Nguyên tắc và Phương pháp Xây dựng Cầu Dầm

Cầu đóng vai trò là những kết nối quan trọng giữa các bờ, thể hiện sự khéo léo và tài năng kỹ thuật của con người. Trong số các loại cầu khác nhau, cầu dầm nổi bật nhờ cấu trúc đơn giản và hiệu quả xây dựng, khiến chúng đặc biệt quan trọng đối với các đoạn vượt nhịp ngắn. Nhưng làm thế nào để xây dựng một cây cầu dầm an toàn và đáng tin cậy? Bài viết này cung cấp hướng dẫn toàn diện về các nguyên tắc và phương pháp xây dựng cầu dầm.

Như tên gọi, cầu dầm chủ yếu sử dụng dầm làm kết cấu chịu lực. Những cây cầu này thường bao gồm ba thành phần chính: mặt cầu, dầm chính và trụ (hoặc mố). Các dầm chính trải dài giữa các trụ hoặc mố, truyền tải trọng từ mặt cầu đến các kết cấu đỡ. Thiết kế đơn giản và dễ thi công khiến cầu dầm trở nên lý tưởng để vượt sông, hẻm núi và các chướng ngại vật khác, đặc biệt là trong các ứng dụng nhịp ngắn.

Cầu dầm có thể được phân loại theo cấu hình kết cấu của chúng:

• Cầu dầm đơn giản: Loại phổ biến nhất, với các dầm được đỡ ở cả hai đầu bằng trụ hoặc mố, cung cấp các đường tải trọng rõ ràng.
• Cầu dầm liên tục: Nhiều nhịp được kết nối thành một đơn vị duy nhất, tăng cường độ cứng tổng thể và khả năng chịu tải.
• Cầu dầm công-xôn: Sử dụng các dầm nhô ra để vượt qua các khoảng cách lớn hơn.

Việc lựa chọn vật liệu ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu tải, tuổi thọ và tuổi thọ của cầu dầm. Các vật liệu truyền thống bao gồm gỗ, đá và thép. Mặc dù gỗ dễ gia công, nhưng độ bền hạn chế và dễ bị mục nát khiến việc sử dụng nó bị hạn chế đối với các cây cầu nhỏ hơn. Đá mang lại độ bền lớn hơn nhưng đi kèm với trọng lượng đáng kể và những thách thức trong xây dựng. Thép cung cấp độ bền và độ dẻo dai tuyệt vời nhưng cần được bảo vệ chống ăn mòn.

Cầu dầm hiện đại được hưởng lợi từ các vật liệu tiên tiến như bê tông cốt thép dự ứng lực và kết cấu liên hợp thép-bê tông. Bê tông dự ứng lực cải thiện độ bền kéo và khả năng chống nứt thông qua nén trước, cho phép khả năng chịu tải lớn hơn. Kết cấu liên hợp kết hợp độ bền và tính dễ uốn của thép với độ bền và hiệu suất nén của bê tông.

Việc lựa chọn vật liệu đòi hỏi phải xem xét cẩn thận về chiều dài nhịp, tải trọng dự kiến, điều kiện môi trường, các ràng buộc trong xây dựng và các yếu tố kinh tế để xác định giải pháp tối ưu.

Xây dựng một cây cầu dầm đòi hỏi sự lập kế hoạch tỉ mỉ, thiết kế chính xác và thực hiện nghiêm ngặt. Các phần sau đây trình bày chi tiết năm giai đoạn xây dựng chính.

Đánh giá hiện trường kỹ lưỡng là nền tảng cho việc xây dựng cầu thành công. Các kỹ sư phải phân tích:

• Khảo sát địa hình: Lập bản đồ độ cao, độ dốc và các đặc điểm địa hình để thông báo về việc căn chỉnh và đặt móng.
• Thăm dò địa kỹ thuật: Khoan để đánh giá thành phần đất, đặc điểm đá và điều kiện nước ngầm để thiết kế móng.
• Đánh giá thủy văn: Nghiên cứu mực nước, tốc độ dòng chảy và khả năng xói mòn để xem xét về điều hướng và bảo vệ lũ lụt.

Phân tích hiện trường toàn diện ngăn ngừa các sự cố tiềm ẩn bằng cách xác định các điều kiện địa chất hoặc thủy văn bất lợi trước khi bắt đầu xây dựng.

Móng đỡ toàn bộ kết cấu cầu, truyền tải trọng xuống mặt đất bên dưới. Cầu dầm thường sử dụng móng nông hoặc móng sâu:

• Móng nông: Đặt trực tiếp trên nền đất tự nhiên hoặc đã được cải tạo, phù hợp với các địa điểm có khả năng chịu tải cao, đất đồng nhất và mực nước ngầm thấp. Các loại phổ biến bao gồm móng trải, móng băng và móng bè.
• Móng sâu: Kéo dài đến các lớp đất hoặc đá sâu hơn để tăng cường độ ổn định, được sử dụng khi khả năng chịu tải thấp hoặc điều kiện đất thay đổi. Các dạng điển hình bao gồm móng cọc, thùng chìm và đê quai.

Công việc móng đòi hỏi phải tuân thủ nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật thiết kế về kích thước, vị trí, độ cao và chất lượng. Móng sâu đòi hỏi các kỹ thuật đặc biệt để ngăn ngừa sụp đổ, sôi cát hoặc dòng bùn.

Là yếu tố chịu lực chính, dầm phải được lắp đặt với độ chính xác tuyệt đối bằng các kỹ thuật thích hợp:

• Dựng toàn nhịp: Chế tạo sẵn toàn bộ dầm và nâng chúng vào vị trí bằng cần cẩu, phù hợp với các nhịp ngắn hơn, nhẹ hơn.
• Dựng phân đoạn: Lắp ráp dầm từng mảnh, sau đó kết nối chúng tại chỗ cho các nhịp dài hơn hoặc nặng hơn.
• Khởi động tăng dần: Đẩy dầm liên tiếp vào vị trí từ một đầu, hữu ích trong địa hình đầy thử thách.

Việc lắp đặt đòi hỏi phải xác minh khả năng của cần cẩu, các thao tác nâng hạ trơn tru và các kỹ thuật kết nối thích hợp để đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc.

Mặt cầu phải chịu được tải trọng giao thông đồng thời cung cấp một bề mặt nhẵn, bền. Các vật liệu lát đường phổ biến bao gồm:

• Bê tông nhựa đường: Cung cấp độ đàn hồi và khả năng chống trượt, với việc bảo trì dễ dàng cho các cầu có lưu lượng giao thông cao.
• Bê tông xi măng Portland: Cung cấp sức mạnh và độ bền nhưng có thể bị nứt dưới áp lực, phù hợp hơn với lưu lượng giao thông nhẹ hơn.
• Hệ thống mặt cầu thép: Kết hợp cấu trúc nhẹ với độ bền, mặc dù với chi phí và độ phức tạp cao hơn.

Việc lắp đặt đúng cách đảm bảo độ dày, độ nhẵn và độ nén chính xác. Lát đường bằng nhựa đường đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ cẩn thận và trải đều để tránh các khuyết tật.

Các cây cầu đã hoàn thành trải qua thử tải để xác nhận tính toàn vẹn về cấu trúc:

• Thử tải tĩnh: Áp dụng trọng lượng cố định để đo độ võng và ứng suất, xác minh khả năng chịu tải.
• Thử tải động: Sử dụng tải trọng di chuyển để đánh giá các đặc tính rung và hiệu suất địa chấn.

Những thử nghiệm này xác định các vấn đề tiềm ẩn trước khi đưa vào lưu thông, đảm bảo an toàn và khả năng sử dụng lâu dài.

Việc xây dựng cầu dầm đòi hỏi thiết bị đáng kể bao gồm máy xúc, máy xúc lật, cần cẩu và máy trộn bê tông. Thay vì mua, nhiều dự án được hưởng lợi từ việc thuê thiết bị để phù hợp với nhu cầu dự án cụ thể trong khi kiểm soát chi phí.

Việc xây dựng cầu dầm thể hiện sự tích hợp phức tạp của việc lập kế hoạch, thiết kế và thực hiện. Chỉ thông qua sự chú ý tỉ mỉ đến từng chi tiết, các kỹ sư mới có thể tạo ra các kết cấu phục vụ an toàn và hiệu quả cho nhu cầu vận tải trong nhiều thập kỷ tới.