Một cây cầu gồm hai phần lớn: kết cấu phần dưới (móng, mố ở hai đầu, trụ ở giữa) đưa lực xuống đất, và kết cấu phần trên (gối, dầm hoặc dàn, bản mặt cầu, lớp phủ, lan can, khe co giãn) nhận trực tiếp tải trọng xe. Ranh giới giữa hai phần thường là gối cầu, nơi dầm tựa lên đỉnh mố, trụ.
Khi đọc hồ sơ thiết kế, nghe kỹ sư báo cáo hay đứng dưới gầm một cây cầu, gọi đúng tên từng bộ phận là bước đầu để hiểu hư hỏng nằm ở đâu và nghiêm trọng tới mức nào. Bài này đi từ dưới lên, kể mỗi bộ phận bằng lời như một mặt cắt dọc, kèm vai trò, vật liệu và chỗ hay hỏng.
Móng cầu: phần không ai thấy nhưng quyết định tuổi thọ
Móng nhận toàn bộ tải từ mố, trụ và truyền xuống lớp đất đủ khả năng chịu lực. Ở nơi đá gốc nông, có thể dùng móng nông đặt thẳng lên đá. Phần lớn cầu ở đồng bằng Việt Nam đứng trên móng cọc: cọc bê tông đúc sẵn đóng hoặc ép, cọc ống thép, hay cọc khoan nhồi đường kính lớn xuyên qua lớp bùn sét yếu để cắm vào lớp cát chặt hoặc đá bên dưới. Đầu các cọc được liên kết bằng một khối bê tông dày gọi là bệ móng (bệ cọc).
Với trụ giữa sông, bệ móng có thể nằm dưới mặt nước, dưới đáy sông hoặc nhô lên một phần. Vị trí đó ảnh hưởng tới xói lở: dòng chảy quanh trụ tạo xoáy, đào hố xói ở chân trụ, và nếu hố xói làm lộ cọc nhiều hơn thiết kế thì khả năng chịu lực giảm. Đây là lý do móng trụ sông cần được quan trắc đáy sông sau mỗi mùa lũ lớn.
Người ngoài nghề thường chỉ thấy phần trên mặt nước. Thực tế, khối lượng bê tông và thép nằm dưới đất của một cây cầu lớn có khi còn nhiều hơn phần nhìn thấy. Biện pháp làm cọc, làm vòng vây cho bệ móng dưới nước thuộc chủ đề thi công cầu.
Mố cầu: điểm nối cầu với đường, chịu cả đất đẩy
Vị trí và nhiệm vụ. Mố là bộ phận ở hai đầu cầu, vừa đỡ đầu dầm nhịp biên, vừa giữ khối đất nền đường đắp sau lưng không sụt xuống sông. Vì thế mố chịu hai loại lực: tải thẳng đứng từ dầm và áp lực ngang của đất đắp, cộng thêm tải xe đứng trên nền đường sau mố.
Các bộ phận của mố. Một mố chữ U quen thuộc gồm tường đỉnh (tường chắn đầu dầm), xà mũ mố nơi đặt gối, thân mố, tường cánh hai bên ôm lấy khối đất đắp, và bệ móng. Tường cánh giữ đất ở hai bên taluy; mố chữ U có hai tường cánh song song chạy dọc tuyến.
Mố vùi, mố nặng, mố nhẹ. Mố vùi chôn trong khối đất đắp có taluy hình nón, đất bao quanh mố; mố nặng tự đứng bằng trọng lượng như một tường chắn; mố nhẹ hay mố trên cọc dựa vào móng cọc để chịu lực ngang. Kiểu nào hợp tuỳ chiều cao đắp và địa chất.
Bản quá độ. Là tấm bê tông một đầu gác lên vai mố, đầu kia nằm trên nền đường đắp. Nền đường sau mố hay lún nhiều hơn mố cứng, tạo ra bậc "cú nhảy" khi xe lên cầu; bản quá độ chuyển độ lún đó thành một dốc thoải. Bản bị gãy hoặc đất dưới bản bị rỗng là nguyên nhân phổ biến của cú dằn đầu cầu.
Trụ cầu: cột chống giữa các nhịp
Trụ đỡ đầu dầm của hai nhịp kề nhau, hoặc đỡ dầm liên tục đi qua. Trụ gồm xà mũ trụ ở trên (nơi đặt gối), thân trụ và bệ móng. Thân trụ có nhiều dạng: trụ đặc thành mảng, trụ thân cột tròn hoặc chữ nhật, trụ hai cột có xà ngang, trụ chữ T hay chữ Y một cột để tiết kiệm diện tích dưới cầu cạn đô thị.
Trụ trong lòng sông còn phải chịu va chạm của tàu thuyền, gỗ trôi, rác trong lũ. Đầu trụ phía thượng lưu thường được vuốt nhọn hoặc lượn tròn để dòng chảy rẽ êm hơn, giảm xoáy và giảm xói. Với luồng tàu lớn, quanh trụ có thể có hệ chống va: cụm cọc, đảo nhân tạo hoặc phao đệm, để tàu lạc luồng va vào hệ này trước khi chạm trụ.
Chiều cao trụ quyết định nhiều điều hơn người ta nghĩ. Trụ thấp, mập thì cứng, dầm gối lên đó gần như đứng yên; trụ cao, mảnh ở cầu cạn qua thung lũng hay cầu vượt sông có tĩnh không lớn thì có độ mềm nhất định theo phương ngang, cùng dịch chuyển với dầm khi nhiệt độ thay đổi hoặc khi có động đất. Người thiết kế dựa vào độ mềm đó để quyết định trụ nào đặt gối cố định, trụ nào đặt gối di động, và có khi đổ dầm liền vào những trụ cao nhất để thành khung. Vì vậy trên cùng một cây cầu, hai trụ trông giống nhau có thể làm việc rất khác nhau.
Trụ của cầu dây văng và cầu treo được gọi là tháp. Tháp cao hàng chục đến hàng trăm mét, chịu nén rất lớn từ các cáp, thường làm bằng bê tông cốt thép, thi công bằng ván khuôn leo hoặc ván khuôn trượt theo từng đốt.
Kết cấu nhịp: các dạng dầm và bản thường gặp
Phần nằm ngang giữa hai trụ là kết cấu nhịp. Ở cầu đường bộ phổ biến, kết cấu nhịp gồm các dầm chủ đặt song song và bản mặt cầu đổ bên trên. Các dạng hay gặp:
| Dạng | Hình dung mặt cắt | Thường dùng cho |
|---|---|---|
| Cầu bản | Một tấm bê tông đặc hoặc có lỗ rỗng tròn, không có dầm riêng | Nhịp rất ngắn, cầu vượt kênh nhỏ, cống bản |
| Dầm chữ I, chữ T | Nhiều dầm đứng song song, nối nhau bằng dầm ngang và bản mặt cầu | Nhịp ngắn đến trung bình, cầu đúc sẵn |
| Dầm Super T, dầm U | Dầm có cánh rộng hoặc lòng máng, ít dầm hơn trên một mặt cắt | Cầu cao tốc, cầu cạn nhịp trung bình |
| Dầm hộp | Một hoặc vài hộp kín, có bản đáy, hai thành và bản nắp | Nhịp lớn, cầu cong, cầu đúc hẫng, cầu dây văng |
| Dầm thép I và bản bê tông | Dầm thép bên dưới, bản bê tông bên trên, liên kết bằng neo chống cắt | Cầu liên hợp, cầu vượt cần lắp nhanh |
| Dàn thép | Hai mặt dàn tam giác hai bên, hệ dầm dọc dầm ngang đỡ mặt cầu | Cầu đường sắt, cầu lắp ghép, cầu cũ |
Bản mặt cầu là lớp bê tông cốt thép trực tiếp đỡ bánh xe, phân phối tải từ bánh xe sang các dầm chủ. Ở dầm hộp, bản nắp hộp đồng thời là bản mặt cầu. Độ dày, cốt thép và lớp bê tông bảo vệ của bản theo hồ sơ thiết kế được duyệt.
Những lớp nằm trên bản mặt cầu
Từ bản mặt cầu lên tới chỗ bánh xe chạm, còn vài lớp mỏng mà mỗi lớp có một nhiệm vụ. Hỏng một lớp là các lớp dưới bị ảnh hưởng:
- Lớp phòng nước: màng chống thấm dạng cuộn hoặc dạng phun, ngăn nước mưa ngấm xuống bê tông bản mặt cầu, nơi nước mang theo muối và chất bẩn làm rỉ cốt thép.
- Lớp phủ mặt cầu: thường là bê tông nhựa, có nơi dùng bê tông xi măng; tạo độ nhám, độ bằng phẳng và chịu mài mòn trực tiếp. Lớp này được thay định kỳ, không phải là kết cấu chịu lực.
- Độ dốc ngang và rãnh biên: mặt cầu dốc ra hai bên hoặc một bên để nước chảy về rãnh dọc sát gờ lan can, rồi xuống ống thoát nước.
- Gờ chắn bánh, lan can, tay vịn: giữ xe và người không rơi khỏi cầu; lan can ô tô bằng bê tông hoặc thép phải chịu được lực va theo cấp thiết kế.
- Lề người đi và dải phân cách: trên cầu đô thị, lề bộ hành thường cao hơn mặt xe chạy, có khi đặt hộp kỹ thuật cho cáp điện, viễn thông bên dưới.
- Khe co giãn: nằm ở đầu nhịp hoặc đầu cầu, cho phép kết cấu nhịp dài ra, ngắn lại theo nhiệt độ mà mặt đường vẫn liền mạch cho xe qua.
Nhiều chủ đầu tư nhỏ coi các lớp này là "hoàn thiện" nên muốn cắt bớt. Thực tế, cầu bê tông hỏng sớm phần nhiều bắt đầu từ chính những lớp mỏng này: thoát nước kém, chống thấm thủng, khe co giãn rò nước xuống gối.
Gối cầu: khớp nối giữa phần trên và phần dưới
Vì sao không đổ dầm liền vào trụ. Dầm dài ra khi trời nóng, ngắn lại khi trời lạnh, co ngót và từ biến theo thời gian, võng xuống và xoay ở đầu khi có xe chạy. Nếu bị giữ chặt, những chuyển vị nhỏ đó sinh ra lực rất lớn làm nứt dầm hoặc đỉnh trụ. Gối cho phép dầm xoay và trượt có kiểm soát, đồng thời truyền tải thẳng đứng xuống mố trụ.
Các kiểu gối chính. Gối cao su cốt bản thép cho cầu nhịp ngắn và vừa; gối chậu (gối thép chậu cao su) và gối cầu thép có mặt trượt cho tải lớn và chuyển vị lớn; gối con lăn, gối tiếp tuyến bằng thép ở các cầu cũ. Mỗi kiểu được chọn theo tải trọng, chuyển vị và góc xoay thiết kế.
Đá kê gối. Là khối bê tông nhỏ đúc trên xà mũ ngay dưới gối, nâng gối lên khỏi mặt xà để dễ kiểm tra, thoát nước và sau này kích dầm lên thay gối. Đá kê gối nứt vỡ hay bị nước đọng là dấu hiệu cần để ý.
Một quy tắc nhận biết. Trên một nhịp, thường có đầu gối cố định và đầu gối di động. Nhìn từ dưới gầm, gối di động phải có khe hở cho dầm dịch chuyển; nếu thấy gối bị đất cát, rác lấp kín hoặc dầm áp sát tường đỉnh mố không còn khe hở, kết cấu đang bị "bó" lại.
Câu hỏi thường gặp
Mố cầu và trụ cầu khác nhau thế nào?
Mố nằm ở hai đầu cầu, vừa đỡ dầm vừa chắn đất nền đường đắp phía sau nên chịu thêm áp lực đất. Trụ nằm ở giữa, đỡ dầm của hai nhịp kề nhau và chủ yếu chịu tải thẳng đứng, tải gió, va xô. Một cầu luôn có hai mố, còn số trụ tuỳ số nhịp.
Kết cấu phần trên và phần dưới của cầu gồm những gì?
Phần trên gồm gối cầu, dầm chủ hoặc dàn, dầm ngang, bản mặt cầu, lớp phòng nước, lớp phủ, lan can, khe co giãn và hệ thoát nước. Phần dưới gồm mố, trụ và móng. Ranh giới thường được đặt tại gối, nơi tải trọng chuyển từ kết cấu nhịp xuống mố trụ.
Vì sao lên xuống cầu hay bị dằn xóc ở đầu cầu?
Thường là do nền đường đắp sau mố lún nhiều hơn mố cứng đặt trên cọc, tạo bậc chênh. Bản quá độ được làm để chuyển chênh lệch đó thành một dốc thoải; khi bản gãy, đất dưới bản bị rỗng hoặc khe co giãn đầu cầu hỏng, xe sẽ bị dằn rõ rệt.
Bản mặt cầu có phải là lớp nhựa xe chạy lên không?
Không. Bản mặt cầu là tấm bê tông cốt thép chịu lực nằm bên dưới. Lớp nhựa bạn thấy là lớp phủ, bên dưới nó thường còn một lớp phòng nước. Lớp phủ có thể cào bóc, rải lại nhiều lần trong đời cầu mà không đụng đến bản mặt cầu.
Đứng dưới gầm cầu có nhìn được chỗ hỏng không?
Nhìn được một số dấu hiệu bằng mắt thường: vệt nước chảy và vệt rỉ trên mặt dưới bản, bê tông bong lộ cốt thép, gối bị lấp kín hoặc biến dạng, nứt ở đầu dầm, hố xói quanh chân trụ khi nước cạn. Đánh giá mức độ và nguyên nhân là việc của đơn vị kiểm định.