Hãy tưởng tượng những cây cầu kết nối các thành phố và bắc qua sông mỗi ngày—làm thế nào chúng chịu được thời tiết và tải trọng giao thông lớn? Việc xây dựng cầu thể hiện một kỳ công kỹ thuật phức tạp liên quan đến thiết kế kết cấu chính xác và việc sử dụng chiến lược các vật liệu đa dạng. Sử dụng các cây cầu ở Hạt Harford, Maryland làm ví dụ, bài viết này khám phá các thành phần kết cấu, vật liệu phổ biến và ứng dụng của chúng—tiết lộ khoa học và nghệ thuật đằng sau những công trình quan trọng này.

Kết cấu cầu bao gồm hai thành phần chính: phần trên (phần trên có thể nhìn thấy) và phần dưới (nền móng hỗ trợ).

Phần trên trực tiếp chịu tải trọng của xe cộ và người đi bộ, bao gồm một số yếu tố chính:

• Dầm: Các thành phần chịu tải chính truyền tải trọng sàn lên các trụ cầu. Các loại bao gồm dầm thép, bê tông và dầm tổ hợp.
• Ổ đỡ: Các thành phần giao diện giữa dầm và trụ cầu, có thể chứa chuyển động nhiệt và giảm rung.
• Vỉa hè: Rào chắn mép cung cấp sự bảo vệ cho người đi bộ và hướng dẫn giao thông.
• Sàn: Bề mặt lái/đi bộ, thường được xây dựng từ bê tông, tấm thép hoặc gỗ.
• Bề mặt chịu mòn sàn: Lớp phủ bảo vệ (nhựa đường, epoxy) tăng cường độ bền và khả năng chống trượt.
• Dầm sàn: Các thành phần ngang phân phối tải trọng trên toàn bộ kết cấu.
• Dầm: Dầm dọc chính chịu tải trọng tập trung lên các điểm tựa.
• Lan can: Rào chắn an toàn dọc theo mép sàn.
• Vỉa hè: Lối đi dành riêng cho người đi bộ.
• Rào chắn giao thông: Hệ thống ngăn chặn xe cộ.
• Giàn: Khung hình tam giác cung cấp khả năng vượt nhịp lớn.

Hệ thống hỗ trợ ẩn này truyền tất cả tải trọng xuống mặt đất thông qua:

• Mố cầu: Các điểm tựa cuối chịu áp lực đất và truyền tải trọng.
• Tường sau: Kết cấu giữ lại phía sau mố cầu.
• Chỗ đặt dầm: Bề mặt chịu lực trên trụ cầu/mố cầu.
• Tường cánh: Phần mở rộng bên hướng dòng chảy của nước.
• Tường má: Các yếu tố bảo vệ sườn dốc.
• Móng: Các yếu tố cơ bản phân tán tải trọng xuống đất.
• Trụ cầu: Các điểm tựa trung gian chịu lực nước và gió.
• Cọc: Các yếu tố móng sâu cho đất yếu.

Cầu hiện đại sử dụng các đặc tính vật liệu thông qua kỹ thuật cẩn thận:

Chiếm ưu thế trong việc xây dựng cầu do cường độ nén và độ bền của nó, bê tông xuất hiện trong:

• Sàn, vỉa hè và lan can (phần trên)
• Dầm dự ứng lực (nhịp hiệu quả cao)
• Mố cầu, trụ cầu và cọc (phần dưới)

Được đánh giá cao về độ bền kéo và độ dẻo, các ứng dụng thép bao gồm:

• Dầm và giàn (giải pháp vượt nhịp lớn)
• Thanh cốt thép trong bê tông
• Cọc thép cho móng sâu

Phổ biến trong xây dựng trước năm 1940, đá vẫn còn nhìn thấy trong các mố cầu và trụ cầu lịch sử, đặc biệt là trong các cầu vòm dọc theo các tuyến đường sắt cũ.

Sản phẩm dầu mỏ này cung cấp bề mặt chịu mòn bền, chống trượt cho nhiều loại sàn khác nhau.

• Gỗ: Tùy chọn bền vững cho sàn và rào chắn
• Nhôm: Lan can chống ăn mòn
• Cao su: Mối nối giãn nở và tấm đỡ
• Sắt (lịch sử): Được thay thế bằng thép hiện đại

Kỹ thuật cầu thể hiện sự tương tác tinh vi giữa cơ học kết cấu, khoa học vật liệu và các cân nhắc về môi trường. Việc hiểu các yếu tố này cho thấy tại sao cầu vẫn là một trong những thành tựu cơ sở hạ tầng lâu bền nhất của nhân loại.