Hãy tưởng tượng một cây cầu mà bộ khung của vòm không vươn cao mà ôm lấy con đường một cách thanh lịch trong cấu trúc của nó - đây là nét quyến rũ đặc biệt của những cây cầu vòm xuyên. Những cấu trúc đáng chú ý này đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa hiệu quả cơ học, sức hấp dẫn về mặt thẩm mỹ và tính khả thi về kỹ thuật.

Cầu vòm xuyên, còn được gọi là cầu vòm neo, có các vòm mà đáy nằm dưới lòng đường trong khi đỉnh vươn lên trên nó. Mặt cầu chiếm không gian bên trong của vòm, được hỗ trợ bởi các thanh giằng hoặc dầm truyền tải trọng lên cấu trúc vòm. Những cây cầu này chủ yếu có hai cấu hình - được gia cố mặt cầu và vòm thực - mặc dù các tiêu chuẩn phân loại tiếp tục phát triển.

So với cầu vòm thông thường, thiết kế vòm xuyên thể hiện khả năng thích ứng vượt trội với địa hình. Ở những thung lũng sâu hoặc hẻm núi hẹp, vòm có thể nằm trực tiếp bên dưới lòng đường, trong khi ở những vùng đất bằng phẳng, nó có thể vươn lên trên để ngăn chặn độ dốc mặt cầu dốc thường thấy ở những cây cầu vòm cao truyền thống. Tuy nhiên, cấu hình sáng tạo này đặt ra những thách thức độc đáo liên quan đến cơ chế hỗ trợ mặt cầu và sự ổn định cấu trúc tổng thể.

Thiết kế cầu vòm xuyên đòi hỏi phải đánh giá cẩn thận nhiều yếu tố bao gồm chiều dài nhịp, khả năng chịu tải, điều kiện địa chất và mục tiêu thẩm mỹ. Các yếu tố thiết kế chính bao gồm:

• Tỷ lệ vòm: Trong khi các vòm xây truyền thống duy trì tỷ lệ chiều cao trên nhịp cố định (một vòm bán nguyệt có chiều cao bằng một nửa nhịp của nó), các vòm xuyên cho phép linh hoạt hơn. Kết nối của mặt cầu thông qua các thanh giằng hoặc dầm cho phép chiều cao vòm thấp hơn so với các thiết kế thông thường yêu cầu. Tuy nhiên, việc lựa chọn tỷ lệ ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định - các vòm phẳng hơn tạo ra lực đẩy ngang lớn hơn, đòi hỏi nền móng chắc chắn hơn.
• Hệ thống hỗ trợ mặt cầu: Cấu hình hỗ trợ của lòng đường ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu tải và độ ổn định. Các nhà thiết kế có thể treo các phần mặt cầu trung tâm từ các thanh giằng trong khi hỗ trợ các cạnh bằng các cột hoặc dầm dọc. Việc lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu về nhịp, tải trọng dự kiến và mục tiêu thiết kế trực quan.
• Yêu cầu về móng: Tất cả các cầu vòm đều tạo ra lực đẩy ngang đáng kể lên các giá đỡ của chúng, khiến nền móng vững chắc là điều cần thiết cho các cấu trúc vòm xuyên. Khảo sát địa chất toàn diện phải thông báo cho thiết kế móng để đảm bảo sự ổn định lâu dài.
• Lựa chọn vật liệu: Thép và bê tông cốt thép chiếm ưu thế trong việc xây dựng vòm xuyên. Thép cung cấp độ bền và độ dẻo cao cho các nhịp dài, trong khi bê tông cung cấp độ bền và cường độ nén cho các cây cầu cỡ trung bình. Tiêu chí lựa chọn bao gồm chiều dài nhịp, yêu cầu tải trọng, hạn chế về ngân sách và các yếu tố môi trường.

Việc xây dựng vòm xuyên đặt ra những thách thức riêng biệt bao gồm hỗ trợ vòm trong quá trình dựng, lắp đặt mặt cầu và kiểm soát độ ổn định. Các giải pháp phổ biến bao gồm:

• Hỗ trợ vòm trong quá trình thi công: Các giá đỡ tạm thời ngăn chặn sự sụp đổ dưới trọng lượng bản thân. Các dự án lớn thường sử dụng phương pháp dựng bằng cáp treo hoặc phương pháp phóng tăng dần. Kỹ thuật cáp treo nâng các đoạn vòm vào vị trí để kết nối, trong khi giàn phóng cung cấp hỗ trợ di động cho đến khi đóng vòm.
• Kỹ thuật lắp đặt mặt cầu: Vị trí lòng đường theo sau khi hoàn thành vòm. Đối với các cây cầu lớn, việc đúc dầm hẫng hoặc dựng từng phân đoạn chứng minh là hiệu quả nhất. Phương pháp dầm hẫng xây dựng ra ngoài từ cả hai phía cho đến khi gặp nhau ở giữa, trong khi việc dựng từng phân đoạn nâng các phần được chế tạo sẵn vào vị trí.
• Quản lý độ ổn định: Hệ thống giám sát theo thời gian thực theo dõi biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công, cho phép điều chỉnh ngay lập tức để duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc.

Các cây cầu vòm xuyên nổi tiếng thế giới thể hiện tính linh hoạt và tác động trực quan của thiết kế này:

• Cầu cảng Sydney: Địa danh dài 1.149 mét của Úc có vòm giàn thép dài 503 mét bắc qua bến cảng kể từ năm 1932. Vòm cao 134 mét của nó hỗ trợ mặt cầu rộng 49 mét phục vụ cả giao thông và du lịch.
• Cầu Tyne: Vòm thép dài 389 mét này ở Newcastle upon Tyne, hoàn thành vào năm 1928, bắc qua sông Tyne với nhịp chính dài 162 mét và chiều cao vòm đặc biệt là 59 mét.
• Cầu sông Dương Tử Chaotianmen Trùng Khánh: Vòm giàn thép dài 1.741 mét của Trung Quốc giữ kỷ lục thế giới về nhịp vòm xuyên dài nhất ở mức 552 mét kể từ khi hoàn thành vào năm 2009.
• Cầu đường sắt Maidenhead của Brunel: Cây cầu vượt sông Thames này, do Isambard Kingdom Brunel thiết kế, đã đi tiên phong trong các vòm gạch phẳng, đòi hỏi nền móng chuyên dụng để xử lý lực đẩy ngang đặc biệt.

Những tiến bộ trong khoa học vật liệu và kỹ thuật hứa hẹn những phát triển thú vị:

• Nhịp mở rộng: Vật liệu và kỹ thuật mới sẽ cho phép các nhịp dài hơn cho địa hình đầy thử thách và các tuyến giao thông quan trọng.
• Giảm trọng lượng: Thiết kế tối ưu hóa và vật liệu tiên tiến sẽ làm giảm trọng lượng kết cấu, giảm chi phí xây dựng và bảo trì.
• Giám sát thông minh: Mạng lưới cảm biến và phân tích dữ liệu sẽ cho phép đánh giá sức khỏe cấu trúc theo thời gian thực và bảo trì dự đoán.
• Tích hợp thẩm mỹ: Các thiết kế trong tương lai sẽ ngày càng hài hòa với môi trường xung quanh trong khi đáp ứng các yêu cầu về chức năng.

Hiểu cầu vòm xuyên đòi hỏi phải so sánh với các cấu hình thay thế:

• Cầu vòm mặt cầu: Loại phổ biến nhất với lòng đường trên các vòm thông qua các giá đỡ dọc. Đơn giản nhưng bị giới hạn địa hình.
• Cầu vòm dưới mặt cầu: Lòng đường treo bên dưới vòm thông qua móc treo. Thích ứng với địa hình nhưng phức tạp về cấu trúc.
• Cầu vòm bán xuyên: Thiết kế lai kết hợp các yếu tố của cả hai loại trên để có hiệu suất cân bằng.
• Cầu vòm cung tên: Thanh giằng ngang triệt tiêu lực đẩy vòm, loại bỏ nền móng nặng nhưng làm tăng độ phức tạp.

Cầu vòm xuyên đại diện cho một biến thể dưới mặt cầu chuyên biệt, trong đó độ cao vòm một phần phía trên mặt cầu mang lại khoảng sáng đặc biệt bên dưới. Cấu hình này đạt được sự cân bằng tối ưu giữa sức hấp dẫn trực quan và chức năng thực tế.

Đảm bảo an toàn lâu dài đòi hỏi các biện pháp bảo trì nghiêm ngặt:

• Kiểm tra cấu trúc thường xuyên bao gồm vòm, mặt cầu, giá đỡ và móng
• Các biện pháp phòng ngừa bao gồm bảo vệ chống ăn mòn và thay thế các bộ phận
• Thực thi tải trọng nghiêm ngặt để ngăn ngừa hư hỏng do quá tải
• Hệ thống giám sát liên tục theo dõi hành vi cấu trúc
• Chuẩn bị ứng phó khẩn cấp cho các sự kiện địa chấn hoặc lũ lụt

Cầu vòm xuyên là minh chứng cho sự khéo léo về kỹ thuật, kết hợp khả năng thích ứng thực tế với sự hiện diện trực quan nổi bật. Từ việc vượt qua bến cảng mang tính biểu tượng của Sydney đến nhịp cầu phá kỷ lục của Trùng Khánh, những cấu trúc này không chỉ kết nối không gian vật lý mà còn cả quá khứ, hiện tại và tương lai về công nghệ. Khi sự đổi mới tiếp tục, những cây cầu vòm xuyên của ngày mai sẽ xuất hiện thông minh hơn, nhẹ hơn và tráng lệ hơn bao giờ hết, phục vụ nhu cầu cơ sở hạ tầng toàn cầu đồng thời nâng cao đường chân trời trên toàn thế giới.