, công trình bắc qua đường, sông suối, eo biển, thung lũng hoặc chướng ngại vật khácđảm bảo cho sự thông suốt của một tuyến đường bộ, đường sắt, kênh dẫn nước hoặc đường ống kỹ thuật; cho phép người và các phương tiện giao thông hoặc dòng nước, khí đốt, cáp thông tin… di chuyển từ bên này sang bên kia mà không cản trở sự lưu thông vốn có hoặc sẽ có phía dưới công trình.

Có công trình cầu được xây dựng để tạo nên tuyến đường trên cao, dọc theo một tuyến đường khác hoặc ven theo sườn núi, nơi có địa hình hiểm trở.

Cầu có hai bộ phận chính (hình 1). Bộ phận nằm ngang bên trên của cầu, dọc theo chiều chuyển động của người và các phương tiện giao thông gọi là kết cấu nhịp. Bộ phận ở bên dưới, đỡ kết cấu nhịp gọi chung là mố trụ và móng cầu. Trụ được xây dựng ở khu vực giữa cầu. Mố được xây dựng ở hai đầu cầu. Ngoài đỡ kết cấu nhịp, mố còn có vai trò chắn đất, chuyển tiếp giữa phần đường và phần cầu. Phần dưới cùng của mố, trụ là móng cầu. Trên kết cấu nhịp có sàn cầu. Tải trọng của người và các phương tiện giao thông sẽ tác dụng lên sàn cầu, truyền qua các bộ phận chịu lực của kết cấu nhịp, vào mố trụ cầu rồi xuống nền đất thông qua móng cầu. Cầu có các trụ nổi trong nước được gọi là cầu phao.

Hình 1. Các bộ phận của công trình cầu

Ngoài kết cấu nhịp và mố trụ, còn có các bộ phận khác như gối cầu (đặt trên đỉnh mố trụ để kê kết cấu nhịp), mặt đường cho xe chạy trên cầu, khe co giãn, ống thoát nước, lan can, đường cho người đi bộ, giải phân cách, đèn chiếu sáng, v.v.

Công trình cầu được phân loại theo nhiều cách: a) theo vật liệu để làm kết cấu nhịp có cầu đá, cầu gỗ, cầu bê tông cốt thép, cầu kim loại (phần lớn là thép); b) theo mục đích sử dụng có cầu ô tô (cầu đường bộ), cầu xe lửa (cầu đường sắt), cầu cho người đi bộ, cầu kênh dẫn nước, cầu đường ống kỹ thuật; c) theo chướng ngại vật mà cầu vượt qua có cầu qua sông suối hoặc eo biển; cầu qua thung lũng (thường có trụ rất cao, nên còn gọi là cầu cao giá); cầu qua đường (cầu vượt) bắc qua tuyến đường khác giao cắt ngang; cầu cạn, được xây dựng ngay trên mặt đất nhằm nâng cao độ tuyến đường, giữ lại không gian bên dưới; d) theo vị trí của sàn cầu: cầu có đường xe chạy trên khi sàn cầu được bố trí trên cao; cầu có đường xe chạy dưới khi sàn cầu được bố trí dưới thấp. Cầu Thăng Long (Hà Nội) có hai tầng được gọi là cầu có cả đường xe chạy trên và đường xe chạy dưới; đ) theo chiều dài nhịp cầu và chiều cao trụ có cầu cấp IV, cấp III, cấp II, cấp I và cấp đặc biệt. Nhịp cầu càng dài hoặc trụ càng cao thì cấp của cầu càng cao; e) theo thời gian sử dụng có cầu vĩnh cửu và cầu tạm. Cầu vĩnh cửu có thời gian sử dụng ít nhất bằng tuổi thọ thiết kế của cầu (theo tiêu chuẩn Việt Nam là 100 năm). Cầu tạm thường được sử dụng trong quân sự hoặc khi cần sửa chữa cầu chính.

Theo hệ thống của kết cấu (cg. sơ đồ tĩnh học) công trình cầu được phân thành cầu dầm, cầu giàn, cầu vòm, cầu treo, cầu mút thừa, cầu dây văng (hình 2) và một số hệ thống khác.

Hình 2. Các hệ thống cầu

Kết cấu nhịp được đặt nằm ngang, khi mang tải thẳng đứng thì bị uốn và truyền lực thẳng đứng xuống các trụ. Kết cấu nhịp cầu dầm đơn giản chỉ truyền lực lên hai trụ ở hai đầu. Nếu có hai nhịp cầu trở lên được nối cứng với nhau trên các trụ, cây cầu trở nên liên tục (xt. Cầu dầm).

Cầu giàn, kết cấu nhịp được cấu tạo bởi các thanh đồng quy với nhau tại các nút ở hai đầu thanh. Cầu giàn giống cầu dầm ở chỗ, khi mang tải trọng thẳng đứng, nó cũng bị uốn. Khi giàn chịu uốn, các thanh của giàn sẽ chịu kéo hoặc chịu nén. (xt. Cầu giàn).

Cầu vòm, kết cấu hình cung vồng lên phía trên, mọi sức nặng đèlên vòm đều tạo ra lực nén dọc thân vòm và lực đẩy ngang tại chân vòm. (xt. Cầu vòm).

Cầu treo, bộ phận chịu lực chính là dây võng xuống dưới (giống vòm lộn ngược) gọi là dây chủ. Sàn cầu được treo vào dây chủ thông qua các dây treo đứng. Dây chủ được liên kết vào đỉnh tháp cầu và mố neo. Tải trọng tác dụng lên sàn cầu gây ra lực kéo trong các dây treo đứng và dây chủ, lực nén trong tháp cầu và lực nhổ mố neo. (xt. Cầu treo).

Cầu mút thừa (cg. cầu cánh hẫng). Kết cấu nhịp dài hơn khoảng cách giữa hai trụ đỡ nó. Đoạn kết cấu nhịp nằm ngoài phạm vi giữa hai trụ gọi là cánh hẫng. Một đầu của cánh hẫng kê lên trụ, đầu kia không có trụ đỡ nên gọi là đầu hẫng. Để tăng chiều dài nhịp, có thể lắp thêm nhịp đơn giản. Nhịp lắp thêm được gối lên đầu hẫng, có tên gọi là nhịp treo. (xt. Cầu mút thừa).

Cầu dây văng, kết cấu có các dây gần như thẳng gọi là dây văng, có đầu dưới treo vào một một số vị trí trên dầm cầu, đầu trên được liên kết vào tháp cầu. Khi sàn cầu mang tải thì dầm chịu uốn; các dây văng chịu kéo; các tháp cầu chuyển lực từ các dây văng đến nền móng thông qua nén dọc. Các lực kéo trong dây văng sẽ tạo ra lực nén trong dầm. (xt. Cầu dây văng).

Cầu di động, kết cấu nhịp cầu có thể thay đổi vị trí, tạo ra một khoảng trống giữa các trụ, đủ chiều cao để các phương tiện giao thông đường thủy có thể qua lại trên sông. Một số kiểu cầu di động như cầu chuyển, cầu cất, cầu nâng, cầu quay được giới thiệu trên hình 3.

Cầu chuyển Cầu cất Cầu nâng Cầu quay

Hình 3. Một số kiểu cầu di động

Quy mô lớn hay nhỏ của một công trình cầu căn cứ vào chiều dài cầu, chiều dài nhịp cầu, chiều cao cầu và chiều rộng cầu. Chiều dài cầu là khoảng cách từ đầu cầu bên này đến đầu cầu bên kia (có thể coi gần đúng là chiều dài của hàng lan can hai bên sàn cầu). Chiều dài nhịp là khoảng cách giữa hai trụ cầu kế nhau. Nếu cầu có chiều dài của các nhịp không giống nhau, nhịp có chiều dài lớn nhất được gọi là nhịp chính. Chiều cao cầu được tính từ mực nước sông khi hạ xuống mức thấp nhất đến mặt đường trên cầu. Tại vị trí đặt trụ không có nước hoặc mặt đất cao hơn mực nước thấp nhất, chiều cao cầu được tính từ mặt đất đến mặt đường trên cầu. Chiều rộng cầu là khoảng cách theo chiều ngang cầu, tính từ mép ngoài bên này đến mép ngoài bên kia của sàn cầu.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Như Khải, Phạm Duy Hòa, Nguyễn Minh Hùng, Những vấn đề chung và mố trụ cầu, Nxb. Xây dựng, Hà Nội, 2000.

2. Nguyễn Minh Nghĩa, Tổng luận cầu, Nxb. Giao thông Vận tải, Hà Nội, 2010.

3. Phan Duy Pháp, Vũ Chung Hiếu, Cấu tạo chung về công trình cầu trên đường và mố trụ cầu, Nxb. Xây dựng, Hà Nội, 2015.

4. Thông tư số 03/2016/TT-BXD, Quy định về phân cấp công trình xây dựng và hướng dẫn áp dụng trong quản lý hoạt động đầu tư xây dựng, Bộ Xây dựng, 2016.

5. Bộ Khoa học và Công nghệ, Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11823-1:2017, Thiết kế cầu đường bộ- Phần 1: Yêu cầu chung, Hà Nội, 2017.

6. William D.Halsey, Bernard Johnston, Collier’s Encyclopedia Vol. 4, America, 1987, p. 531-549.

7. Jacob E. Safra, S. Goulka, Britannica, U.S.A, The New Encyclopedia Britannica, 1998, Volume 2, p. 510-514.

8. McGraw-Hill, Encyclopedia of Science of Technology, USA, Library of Congress Cataloging-in-Publication Data, 2001, Volume 3, p. 277-293.

9. A division of Scholastic, Danbury, Connecticut, Encyclopedia Americana (Volume 4), USA, Library of Congress Cataloging-in-Publication Data, 2002, p. 522-537.