Cầu extradosed

Mô hình sơ lược một cầu dầm - cáp hỗn hợp, vẽ dựa theo thiết kế cầu Twinkle Kisogawa ở Nhật Bản

Cầu extradosed (A.: extradosed bridge, P.: pont extradossé; cg.: Cầu dầm - cáp hỗn hợp; xt.: cầu bê tông cốt thép dự ứng lực, cầu dầm, cầu dây xiên, dự ứng lực ngoài) là dạng cầu hỗn hợp dầm bê tông dự ứng lực (tận dụng độ cứng của dầm tương tự như trong cầu dầm) và cáp đưa lên khỏi mặt cầu liên kết với cột tháp có chiều cao thấp đặt ở đỉnh trụ (tận dụng sức căng của các dây cáp nối dầm cầu với trụ tháp tương tự như trong cầu dây xiên nhưng về thực chất các dây cáp này có vai trò tương tự như cáp dự ứng lực ngoài của dầm hộp nhưng có độ lệch tâm lớn).

Cầu Extradosed cũng có thể coi là một dạng kết cấu lai cầu bê tông cốt thép dự ứng lực ngoài và cầu dây xiên, với những ưu điểm nhất định về kinh tế và kỹ thuật, phù hợp nhất với các nhịp cầu dài trung bình từ 100 đến 250 mét, có thể đến 300m. Hiện nay về mặt công nghệ cầu Extradosed có xu hướng phát triển tiệm cận về phía cầu dây xiên (dây văng) tận dụng các ưu điểm của dạng kết cấu này.

Lịch sử

Cầu Ganter ở Thụy Sĩ

Những cây cầu Extradosed đầu tiên trên thế giới là cầu ở Rzuchów gần Leżajsk (Ba Lan) và cầu Ganter (Thụy Sĩ) được hoàn thành vào năm 1980.

Kỹ sư Jacques Mathivat (Pháp) năm 1988 là người đầu tiên trình bày về thuật ngữ «extradosed» và phương pháp dự ứng lực ngoài được cải tiến từ phương pháp đúc hẫng với các bó cáp dự ứng lực nằm trong bản cánh trên của dầm hộp được thay thế bằng các cáp dự ứng lực đặt ở ngoài phía trên bề mặt dầm, đỡ trên thiết bị chuyển hướng đặt ở đỉnh trụ tháp mà ông gọi là “cáp extradosed”. Cầu extradosed đầu tiên theo đề xuất của Jacques Mathivat là cầu cạn Arret Darré (Pháp) với dầm hộp đúc sẵn được xây dựng trong khoảng năm 1982 - 1983.

Hình 3. Mô hình cầu Arret Darré (Pháp)

Cầu Odawara Blueway ở Nhật Bản

Tại Châu Á, kỹ sư trưởng Akio Kasuga tại công ty Xây dựng Sumitomo, Nhật Bản là người đầu tiên áp dụng khái niệm của Jacques Mathivat và cầu extradosed đầu tiên được xây dựng là cầu Odawara Blueway có hai mặt phẳng dây.

Cầu Extradosed trở thành một loại cầu đặc trưng cho cầu bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp lớn ở Nhật Bản, Hàn Quốc, ngoài ra cũng được xây dựng tại một số nước ở châu Á như Lào, Philippine, Việt Nam và nhiều nước khác trên thế giới. Ở Việt Nam, cầu vượt Ngã Tư Sở (Hà Nội) là cầu Extradosed đầu tiên được xây dựng. Cầu có nhịp chính dài 45 m, các nhịp biên dài 24 m. Cột tháp cầu bằng bê tông cốt thép cao 9,5 m, mỗi tháp có 4 cáp dây xiên liên kết với dầm chủ, bố trí đối xứng qua tháp. Hệ cáp văng liên kết với tháp cầu bằng kết cấu yên ngựa.

Hình 7. Cầu vượt Ngã Tư Sở (Hà Nội)

Các cầu Extradosed hiện đại rất đa dạng: dầm chủ bằng bê tông cốt thép dự ứng lực trong, dự ứng lực ngoài hoặc kết hợp cả hai loại; vật liệu làm kết cấu nhịp bằng bê tông cốt thép dự ứng lực hay hỗn hợp giữa bê tông cốt thép và thép (gọi là “kết cấu lai”); hình dáng mặt cắt ngang dầm đa dạng, chiều cao dầm chủ thay đổi hoặc không; sườn dầm bằng bê tông cốt thép thẳng, thép lượn sóng hoặc bê tông cốt thép kết hợp với thanh chống xiên, ...

Đặc điểm

Dầm cầu Extradosed nhỏ hơn so với cầu dầm nhưng lớn hơn so với cầu dây xiên nên so với cầu dầm thì tĩnh tải nhỏ hơn, chiều cao kiến trúc thấp rất thích hợp cho các cầu vượt trong đô thị, đồng thời trụ tháp thấp rất phù hợp cho các cầu yêu cầu hạn chế chiều cao như cầu vượt trong đô thị, cầu gần sân bay,... Chiều cao cột tháp nhỏ và hệ dây cáp thường có cấu tạo và làm việc đơn giản hơn cầu dây xiên cũng giúp cho việc lắp đặt và công tác duy tu bảo dưỡng dễ dàng hơn. Điểm khác biệt nữa là cáp văng biên ngoài của cầu Extradosed không cần phải được neo xuống mố hay trụ neo như trong cầu dây xiên, vì hệ dầm cứng của cầu Extradosed có độ cứng rất lớn, hơn nữa trọng lượng bản thân của hệ dầm cứng bên phía nhịp nhỏ cũng đủ lớn để chống lại phản lực âm khi có hoạt tải tác dụng ở trên nhịp giữa, dây cáp ngắn, độ võng bản thân cáp nhỏ nên dao động của cáp không ảnh hưởng lớn đến ổn định của cầu. Hệ dầm cầu cứng và hệ dây cáp dự ứng lực treo cùng làm việc dưới tác dụng của hoạt tải, do vậy có sự phân phối nội lực đồng đều hơn giữa hệ dầm cứng và hệ dây treo và tận dụng được khả năng làm việc của vật liệu. Hình dáng bên ngoài của cầu Extradosed rất giống cầu dây xiên có cột tháp thấp nhưng kết cấu nhịp cầu lại làm việc giống cầu dầm cứng hơn là cầu dây xiên và khả năng vượt nhịp không được như cầu dây xiên.

Cầu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực Cầu Extradosed Cầu dây xiên

h/L=1/15-1/17 h/L=1/30-1/35, H/L=1/10-1/15 h/L=1/100-1/130, H/L=1/4-1/5

Hình 8. So sánh cầu dầm liên tục - cầu Extradosed - cầu dây xiên điển hình

Giải thích kí hiệu trong hình vẽ:

L: chiều dài nhịp chính ; h: chiều cao dầm chủ ; H: chiều cao cột tháp cầu

Về mặt tính toán thiết kế, kết cấu cầu Extradosed là một kết cấu không gian phức tạp, hệ siêu tĩnh bậc cao, việc tính toán có thể được thực hiện trên cơ sở các phần mềm chuyên dụng với mô hình hoá kết cấu cầu theo hệ phẳng (mô hình 2D) hay hệ thống không gian (mô hình 3D).

Hình 9.Mô hình tính toán 3D cầu Extradosed

Về công nghệ thi công Cầu Extradosed thường là kết cấu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực kết hợp với hệ dây và tháp thấp cho nên về cơ bản có thể dùng các công nghệ xây dựng tương tự như của cầu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực, ví dụ công nghệ đúc hẫng, lắp hẫng dầm đồng thời căng các cáp treo xiên gần giống như thi công cầu dây văng nhưng đơn giản hơn.

Trong tiếng Việt, hiện chưa thống nhất được tên gọi của loại cầu này, một số tác giả đã dùng tên “cầu dầm cáp hỗn hợp” nhưng không miêu tả được đầy đủ bản chất loại cầu này. Do vậy các tác giả đề xuất giữ nguyên tên gọi mà cả thế giới đều hiểu là “cầu Extradosed”.

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Thị Minh Nghĩa (chủ biên), Cơ sở công trình cầu, Nxb. Giao thông Vận tải, 2015.
2. Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Nguyễn Đức Thị Thu Định, Trần Anh Đạt, Giáo trình lập phương án các công trình cầu. Nxb. Xây dựng, 2009.
3. Trần Việt Hùng, Nguyễn Viết Trung, Cầu Extradosed, Nxb. Xây dựng, 2014.
4. Wai-Fah Chen and Lian Duan, Bridge Engineering Handbook, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2014.