Một cầu dây văng được dựng theo ba khâu đan xen: đổ tháp cao dần bằng ván khuôn leo, thi công dầm chủ hẫng đối xứng từ chân tháp ra hai phía theo từng đốt, và sau mỗi đốt lắp thêm một cặp dây văng neo từ tháp xuống đầu đốt rồi căng tới lực tính toán; cuối cùng nối các cánh hẫng ở giữa nhịp và chỉnh lực toàn bộ dây để cầu đạt hình dạng thiết kế.
Cầu Mỹ Thuận, cầu Cần Thơ hay cầu Nhật Tân là những cầu dây văng quen thuộc ở Việt Nam, mỗi cây cầu có cấu tạo tháp, dầm và dây khác nhau. Bài này không đi vào tính toán, chỉ giải thích trình tự thi công ở mức nguyên lý để kỹ sư trẻ và người quan tâm hiểu được vì sao những cây cầu này mất nhiều năm để dựng và vì sao việc căng chỉnh dây là phần công nghệ cốt lõi.
Cầu dây văng làm việc thế nào, nhìn từ góc người thi công
Ở cầu dầm thông thường, dầm phải tự gánh toàn bộ tải qua nhịp. Ở cầu dây văng, dầm được treo vào tháp bằng nhiều dây xiên, mỗi dây như một gối đỡ đàn hồi đặt dọc nhịp. Nhờ vậy dầm có thể mảnh hơn nhiều mà vẫn vượt được nhịp lớn. Lực trong dây kéo dầm lên, đồng thời ép dầm theo phương dọc, còn tháp nhận lực nén lớn và truyền xuống móng.
Điều quan trọng với người thi công là hình dạng và nội lực cuối cùng của cầu phụ thuộc trực tiếp vào lực căng của từng dây và trình tự lắp. Hai cây cầu có cùng bản vẽ nhưng căng dây khác thứ tự sẽ có hình dạng mặt cầu và nội lực khác nhau. Do đó thiết kế cầu dây văng luôn đi kèm một trình tự thi công chi tiết, được phân tích theo từng giai đoạn, và việc thi công phải bám sát trình tự ấy.
Cầu dây văng có thể có dầm bê tông, dầm thép hoặc dầm liên hợp thép với bản bê tông. Dầm bê tông thường được đúc hẫng tại chỗ bằng xe đúc; dầm thép hay liên hợp được chế tạo thành đốt trong xưởng, chở ra bằng xà lan và cẩu lắp hẫng. Phương pháp khác nhau nhưng nguyên tắc tiến đối xứng từ tháp và căng dây theo đốt là chung.
Dựng tháp: phần cao nhất và mất nhiều thời gian nhất
Tháp cầu dây văng có thể hình chữ H, chữ A, chữ Y ngược, hình kim cương hay một cột đơn. Dù hình nào, việc thi công tháp có những điểm chung:
- Ván khuôn leo hoặc ván khuôn trượt: tháp được đổ theo từng đốt cao vài mét, ván khuôn và sàn công tác leo dần lên. Với tháp nghiêng hoặc thay đổi tiết diện, ván khuôn phải được điều chỉnh từng đốt.
- Cẩu tháp và vận thăng: đặt sát tháp cầu, neo vào thân tháp theo chiều cao, phục vụ vật liệu và người lên xuống. Đây là thiết bị phải kiểm định và có người vận hành có chứng chỉ.
- Thanh giằng tạm giữa hai chân tháp: tháp chữ H hay chữ A có hai chân nghiêng, khi còn đứng riêng chúng có thể bị uốn do trọng lượng bản thân. Thanh chống ngang tạm giữ chúng đúng vị trí tới khi đổ xà ngang.
- Vùng neo dây trên tháp: nơi đặt ống dẫn và neo của dây văng, thường là phần phức tạp nhất. Ống neo phải đặt đúng góc và toạ độ tới từng milimet, vì sai góc thì dây cọ vào miệng ống và đầu neo chịu lực lệch.
- Đo đạc theo nhiệt độ và gió: tháp cao bị cong nhẹ theo nắng trong ngày, nên toạ độ được đo ở thời điểm nhiệt độ ổn định và có hiệu chỉnh.
Tháp thường được làm song song với các khối dầm sát chân tháp, để khi tháp vượt quá vùng neo của cặp dây đầu tiên thì dầm cũng sẵn sàng nhận dây. Tiến độ của tháp vì vậy hay là đường găng của cả công trình.
Lắp dầm hẫng và dây theo từng đốt
Khi đốt dầm đầu tiên quanh tháp đã xong, mỗi chu kỳ ở hai phía tháp diễn ra theo trình tự cơ bản sau, chi tiết thay đổi tuỳ dầm bê tông hay dầm thép:
- Đưa đốt dầm mới vào vị trí: với dầm bê tông là di chuyển xe đúc và đổ bê tông đốt mới; với dầm thép là cẩu đốt chế tạo sẵn từ xà lan lên và liên kết bằng bu lông cường độ cao hoặc hàn.
- Kéo dây văng của đốt đó từ tháp xuống: dây được luồn qua ống dẫn trên tháp và ở dầm, lắp đầu neo hai đầu.
- Căng dây lần đầu tới lực quy định cho giai đoạn này, để đỡ trọng lượng đốt mới và giải phóng xe đúc hoặc cẩu.
- Đo cao độ đầu cánh hẫng, đo độ nghiêng tháp, đo lực các dây đã có; so sánh với giá trị dự báo của giai đoạn.
- Điều chỉnh nếu cần: chỉnh cao độ ván khuôn đốt sau, hoặc căng chỉnh lại một số dây theo chỉ dẫn của thiết kế.
- Lặp lại cho đốt tiếp theo, giữ hai phía tháp cân bằng theo giới hạn mất cân bằng cho phép.
Ở những cầu dây văng có nhịp biên ngắn hơn nhịp giữa, phần nhịp biên thường có trụ phụ hoặc được làm trên đà giáo, giúp neo giữ tháp khi cánh hẫng nhịp giữa vươn xa. Khi cánh hẫng dài, gió trở thành tải trọng đáng kể, nên có thể phải lắp dây giằng tạm hoặc thiết bị giảm dao động cho giai đoạn thi công.
Dây văng và cách căng: từng tao hay cả bó
Dây văng phổ biến hiện nay là bó gồm nhiều tao cáp thép bảy sợi, mỗi tao được mạ hoặc phủ sáp và bọc nhựa riêng, cả bó nằm trong một ống bọc ngoài bằng nhựa cứng. Có hai cách lắp chính: lắp và căng từng tao một bằng kích nhỏ, hoặc chế tạo sẵn cả bó dây trong nhà máy rồi kéo lên và căng một lần bằng kích lớn. Cách căng từng tao cho phép dùng thiết bị nhẹ, dễ thay thế từng tao khi khai thác, nhưng phải có phương pháp để các tao cuối cùng có lực đều nhau.
Với cách căng từng tao, một phương pháp thường dùng là đặt một tao chuẩn có cảm biến lực, tao sau được căng tới khi lực của nó bằng lực hiện tại của tao chuẩn, vì mỗi lần căng thêm tao mới thì lực các tao trước giảm dần do dầm và tháp biến dạng. Khi đủ số tao, lực của cả bó sẽ đồng đều. Dù chi tiết khác nhau giữa các hệ dây, mục tiêu là cả bó làm việc như một khối, không có tao nào chịu quá tải.
Sau khi căng xong, đầu neo được bảo vệ chống ăn mòn bằng nắp chụp và vật liệu lấp, miệng ống dẫn có bộ giảm chấn để hạn chế dao động của dây do gió, gió kèm mưa và do xe chạy. Ống bọc ngoài thường có gân xoắn hoặc gờ nổi trên bề mặt cũng nhằm giảm dao động do mưa gió. Những chi tiết này nhỏ nhưng quyết định tuổi thọ dây trong nhiều thập kỷ.
Hợp long nhịp giữa và căng chỉnh lần cuối
Khi hai cánh hẫng từ hai tháp tiến tới giữa nhịp, quá trình hợp long giống ở cầu đúc hẫng nhưng có thêm một công cụ: lực dây. Bằng cách chỉnh lực một số dây gần đầu cánh, người ta có thể nâng hạ đầu cánh hẫng để hai đầu khớp nhau về cao độ. Với dầm thép, đốt hợp long thường được đo chính xác khoảng hở thực tế rồi mới cắt gọt và lắp, vào thời điểm nhiệt độ quy định để kích thước khớp.
Sau hợp long và sau khi lắp các lớp hoàn thiện như lớp phủ mặt cầu, lan can, dải phân cách, toàn bộ dây được đo lực và có thể được căng chỉnh lần cuối để cầu đạt hình dạng và trạng thái nội lực thiết kế. Lực dây được đo bằng nhiều cách, ví dụ đo trực tiếp bằng kích hoặc cảm biến, hay đo tần số dao động của dây rồi suy ra lực. Kết quả này trở thành trạng thái ban đầu để so sánh trong suốt quá trình khai thác.
Nhiều cầu dây văng được lắp hệ thống quan trắc lâu dài: cảm biến lực dây, đo gió, đo nhiệt độ, đo dao động, đo chuyển vị. Dữ liệu này giúp đơn vị quản lý biết cầu đang làm việc bình thường hay có dấu hiệu bất thường. Phần kiểm định và thử tải cầu trước khi thông xe là chuyên đề riêng của thí nghiệm kiểm định.
An toàn khi thi công cầu dây văng
Cầu dây văng tập hợp gần như mọi loại rủi ro của nghề cầu: làm việc rất cao, trên nước, với tải nặng và lực căng lớn. Những nguyên tắc chính:
- Mọi lối lên tháp phải qua vận thăng hoặc thang có lồng bảo vệ, sàn công tác có lan can và lưới chắn; dây an toàn luôn móc vào điểm neo chắc.
- Khi căng dây, khu vực phía sau kích và quanh đầu neo được rào, chỉ người vận hành được ở gần; liên lạc giữa người ở tháp và người ở dầm bằng bộ đàm, có quy ước rõ.
- Giới hạn gió cho cẩu tháp, cẩu nổi và cho việc kéo dây; dây dài chưa căng có thể quật mạnh trong gió.
- Vật rơi từ độ cao lớn cực kỳ nguy hiểm cho người và tàu bên dưới: dụng cụ buộc dây, vật liệu chứa trong thùng kín, luồng tàu dưới khu vực làm việc được điều tiết.
- Phối hợp với cơ quan quản lý đường thuỷ về phao báo hiệu, đèn tín hiệu ban đêm và lịch cẩu lắp đốt dầm.
- Kế hoạch ứng phó bão và lũ: chằng buộc cẩu, xe đúc, xà lan; rút người khỏi tháp và dầm hẫng.
Công trình cầu dây văng thường có đội an toàn riêng, đào tạo trước khi lên tháp và kiểm tra hằng ngày. Người mới đến không được tự ý lên tháp hay đi ra đầu cánh hẫng khi chưa qua hướng dẫn.
Dầm thép hay dầm bê tông: khác biệt khi thi công cánh hẫng
Dầm bê tông đúc tại chỗ nặng, nên khoảng cách giữa các dây thường ngắn và mỗi đốt cũng ngắn. Mỗi chu kỳ phải chờ bê tông đạt cường độ mới được căng dây và tiến xe đúc, vì vậy tiến độ chậm hơn, nhưng vật liệu dễ kiếm và thợ quen việc. Sai lệch cao độ có thể chỉnh dần qua cao độ ván khuôn ở các đốt sau.
Dầm thép hoặc liên hợp nhẹ hơn nhiều, đốt dài hơn và được chế tạo sẵn trong xưởng với độ chính xác cao. Ở công trường, việc chính là nâng đốt, liên kết bằng bu lông cường độ cao hoặc hàn, rồi căng dây; tiến độ mỗi đốt nhanh hơn. Nhưng dầm nhẹ cũng nhạy với gió hơn khi cánh hẫng dài, và mọi sai lệch hình học đã nằm sẵn trong đốt chế tạo, nên việc đo kiểm trong xưởng và lắp thử trước khi chở ra là bắt buộc.
Với dầm liên hợp, bản bê tông mặt cầu có thể là tấm đúc sẵn đặt lên dầm thép rồi đổ mối nối, hoặc đổ tại chỗ sau. Thời điểm đổ bản và thời điểm căng chỉnh dây ảnh hưởng tới phân bố lực giữa thép và bê tông, nên đây cũng là chi tiết phải theo đúng trình tự thiết kế.
Câu hỏi thường gặp
Cầu dây văng khác cầu treo ở điểm nào?
Ở cầu dây văng, mỗi dây đi thẳng từ tháp xuống neo vào dầm. Ở cầu treo, hai dây cáp chủ võng qua đỉnh tháp, neo vào khối neo lớn ở hai bờ, và dầm được treo vào cáp chủ bằng nhiều thanh treo đứng. Cách thi công hai loại vì thế khác hẳn nhau.
Vì sao phải căng chỉnh dây nhiều lần?
Mỗi khi thêm đốt dầm, thêm dây hay thêm lớp hoàn thiện, kết cấu biến dạng và lực trong các dây đã có thay đổi. Căng chỉnh theo trình tự giúp giữ hình dạng và nội lực đúng như phân tích ở từng giai đoạn, và đưa cầu về trạng thái thiết kế ở cuối cùng.
Dây văng có thay được khi cầu đang khai thác không?
Hầu hết hệ dây hiện đại được thiết kế để thay được từng tao hoặc từng dây mà không phải đóng cầu hoàn toàn, tuy có thể phải hạn chế tải. Việc thay dây cần phương án tính toán riêng và thiết bị chuyên dụng.
Tháp cầu dây văng bằng bê tông hay bằng thép?
Ở Việt Nam đa số tháp bằng bê tông cốt thép vì vật liệu sẵn có, chịu nén tốt và thi công bằng ván khuôn leo đã quen. Tháp thép hoặc liên hợp được dùng khi cần tháp mảnh, thi công nhanh hoặc có yêu cầu kiến trúc đặc biệt.
Vì sao dây văng có ống bọc ngoài màu sắc và gân nổi?
Ống bọc bảo vệ các tao cáp khỏi tia cực tím, mưa và bụi. Gân xoắn hay gờ nổi trên bề mặt giúp phá dòng nước mưa chảy dọc dây, giảm hiện tượng dây dao động mạnh khi có mưa kèm gió. Màu sắc thường do kiến trúc chọn.
Kỹ sư trẻ muốn làm cầu dây văng nên chuẩn bị gì?
Nên học chắc kết cấu bê tông dự ứng lực, kết cấu thép, phân tích kết cấu theo giai đoạn và đo đạc chính xác. Kinh nghiệm hiện trường ở cầu đúc hẫng hay cầu dầm thép là nền rất tốt trước khi tham gia một dự án dây văng.