Cầu (công trình giao thông)

Cầu là công trình kết nối hai hay nhiều điểm khác nhau, giúp việc di chuyển giữa các địa điểm đó trở nên thuận tiện hơn.

Cầu là công trình giao thông được xây dựng để vượt qua các chướng ngại vật như: rãnh nước, suối, sông, hồ, biển, thung lũng, hoặc các chướng ngại vật khác như đường bộ, đường sắt... nhằm duy trì sự liên tục trong giao thông.

Ý nghĩa từ nguyên

Cầu là một từ gốc Hán Việt, có nguồn gốc từ cách phát âm của chữ Hán cổ đại '橋'. Trong âm Hán Việt hiện đại, chữ '橋' được phát âm là kiều. William H. Baxter và Laurent Sagart đã phục nguyên âm Hán cổ của chữ '橋' là *[g](r)aw.

Tiến trình lịch sử

Cầu đã xuất hiện từ rất lâu trước đây. Ban đầu, cầu là sản phẩm của tự nhiên, như một khúc cây nằm ngang qua dòng nước. Vào những thời kỳ đầu, cầu thường được làm từ các tấm ván, cây gỗ đơn, tre, hoặc thậm chí là những tảng đá. Những loại cầu này thường không chịu được tải trọng lớn và cường độ giao thông cao.

Các cây cầu vòm đá và hệ thống dẫn nước (cầu máng) được xây dựng đầu tiên vào thời kỳ Đế chế La Mã, với một số vẫn còn tồn tại đến nay như cầu Alcántara bắc qua sông Tagus ở Tây Ban Nha. Nhiều vùng lãnh thổ khác cũng xây dựng cầu bằng các vật liệu khác nhau như gỗ, đá (Trung Quốc), gạch vữa (châu Âu), hoặc cầu treo đơn giản bằng dây thừng của người Inca ở Nam Mỹ. Đến thế kỷ 19, khi cách mạng công nghiệp xảy ra, cầu sắt rèn được phát triển, sau đó là cầu thép. Ngày nay, cầu bê tông và cầu thép trở nên phổ biến, với nhịp cầu ngày càng dài, từ vài trăm mét như cầu dầm bê tông ứng suất trước hoặc thép, đến 2000 mét như cầu treo Akashi-Kaikyo ở Nhật Bản.

Cấu trúc, sự phát triển và phân loại

Hình ảnh các mẫu cầu phổ biến

Những yếu tố cấu thành cầu

Kết cấu cầu là một phần của ngành kết cấu xây dựng. Việc xây dựng cầu gặp nhiều thách thức do cấu trúc phức tạp, vì vậy thiết kế cầu thường thuộc về các kỹ sư xây dựng thay vì các kiến trúc sư.

Cấu trúc nhịp cầu

Kết cấu nhịp cầu bao gồm các phần như mặt cầu (gồm bản mặt bê tông cốt thép, thép hoặc gỗ và lớp phủ chống nước như bê tông asphalt...), dầm dọc và dầm ngang. Kết cấu nhịp phải chịu tải trọng tĩnh từ bản thân cầu và tải trọng động từ người và xe. Ngoài ra, cầu còn phải chịu ảnh hưởng của gió và động đất (trong các trường hợp đặc biệt). Tất cả các tải trọng này được truyền xuống đất qua hệ thống mố và trụ cầu.

Mố cầu là phần kết cấu nằm ở hai đầu cầu, nối tiếp giữa cầu và đường. Nó tạo thành cấu trúc chuyển tiếp từ mặt cầu đến đường và tiếp nhận một phần tải trọng từ nhịp cầu. Mố cầu chịu tác dụng của đất đắp và thường được xây dựng bằng bê tông cốt thép và bao ngoài bằng đá hộc hoặc đá tảng liên kết bằng xi măng có mác cao.

Phần kết cấu nằm giữa hai mố cầu, chịu trách nhiệm nâng đỡ nhịp cầu gọi là trụ cầu. Để duy trì sự ổn định và hiệu quả kinh tế kỹ thuật, chiều dài của nhịp cầu không thể quá lớn. Đối với các khoảng cách lớn, cần có trụ cầu làm nhiệm vụ chống đỡ trung gian. Trụ cầu chuyển tải tải trọng từ nhịp cầu xuống móng. Đối với cầu dây văng hoặc cầu treo, trụ cầu thường được xây dựng cao hơn mặt cầu để hỗ trợ việc treo, neo dây cáp, được gọi là trụ tháp.

Trụ cầu và mố cầu là những yếu tố rất quan trọng trong cấu trúc cầu. Khi thiết kế, cần xem xét nhiều yếu tố không chỉ để chịu lực từ nhịp cầu mà còn các yếu tố khác như lực đẩy ngang từ đất đối với mố, và va đập từ phương tiện giao thông như tàu thuyền hoặc xe cộ vào trụ cầu. Đối với cầu qua sông, trụ cầu còn phải chịu các yếu tố thủy lực như lực đẩy nổi và tác động của dòng chảy. Ngoài ra, các yếu tố ăn mòn như han gỉ cũng ảnh hưởng mạnh đến trụ cầu.

Móng cầu

Móng cầu là phần dưới cùng của cầu, thường được làm bằng bê tông cốt thép. Móng cầu có nhiệm vụ truyền tải và phân bố toàn bộ tải trọng xuống nền đất, đảm bảo kết cấu cầu đứng vững mà không bị phá hủy do nền đất không chịu tải trọng.

Gối cầu

Gối cầu là phần kết nối giữa nhịp cầu và mố trụ, hoạt động như một tấm đệm giúp phân tán tải trọng và giảm lực cắt ngang từ kết cấu nhịp truyền xuống mố trụ. Nó cũng hỗ trợ kết cấu cầu hoạt động đúng theo mô hình thiết kế, giúp nhịp cầu di chuyển và co giãn một cách tối ưu mà không bị cản trở. Gối cầu có nhiều loại, được chia thành gối cố định và gối di động, có thể là gối cứng (như thép, gối chậu) hoặc đàn hồi (như gối cao su, cao su bản thép).

Phụ kiện

• Lan can: là phần bao quanh ngoài cùng của mặt cầu, có nhiệm vụ ngăn chặn người và phương tiện giao thông không rơi ra khỏi cầu, đồng thời tạo cảm giác an toàn và tăng tính thẩm mỹ. Với các cầu dành cho người đi bộ, lan can chủ yếu bảo vệ người đi bộ; còn với cầu không có phần dành cho người đi bộ, lan can giúp ngăn phương tiện giao thông không rơi xuống khi xảy ra sự cố. Đối với cầu có phần dành cho người đi bộ, chiều cao của phần làn dành cho người đi bộ cũng là yếu tố quan trọng ngăn chặn phương tiện giao thông rơi ra khỏi cầu.
• Khe co giãn: khoảng cách giữa các bản cầu cần có khe co giãn để điều chỉnh khi nhiệt độ thay đổi, đảm bảo cho phương tiện di chuyển qua khe một cách êm ái và không bị sốc.
• Đường ống kỹ thuật: Trong các cầu hiện đại, dầm cầu rỗng thường chứa hệ thống điện, dây cáp tín hiệu, điện điều khiển, đường ống nước và dây cáp thông tin. Đối với cầu không phải là kết cấu dầm hộp, các đường dây và ống kỹ thuật được lắp đặt bên cạnh cầu hoặc dưới đáy dầm, chạy theo chiều dọc của cầu.

Các cây cầu nổi tiếng trên thế giới

• Cầu Akashi-Kaikyo - Nhật Bản, nổi bật với nhịp treo dài nhất thế giới đạt 1.991 km.
• Cầu Bắc Bàn Giang - Trung Quốc, cầu dây văng cao nhất thế giới với độ cao 564 m.
• Cầu Bosphorus - Thổ Nhĩ Kỳ, cầu nối liền châu Âu và châu Á.
• Cầu Liên bang - Canada, cây cầu dài nhất thế giới bắc qua vùng băng tuyết.
• Cầu đường sắt Forth - Scotland, một biểu tượng của kỹ thuật cầu.
• Cầu Cổng Vàng - Hoa Kỳ, được coi là một trong những cây cầu đẹp nhất thế giới.
• Great Belt Fixed Link, Eastern Bridge - Đan Mạch, cầu treo có nhịp lớn thứ 3 thế giới, dài 1.624 km.
• Cầu Sắt - Anh, cầu sắt đầu tiên trên thế giới.
• Cầu Jamuna - Bangladesh, cây cầu đường sắt dài nhất châu Á, đứng thứ 2 thế giới về độ dài.
• Lake Pontchartrain Causeway - Hoa Kỳ, bắc qua hồ Pontchartrain ở nam Louisiana.
• Lô Phổ đại kiều (卢浦大桥) - Trung Quốc, cầu có nhịp dài nhất thế giới.
• Cầu Mackinac - Hoa Kỳ, hoàn thành năm 1957, nối hai bán đảo của bang Michigan; từng giữ kỷ lục là cầu treo có 2 cột trụ dài nhất thế giới cho đến giữa thập niên 1990.
• Mahatma Gandhi Setu - Ấn Độ, cầu dài nhất bắc qua sông ở Ấn Độ.
• Cầu Menai Suspension - xứ Wales, cầu treo đường bộ đầu tiên trên thế giới.
• Cầu cạn Millau - Pháp, cầu cao nhất thế giới, vượt qua cả tháp Eiffel.
• Øresundbroen/Öresundsbron - nối liền Đan Mạch và Thụy Điển.
• Cầu Overtoun - Scotland, nổi tiếng với thiết kế độc đáo.
• Cầu Cung điện - Sankt-Peterburg, Nga, là biểu tượng của thành phố.
• Cầu Penang - Malaysia, cây cầu dài nhất Đông Nam Á.
• Cầu Québec - Canada, cầu nổi tiếng ở Quebec.
• Cầu vịnh San Francisco-Oakland - Hoa Kỳ, nối liền hai thành phố lớn ở California.
• Cầu Sundial - Mỹ, một công trình kiến trúc ấn tượng.
• Cầu Sunshine Skyway - Hoa Kỳ, cầu treo dài nhất với thiết kế đặc biệt.
• Cầu Sydney Harbour - Úc, nổi bật với cảnh quan đẹp và thiết kế ấn tượng.
• Cầu Tacoma Narrows - Hoa Kỳ, nổi tiếng với sự sụp đổ lịch sử.
• Cầu Tatara - Nhật Bản, cầu treo rộng nhất thế giới.
• Cầu Tháp - Luân Đôn, Anh, biểu tượng nổi tiếng của thành phố.
• Cầu Thanh Mã - Hồng Kông, nổi bật với thiết kế hiện đại.
• Cầu Tyne - Anh, cầu nổi tiếng ở khu vực Newcastle.
• Cầu Trajan's - România, cầu cổ qua sông Danube từ thời La Mã.
• Cầu U Bein - Myanmar, cầu gỗ dài nhất thế giới ở Amarapura, dài 1.2 km.
• Cầu Vasco da Gama - Bồ Đào Nha, cầu dài nhất châu Âu với chiều dài 17.2 km.
• Cầu Victoria Falls - nối liền Zimbabwe và Zambia, xây dựng năm 1905, là phần của dự án đường sắt Cape-Cairo.
• Cầu Zakim Bunker Hill - Mỹ, cầu hiện đại ở Boston.
• Cầu Cảng Ngọc Trai - Mỹ, cầu nổi tiếng với thiết kế độc đáo.
• Cầu Sông Zohar - Israel, xây dựng năm 1997 gần biển Chết, là cầu thấp nhất thế giới.
• Cầu Cần Thơ - Việt Nam, cầu dây văng trên sông Hậu, nối liền Vĩnh Long với Cần Thơ, có nhịp chính dài nhất Đông Nam Á (550 m).
• Cầu Trần Thị Lý - Đà Nẵng, Việt Nam, cầu dây văng ba mặt dây phẳng với gối trụ lớn nhất thế giới.
• Cầu Phú Mỹ - Thành phố Hồ Chí Minh, nối Q.2 với Q.7 trên sông Sài Gòn, là cầu dây văng hiện đại nhất thế giới và lớn nhất tại thành phố Hồ Chí Minh.