Philippines, một quốc gia quần đảo bao gồm hơn 7.600 hòn đảo, phải đối mặt với những thách thức cơ sở hạ tầng độc đáo do khí hậu nhiệt đới và địa lý năng động của nó. Là một quốc gia thường xuyên bị tàn phá bởi trung bình 20 cơn bão mỗi năm—bao gồm cả siêu bão thảm khốc với tốc độ gió vượt quá 200 km/h—kết hợp với độ ẩm cao, môi trường ven biển chứa muối, hoạt động địa chấn và lũ lụt thường xuyên, nhu cầu về cơ sở hạ tầng giao thông bền vững, khả năng phục hồi chưa bao giờ lớn hơn thế. Cầu kết cấu thép, được ca ngợi vì tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao, khả năng xây dựng theo mô-đun và tuổi thọ dài khi được thiết kế đúng cách, đã nổi lên như một giải pháp quan trọng để kết nối các cảnh quan bị phân mảnh của quốc gia. Tuy nhiên, để chịu được điều kiện khắc nghiệt của Philippines, cầu thép phải được thiết kế và sản xuất với sự chú ý chính xác đến các yếu tố gây căng thẳng môi trường địa phương, tuân thủ cả tiêu chuẩn quốc tế và các quy định cụ thể của khu vực. Hãy cùng khám phá những nguyên tắc cơ bản của cầu kết cấu thép, phân tích những hạn chế về khí hậu và địa lý của Philippines, phác thảo các tiêu chuẩn thiết kế cần thiết và trình bày chi tiết các cân nhắc chính để sản xuất cầu thép có thể chịu được môi trường hoạt động khắc nghiệt của quốc gia.
Cầu kết cấu théplà các kết cấu chịu tải chủ yếu bao gồm các thành phần thép, được thiết kế để vượt qua các chướng ngại vật vật lý như sông, thung lũng, kênh ven biển và đường giao thông đô thị. Không giống như cầu bê tông, dựa vào cường độ nén, cầu thép tận dụng cường độ kéo và nén đặc biệt của thép, cho phép nhịp dài hơn, trọng lượng nhẹ hơn và các cấu hình thiết kế linh hoạt hơn.
Cầu thép bao gồm một số thành phần chính: dầm chính (các yếu tố chịu tải chính), dầm ngang, sàn (thường là bê tông hoặc lưới thép), các bộ phận hỗ trợ (trụ và mố) và hệ thống kết nối (bu lông, mối hàn hoặc đinh tán). Các loại phổ biến bao gồm:
Cầu dầm: Thiết kế đơn giản nhất, sử dụng dầm thép ngang được hỗ trợ bởi các trụ, lý tưởng cho các nhịp trung bình (10–50 mét) phổ biến ở các khu vực nông thôn và thành thị.
Cầu giàn: Bao gồm các khung thép hình tam giác, mang lại độ bền và ổn định cao cho các nhịp dài hơn (50–200 mét), thường được sử dụng để vượt sông.
Cầu dây văng: Sử dụng cáp thép neo vào tháp để đỡ sàn, phù hợp với các nhịp cực dài (200–1.000 mét) cần thiết để vượt biển hoặc các con sông lớn.
Cầu vòm: Vòm thép cong truyền tải trọng lên mố, kết hợp hiệu quả kết cấu với sức hấp dẫn kiến trúc cho các nhịp từ 50–300 mét.
Các đặc tính độc đáo của thép làm cho nó đặc biệt phù hợp với nhu cầu của Philippines:
Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao: Cho phép các nhịp dài hơn với ít trụ hơn, giảm chi phí nền móng và giảm thiểu tác động đến môi trường ở các khu vực ven biển hoặc sông ngòi nhạy cảm.
Chế tạo theo mô-đun: Các thành phần có thể được sản xuất trước trong nhà máy, đảm bảo kiểm soát chất lượng và giảm thời gian thi công tại chỗ—rất quan trọng đối với các khu vực dễ bị chậm trễ do bão.
Tính dẻo: Khả năng biến dạng của thép mà không bị gãy giúp tăng cường khả năng chống lại hoạt động địa chấn và tải trọng động do bão, ngăn ngừa sự cố thảm khốc.
Khả năng tái chế và tính bền vững: Thép có thể tái chế 100%, phù hợp với các mục tiêu cơ sở hạ tầng xanh toàn cầu, trong khi tuổi thọ dài của nó (50–100 năm với việc bảo trì thích hợp) làm giảm chi phí vòng đời.
Dễ bảo trì và cải tạo: Các thành phần thép có thể tiếp cận để kiểm tra và sửa chữa, cho phép nâng cấp để đáp ứng các yêu cầu tải trọng đang phát triển hoặc nhu cầu về khả năng phục hồi khí hậu.
Vị trí của Philippines ở Đông Nam Á—nằm trên đường xích đạo, giáp Thái Bình Dương và Biển Đông, và nằm trên Vành đai lửa Thái Bình Dương—tạo ra một cơn bão hoàn hảo về các yếu tố gây căng thẳng môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của cầu. Việc hiểu rõ những điều kiện này là rất quan trọng để thiết kế cầu thép có thể chịu được hàng thập kỷ phơi nhiễm.
Bão và tải trọng gió cực lớn: Philippines là một trong những quốc gia dễ bị bão nhất thế giới, với siêu bão (Cấp 4–5) tấn công hàng năm. Bão như Bão Haiyan (Yolanda) năm 2013 và Bão Kalmegi và Fung-wong năm 2025 đã ghi nhận tốc độ gió vượt quá 230 km/h, tạo ra tải trọng ngang cực lớn, lực hút trên sàn và rung động động có thể làm hỏng kết cấu thượng tầng và móng cầu.
Lượng mưa lớn và lũ lụt: Lượng mưa hàng năm dao động từ 1.000 đến 5.000 mm, với mùa mưa (tháng 6–tháng 10 và tháng 12–tháng 2) mang đến những trận mưa lớn. Lũ quét và lũ sông nhấn chìm các trụ cầu, xói mòn móng và làm lộ các thành phần thép ra độ ẩm kéo dài.
Độ ẩm cao và dao động nhiệt độ: Độ ẩm tương đối trung bình vượt quá 80% quanh năm, kết hợp với nhiệt độ từ 25°C đến 35°C. Điều này tạo ra một môi trường biển nhiệt đới, nơi ngưng tụ hình thành trên bề mặt thép, đẩy nhanh quá trình ăn mòn.
Phun muối và ăn mòn ven biển: Hơn 60% dân số Philippines sống trong vòng 10 km tính từ bờ biển, có nghĩa là nhiều cây cầu phải tiếp xúc với không khí chứa muối. Phun muối lắng đọng các ion clorua trên thép, phá vỡ lớp phủ bảo vệ và bắt đầu gỉ—một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra sự xuống cấp của cầu thép.
Bức xạ UV: Ánh nắng nhiệt đới gay gắt đẩy nhanh quá trình suy thoái của sơn và lớp phủ bảo vệ, làm giảm tuổi thọ của chúng và làm lộ thép ra các hư hại môi trường.
Hoạt động địa chấn: Philippines nằm ở giao điểm của các mảng kiến tạo Á-Âu, Thái Bình Dương và Philippines, trải qua hơn 200 trận động đất hàng năm. Cường độ 6.0 trở lên có thể gây ra rung chuyển mặt đất, hóa lỏng đất và dịch chuyển móng cầu, dẫn đến sụp đổ kết cấu.
Địa hình đồi núi và xói mòn: Hơn 70% diện tích đất nước là đồi núi, với sườn dốc và đất không ổn định. Các trụ cầu được xây dựng trên sườn dốc dễ bị lở đất và xói mòn đất, trong khi các đường vượt sông phải đối mặt với hiện tượng xói mòn—xói mòn đất xung quanh móng do nước chảy xiết trong mùa lũ.
Bố cục quần đảo: Địa lý đảo bị phân mảnh của quốc gia đòi hỏi các cây cầu phải vượt qua các kênh và cửa sông rộng lớn, đòi hỏi các nhịp dài hơn và thiết kế chắc chắn có khả năng chịu được gió và sóng trên biển.
Khả năng tiếp cận cơ sở hạ tầng: Nhiều vùng nông thôn thiếu đường xá thích hợp, gây khó khăn cho việc vận chuyển vật liệu xây dựng. Các thành phần cầu thép mô-đun, có thể được vận chuyển bằng tàu hoặc máy bay trực thăng, giải quyết thách thức này nhưng yêu cầu các thiết kế giảm thiểu việc lắp ráp tại chỗ.
Để đảm bảo cầu thép đáp ứng các yêu cầu về khả năng phục hồi của Philippines, chúng phải tuân thủ sự kết hợp giữa các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và các quy định của địa phương. Các tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn về tính toán tải trọng, lựa chọn vật liệu, bảo vệ chống ăn mòn và an toàn kết cấu.
Thông số kỹ thuật thiết kế cầu AASHTO LRFD: Được phát triển bởi Hiệp hội quan chức giao thông và đường cao tốc tiểu bang Hoa Kỳ, tiêu chuẩn này được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu để thiết kế cầu thép. Nó bao gồm các điều khoản về tải trọng gió (dựa trên dữ liệu bão lịch sử), thiết kế địa chấn, bảo vệ chống ăn mòn và thiết kế hệ số kháng tải (LRFD) để tính đến sự không chắc chắn về tải trọng và tính chất vật liệu.
Eurocode 3 (EN 1993): Tập trung vào thiết kế kết cấu thép, cung cấp các yêu cầu chi tiết về cấp thép, chất lượng mối hàn, thiết kế kết nối và khả năng chống mỏi—rất quan trọng đối với các cây cầu tiếp xúc với tải trọng bão động.
Eurocode 8 (EN 1998): Giải quyết thiết kế địa chấn của các kết cấu, đưa ra các hướng dẫn để thiết kế cầu thép dẻo có thể chịu được rung chuyển mặt đất mà không bị sụp đổ.
ISO 12944: Quy định bảo vệ chống ăn mòn cho các kết cấu thép thông qua hệ thống sơn và bảo vệ catốt, với các loại được điều chỉnh cho môi trường nhiệt đới và ven biển (ví dụ: C5-M cho khí quyển biển với độ phơi nhiễm muối cao).
API RP 2A: Được phát triển bởi Viện Dầu khí Hoa Kỳ, tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn cho các kết cấu ngoài khơi và ven biển, bao gồm các trụ cầu tiếp xúc với tác động của sóng và phun muối.
Thông số kỹ thuật thiết kế cầu DPWH: Do Bộ Công trình Công cộng và Đường cao tốc (DPWH) ban hành, cơ quan chính phủ chịu trách nhiệm chính về cơ sở hạ tầng, tiêu chuẩn này điều chỉnh các hướng dẫn quốc tế cho các điều kiện địa phương. Nó bắt buộc:
Tính toán tải trọng gió dựa trên dữ liệu bão khu vực (tốc độ gió tối đa 250 km/h đối với các khu vực ven biển).
Các thông số thiết kế địa chấn cụ thể cho các vùng địa chấn của Philippines (Vùng 2–4, với Vùng 4 là vùng hoạt động mạnh nhất).
Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn cho cầu ven biển và nội địa, bao gồm độ dày lớp phủ tối thiểu và khoảng thời gian bảo trì.
Tiêu chuẩn thiết kế móng để chống xói mòn và hóa lỏng.
Tiêu chuẩn quốc gia Philippines (PNS) 4939: Điều chỉnh chất lượng thép kết cấu được sử dụng trong cầu, quy định cường độ chảy tối thiểu (≥345 MPa đối với hầu hết các ứng dụng) và thành phần hóa học để đảm bảo độ bền và khả năng hàn.
PNS ISO 9001: Yêu cầu các nhà sản xuất phải thực hiện các hệ thống quản lý chất lượng để chế tạo thép, đảm bảo tính nhất quán trong sản xuất linh kiện và tuân thủ các thông số kỹ thuật thiết kế.
Tổ hợp tải trọng: Cầu phải được thiết kế để chịu được tải trọng kết hợp, bao gồm tải trọng chết (trọng lượng cầu), tải trọng sống (xe cộ, người đi bộ), tải trọng gió (gió bão), tải trọng địa chấn, tải trọng lũ và tải trọng môi trường (thay đổi nhiệt độ, ăn mòn).
Hệ số an toàn: DPWH quy định hệ số an toàn tối thiểu là 1,5 đối với các thành phần kết cấu, đảm bảo cầu có thể chịu được tải trọng vượt quá kỳ vọng thiết kế (ví dụ: bão mạnh hơn dự kiến).
Tiêu chí độ bền: Cầu thép phải có tuổi thọ thiết kế tối thiểu là 50 năm, với hệ thống bảo vệ chống ăn mòn có khả năng chịu được môi trường địa phương trong ít nhất 15 năm mà không cần bảo trì lớn.
Khả năng tiếp cận để bảo trì: Tiêu chuẩn yêu cầu cầu phải có lối đi, bệ kiểm tra và cửa sập để tạo điều kiện cho việc kiểm tra và sửa chữa ăn mòn thường xuyên.
Để chống lại các điều kiện khắc nghiệt của Philippines, cầu thép phải tích hợp các tính năng thiết kế và quy trình sản xuất được nhắm mục tiêu để giải quyết khả năng chống bão, bảo vệ chống ăn mòn, khả năng phục hồi địa chấn và khả năng chịu lũ.
Bão đặt ra mối đe dọa trực tiếp nhất đối với cầu thép, đòi hỏi các thiết kế giảm thiểu sự phơi nhiễm tải trọng gió và tăng cường độ ổn định kết cấu.
Tối ưu hóa khí động học: Hồ sơ sàn được sắp xếp hợp lý (ví dụ: dầm hộp hoặc giàn hình tam giác) làm giảm lực cản gió và lực hút. Tránh các bề mặt phẳng, rộng làm giảm thiểu lực nâng có thể nâng sàn trong thời gian bão.
Tính toán tải trọng gió: Sử dụng dữ liệu gió cụ thể theo khu vực từ Cục Khí tượng, Địa vật lý và Thiên văn học Philippines (PAGASA) để xác định tốc độ gió thiết kế. Đối với các khu vực ven biển, áp dụng thời gian lặp lại 100 năm (tốc độ gió tối đa dự kiến một lần trong 100 năm) để tính đến việc tăng cường độ bão do biến đổi khí hậu.
Độ cứng và giằng kết cấu: Tăng độ cứng của dầm chính và thêm giằng ngang để ngăn chặn hiện tượng uốn xoắn ngang—phổ biến trong gió lớn. Giằng chéo trong cầu giàn tăng cường độ cứng và phân phối đều tải trọng gió.
Khả năng chống tải trọng động: Kết hợp bộ giảm chấn (bộ giảm chấn nhớt hoặc ma sát) để giảm rung động do gió (rung và phi nước đại), có thể làm mỏi các thành phần thép theo thời gian.
Ổn định móng: Thiết kế móng sâu (cọc hoặc caisson) neo vào nền đá để chống lại tải trọng gió ngang. Đối với cầu ven biển, nên tăng đường kính cọc để giảm thiểu uốn do gió.
Ăn mòn—do độ ẩm, phun muối và lượng mưa—là nguyên nhân chính gây ra sự xuống cấp của cầu thép ở Philippines. Bảo vệ chống ăn mòn hiệu quả đòi hỏi một phương pháp tiếp cận đa lớp.
Lựa chọn vật liệu:
Sử dụng thép phong hóa (ví dụ: Corten A/B) cho cầu nội địa, tạo thành một lớp gỉ bảo vệ, ức chế sự ăn mòn thêm. Tuy nhiên, thép phong hóa không thích hợp cho các khu vực ven biển do tiếp xúc với muối cao.
Đối với cầu ven biển, hãy sử dụng thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) có thêm crom, niken hoặc đồng (ví dụ: A588 Grade A) để tăng cường khả năng chống ăn mòn.
Tránh thép carbon trong môi trường ven biển trừ khi kết hợp với hệ thống bảo vệ chống ăn mòn tiên tiến.
Lớp phủ bảo vệ:
Tuân theo các tiêu chuẩn ISO 12944 đối với hệ thống sơn. Đối với cầu ven biển, hãy sử dụng hệ thống ba lớp: lớp lót giàu kẽm (100–150 μm), lớp trung gian epoxy (150–200 μm) và lớp phủ trên cùng polyurethane (80–120 μm). Hệ thống này cung cấp khả năng bảo vệ rào cản và bảo vệ catốt (kẽm hoạt động như một cực dương hy sinh).
Đảm bảo chuẩn bị bề mặt thích hợp (phun bi theo tiêu chuẩn Sa 2.5) trước khi sơn để loại bỏ gỉ, dầu và mảnh vụn—chuẩn bị bề mặt kém là nguyên nhân hàng đầu gây ra sự cố lớp phủ.
Áp dụng lớp phủ trong môi trường nhà máy có kiểm soát để đảm bảo độ dày và độ bám dính đồng đều, tránh sơn tại chỗ trong điều kiện độ ẩm cao hoặc mưa.
Bảo vệ catốt: Đối với các thành phần quan trọng (ví dụ: trụ, mũ cọc) và cầu ven biển, hãy bổ sung lớp phủ bằng bảo vệ catốt. Mạ kẽm (lớp phủ kẽm nhúng nóng) cung cấp khả năng bảo vệ hy sinh cho các thành phần nhỏ, trong khi bảo vệ catốt dòng điện ấn (ICCP) phù hợp với các kết cấu lớn—cung cấp dòng điện điện áp thấp cho bề mặt thép để ngăn ngừa ăn mòn.
Thiết kế thoát nước: Kết hợp hệ thống thoát nước hiệu quả trên sàn và trụ để loại bỏ nước mưa và nước muối, ngăn chặn sự tích tụ làm tăng tốc độ ăn mòn. Sử dụng sàn dốc (độ dốc 2–3%) và lỗ thoát nước để dẫn nước ra khỏi các thành phần thép.
Để chịu được động đất, cầu thép phải được thiết kế để hấp thụ năng lượng địa chấn mà không bị hư hỏng thảm khốc.
Thiết kế dẻo: Sử dụng các thành phần và kết nối thép dẻo để cho phép biến dạng có kiểm soát trong quá trình rung chuyển mặt đất. Các mối nối hàn phải được thiết kế để tránh gãy giòn, với các mối hàn góc có kích thước để phù hợp với chuyển động.
Cách ly địa chấn: Lắp đặt các bộ cách ly địa chấn (ví dụ: ổ đỡ cao su, con lắc ma sát) giữa kết cấu thượng tầng và kết cấu hạ tầng. Các thiết bị này hấp thụ năng lượng địa chấn và giảm sự truyền chuyển động mặt đất đến sàn cầu.
Thiết kế móng để hóa lỏng: Ở những khu vực dễ bị hóa lỏng (đồng bằng ven biển, đồng bằng sông), hãy sử dụng cọc sâu kéo dài bên dưới lớp đất có thể hóa lỏng vào nền đá ổn định. Các nhóm cọc có giằng chéo tăng cường độ ổn định trong quá trình hóa lỏng đất.
Dư thừa: Kết hợp các đường tải dư thừa (ví dụ: nhiều dầm, giàn song song) để nếu một thành phần bị lỗi, những thành phần khác có thể phân phối lại tải trọng, ngăn chặn sự sụp đổ hoàn toàn.
Lũ lụt và xói mòn có thể làm suy yếu móng cầu, dẫn đến hư hỏng kết cấu ngay cả khi kết cấu thượng tầng vẫn còn nguyên vẹn.
Thiết kế độ cao: Nâng sàn cầu lên trên mực nước lũ 100 năm (theo định nghĩa của DPWH) để ngăn chặn sự ngập. Đối với cầu ven biển, hãy tính đến sóng thần (lên đến 3 mét ở những khu vực dễ bị bão) khi xác định chiều cao sàn.
Bảo vệ xói mòn: Bảo vệ móng trụ bằng các biện pháp đối phó với xói mòn, chẳng hạn như đá kè (đá lớn), vòng cổ bê tông hoặc túi địa kỹ thuật. Mở rộng các khu vực bảo vệ thượng nguồn và hạ lưu của các trụ để giảm vận tốc nước xung quanh móng.
Thiết kế cọc: Sử dụng cọc thép bọc bê tông cốt thép cho các trụ ở những khu vực dễ bị ngập lụt. Vỏ bê tông cung cấp khả năng bảo vệ bổ sung chống xói mòn và ăn mòn, trong khi lõi thép duy trì độ bền kết cấu.
Bảo vệ mảnh vụn: Lắp đặt lưới chắn mảnh vụn hoặc rào chắn chống va chạm xung quanh các trụ để ngăn mảnh vụn nổi (cây cối, xe cộ, chất thải xây dựng) va chạm và làm hỏng móng trong mùa lũ.
Điều chỉnh giãn nở nhiệt: Thép giãn nở và co lại theo sự thay đổi nhiệt độ (hệ số giãn nở nhiệt: 11,7 × 10⁻⁶ trên °C). Lắp đặt các khớp giãn nở (ví dụ: khớp giãn nở mô-đun, khớp ngón tay) để điều chỉnh chuyển động nhiệt, ngăn chặn hiện tượng cong vênh hoặc nứt kết cấu thượng tầng.
Kiểm soát ngưng tụ: Thêm rào cản hơi nước vào các thành phần thép kín (ví dụ: dầm hộp) để ngăn ngưng tụ. Các lỗ thông gió cho phép không khí lưu thông, giảm sự tích tụ độ ẩm.
Khả năng chống bức xạ UV của lớp phủ: Sử dụng lớp phủ trên cùng ổn định UV (polyurethane hoặc fluoropolymer) để chống suy thoái do ánh nắng gay gắt. Các lớp phủ này duy trì tính toàn vẹn của chúng trong thời gian dài hơn, bảo vệ thép bên dưới khỏi bị ăn mòn.
Ngay cả thiết kế tốt nhất cũng sẽ thất bại nếu sản xuất không đạt tiêu chuẩn. Kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt trong quá trình chế tạo là điều cần thiết.
Kiểm tra vật liệu thép: Xác minh rằng thép đáp ứng các tiêu chuẩn PNS 4939 bằng cách kiểm tra cường độ chảy, độ bền kéo và thành phần hóa học. Loại bỏ vật liệu có khuyết tật (ví dụ: vết nứt, tạp chất) làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của kết cấu.
Chất lượng hàn: Tuân theo các tiêu chuẩn AWS D1.5 (Hiệp hội hàn Hoa Kỳ) để hàn cầu. Sử dụng thợ hàn được chứng nhận và thực hiện kiểm tra không phá hủy (NDT) trên các mối hàn quan trọng—kiểm tra siêu âm (UT) đối với các khuyết tật bên trong, kiểm tra hạt từ tính (MT) đối với các vết nứt trên bề mặt.
Độ chính xác về kích thước: Đảm bảo các thành phần được chế tạo theo dung sai chính xác (±2 mm đối với chiều dài dầm, ±1 mm đối với lỗ kết nối) để tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp ráp tại chỗ. Sử dụng hệ thống sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính (CAM) để cắt và khoan để duy trì độ chính xác.
Kiểm soát ứng dụng lớp phủ: Theo dõi độ dày lớp phủ bằng thước đo từ tính và thực hiện các thử nghiệm độ bám dính (thử nghiệm gạch chéo, thử nghiệm kéo ra) để đảm bảo lớp phủ liên kết đúng cách với bề mặt thép. Kiểm tra các khuyết tật (lỗ kim, bong bóng) và sửa chữa ngay lập tức.
Chế tạo theo mô-đun: Chế tạo trước các thành phần lớn (ví dụ: các phần giàn, đoạn dầm) trong nhà máy để giảm thiểu công việc tại chỗ. Các thành phần mô-đun làm giảm sự tiếp xúc với thời tiết trong quá trình xây dựng và đảm bảo chất lượng nhất quán.
Độ bền của cầu thép ở Philippines không chỉ phụ thuộc vào thiết kế và sản xuất mà còn phụ thuộc vào việc xây dựng và bảo trì đúng cách.
Lịch trình thời tiết: Lên kế hoạch xây dựng để tránh mùa bão và mùa mưa (tháng 6–tháng 10, tháng 12–tháng 2) càng nhiều càng tốt. Nếu công việc phải tiến hành trong những giai đoạn này, hãy thực hiện các biện pháp bảo vệ gió tạm thời (bạt, tấm chắn gió) và bảo vệ các thành phần lỏng lẻo để tránh hư hỏng.
Bảo vệ lớp phủ tại chỗ: Bảo vệ các thành phần được phủ trước trong quá trình vận chuyển và lắp đặt bằng bọc nhựa hoặc lớp phủ tạm thời. Chạm vào các khu vực bị hư hỏng ngay lập tức bằng sơn phù hợp để ngăn ngừa ăn mòn.
Lắp đặt móng: Đảm bảo việc đóng cọc hoặc xây dựng caisson được thực hiện trong thời gian thủy triều xuống ở các khu vực ven biển để tránh nước xâm nhập vào móng. Kiểm tra khả năng chịu tải của đất trước khi lắp đặt các trụ để xác nhận sự tuân thủ các yêu cầu thiết kế.
Chất lượng lắp ráp: Sử dụng bu lông cường độ cao (A325 hoặc A490) để kết nối tại chỗ, vặn chúng đến các giá trị quy định (theo tiêu chuẩn AASHTO) để đảm bảo các mối nối chặt chẽ. Kiểm tra tất cả các kết nối trước khi đưa cầu vào sử dụng.
Bảo trì thường xuyên là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ của cầu thép trong môi trường khắc nghiệt của Philippines.
Kiểm tra thường xuyên: Thực hiện kiểm tra trực quan hàng quý để kiểm tra ăn mòn, hư hỏng lớp phủ, bu lông lỏng và biến dạng kết cấu. Thực hiện kiểm tra chi tiết (bao gồm NDT) 2–3 năm một lần để xác định các khuyết tật ẩn.
Bảo trì ăn mòn: Sửa chữa lớp phủ bị hư hỏng kịp thời, sử dụng cùng một hệ thống ba lớp như ban đầu. Đối với cầu ven biển, hãy làm sạch bề mặt thép hàng năm để loại bỏ cặn muối bằng nước áp lực cao (tránh làm sạch bằng chất mài mòn làm hỏng lớp phủ).
Bảo trì khớp: Kiểm tra khớp giãn nở hàng năm, làm sạch mảnh vụn và thay thế các thành phần bị mòn (ví dụ: phớt cao su) để đảm bảo điều chỉnh chuyển động nhiệt thích hợp.
Giám sát móng: Sử dụng sonar hoặc camera dưới nước để kiểm tra móng trụ xem có bị xói mòn hay không hàng năm. Sửa chữa các khu vực bị xói mòn bằng đá kè hoặc vòng cổ bê tông bổ sung khi cần thiết.
Tài liệu: Duy trì hồ sơ bảo trì chi tiết, bao gồm báo cáo kiểm tra, công việc sửa chữa và dặm lớp phủ. Tài liệu này giúp xác định xu hướng xuống cấp lâu dài và lên kế hoạch cho việc cải tạo lớn.
Một ví dụ đáng chú ý về cầu thép chống bão ở Philippines là Cầu Cao tốc Liên kết Cebu-Cordova (CCLEX), bắc qua eo biển Mactan giữa Thành phố Cebu và Cordova. Hoàn thành vào năm 2022, cây cầu dây văng dài 8,9 km này được thiết kế để chịu được bão với tốc độ gió lên đến 250 km/h và động đất lên đến 7,5 độ richter.
Các tính năng thiết kế chính bao gồm:
Dầm hộp khí động học để giảm tải trọng gió và rung động.
Thép cường độ cao (ASTM A709 Grade 50) với hệ thống bảo vệ chống ăn mòn ba lớp (lớp lót giàu kẽm, lớp trung gian epoxy, lớp phủ trên cùng polyurethane) để tiếp xúc với ven biển.
Bộ cách ly địa chấn tại móng trụ để hấp thụ năng lượng động đất.
Bảo vệ xói mòn bằng đá kè và vòng cổ bê tông xung quanh các trụ.
Độ cao sàn 18 mét so với mực nước biển để điều chỉnh sóng thần.
Kể từ khi hoàn thành, Cầu CCLEX đã chịu được một số cơn bão, bao gồm cả Bão Kalmegi năm 2025, với thiệt hại tối thiểu, chứng minh hiệu quả của các nguyên tắc thiết kế có khả năng phục hồi.
Sản xuất cầu kết cấu thép có thể chịu được điều kiện khí hậu và địa lý khắc nghiệt của Philippines đòi hỏi một phương pháp tiếp cận toàn diện—tích hợp sự hiểu biết sâu sắc về các yếu tố gây căng thẳng môi trường địa phương, tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế và địa phương, thiết kế có mục tiêu để chống bão, bảo vệ chống ăn mòn, khả năng phục hồi địa chấn và khả năng chịu lũ, và thực hành sản xuất và bảo trì nghiêm ngặt. Những ưu điểm vốn có của thép—độ bền, tính dẻo, tính mô-đun—làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho nhu cầu cơ sở hạ tầng của Philippines, nhưng thành công phụ thuộc vào việc tránh các thiết kế một kích thước phù hợp với tất cả và thay vào đó điều chỉnh từng cây cầu cho vị trí cụ thể của nó.
Khi biến đổi khí hậu làm tăng cường độ bão và kiểu mưa, và khi Philippines tiếp tục mở rộng mạng lưới giao thông để kết nối các hòn đảo của mình, nhu cầu về cầu thép có khả năng phục hồi sẽ chỉ tăng lên. Các nhà sản xuất phải ưu tiên kiểm soát chất lượng, đầu tư vào các công nghệ bảo vệ chống ăn mòn tiên tiến và hợp tác với các kỹ sư và cơ quan chính phủ để đảm bảo cầu đáp ứng các tiêu chuẩn cao nhất về độ bền và an toàn. Bằng cách tuân thủ các nguyên tắc được nêu trong bài viết này, các nhà sản xuất cầu thép có thể đóng góp vào việc xây dựng một Philippines kiên cường hơn—một cây cầu vượt qua thử thách của thời gian, bão và động đất.
Philippines, một quốc gia quần đảo bao gồm hơn 7.600 hòn đảo, phải đối mặt với những thách thức cơ sở hạ tầng độc đáo do khí hậu nhiệt đới và địa lý năng động của nó. Là một quốc gia thường xuyên bị tàn phá bởi trung bình 20 cơn bão mỗi năm—bao gồm cả siêu bão thảm khốc với tốc độ gió vượt quá 200 km/h—kết hợp với độ ẩm cao, môi trường ven biển chứa muối, hoạt động địa chấn và lũ lụt thường xuyên, nhu cầu về cơ sở hạ tầng giao thông bền vững, khả năng phục hồi chưa bao giờ lớn hơn thế. Cầu kết cấu thép, được ca ngợi vì tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao, khả năng xây dựng theo mô-đun và tuổi thọ dài khi được thiết kế đúng cách, đã nổi lên như một giải pháp quan trọng để kết nối các cảnh quan bị phân mảnh của quốc gia. Tuy nhiên, để chịu được điều kiện khắc nghiệt của Philippines, cầu thép phải được thiết kế và sản xuất với sự chú ý chính xác đến các yếu tố gây căng thẳng môi trường địa phương, tuân thủ cả tiêu chuẩn quốc tế và các quy định cụ thể của khu vực. Hãy cùng khám phá những nguyên tắc cơ bản của cầu kết cấu thép, phân tích những hạn chế về khí hậu và địa lý của Philippines, phác thảo các tiêu chuẩn thiết kế cần thiết và trình bày chi tiết các cân nhắc chính để sản xuất cầu thép có thể chịu được môi trường hoạt động khắc nghiệt của quốc gia.
Cầu kết cấu théplà các kết cấu chịu tải chủ yếu bao gồm các thành phần thép, được thiết kế để vượt qua các chướng ngại vật vật lý như sông, thung lũng, kênh ven biển và đường giao thông đô thị. Không giống như cầu bê tông, dựa vào cường độ nén, cầu thép tận dụng cường độ kéo và nén đặc biệt của thép, cho phép nhịp dài hơn, trọng lượng nhẹ hơn và các cấu hình thiết kế linh hoạt hơn.
Cầu thép bao gồm một số thành phần chính: dầm chính (các yếu tố chịu tải chính), dầm ngang, sàn (thường là bê tông hoặc lưới thép), các bộ phận hỗ trợ (trụ và mố) và hệ thống kết nối (bu lông, mối hàn hoặc đinh tán). Các loại phổ biến bao gồm:
Cầu dầm: Thiết kế đơn giản nhất, sử dụng dầm thép ngang được hỗ trợ bởi các trụ, lý tưởng cho các nhịp trung bình (10–50 mét) phổ biến ở các khu vực nông thôn và thành thị.
Cầu giàn: Bao gồm các khung thép hình tam giác, mang lại độ bền và ổn định cao cho các nhịp dài hơn (50–200 mét), thường được sử dụng để vượt sông.
Cầu dây văng: Sử dụng cáp thép neo vào tháp để đỡ sàn, phù hợp với các nhịp cực dài (200–1.000 mét) cần thiết để vượt biển hoặc các con sông lớn.
Cầu vòm: Vòm thép cong truyền tải trọng lên mố, kết hợp hiệu quả kết cấu với sức hấp dẫn kiến trúc cho các nhịp từ 50–300 mét.
Các đặc tính độc đáo của thép làm cho nó đặc biệt phù hợp với nhu cầu của Philippines:
Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao: Cho phép các nhịp dài hơn với ít trụ hơn, giảm chi phí nền móng và giảm thiểu tác động đến môi trường ở các khu vực ven biển hoặc sông ngòi nhạy cảm.
Chế tạo theo mô-đun: Các thành phần có thể được sản xuất trước trong nhà máy, đảm bảo kiểm soát chất lượng và giảm thời gian thi công tại chỗ—rất quan trọng đối với các khu vực dễ bị chậm trễ do bão.
Tính dẻo: Khả năng biến dạng của thép mà không bị gãy giúp tăng cường khả năng chống lại hoạt động địa chấn và tải trọng động do bão, ngăn ngừa sự cố thảm khốc.
Khả năng tái chế và tính bền vững: Thép có thể tái chế 100%, phù hợp với các mục tiêu cơ sở hạ tầng xanh toàn cầu, trong khi tuổi thọ dài của nó (50–100 năm với việc bảo trì thích hợp) làm giảm chi phí vòng đời.
Dễ bảo trì và cải tạo: Các thành phần thép có thể tiếp cận để kiểm tra và sửa chữa, cho phép nâng cấp để đáp ứng các yêu cầu tải trọng đang phát triển hoặc nhu cầu về khả năng phục hồi khí hậu.
Vị trí của Philippines ở Đông Nam Á—nằm trên đường xích đạo, giáp Thái Bình Dương và Biển Đông, và nằm trên Vành đai lửa Thái Bình Dương—tạo ra một cơn bão hoàn hảo về các yếu tố gây căng thẳng môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của cầu. Việc hiểu rõ những điều kiện này là rất quan trọng để thiết kế cầu thép có thể chịu được hàng thập kỷ phơi nhiễm.
Bão và tải trọng gió cực lớn: Philippines là một trong những quốc gia dễ bị bão nhất thế giới, với siêu bão (Cấp 4–5) tấn công hàng năm. Bão như Bão Haiyan (Yolanda) năm 2013 và Bão Kalmegi và Fung-wong năm 2025 đã ghi nhận tốc độ gió vượt quá 230 km/h, tạo ra tải trọng ngang cực lớn, lực hút trên sàn và rung động động có thể làm hỏng kết cấu thượng tầng và móng cầu.
Lượng mưa lớn và lũ lụt: Lượng mưa hàng năm dao động từ 1.000 đến 5.000 mm, với mùa mưa (tháng 6–tháng 10 và tháng 12–tháng 2) mang đến những trận mưa lớn. Lũ quét và lũ sông nhấn chìm các trụ cầu, xói mòn móng và làm lộ các thành phần thép ra độ ẩm kéo dài.
Độ ẩm cao và dao động nhiệt độ: Độ ẩm tương đối trung bình vượt quá 80% quanh năm, kết hợp với nhiệt độ từ 25°C đến 35°C. Điều này tạo ra một môi trường biển nhiệt đới, nơi ngưng tụ hình thành trên bề mặt thép, đẩy nhanh quá trình ăn mòn.
Phun muối và ăn mòn ven biển: Hơn 60% dân số Philippines sống trong vòng 10 km tính từ bờ biển, có nghĩa là nhiều cây cầu phải tiếp xúc với không khí chứa muối. Phun muối lắng đọng các ion clorua trên thép, phá vỡ lớp phủ bảo vệ và bắt đầu gỉ—một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra sự xuống cấp của cầu thép.
Bức xạ UV: Ánh nắng nhiệt đới gay gắt đẩy nhanh quá trình suy thoái của sơn và lớp phủ bảo vệ, làm giảm tuổi thọ của chúng và làm lộ thép ra các hư hại môi trường.
Hoạt động địa chấn: Philippines nằm ở giao điểm của các mảng kiến tạo Á-Âu, Thái Bình Dương và Philippines, trải qua hơn 200 trận động đất hàng năm. Cường độ 6.0 trở lên có thể gây ra rung chuyển mặt đất, hóa lỏng đất và dịch chuyển móng cầu, dẫn đến sụp đổ kết cấu.
Địa hình đồi núi và xói mòn: Hơn 70% diện tích đất nước là đồi núi, với sườn dốc và đất không ổn định. Các trụ cầu được xây dựng trên sườn dốc dễ bị lở đất và xói mòn đất, trong khi các đường vượt sông phải đối mặt với hiện tượng xói mòn—xói mòn đất xung quanh móng do nước chảy xiết trong mùa lũ.
Bố cục quần đảo: Địa lý đảo bị phân mảnh của quốc gia đòi hỏi các cây cầu phải vượt qua các kênh và cửa sông rộng lớn, đòi hỏi các nhịp dài hơn và thiết kế chắc chắn có khả năng chịu được gió và sóng trên biển.
Khả năng tiếp cận cơ sở hạ tầng: Nhiều vùng nông thôn thiếu đường xá thích hợp, gây khó khăn cho việc vận chuyển vật liệu xây dựng. Các thành phần cầu thép mô-đun, có thể được vận chuyển bằng tàu hoặc máy bay trực thăng, giải quyết thách thức này nhưng yêu cầu các thiết kế giảm thiểu việc lắp ráp tại chỗ.
Để đảm bảo cầu thép đáp ứng các yêu cầu về khả năng phục hồi của Philippines, chúng phải tuân thủ sự kết hợp giữa các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và các quy định của địa phương. Các tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn về tính toán tải trọng, lựa chọn vật liệu, bảo vệ chống ăn mòn và an toàn kết cấu.
Thông số kỹ thuật thiết kế cầu AASHTO LRFD: Được phát triển bởi Hiệp hội quan chức giao thông và đường cao tốc tiểu bang Hoa Kỳ, tiêu chuẩn này được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu để thiết kế cầu thép. Nó bao gồm các điều khoản về tải trọng gió (dựa trên dữ liệu bão lịch sử), thiết kế địa chấn, bảo vệ chống ăn mòn và thiết kế hệ số kháng tải (LRFD) để tính đến sự không chắc chắn về tải trọng và tính chất vật liệu.
Eurocode 3 (EN 1993): Tập trung vào thiết kế kết cấu thép, cung cấp các yêu cầu chi tiết về cấp thép, chất lượng mối hàn, thiết kế kết nối và khả năng chống mỏi—rất quan trọng đối với các cây cầu tiếp xúc với tải trọng bão động.
Eurocode 8 (EN 1998): Giải quyết thiết kế địa chấn của các kết cấu, đưa ra các hướng dẫn để thiết kế cầu thép dẻo có thể chịu được rung chuyển mặt đất mà không bị sụp đổ.
ISO 12944: Quy định bảo vệ chống ăn mòn cho các kết cấu thép thông qua hệ thống sơn và bảo vệ catốt, với các loại được điều chỉnh cho môi trường nhiệt đới và ven biển (ví dụ: C5-M cho khí quyển biển với độ phơi nhiễm muối cao).
API RP 2A: Được phát triển bởi Viện Dầu khí Hoa Kỳ, tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn cho các kết cấu ngoài khơi và ven biển, bao gồm các trụ cầu tiếp xúc với tác động của sóng và phun muối.
Thông số kỹ thuật thiết kế cầu DPWH: Do Bộ Công trình Công cộng và Đường cao tốc (DPWH) ban hành, cơ quan chính phủ chịu trách nhiệm chính về cơ sở hạ tầng, tiêu chuẩn này điều chỉnh các hướng dẫn quốc tế cho các điều kiện địa phương. Nó bắt buộc:
Tính toán tải trọng gió dựa trên dữ liệu bão khu vực (tốc độ gió tối đa 250 km/h đối với các khu vực ven biển).
Các thông số thiết kế địa chấn cụ thể cho các vùng địa chấn của Philippines (Vùng 2–4, với Vùng 4 là vùng hoạt động mạnh nhất).
Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn cho cầu ven biển và nội địa, bao gồm độ dày lớp phủ tối thiểu và khoảng thời gian bảo trì.
Tiêu chuẩn thiết kế móng để chống xói mòn và hóa lỏng.
Tiêu chuẩn quốc gia Philippines (PNS) 4939: Điều chỉnh chất lượng thép kết cấu được sử dụng trong cầu, quy định cường độ chảy tối thiểu (≥345 MPa đối với hầu hết các ứng dụng) và thành phần hóa học để đảm bảo độ bền và khả năng hàn.
PNS ISO 9001: Yêu cầu các nhà sản xuất phải thực hiện các hệ thống quản lý chất lượng để chế tạo thép, đảm bảo tính nhất quán trong sản xuất linh kiện và tuân thủ các thông số kỹ thuật thiết kế.
Tổ hợp tải trọng: Cầu phải được thiết kế để chịu được tải trọng kết hợp, bao gồm tải trọng chết (trọng lượng cầu), tải trọng sống (xe cộ, người đi bộ), tải trọng gió (gió bão), tải trọng địa chấn, tải trọng lũ và tải trọng môi trường (thay đổi nhiệt độ, ăn mòn).
Hệ số an toàn: DPWH quy định hệ số an toàn tối thiểu là 1,5 đối với các thành phần kết cấu, đảm bảo cầu có thể chịu được tải trọng vượt quá kỳ vọng thiết kế (ví dụ: bão mạnh hơn dự kiến).
Tiêu chí độ bền: Cầu thép phải có tuổi thọ thiết kế tối thiểu là 50 năm, với hệ thống bảo vệ chống ăn mòn có khả năng chịu được môi trường địa phương trong ít nhất 15 năm mà không cần bảo trì lớn.
Khả năng tiếp cận để bảo trì: Tiêu chuẩn yêu cầu cầu phải có lối đi, bệ kiểm tra và cửa sập để tạo điều kiện cho việc kiểm tra và sửa chữa ăn mòn thường xuyên.
Để chống lại các điều kiện khắc nghiệt của Philippines, cầu thép phải tích hợp các tính năng thiết kế và quy trình sản xuất được nhắm mục tiêu để giải quyết khả năng chống bão, bảo vệ chống ăn mòn, khả năng phục hồi địa chấn và khả năng chịu lũ.
Bão đặt ra mối đe dọa trực tiếp nhất đối với cầu thép, đòi hỏi các thiết kế giảm thiểu sự phơi nhiễm tải trọng gió và tăng cường độ ổn định kết cấu.
Tối ưu hóa khí động học: Hồ sơ sàn được sắp xếp hợp lý (ví dụ: dầm hộp hoặc giàn hình tam giác) làm giảm lực cản gió và lực hút. Tránh các bề mặt phẳng, rộng làm giảm thiểu lực nâng có thể nâng sàn trong thời gian bão.
Tính toán tải trọng gió: Sử dụng dữ liệu gió cụ thể theo khu vực từ Cục Khí tượng, Địa vật lý và Thiên văn học Philippines (PAGASA) để xác định tốc độ gió thiết kế. Đối với các khu vực ven biển, áp dụng thời gian lặp lại 100 năm (tốc độ gió tối đa dự kiến một lần trong 100 năm) để tính đến việc tăng cường độ bão do biến đổi khí hậu.
Độ cứng và giằng kết cấu: Tăng độ cứng của dầm chính và thêm giằng ngang để ngăn chặn hiện tượng uốn xoắn ngang—phổ biến trong gió lớn. Giằng chéo trong cầu giàn tăng cường độ cứng và phân phối đều tải trọng gió.
Khả năng chống tải trọng động: Kết hợp bộ giảm chấn (bộ giảm chấn nhớt hoặc ma sát) để giảm rung động do gió (rung và phi nước đại), có thể làm mỏi các thành phần thép theo thời gian.
Ổn định móng: Thiết kế móng sâu (cọc hoặc caisson) neo vào nền đá để chống lại tải trọng gió ngang. Đối với cầu ven biển, nên tăng đường kính cọc để giảm thiểu uốn do gió.
Ăn mòn—do độ ẩm, phun muối và lượng mưa—là nguyên nhân chính gây ra sự xuống cấp của cầu thép ở Philippines. Bảo vệ chống ăn mòn hiệu quả đòi hỏi một phương pháp tiếp cận đa lớp.
Lựa chọn vật liệu:
Sử dụng thép phong hóa (ví dụ: Corten A/B) cho cầu nội địa, tạo thành một lớp gỉ bảo vệ, ức chế sự ăn mòn thêm. Tuy nhiên, thép phong hóa không thích hợp cho các khu vực ven biển do tiếp xúc với muối cao.
Đối với cầu ven biển, hãy sử dụng thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) có thêm crom, niken hoặc đồng (ví dụ: A588 Grade A) để tăng cường khả năng chống ăn mòn.
Tránh thép carbon trong môi trường ven biển trừ khi kết hợp với hệ thống bảo vệ chống ăn mòn tiên tiến.
Lớp phủ bảo vệ:
Tuân theo các tiêu chuẩn ISO 12944 đối với hệ thống sơn. Đối với cầu ven biển, hãy sử dụng hệ thống ba lớp: lớp lót giàu kẽm (100–150 μm), lớp trung gian epoxy (150–200 μm) và lớp phủ trên cùng polyurethane (80–120 μm). Hệ thống này cung cấp khả năng bảo vệ rào cản và bảo vệ catốt (kẽm hoạt động như một cực dương hy sinh).
Đảm bảo chuẩn bị bề mặt thích hợp (phun bi theo tiêu chuẩn Sa 2.5) trước khi sơn để loại bỏ gỉ, dầu và mảnh vụn—chuẩn bị bề mặt kém là nguyên nhân hàng đầu gây ra sự cố lớp phủ.
Áp dụng lớp phủ trong môi trường nhà máy có kiểm soát để đảm bảo độ dày và độ bám dính đồng đều, tránh sơn tại chỗ trong điều kiện độ ẩm cao hoặc mưa.
Bảo vệ catốt: Đối với các thành phần quan trọng (ví dụ: trụ, mũ cọc) và cầu ven biển, hãy bổ sung lớp phủ bằng bảo vệ catốt. Mạ kẽm (lớp phủ kẽm nhúng nóng) cung cấp khả năng bảo vệ hy sinh cho các thành phần nhỏ, trong khi bảo vệ catốt dòng điện ấn (ICCP) phù hợp với các kết cấu lớn—cung cấp dòng điện điện áp thấp cho bề mặt thép để ngăn ngừa ăn mòn.
Thiết kế thoát nước: Kết hợp hệ thống thoát nước hiệu quả trên sàn và trụ để loại bỏ nước mưa và nước muối, ngăn chặn sự tích tụ làm tăng tốc độ ăn mòn. Sử dụng sàn dốc (độ dốc 2–3%) và lỗ thoát nước để dẫn nước ra khỏi các thành phần thép.
Để chịu được động đất, cầu thép phải được thiết kế để hấp thụ năng lượng địa chấn mà không bị hư hỏng thảm khốc.
Thiết kế dẻo: Sử dụng các thành phần và kết nối thép dẻo để cho phép biến dạng có kiểm soát trong quá trình rung chuyển mặt đất. Các mối nối hàn phải được thiết kế để tránh gãy giòn, với các mối hàn góc có kích thước để phù hợp với chuyển động.
Cách ly địa chấn: Lắp đặt các bộ cách ly địa chấn (ví dụ: ổ đỡ cao su, con lắc ma sát) giữa kết cấu thượng tầng và kết cấu hạ tầng. Các thiết bị này hấp thụ năng lượng địa chấn và giảm sự truyền chuyển động mặt đất đến sàn cầu.
Thiết kế móng để hóa lỏng: Ở những khu vực dễ bị hóa lỏng (đồng bằng ven biển, đồng bằng sông), hãy sử dụng cọc sâu kéo dài bên dưới lớp đất có thể hóa lỏng vào nền đá ổn định. Các nhóm cọc có giằng chéo tăng cường độ ổn định trong quá trình hóa lỏng đất.
Dư thừa: Kết hợp các đường tải dư thừa (ví dụ: nhiều dầm, giàn song song) để nếu một thành phần bị lỗi, những thành phần khác có thể phân phối lại tải trọng, ngăn chặn sự sụp đổ hoàn toàn.
Lũ lụt và xói mòn có thể làm suy yếu móng cầu, dẫn đến hư hỏng kết cấu ngay cả khi kết cấu thượng tầng vẫn còn nguyên vẹn.
Thiết kế độ cao: Nâng sàn cầu lên trên mực nước lũ 100 năm (theo định nghĩa của DPWH) để ngăn chặn sự ngập. Đối với cầu ven biển, hãy tính đến sóng thần (lên đến 3 mét ở những khu vực dễ bị bão) khi xác định chiều cao sàn.
Bảo vệ xói mòn: Bảo vệ móng trụ bằng các biện pháp đối phó với xói mòn, chẳng hạn như đá kè (đá lớn), vòng cổ bê tông hoặc túi địa kỹ thuật. Mở rộng các khu vực bảo vệ thượng nguồn và hạ lưu của các trụ để giảm vận tốc nước xung quanh móng.
Thiết kế cọc: Sử dụng cọc thép bọc bê tông cốt thép cho các trụ ở những khu vực dễ bị ngập lụt. Vỏ bê tông cung cấp khả năng bảo vệ bổ sung chống xói mòn và ăn mòn, trong khi lõi thép duy trì độ bền kết cấu.
Bảo vệ mảnh vụn: Lắp đặt lưới chắn mảnh vụn hoặc rào chắn chống va chạm xung quanh các trụ để ngăn mảnh vụn nổi (cây cối, xe cộ, chất thải xây dựng) va chạm và làm hỏng móng trong mùa lũ.
Điều chỉnh giãn nở nhiệt: Thép giãn nở và co lại theo sự thay đổi nhiệt độ (hệ số giãn nở nhiệt: 11,7 × 10⁻⁶ trên °C). Lắp đặt các khớp giãn nở (ví dụ: khớp giãn nở mô-đun, khớp ngón tay) để điều chỉnh chuyển động nhiệt, ngăn chặn hiện tượng cong vênh hoặc nứt kết cấu thượng tầng.
Kiểm soát ngưng tụ: Thêm rào cản hơi nước vào các thành phần thép kín (ví dụ: dầm hộp) để ngăn ngưng tụ. Các lỗ thông gió cho phép không khí lưu thông, giảm sự tích tụ độ ẩm.
Khả năng chống bức xạ UV của lớp phủ: Sử dụng lớp phủ trên cùng ổn định UV (polyurethane hoặc fluoropolymer) để chống suy thoái do ánh nắng gay gắt. Các lớp phủ này duy trì tính toàn vẹn của chúng trong thời gian dài hơn, bảo vệ thép bên dưới khỏi bị ăn mòn.
Ngay cả thiết kế tốt nhất cũng sẽ thất bại nếu sản xuất không đạt tiêu chuẩn. Kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt trong quá trình chế tạo là điều cần thiết.
Kiểm tra vật liệu thép: Xác minh rằng thép đáp ứng các tiêu chuẩn PNS 4939 bằng cách kiểm tra cường độ chảy, độ bền kéo và thành phần hóa học. Loại bỏ vật liệu có khuyết tật (ví dụ: vết nứt, tạp chất) làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của kết cấu.
Chất lượng hàn: Tuân theo các tiêu chuẩn AWS D1.5 (Hiệp hội hàn Hoa Kỳ) để hàn cầu. Sử dụng thợ hàn được chứng nhận và thực hiện kiểm tra không phá hủy (NDT) trên các mối hàn quan trọng—kiểm tra siêu âm (UT) đối với các khuyết tật bên trong, kiểm tra hạt từ tính (MT) đối với các vết nứt trên bề mặt.
Độ chính xác về kích thước: Đảm bảo các thành phần được chế tạo theo dung sai chính xác (±2 mm đối với chiều dài dầm, ±1 mm đối với lỗ kết nối) để tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp ráp tại chỗ. Sử dụng hệ thống sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính (CAM) để cắt và khoan để duy trì độ chính xác.
Kiểm soát ứng dụng lớp phủ: Theo dõi độ dày lớp phủ bằng thước đo từ tính và thực hiện các thử nghiệm độ bám dính (thử nghiệm gạch chéo, thử nghiệm kéo ra) để đảm bảo lớp phủ liên kết đúng cách với bề mặt thép. Kiểm tra các khuyết tật (lỗ kim, bong bóng) và sửa chữa ngay lập tức.
Chế tạo theo mô-đun: Chế tạo trước các thành phần lớn (ví dụ: các phần giàn, đoạn dầm) trong nhà máy để giảm thiểu công việc tại chỗ. Các thành phần mô-đun làm giảm sự tiếp xúc với thời tiết trong quá trình xây dựng và đảm bảo chất lượng nhất quán.
Độ bền của cầu thép ở Philippines không chỉ phụ thuộc vào thiết kế và sản xuất mà còn phụ thuộc vào việc xây dựng và bảo trì đúng cách.
Lịch trình thời tiết: Lên kế hoạch xây dựng để tránh mùa bão và mùa mưa (tháng 6–tháng 10, tháng 12–tháng 2) càng nhiều càng tốt. Nếu công việc phải tiến hành trong những giai đoạn này, hãy thực hiện các biện pháp bảo vệ gió tạm thời (bạt, tấm chắn gió) và bảo vệ các thành phần lỏng lẻo để tránh hư hỏng.
Bảo vệ lớp phủ tại chỗ: Bảo vệ các thành phần được phủ trước trong quá trình vận chuyển và lắp đặt bằng bọc nhựa hoặc lớp phủ tạm thời. Chạm vào các khu vực bị hư hỏng ngay lập tức bằng sơn phù hợp để ngăn ngừa ăn mòn.
Lắp đặt móng: Đảm bảo việc đóng cọc hoặc xây dựng caisson được thực hiện trong thời gian thủy triều xuống ở các khu vực ven biển để tránh nước xâm nhập vào móng. Kiểm tra khả năng chịu tải của đất trước khi lắp đặt các trụ để xác nhận sự tuân thủ các yêu cầu thiết kế.
Chất lượng lắp ráp: Sử dụng bu lông cường độ cao (A325 hoặc A490) để kết nối tại chỗ, vặn chúng đến các giá trị quy định (theo tiêu chuẩn AASHTO) để đảm bảo các mối nối chặt chẽ. Kiểm tra tất cả các kết nối trước khi đưa cầu vào sử dụng.
Bảo trì thường xuyên là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ của cầu thép trong môi trường khắc nghiệt của Philippines.
Kiểm tra thường xuyên: Thực hiện kiểm tra trực quan hàng quý để kiểm tra ăn mòn, hư hỏng lớp phủ, bu lông lỏng và biến dạng kết cấu. Thực hiện kiểm tra chi tiết (bao gồm NDT) 2–3 năm một lần để xác định các khuyết tật ẩn.
Bảo trì ăn mòn: Sửa chữa lớp phủ bị hư hỏng kịp thời, sử dụng cùng một hệ thống ba lớp như ban đầu. Đối với cầu ven biển, hãy làm sạch bề mặt thép hàng năm để loại bỏ cặn muối bằng nước áp lực cao (tránh làm sạch bằng chất mài mòn làm hỏng lớp phủ).
Bảo trì khớp: Kiểm tra khớp giãn nở hàng năm, làm sạch mảnh vụn và thay thế các thành phần bị mòn (ví dụ: phớt cao su) để đảm bảo điều chỉnh chuyển động nhiệt thích hợp.
Giám sát móng: Sử dụng sonar hoặc camera dưới nước để kiểm tra móng trụ xem có bị xói mòn hay không hàng năm. Sửa chữa các khu vực bị xói mòn bằng đá kè hoặc vòng cổ bê tông bổ sung khi cần thiết.
Tài liệu: Duy trì hồ sơ bảo trì chi tiết, bao gồm báo cáo kiểm tra, công việc sửa chữa và dặm lớp phủ. Tài liệu này giúp xác định xu hướng xuống cấp lâu dài và lên kế hoạch cho việc cải tạo lớn.
Một ví dụ đáng chú ý về cầu thép chống bão ở Philippines là Cầu Cao tốc Liên kết Cebu-Cordova (CCLEX), bắc qua eo biển Mactan giữa Thành phố Cebu và Cordova. Hoàn thành vào năm 2022, cây cầu dây văng dài 8,9 km này được thiết kế để chịu được bão với tốc độ gió lên đến 250 km/h và động đất lên đến 7,5 độ richter.
Các tính năng thiết kế chính bao gồm:
Dầm hộp khí động học để giảm tải trọng gió và rung động.
Thép cường độ cao (ASTM A709 Grade 50) với hệ thống bảo vệ chống ăn mòn ba lớp (lớp lót giàu kẽm, lớp trung gian epoxy, lớp phủ trên cùng polyurethane) để tiếp xúc với ven biển.
Bộ cách ly địa chấn tại móng trụ để hấp thụ năng lượng động đất.
Bảo vệ xói mòn bằng đá kè và vòng cổ bê tông xung quanh các trụ.
Độ cao sàn 18 mét so với mực nước biển để điều chỉnh sóng thần.
Kể từ khi hoàn thành, Cầu CCLEX đã chịu được một số cơn bão, bao gồm cả Bão Kalmegi năm 2025, với thiệt hại tối thiểu, chứng minh hiệu quả của các nguyên tắc thiết kế có khả năng phục hồi.
Sản xuất cầu kết cấu thép có thể chịu được điều kiện khí hậu và địa lý khắc nghiệt của Philippines đòi hỏi một phương pháp tiếp cận toàn diện—tích hợp sự hiểu biết sâu sắc về các yếu tố gây căng thẳng môi trường địa phương, tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế và địa phương, thiết kế có mục tiêu để chống bão, bảo vệ chống ăn mòn, khả năng phục hồi địa chấn và khả năng chịu lũ, và thực hành sản xuất và bảo trì nghiêm ngặt. Những ưu điểm vốn có của thép—độ bền, tính dẻo, tính mô-đun—làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho nhu cầu cơ sở hạ tầng của Philippines, nhưng thành công phụ thuộc vào việc tránh các thiết kế một kích thước phù hợp với tất cả và thay vào đó điều chỉnh từng cây cầu cho vị trí cụ thể của nó.
Khi biến đổi khí hậu làm tăng cường độ bão và kiểu mưa, và khi Philippines tiếp tục mở rộng mạng lưới giao thông để kết nối các hòn đảo của mình, nhu cầu về cầu thép có khả năng phục hồi sẽ chỉ tăng lên. Các nhà sản xuất phải ưu tiên kiểm soát chất lượng, đầu tư vào các công nghệ bảo vệ chống ăn mòn tiên tiến và hợp tác với các kỹ sư và cơ quan chính phủ để đảm bảo cầu đáp ứng các tiêu chuẩn cao nhất về độ bền và an toàn. Bằng cách tuân thủ các nguyên tắc được nêu trong bài viết này, các nhà sản xuất cầu thép có thể đóng góp vào việc xây dựng một Philippines kiên cường hơn—một cây cầu vượt qua thử thách của thời gian, bão và động đất.
Địa chỉ
tầng 10, tòa nhà 1, số 188 đường Changyi, quận Baoshan, Thượng Hải, Trung Quốc
Điện thoại
86-1771-7918-217
