiện việc so sánh số học trực tiếp với những phản ứng về biến dạng đã được tính toán. Khi kết thúc mỗi quá trình phân tích (thường bao gồm rất nhiều trường hợp xếp tải), có bốn giá trị thống kê khác nhau được tính toán để cung cấp độ chính xác, bao gồm:

- Sai số tuyệt đối
- Sai số phần trăm

- Sai số tỷ lệ
- Hệ số tương quan

Mỗi giá trị cung cấp hình ảnh (mang tính phối cảnh) khác nhau về khả năng của mô hình trong việc tái tạo lại kết cấu thực tế.
 
Sai số tuyệt đối: được tính toán từ tổng các giá trị tuyệt đối của hiệu số/sai phân biến dạng. Hiệu số đại số giữa giá trị biến dạng tính toán và đo đạc được tính tại từng vị trí gắn cảm biến cho từng vị trí xe thử tải được sử dụng để phân tích, vì vậy người ta thường dùng từ hàng trăm tới hàng nghìn phép so sánh biến dạng trong khi tính toán. Số lượng này cũng được dùng để xác định độ chính xác tương đối giữa một mô hình và mô hình kế tiếp cũng như để đánh giá tác dụng của những thông số kết cấu khác nhau. Vì sai số tuyệt đối có dạng micro-strain (µå) nên giá trị có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào độ lớn của biến dạng, số lượng của cảm biến số trường hợp/kịch bản chất tải khác nhau. Vì lý do này nên loại sai số này ít có giá trị thực tiễn ngoại trừ việc xác định sự cải thiện tương đối cho một mô hình cụ thể.

Sai số phần trăm: được tính toán để cung cấp một phương pháp định tính tốt hơn về độ chính xác. Sai số này được tính toán theo tổng của các bình phương sai phân biến dạng chia cho tổng của các bình phương biến dạng đo được. Các số hạng được bình phương nên những giá trị sai số khác dấu không triệt tiêu nhau và để nhấn mạnh thêm tầm quan trọng trong phạm vi biên độ biến dạng cao hơn. Một mô hình có độ chính xác được chấp thuận thường có sai số phần trăm nhỏ hơn 10 %. Giá trị này gần tương đương với phương pháp bình phương tối thiểu thường sử dụng trong quá trình tối ưu hóa các thông số. Về cơ bản sai số phần trăm có thể xem là hàm số mục tiêu tối ưu.
 
Sai số tỷ lệ: cũng giống như sai số phần trăm ngoại trừ nó dựa trên sai số lớn nhất của từng cảm biến chia cho giá trị biến dạng lớn nhất đo được của từng cảm biến. Con số này rất hữu ích bởi vì nó chỉ dựa trên những số đo biến dạng ghi được khi xe thử tải ở trong vùng lân cận cảm biến. Dựa trên đặc tính hình học của kết cấu, số lượng vị trí xếp tải và những yếu tố khác, nhiều số đọc về biến dạng được loại bỏ một cách cơ bản. Chức năng của sai số này là chỉ sử dụng những số đo có tính liên quan nhất của từng cảm biến.
 
Hệ số tương quan: đây cũng là một con số hữu ích đo mức độ tuyến tính giữa dữ liệu đo được và dữ liệu tính toán. Giá trị này xác định hình dạng đồ thị của phản ứng đo được và phản ứng tính toán phù hợp với nhau đến mức nào. Hệ số tương quan có thể nhận các giá trị từ +1,0 (biểu thị mối quan hệ tuyến tính hoàn toàn) và -1,0 (mối quan hệ hoàn toàn phi tuyến). Một mô hình phù hợp/chuẩn thường có hệ số tương quan lớn hơn 0,90. Hệ số tương quan không tốt thể hiện trong quá trình lập mô hình đã có những sai sót nghiêm trọng. Nguyên nhân thông thường của những sai sót này là do việc tái hiện điều kiện biên không chuẩn xác hoặc tái hiện tải trọng tác dụng không chính xác (nghĩa là hướng di chuyển của xe thử tải khác biệt hoàn toàn)
 
Bảng sau cung cấp những phương trình dùng để tính toán từng giá trị sai số thống kê:

  Bảng 4 Sai số                                             

SAI SỐ	PHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
Sai số tuyệt đối	∑ å m − å c
Sai số phần trăm	(å   − å  )2 ∑           ∑ (å  )2 m          c   m
Sai số tỷ lệ:	∑ max å m − å c  gage ∑ max å m  gage
Hệ số tương quan	∑ (å m − å m )(å c  − å c ) 2                        2 ∑  (å m − å m )  (å c  − å c )

Do sai số thống kê là biện pháp cần thiết đối với độ chính xác và là bắt buộc đối với việc tối ưu hóa thông số nên quá trình thực sự xoay quanh/dựa vào khả năng của kỹ sư để cảm nhận phản ứng của cầu và những phản ứng thực tế khác với phản ứng tính toán trong quá trình phân tích như thế nào. Cách tốt nhất để đạt được điều này là kiểm tra trực quan đồ thị chuỗi dữ liệu phản ứng. Với đồ thị này, chúng ta có thể tiến hành việc so sánh trực quan cho từng vị trí gắn cảm biến của nhiều dạng chu trình chất tải. Những lỗi phổ biến trong việc lập mô hình liên quan tới những trường hợp/kịch bản chất tải không chính xác hoặc xác định điều kiện biên không chuẩn. Những lỗi này có thể được phát hiện một cách nhanh chóng bằng việc ghi nhận chuỗi dữ liệu phản ứng lệch pha hoặc dạng đồ thị không chuẩn xác.
 
Sau khi lập xong mô hình cầu và giả lập xong trạng thái thử tải, người ta tiến hành phân tích sử dụng phần mềm SAC (Tương quan và Phân tích Kết cấu – Structural Analysis and Correlation). Mặc dù được trợ giúp bằng sự can thiệp mạnh mẽ của phần mềm thì những giá trị thống kê thu được từ các chuỗi dữ liệu ban đầu có độ chính xác thấp. Bởi vậy, bước đầu tiên trong việc so sánh trực quan  là  phát  hiện  toàn  bộ  những  lỗi  do  lập  mô  hình.  Sử  dụng  phần  mềm WinGRF, người dùng sẽ nạp những tệp dữ liệu STS thích hợp (cho từng đường xe thử tải) và kết quả phân tích. Do “khoảng trống làm việc – workspace” đã được xác định và lưu lại nên cần báo cho phần mềm cách hỗ trợ/liên kết các tệp dữ liệu với những trường hợp phân tích tải trọng. Khi đã có cả dữ liệu STS và SAC, đồ thị chuỗi dữ liệu sẽ hiển thị dữ liệu hiện trường là đường cong liên tục và kết quả phân tích là đường gạch đứt quãng trên cùng một hình vẽ. Các kết quả đo đạc và tính toán từ cùng một cảm biến và đường xe thử tải được thể hiện cùng một màu. Phần ghi chú phía dưới đồ thị chỉ rõ ID của cảm biến và đường thử tải (thứ tự được sắp xếp theo trình tự chất tải của tệp dữ liệu STS). Đầu mối để phát hiện sai số tổng thể của mô hình rất đa dạng. Khả năng phát hiện và đánh giá sai số được nâng cao thêm nhờ vào kinh nghiệm xem xét chuỗi dữ liệu biến dạng. Trong nhiều trường hợp cần xem xét tổ hợp đồ thị các chuỗi dữ liệu biến dạng, mỗi đồ thị bao gồm nhiều chuỗi dữ liệu để xác định vấn đề về lập mô hình hoặc kiểm tra những phản ứng bất thường. VD: việc xem xét phản ứng gây ra do riêng một lượt xe chạy nhưng một loạt cảm biến (tức là toàn bộ cảm biến gắn giữa nhịp dọc theo chiều dài cầu) có thể làm sáng tỏ vị trí theo phương ngang của xe thử tải được xác định không chính xác. Điều này cũng minh họa như trường hợp các dầm có phản ứng lớn nhất ở phía đối diện của cầu. Việc xem xét những phản ứng do nhiều lượt xe thử tải kết hợp trong một cảm biến có thể xác nhận kịch bản thử tải. Tập hợp đồ thị thứ hai có thể cho thấy những lượt xe thử tải bị xác định nhầm thứ tự. Không điều gì có thể thay thế được kinh nghiệm trong việc so sánh dữ liệu trực quan. Tuy nhiên, để rút ngắn quá trình thu thập kinh nghiệm thì phần tiếp theo bao gồm những chuỗi dữ liệu biến dạng cùng với những thảo luận sẽ chỉ ra điều gì dẫn tới mối tương quan kém. Luôn ghi nhớ rằng không phải tất cả khác biệt lớn đều có liên quan tới sai số lập mô hình tổng thể. Có những trường hợp do bản ghi hiện trường không chính xác, dữ liệu hiện trường có sai số hoặc cầu đã trải qua những hoạt động bất thường.

Điều gì sai trong trường hợp này?

Tiếp theo là những đồ thị chuỗi dữ liệu biến dạng với những khác biệt phổ biến giữa sữ liệu đo được và dữ liệu tính toán. Trên Hình 16 là toàn bộ dữ liệu được tạo ra từ thí nghiệm trên một cây cầu thực tế cùng với đặc trưng hình học và mặt bằng bố trí thiết bị. Trong những ví dụ này, những sai số tổng thể chung được tạo ra trong mô hình để minh họa ảnh hưởng tới các đồ thị chuỗi biến dạng. Những sai số dạng này cũng thường tạo ra những giá trị thống kê không đảm bảo. Theo nguyên tắc chung, nếu như hệ số tương quan quá nhỏ so với 0,90 thì rõ ràng có sự bất ổn trong mô hình và/hoặc trong việc mô phỏng công tác thử tải.
 
 

Dữ liệu lệch pha
 

 
 Trong ví dụ này, chúng ta cùng nhận thấy biến dạng giữa nhịp từ dầm số 1 khi xe thử tải dọc theo đường dẫn 1. Rõ ràng là vị trí theo phương dọc của xe thử tải chưa được mô phỏng chính xác. Biến dạng cực đại theo tính toán xuất hiện khi xe thử tải coi như ở trên mặt cầu và giảm dần khi xe ra khỏi cầu. Do biến dạng khi bắt đầu và kết thúc đo được tại hiện trường đều bình thường nên nguyên nhân thông thường của sai số loại này chính là sai sót trong việc phân tích đường thử tải. Điểm bắt đầu và kết thúc của đường thử tải có thể không chính xác hoặc hướng của xe thử tải bị ngược. Việc kiểm tra những cảm biến bổ sung gắn dọc theo tim dầm sẽ giúp cho việc nhận diện chính xác nguyên nhân gây ra sai số.
 
Trong nhiều trường hợp, nguyên nhân gây sai số chính là từ tệp dữ liệu STS bị click trượt, giá trị khi bắt đầu đo không chính xác hoặc số vòng lặp vị trí không đúng. Cần phát hiện những sai số trong tệp dữ liệu STS trong lúc điều tra sơ bộ dữ liệu hiện trường, nhưng điều quan trọng là phải kiểm tra hướng và điểm tham chiếu dùng trên hiện trường sao cho phù hợp với trên mô hình.

Việc xác định đường đi của xe sai trình tự
 

 
Đồ thị chuỗi dữ liệu biến dạng thu được từ vị trí giữa nhịp của dầm biên số 1 và được tạo ra sau hai lượt chạy khác nhau (được xác định là Lượt chạy số 1 và số 2 trong bản ghi hiện trường). Trong trường hợp này, một điều rõ ràng là dữ liệu tính toán trùng về hình dạng nhưng lại rất khác về độ lớn. Nếu xem xét về phản ứng của từng lượt chạy chúng ta có thể nhận thấy những biến dạng đo được tại Lượt chạy 1 là lớn nhất và biến dạng tính toán tại Lượt chạy 2 là lớn nhất. Việc quan sát các đồ thị này sẽ dễ dàng hơn nếu sử dụng màn hình màu do những dữ liệu biến dạng tính toán và đo được từ cùng một cảm biến và cùng cùng một lượt chạy được thể hiện theo cùng một màu.
 
Có thể kiểm tra một cách tương đối đơn giản nguyên nhân gây ra sai số là do trình tự xác định lượt chạy của xe thử tải giữa bản ghi hiện trường và mô hình có mâu thuẫn. Việc kiểm tra những biến dạng đo bổ sung tại phía bên kia cầu để xác nhận tính toán lý thuyết.

Việc lập mô hình cho mặt cắt ngang không chính xác (các trục trung hòa)
 

 
Trong số những vấn đề về kết cấu và bố trí hình học chất tải, sai số chung thường gặp trong việc xác định mặt cắt ngang của dầm. Khi điều này xảy ra, về mặt lý thuyết độ cứng của dầm không chính xác nhưng quan trọng hơn là việc khoảng cách tương ứng theo phương đứng từ cảm biến tới trục trung hòa cũng bị sai lệch. Chuỗi dữ liệu biến dạng ở trên cũng được lấy từ vị trí giữa nhịp của dầm số 2 trong lượt chạy 1. Lần này cả đồ thị biến dạng của cánh trên lẫn cánh dưới dầm đều được được thể hiện cùng một lúc. Việc kiểm tra dữ liệu hiện trường cho thấy phần cánh dưới của tiết diện chịu kéo (biến dạng mang dấu dương) trong khi biến dạng của cánh trên gần như bằng không. Đây chính là sự biểu thị trực tiếp về mối quan hệ liên hợp đối với mặt cắt ngang của dầm. Tuy nhiên các kết quả phân tích lại cho thấy cánh trên chịu kéo rất lớn đồng nghĩa với sự thể hiện của hoạt động không liên hợp. Để có được một sự biểu diễn thực tế đối với kết cấu thực thì cần tiến hành lập mô hình mặt cắt ngang dầm một cách thật chính xác.
 
Một sai số tương tự nữa là việc xác định các cảm biến trên và cảm biến dưới không đúng (có thể do từ bản ghi hiện trường hoặc trong mô hình) cho nên vị trí đặt cảm biến trong mô hình ngược với vị trí thực tế. Điều này dẫn đến kết quả là hệ số tương quan đối với cảm biến (được cung cấp trong tệp kết quả của phần mềm SAC) mang dấu âm và thể hiện tương đối rõ khi xem xét chuỗi dữ liệu biến dạng.

 
Hiệu chuẩn mô hình
 
Những phần trước đã trình bầy rất nhiều những trao đổi liên quan tới những yêu cầu đối với việc hiệu chuẩn mô hình (tối ưu hóa các thông số). Phần lớn trong số đó là những bước cần thiết để so sánh một cách hiệu quả giữa phản ứng tính toán và phản ứng đo được thực tế. Hiệu chuẩn mô hình về cơ bản là quá trình điều chỉnh mô hình sao cho việc so sánh nêu trên trở nên tốt hơn. Có hai qui trình cơ bản trong việc hiệu chuẩn mô hình:
- Qui trình 1: đánh giá thông qua kinh nghiệm, thử nghiệm
- Qui trình 2: giảm tự động sai số đến mức tối thiểu
 
Qui trình 1 dựa trên việc kiểm tra trực quan những so sánh về biến dạng. Một kỹ sư đã có kinh nghiệm trong việc so sánh dữ liệu có thể quyết định thông số độ cứng nào cần thay đổi để cải thiện mô hình. Ví dụ như nếu tất cả biến dạng tại nhịp giữa đều vượt quá ước tính thì cần tăng độ cứng theo phương dọc cầu. Thông thường điều này có nghĩa là cần tăng thêm độ cứng của dầm (EI), nhưng nó cũng có thể là một hàm số/chức năng của liên kết đầu dầm (beam end- restraint). Kỹ sư cũng cần kiểm tra việc so sánh biến dạng tại các khu vực lân cận mố cầu. Nếu tỷ lệ sai số tại đây cao hơn những gì quan sát được từ các cảm biến giữa nhịp thì có nghĩa là cần gia tăng các liên kết đầu dầm. Hình 20 thể hiện hai bộ dữ liệu so sánh biến dạng thu được tại vị trí cảm biến đặt tại giữa nhịp của dầm và tại mố. Việc tỷ lệ sai số của các cảm biến tại mố (cách mố 2 ’ ~
5 cm) quá cao so với cảm biến giữa nhịp cho thấy đối với dầm biểu đồ mô men có thực tế sẽ chuyển thành đi xuống đối với từng vị trí xe thử tải. Việc quan sát này kết hợp với thực tế là phần cánh dưới gần mố thực sự chịu nén càng củng cố thêm việc phải gia tăng những liên kết đầu dầm.

 
Việc khảo sát bổ sung sẽ dẫn tới những kết luận về những điều chỉnh khác có thể tiến hành đối với mô hình. Với việc so sánh đồ thị hoặc các giá trị biến dạng đối với tất cả các dầm tại vị trí giữa nhịp thì việc xác định độ cứng theo phương ngang của cấu kiện có hợp lý hay không là tương đối đơn giản. Hình 21 bao gồm đồ thị về vị trí của xe thử tải tạo ra mô mem giữa nhịp lớn nhất. Những khác biệt về sai số tương đối giữa các dầm gợi ý rằng còn nhiều thứ phải cải thiện đối với tái hiện phân bố ngang. Do dầm ngoài có sự khác biệt lớn nhất nên có khả năng độ cứng của dầm phải thay đổi. Độ cứng của bản mặt cầu cũng có khả năng phải thay đổi.

 
Khả năng thực hiện những đánh giá được tăng cường quan kinh nghiệm quan sát dữ liệu thử tải và lập mô hình cầu. Cho tới lúc đạt được kinh nghiệm như vậy thì phương án thay thế tốt nhất là phương pháp thử và sai. Trong thực tế, đây là một quá trình không hề đơn giản. Mỗi cây cầu dường như đều có những quan hệ bất bình thường riêng nên việc thay đổi theo yêu cầu cũng không rõ ràng.
 
Chính vì sự đa dạng của kết cấu và việc cân nhắc bố trí thiết bị nên trong tương lai gần một phương pháp tự động hoàn toàn ít có khả năng trở thành hiện thực. Những công cụ để đơn giản hóa một số quá trình thử - sai đều đã có và được tích hợp trong phần mềm của BDI. Chương trình phân tích SAC có chứa thuật toán tối ưu hóa thông số. Quá trình này là một thủ tục giảm sai số xuống mức tối thiểu thông qua việc giảm tới mức tối thiểu việc so sánh sai số bằng cách thay đổi những thông số độ cứng đã được lựa chọn. Những thông số cần điều chỉnh phải được các kỹ sư nhận dạng, trong đó từng thông số phải có giới hạn trên và giới hạn dưới hợp lý. Vì vậy, sự thành công của qui trình tối ưu hóa thông số có mức độ lớn hơn một hàm số/chức năng của phương pháp đánh giá thông qua kinh nghiệm có trước.
 
Qui trình giảm sai số tới mức tối thiểu chủ yếu dựa vào phương pháp bình phương tối thiểu. Để cung cấp được những mô tả kỹ thuật thật cô đọng (ngắn gọn), cần thiết lập hệ phương trình … (số phương trình nhiều hơn số ẩn) bao gồm cả hiệu ứng của những thay đổi tăng thêm nhỏ trong từng thông số điều chỉnh (∆i). Đối với từng phương trình, tổng của các hiệu ứng thay đổi nhân với hệ số riêng của chúng (Ci) phải bằng và trái dấu với sai số so sánh (åSTS - åSAC). Số lượng phương trình là tích của số lượng cảm biến đo biến dạng nhân với số trường hợp chất tải. Do số lượng hệ số bằng với số lượng thông số độ cứng cần điều chỉnh nên thông thường số phương trình lớn hơn số ẩn. Chất lượng của giải pháp bình phương tối thiểu phụ thuộc vào việc có lựa chọn được những ẩn số phù hợp hay không (có nghĩa là lời giải đúng có thể thực hiện được) và độ tuyến tính giữa các ẩn số và số đo biến dạng.

  
Lựa chọn những ẩn số phù hợp là một phần rất khó gồm có hai hàm ý quan trọng. Thứ nhất, tất cả các ẩn số là nguyên nhân gây ra sai số đều được lựa ra. Những điều chỉnh khác đối với các thông số sẽ được thực hiện để bù vào sai số do yếu tố khác gây ra. Thứ hai, phần còn lại của mô hình bao gồm đặc tính hình học, điều kiện biên, tải trọng v.v… đều phải hiệu chỉnh một cách cơ bản. Bất kỳ sai số nào do những yếu tố khác khi lập mô hình gây ra đều có tác động tới phương pháp bình phương tối thiểu. Còn về độ tuyến tính, đối với hầu hết các bộ phận kết cấu, mối quan hệ giữa độ cứng thành phần và biến dạng là phi tuyến khi nó trở thành kết cấu tĩnh không xác định (statically indeterminate structures). Đó chính là nguyên nhân vì sao việc giảm sai số tới mức tối thiểu là một quá trình lặp. Mục tiêu chính của phương pháp bình phương tối thiểu là xác định hướng thay đổi của thông số và độ lớn tương đối của bước nhảy (lớn hay nhỏ).
 
Kiến thức về những nguyên tác và giới hạn của phương pháp bình phương tối thiểu rất có ích nhưng chỉ đủ cho việc nhận thấy qui trình này là một công cụ đơn giản để tự động tinh chế các thông số. Đề cương sau đây cung cấp những nguyên tắc cơ bản để lựa chọn các thông số tối ưu hóa:
 

Kết quả về độ cứng sau khi tối ưu hóa luôn nằm trong khoảng được người dùng xác định. Tuy nhiên, một điều quan trọng cần lưu ý đó là có độ cứng nào đạt tới giới hạn hay không. Vì điều này thể hiện việc xác định giới hạn không chính xác hoặc chương trình cố bù đắp sai số nào đó khi lập mô hình. Mặc dù tất cả các kết quả nên nằm trong khoảng giới hạn hợp lý, một việc cũng hữu ích là cho phép chương trình vượt quá giới hạn thông thường để xem chiều hướng hoạt động của chương trình như thế nào. Bình thường thì những kết quả sai một cách rõ ràng sẽ tạo ra những manh mối để biết cần thay đổi mô hình như thế nào để phản ánh đúng sự làm việc của kết cấu thực. Quá trình tối ưu hóa không chỉ đơn thuần là một quá trình lặp mà còn bao gồm sự lựa chọn những thông số chính xác, xác định điều kiện biên thực tế và tinh chỉnh đặc trưng hình học thường xuyên lặp đi lặp lại.

 
Việc lựa chọn những giới hạn hợp lý cho một thông số độ cứng riêng biệt bản thân nó có một chút nghệ thuật. Đối với nhiều loại dầm, việc xác định tương đối dễ hiểu/không phức tạp. Đối với dầm thép, mô đun hợp lý là hằng số và mô men quán tính được xác định như sau: phần không liên hợp bớt đi một tỷ lệ phần trăm coi như là sự mất tiết diện xác định giới hạn dưới và giới hạn trên là phần liên hợp cộng với chiều dầy cánh có hiệu bổ sung coi như tác động của lớp áo đường bổ sung. Giới hạn mô men quán tính của dầm BTCT có thể được xác định một cách tương tự với những phần toàn bộ bê tông và vết nứt đàn hồi đặc trưng cho những giá trị cực đại. Riêng đối với dầm bê tông, mô đun là một lượng chưa biết. Việc xác định đối với các dầm biên khó hơn dầm bên trong do khả năng đóng góp của gờ chắn, lan can, tay vịn v.v… nhưng nếu có một chút kinh nghiệm thì vẫn có thể xác định được những giới hạn hợp lý.
 
Phạm vi và kỹ thuật thuần túy thực sự còn thiếu là việc xác định những giới hạn hợp lý đối với liên kết đầu dầm và việc ngăn cản chuyển vị xoay của dầm bên trong trên cầu có nhịp liên tục. Trong trường hợp của các trụ  nguyên tại đó dầm liên tục hoặc bản được đính “cứng” vào trụ đỡ bên trong thì giải pháp dễ hiểu một cách chập nhận được. Trong trường hợp này, mục tiêu là xác định bao nhiêu phần mô men truyền vào gối đỡ chứ không phải là truyền qua gối đỡ sang nhịp kế bên. Trong mô hình, tác động của trụ thường được mô phỏng như một loạt lò xo với độ cứng luân chuyển (roatational) (KR). Giới hạn trên của KR có thể ước tính thông qua độ cứng chống xoắn (4EI/L) của phần tử dầm. Ở đây thuật ngữ độ cứng được dựa trên những đặc trưng và đặc tính hình học của trụ. Phải cẩn trọng khi xác định nút nào có ảnh hưởng khi gắn với mũ trụ hoặc trụ đỡ. Trong trường hợp các trụ đỡ liên tục, độ cứng là hàm số của lưới tinh chỉnh do bề rộng có hiệu và do đó độ cúng tác động vào mỗi nút phụ thuộc vào khoảng cách nút. Đơn vị đo của KR  là mô men trên đơn vị đo góc (radian). Do radian thường là những góc lớn nên số lượng các số hạng độ cứng góc xoay cũng nhiều. Vì những số lượng này khó khái quát hóa nên việc kiểm tra tính toán có chính xác cũng không đơn giản.
 
Các liên kết ngăn cản chuyển vị của dầm và bản do mố và gối đỡ trong không liên tục tạo ra thường được mô hình theo cùng một dạng bằng những phần tử lò xo quay. Tuy nhiên, việc tính toán trực tiếp về độ cứng hiệu quả của mố và tác động của nó đối với phần kết cấu trên của cầu là không hợp lý. Một phương pháp tiếp cận có tính thực tiễn hơn là đánh giá những liên kết ngăn cản chuyển vị như một tỷ lệ phần trăm giữa tự do và cố định. Những con số liên quan tới hai thái cực là không và vô cùng, tạo ra một khoảng giá trị rất rộng gần tương đương với mức độ cố định và tự do. Bởi vậy nên xác định những hằng số lo xo hợp lý như là hàm số của độ cứng dầm mà nó gắn vào. Một cách có liên quan tới độ cứng lò xo gắn với dầm là xem xét độ cứng đó có ảnh hưởng như thế nào đối với tỷ số mô men đầu dầm và giữa nhịp.

 
Hình 22 là một ví dụ minh họa trường hợp một lực tập trung tác động vào một dầm đơn giản có gối đỡ đàn hồi. Thông qua việc kiểm tra biểu đồ mô men, chúng ta có thể thấy rõ là tỷ số giữa mô men đầu dầm và mô men giữa nhịp (Me/Mm) bằng 0,0 nếu độ cứng chống xoay (Kr) của lo xo bằng 0,0. Ngược lại, nếu giá trị Kr được đặt ở vô cùng (tuyệt đối cứng) thì tỷ số mô men sẽ bằng 1,0. Nếu tính cố định được định nghĩa là tỷ số (Me/Mm), có phạm vi thay đổi trong khoảng từ 0 đến 100 %, thì có thể đạt được phép đo khái niệm đối với liên kết đầu dầm.
 
Bước tiếp theo là liên hệ tính cố định với độ cứng thực tế của lò xo (Kr). Mức độ ảnh hưởng của Kr tới tính cố định phụ thuộc vào độ cứng của dầm hoặc bản có gắn liên kết lò xo. Do đó tính cố định phải liên quan tới tỷ số của độ cứng giữa dầm và lò xo. Hình 23 là đồ thị trình bày ảnh hưởng của liên kết đầu dầm đối với một dầm đơn giản. Sử dụng đồ thị ta có thể xác định phép đo khái niệm đối với liên kết đầu dầm sau khi đánh giá được hằng số của lò xo và dầm thông qua kỹ thuật nhận dạng kết cấu. Như một lựa chọn, có thể thu được giá trị khởi tạo hợp lý đối với độ cứng của lo xo bằng cách giả thiết một liên kết đầu dầm là
10%. Sử dụng đồ thị, với tính cố định là 10% ta thu được tỷ số độ cứng xấp xỉ
2,25. Như vậy giá trị hằng số lò xo ban đầu có thể xác định theo công thức

Kr  ≈ EI

2, 25L

  
Phân loại tải trọng

Kết thúc quá trình hiệu chuẩn mô hình ta thu được một mô hình đại diện cho kết cấu thực tế hoặc tối thiểu là một mô hình được coi là hợp lý và có tính ôn hòa. Không thể thu được một mô hình có tính chính xác cao khi phát hiện những phản ứng phi tuyến (quan hệ bán liên hợp) nên thông thường một phản ứng phải đặt về mức cao nhất. Trước khi sử dụng mô hình trong tính toán phân loại tải trọng, một điều quan trọng là cần tiến hành kiểm tra mức độ thực tế và đánh giá tính hợp lý của kết quả.
 
Các kết quả có nằm trong phạm vi thực tế không? Có khả năng trạng thái của cầu sẽ được giữ nguyên trong khoảng thời gian mở rộng hay nếu tải trọng nặng tác động? Đó là những câu hỏi mà kỹ sư cần quan tâm. Có rất nhiều yếu tố có thể tác động tới quá trình ra quyết định bao gồm tần suất kiểm tra, những thay đổi không có thật (giả thiết) trong mô hình giao thông, những cơ cấu tạo ra độ cứng bổ sung và thậm chí cả yếu tố chính trị. Bản hướng dẫn Phân loại cầu thông qua Thử tải – 1998 của NCHRP cung cấp những thông tin hữu ích trong việc xác định giới hạn tải trọng trong những điều kiện khác nhau. Tuy vậy, theo quan điểm của BDI, quá trình phân loại đối với việc phân tích thử tải quá đơn giản và rất mang tính chủ quan, những trao đổi/tranh luận về sử dụng hiệu ứng độ cứng thứ cấp như những liên kết đầu dầm và hoạt động liên hợp không định hướng cung cấp rất nhiều thông tin.

 
Phương pháp phân loại tải trọng được khuyến cáo trong tài liệu này là thu được một mô hình cầu mang tính hiện thực, sau đó tính toán khả năng của những cấu kiện được cho là đủ độ tin cậy, đồng thời loại bỏ những cấu kiện bị coi là không đáng tin cậy. Thông thường, mô hình dùng để tính toán phân loại tải trọng khác với mô hình được hiệu chuẩn cuối cùng. Ví dụ như liên kết đầu dầm quan trọng có thể được tạo ra bằng gối đỡ dầm dạng đá đóng băng, tạo ra mô men giữa nhịp giảm tới hơn 15%. Tuy nhiên trạng thái này có khả năng bị thay đổi do tải trọng va đập mạnh hoặc gối đỡ được sửa chữa trong quá trình bảo dưỡng cầu. Bởi vậy, kỹ sư cần quyết định loại bỏ liên kết có ảnh hưởng khỏi mô hình trước khi thực hiện những kịch bản phân loại tải trọng.
 
Một khi mô hình đã được điều chỉnh để xem xét phân loại, phải tính toán khả năng của những bộ phận khác nhau. Nói chung những khả năng này đều có thể tính được bằng các phương pháp mô tả trong AASHTO hoặc tiêu chuẩn khác. Thông tin thu được từ việc thử tải có thể có một số tác động tới việc xác định mặt cắt ngang của dầm nên cũng ảnh hưởng tới việc tính toán khả năng. Nhưng nói chung thì khả năng của các cấu kiện đều dựa trên giới hạn cho phép thích hợp hoặc giới hạn ứng suất phá hoại (ultimate). Khác biệt duy nhất giữa kỹ thuật phân loại và chương trình phân loại dầm tiêu chuẩn chính là mô hình càng thực tế được dùng để xác định ảnh hưởng của tĩnh tải và hoạt tải. Kỹ thuật chất tải hai chiều (2D) được áp dụng vì hệ số phân bố tải bánh xe không thể áp dụng cho mô hình hai chiều. Đường cong ứng suất được tạo ra từ hàng loạt lượt xe chạy, đường cong của những lượt chạy trên từng làn được tổng hợp để xác định hiệu ứng chất tải nhiều làn.
 
Do chương trình phân tích SAC được sử dụng để phân loại tải trọng cho cả kết cấu bê tông và thép nên giới hạn của các cấu kiện dựa vào giá trị của lực và mô men chứ không phải là ứng suất. Bởi vậy việc phân loại tải trọng phụ thuộc vào cách kỹ sư nhập giá trị thích hợp về giới hạn của mô men và lực cắt cho tất cả các nhóm cấu kiện.
 
Mục đích chính của việc thu được một mô hình chính xác là đánh giá phản ứng của cây cầu khi có tác động của tải trọng thiết kế, xe được phân loại hoặc tải trọng giới hạn lên kết cấu. Hình 24 giới thiệu dạng của xe được phân loại thử tải và dùng cho thiết kế chung. Do thí nghiệm thử tải thường không được tiến hành với tất cả các loại xe được quan tâm nên phải tiến hành phân tích để xác định hệ số phân loại tải trọng cho từng loại xe. Tải trọng theo phân loại được áp dụng cho từng mô hình rồi tiến hành tính toán phản ứng cho từng cấu kiện. Nói chung, lượt xe chạy cũng cần chỉnh sửa so với lượt chạy thử tải gốc. Phải xác định vị trí xe thử tải theo phương ngang để tạo ra/đem lại những phản ứng tới hạn/quyết định đối với dầm dọc tạo ra những kịch bản chất tải nhiều làn. Hệ số phân loại được tính toán theo phương trình nêu trong Sổ tay hướng dẫn đánh giá trạng thái cầu của AASHTO – xem Phương trình (2).

 
 

 Hình 24 Cấu trúc xếp và phân loại tải trọng theo AASHTO

Trong đó:


RF =

C − A1D A2 L (1 + I )

RF:     Hệ số phân loại cho một cấu kiện C:       Khả năng/công suất của cấu kiện D:       Hiệu ứng do tĩnh tải
L:       Hiệu ứng do hoạt tải
A1:      Hệ số áp dụng cho tĩnh tải (1,0 đối với ASD, 1,3 đối với LFD)
A2:      Hệ số áp dụng cho hoạt tải (1,0 đối với ASD, 2,17 đối với LFD kiểm
toán, 1,3 đối với LFD vận hành)
I:        Hệ số va đập (theo AASHTO hoặc dựa vào kết quả đo)
 
Một điều quan trọng là chúng ta nên hiểu việc phân tích thử tải và Phương pháp Tích hợp thường được áp dụng để thu được những giá trị phân loại (tải trọng khai thác). Sở dĩ có điều này là do ta đã giả thiết tất cả phản ứng tính toán và đo được đều tuyến tính với tải trọng. Phương pháp Tích hợp là một phương pháp xuất sắc để ước tính giá trị ứng suất của tải trọng khai thác nhưng nó cũng cung cấp một chút thông tin bổ sung về cường độ phá hoại của riêng từng cấu kiện. Bởi vậy những giá trị phân loại vận hành phải được tính toán theo những giả thiết thông thường liên quan tới khả năng của cấu kiện. Tuy nhiên, hạn chế này của Phương pháp Tích hợp không phải là một mối lo lắng nghiêm trọng, bởi vì những phản ứng đối với tải trọng không bao giờ được phép đạt tới ngưỡng phi đàn hồi. Những giá trị phân loại Hệ số Tải trọng và/hoặc giá trị Vận hành phải được tính toán để bảo đảm sự an toàn giữa cường độ phá hoại và tải trọng khai thác cho phép lớn nhất.