Trong lịch sử phát triển của nhân loại, sự chuyển dịch từ vật liệu đá, gỗ sang sắt và sau này là thép đã đánh dấu một bước ngoặt vĩ đại trong ngành cầu đường. Nếu bê tông cốt thép là biểu tượng của sự bền vững và ổn định, thì kết cấu thép chính là hiện thân của sức mạnh, sự thanh thoát và khả năng chinh phục những khoảng vượt khổng lồ mà các vật liệu truyền thống không thể vươn tới.
Cầu thép ngày nay không chỉ đơn thuần là những thanh dầm ghép lại. Chúng là sự kết hợp tinh tế giữa khoa học vật liệu (thép cường độ cao, thép kháng thời tiết), công nghệ chế tạo cơ khí chính xác (cắt CNC, hàn tự động) và các thuật toán phân tích kết cấu phức tạp. Từ những cây cầu dầm hộp uốn lượn tại các nút giao thông lập thể đô thị đến những cây cầu treo dây võng vượt biển dài hàng kilomet, thép đóng vai trò cốt tử trong việc định hình mạng lưới giao thông huyết mạch.
Tuy nhiên, thiết kế và thi công cầu thép đòi hỏi một trình độ kỹ thuật cực kỳ khắt khe. Các vấn đề về ổn định cục bộ, hiện tượng mỏi (fatigue), ăn mòn hóa học và biến dạng nhiệt là những bài toán mà kỹ sư thiết kế phải giải quyết triệt để. Tại Cauduong.net, chúng tôi cam kết cung cấp những thông tin kỹ thuật chuẩn xác, dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành, giúp người đọc có cái nhìn toàn diện và sâu sắc nhất về loại hình công trình đặc biệt này.
1. Khái niệm và Phân loại Kết cấu Cầu Thép
Cầu thép là loại công trình cầu mà hệ kết cấu nhịp chính được làm bằng vật liệu thép (thép carbon, thép hợp kim thấp cường độ cao…). Tùy thuộc vào sơ đồ chịu lực và cấu tạo, cầu thép có thể được phân loại thành nhiều dạng khác nhau, mỗi dạng có những đặc thù riêng biệt về thiết kế và thi công.
Phân loại theo sơ đồ kết cấu
- Cầu dầm thép (Steel Girder Bridge): Sử dụng dầm thép định hình (I, H) hoặc dầm tổ hợp hàn (dầm bản, dầm hộp). Đây là loại phổ biến nhất cho các nhịp trung bình và đường dẫn.
- Cầu dàn thép (Steel Truss Bridge): Kết cấu gồm các thanh thép liên kết với nhau tại các nút tạo thành hệ dàn không gian hoặc phẳng. Loại này tận dụng tối đa khả năng chịu lực dọc trục của vật liệu, thường dùng cho đường sắt hoặc cầu đường bộ nhịp lớn.
- Cầu vòm thép (Steel Arch Bridge): Sử dụng vòm thép làm kết cấu chịu lực chính, có thể là vòm chạy trên, vòm chạy dưới hoặc vòm chạy giữa.
- Cầu treo và Cầu dây văng (Suspension & Cable-Stayed Bridge): Dầm chủ thường là dầm hộp thép khí động học hoặc hệ dàn thép để giảm trọng lượng bản thân, cho phép vượt nhịp kỷ lục.
Phân loại theo liên kết
- Cầu thép liên kết đinh tán (Riveted Bridge): Công nghệ cũ, hiện nay ít sử dụng cho cầu mới nhưng vẫn tồn tại ở các công trình lịch sử (ví dụ: Cầu Long Biên).
- Cầu thép liên kết hàn (Welded Bridge): Sử dụng công nghệ hàn để liên kết các bản thép tạo thành tiết diện. Đây là công nghệ chủ đạo hiện nay.
- Cầu thép liên kết bu lông cường độ cao (Bolted Bridge): Sử dụng bu lông cường độ cao tự đứt hoặc ma sát để liên kết các cấu kiện tại công trường, đảm bảo thi công nhanh và kiểm soát chất lượng tốt.
2. Cấu tạo và Các bộ phận chính của Cầu Thép
Hiểu rõ cấu tạo chi tiết là nền tảng để thiết kế cầu thép hiệu quả. Khác với bê tông, kết cấu thép được tổ hợp từ các tấm mỏng, do đó sự làm việc của từng bộ phận nhỏ ảnh hưởng lớn đến tổng thể công trình.
Dầm chủ (Main Girder)
Dầm chủ chịu trách nhiệm chính trong việc tiếp nhận tải trọng từ mặt cầu và truyền xuống mố trụ. Trong cầu thép hiện đại, hai dạng dầm chủ phổ biến nhất là dầm bản tổ hợp (Plate Girder) và dầm hộp (Box Girder).
- Dầm bản tổ hợp (I-Girder): Được hàn từ ba tấm thép: bản cánh trên, bản cánh dưới và bản bụng. Bản cánh chịu mô men uốn, bản bụng chịu lực cắt. Để chống lại hiện tượng mất ổn định (oằn) của bản bụng mỏng, các sườn tăng cường (stiffeners) dọc và ngang được bố trí dày đặc.
- Dầm hộp (Box Girder): Có tiết diện kín hình hộp (chữ nhật, hình thang). Ưu điểm vượt trội của dầm hộp là độ cứng chống xoắn cực lớn, rất thích hợp cho cầu cong hoặc cầu nhịp lớn nơi chịu tác động của gió và tải trọng lệch tâm. Bên trong dầm hộp thường có không gian đủ để công nhân chui vào kiểm tra, bảo dưỡng.
Hệ mặt cầu (Deck System)
Mặt cầu là nơi trực tiếp chịu tải trọng xe chạy. Đối với cầu thép, có hai giải pháp mặt cầu chính:
- Mặt cầu liên hợp (Composite Deck): Bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ hoặc lắp ghép đặt trên dầm thép, liên kết với nhau qua hệ neo chống cắt (shear connectors – thường là đinh Nelson). Giải pháp này tận dụng khả năng chịu nén tốt của bê tông và chịu kéo tốt của thép, giảm tiếng ồn và chi phí.
- Mặt cầu bản thép trực hướng (Orthotropic Steel Deck): Cấu tạo gồm bản mặt cầu bằng thép tấm được hàn cứng với các sườn dọc (dạng kín hoặc hở) và dầm ngang. Loại này siêu nhẹ, thường dùng cho các cầu nhịp rất lớn (trên 300m) hoặc cầu nâng, cầu quay để giảm tĩnh tải. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo cực kỳ phức tạp và giá thành cao.
Hệ liên kết và Giằng (Bracing System)
Hệ giằng đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định tổng thể kết cấu, đặc biệt là trong quá trình lắp dựng khi bê tông mặt cầu chưa đóng rắn.
- Giằng ngang (Cross frames/Diaphragms): Bố trí tại gối và các khoảng cách nhất định dọc nhịp, giúp phân phối tải trọng giữa các dầm chủ và chống xoắn.
- Giằng gió (Lateral bracing): Hệ thanh chéo bố trí ở cánh trên hoặc cánh dưới để tạo thành dàn gió, chịu tải trọng gió thổi ngang cầu.
3. Nguyên lý hoạt động và Cơ chế chịu lực
Thiết kế cầu thép dựa trên các nguyên lý cơ học vật liệu và kết cấu nâng cao. Các kỹ sư phải kiểm soát chặt chẽ trạng thái ứng suất và biến dạng của vật liệu.
Cường độ và Ứng suất cho phép
Thép có khả năng chịu kéo và nén gần như tương đương nhau và tuân theo định luật Hooke trong giai đoạn đàn hồi. Các mác thép thông dụng trong cầu (như A709 Grade 50, Q345, SM490) có giới hạn chảy ($f_y$) từ 345 MPa trở lên. Thiết kế hiện đại (theo LRFD) tính toán dựa trên trạng thái giới hạn, đảm bảo ứng suất trong thép không vượt quá sức kháng tính toán đã được chiết giảm bởi các hệ số an toàn.
Hiện tượng Mỏi (Fatigue)
Đây là đặc thù nguy hiểm nhất của kết cấu thép chịu tải trọng lặp (xe chạy). Dù ứng suất sinh ra nhỏ hơn nhiều so với giới hạn chảy, nhưng sự lặp đi lặp lại hàng triệu lần qua nhiều năm có thể gây ra các vết nứt vi mô, dần dần phát triển thành vết nứt lớn và gây phá hoại đột ngột.Giải pháp thiết kế: Kỹ sư phải kiểm toán mỏi (Fatigue Limit State) kỹ lưỡng, đặc biệt tại các chi tiết liên kết hàn, nơi tập trung ứng suất cao. Quy định chi tiết các cấp độ chi tiết (Category A đến E’) để giới hạn biên độ ứng suất cho phép.
Mất ổn định (Buckling)
Do thép có cường độ cao nên các cấu kiện thường mảnh (bản thép mỏng). Dưới tác dụng của ứng suất nén (uốn hoặc nén dọc trục), các tấm thép có xu hướng bị phình ra hoặc oằn đi trước khi đạt đến cường độ phá hoại của vật liệu.Có hai dạng mất ổn định cần kiểm soát:
- Mất ổn định tổng thể: Cả thanh dầm bị oằn ngang vặn xoắn (Lateral Torsional Buckling).
- Mất ổn định cục bộ: Một phần bản bụng hoặc bản cánh bị vênh. Việc bố trí sườn tăng cường là bắt buộc để ngăn chặn hiện tượng này.
4. Ưu điểm – Nhược điểm của Cầu Thép
Việc lựa chọn phương án cầu thép hay cầu bê tông cốt thép phụ thuộc vào sự cân nhắc kỹ lưỡng giữa các yếu tố kỹ thuật và kinh tế sau đây:
Ưu điểm vượt trội
- Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao: Thép chịu lực cực tốt nhưng lại nhẹ hơn nhiều so với bê tông cùng khả năng chịu tải. Điều này cho phép cầu thép vượt nhịp rất lớn, giảm kích thước mố trụ và móng.
- Tốc độ thi công nhanh: Các cấu kiện được chế tạo sẵn tại nhà máy với độ chính xác cao, sau đó vận chuyển ra công trường để lắp ráp. Quá trình này ít phụ thuộc vào thời tiết và giảm thời gian chiếm dụng mặt bằng.
- Tính dẻo và dai (Ductility): Thép có khả năng biến dạng lớn trước khi phá hoại, giúp công trình hấp thụ năng lượng tốt, đặc biệt an toàn trong điều kiện động đất.
- Khả năng tái chế và sửa chữa: Kết cấu thép có thể được gia cường, thay thế từng phần hoặc tái chế hoàn toàn sau khi hết tuổi thọ, thân thiện với môi trường hơn bê tông phế thải.
Nhược điểm và Thách thức
- Ăn mòn (Corrosion): Thép rất dễ bị oxy hóa dưới tác động của môi trường, đặc biệt là vùng ven biển. Chi phí cho hệ thống sơn bảo vệ hoặc sử dụng thép phong hóa (weathering steel) là rất lớn.
- Chi phí bảo trì cao: Cầu thép đòi hỏi chế độ duy tu, bảo dưỡng định kỳ (sơn lại, kiểm tra bu lông, kiểm tra vết nứt mỏi) nghiêm ngặt và tốn kém hơn cầu bê tông.
- Tiếng ồn và Rung động: Do khối lượng nhẹ, cầu thép thường rung động mạnh hơn và gây tiếng ồn lớn khi xe chạy, cần các giải pháp giảm chấn.
- Biến dạng nhiệt: Hệ số giãn nở nhiệt của thép cao, đòi hỏi khe co giãn phải có dung lượng lớn và thiết kế gối cầu phức tạp.
5. Phạm vi Ứng dụng và Tiêu chuẩn Thiết kế
Phạm vi ứng dụng tối ưu
Dựa trên các đặc tính trên, cầu thép là lựa chọn số một cho các trường hợp:
- Cầu vượt nhịp lớn và cực lớn: Cầu dây văng, cầu treo, cầu vòm có nhịp chính > 200m.
- Cầu trong đô thị chật hẹp: Các cầu vượt nút giao, đường trên cao nơi cần thi công nhanh vào ban đêm để không tắc nghẽn giao thông.
- Địa hình hiểm trở: Vùng núi sâu, vực thẳm nơi việc vận chuyển vật liệu rời (đá, cát, xi măng) và dựng đà giáo thi công khó khăn.
- Cầu khẩn cấp: Cầu Bailey, cầu dàn lắp ghép dùng cho cứu hộ thiên tai hoặc đảm bảo giao thông tạm.
Tiêu chuẩn Kỹ thuật áp dụng
Tại Việt Nam, thiết kế cầu thép tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn sau:
- TCVN 11823:2017: Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ (Phần 6: Kết cấu thép). Đây là tiêu chuẩn biên soạn dựa trên AASHTO LRFD của Mỹ.
- TCVN 13580:2023: Hướng dẫn thi công và nghiệm thu cầu thép.
- AWS D1.5: Tiêu chuẩn hàn cầu (Bridge Welding Code) – Tài liệu tham khảo quan trọng cho công tác quản lý chất lượng mối hàn.
- Tiêu chuẩn vật liệu: ASTM A709 (Mỹ), JIS G3106 (Nhật Bản) hoặc TCVN tương đương cho vật liệu thép.
6. Quy trình Chế tạo và Thi công Lắp dựng
Chất lượng cầu thép được quyết định phần lớn tại nhà máy (Shop fabrication) và phương pháp lao lắp tại hiện trường.
Giai đoạn Chế tạo tại Nhà máy
Bao gồm các bước: Cắt phôi (bằng Plasma hoặc Laser CNC) $\rightarrow$ Gia công mép $\rightarrow$ Gá lắp $\rightarrow$ Hàn tự động (Hàn dưới lớp thuốc SAW, hàn CO2) $\rightarrow$ Khoan lỗ bu lông (thường khoan sau khi hàn để tránh sai số co ngót) $\rightarrow$ Làm sạch bề mặt (phun cát/phun bi) $\rightarrow$ Sơn phủ.
Lưu ý kỹ thuật: Công tác “lắp thử” (Trial Assembly) tại nhà máy là bắt buộc đối với các kết cấu phức tạp để đảm bảo khi ra công trường các lỗ bu lông và mối nối khớp nhau hoàn toàn.
Giai đoạn Lắp dựng (Erection)
- Lắp hẫng (Cantilever method): Phổ biến cho cầu dây văng và cầu dàn. Lắp từng đốt dầm vươn ra từ trụ, dùng cẩu trên mặt cầu hoặc cẩu tháp.
- Lao dọc (Launching): Tổ hợp toàn bộ hoặc từng đoạn dài dầm thép trên bờ, sau đó dùng hệ thống kích đẩy trượt dầm ra vị trí nhịp. Phương pháp này an toàn, không cần đà giáo dưới sông.
- Cẩu lắp (Lifting): Sử dụng cần cẩu nổi (nếu ở sông/biển) hoặc cẩu bánh lốp (trên cạn) để nhấc từng nhịp dầm đặt lên trụ. Yêu cầu năng lực thiết bị cẩu lớn.
7. Bảng Tổng Hợp Thông Số Kỹ Thuật So Sánh
| Tiêu chí | Cầu Dầm Bê Tông Cốt Thép (BTCT) | Cầu Dầm Thép / Liên Hợp | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Khả năng vượt nhịp | Trung bình (đến ~150m với dầm hộp đúc hẫng) | Lớn (Dầm hộp thép có thể > 300m, dây văng > 1000m) | Thép nhẹ hơn 30-50% |
| Thời gian thi công | Lâu (chờ bê tông ninh kết) | Nhanh (lắp ghép cấu kiện sẵn) | Thép tối ưu cho đô thị |
| Chi phí ban đầu | Thấp hơn | Cao hơn (giá vật liệu thép cao) | Biến động theo giá thép |
| Chi phí bảo trì | Thấp | Cao (sơn, chống rỉ) | Cần tính vòng đời dự án |
| Chiều cao kiến trúc | Cao (dầm dày) | Thấp (dầm mảnh) | Thép tăng tĩnh không dưới cầu |
8. Ứng dụng Thực tế tại Việt Nam và Thế giới
Thế giới
Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản): Cầu treo với nhịp chính gần 2km, sử dụng hệ dầm cứng dạng dàn thép cao 14m để chống lại bão biển. Đây là minh chứng cho khả năng chịu lực vô song của thép cường độ cao.
Cầu Millau (Pháp): Cầu dây văng cao nhất thế giới, sử dụng dầm hộp thép thiết kế khí động học hình tam giác ngược, giúp giảm tải trọng gió và tạo vẻ đẹp thanh thoát.
Việt Nam
Cầu Chương Dương & Cầu Thăng Long (Hà Nội): Những biểu tượng của cầu dàn thép thế hệ cũ. Cầu Thăng Long là cầu dàn thép 2 tầng lớn nhất, sử dụng công nghệ liên kết hàn và bu lông cường độ cao từ thời Liên Xô, hiện đã được sửa chữa mặt cầu bằng công nghệ bê tông siêu tính năng (UHPC) kết hợp đinh neo để dính bám với bản thép.
Cầu Nhật Tân (Hà Nội): Cầu dây văng 5 trụ tháp, sử dụng dầm chủ là dầm hộp thép liên hợp bản mặt cầu bê tông. Phần dầm thép được chế tạo tinh xảo, đảm bảo vượt nhịp lớn và thẩm mỹ cao.
Cầu Thuận Phước (Đà Nẵng): Cầu treo dây võng với dầm chủ là dầm hộp thép toàn khối (bản mặt cầu thép trực hướng orthotropic). Đây là công nghệ rất khó, giúp giảm trọng lượng để vượt cửa biển rộng.
9. Kết luận
Cầu thép là giải pháp không thể thay thế trong quy hoạch hạ tầng giao thông hiện đại, đặc biệt là tại các vị trí đòi hỏi vượt nhịp lớn, thi công nhanh và thẩm mỹ cao. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu và bảo trì cao hơn so với cầu bê tông, nhưng hiệu quả kinh tế – xã hội mà nó mang lại nhờ rút ngắn tiến độ và tuổi thọ công trình là rất lớn.
Xu hướng tương lai của cầu thép sẽ tập trung vào việc sử dụng các loại thép tính năng cao (High Performance Steel – HPS) với khả năng chịu lực, độ dai va đập và khả năng chống ăn mòn vượt trội, cùng với đó là công nghệ thiết kế mô phỏng số (BIM/FEM) để tối ưu hóa từng kilogam vật liệu. Nắm vững kỹ thuật thiết kế cầu thép là bước đi tiên quyết để các kỹ sư Việt Nam làm chủ những công trình kỷ lục trong tương lai.
