Khả năng chịu tải của cầu thép là bao nhiêu?

Những nguyên lý cơ bản về khả năng chịu tải của cầu thép

Giải thích về giới hạn tải cực đại và giới hạn tải sử dụng

Khi thiết kế cầu thép, các kỹ sư cần xem xét hai khía cạnh chính về hiệu năng: cường độ giới hạn và khả năng sử dụng. Khả năng chịu tải giới hạn cơ bản là mức trọng lượng tối đa mà cầu có thể chịu đựng trước khi bị phá hủy hoàn toàn. Giá trị này được tính toán với các hệ số an toàn nằm trong khoảng từ 1,5 đến 3,0 theo tiêu chuẩn AASHTO, nhằm tính đến các yếu tố như sự biến thiên của vật liệu, độ bất định trong các mô hình tính toán và các tải trọng bất ngờ có thể xảy ra. Ngược lại, khả năng sử dụng liên quan đến chức năng hằng ngày của cầu. Các giới hạn này kiểm soát mức độ võng, rung động hoặc nứt vỡ của cầu để đảm bảo người đi cảm thấy an tâm khi qua cầu và công trình có tuổi thọ dài hơn theo thời gian. Phần lớn các cầu đường cao tốc duy trì khả năng sử dụng ở mức khoảng 40% hoặc thấp hơn so với khả năng chịu tải lý thuyết tối đa của chúng. Điều này tạo ra một khoảng dự phòng nhằm đối phó với các vấn đề như nứt phát triển chậm hoặc các bộ phận gối đỡ mài mòn dần theo thời gian. Trong khi sự phá hủy hoàn toàn rõ ràng đồng nghĩa với sập cầu, thì việc vi phạm các tiêu chuẩn về khả năng sử dụng chỉ có nghĩa là tần suất bảo trì tăng lên và tuổi thọ tổng thể của công trình bị rút ngắn — dù không nhất thiết gây nguy hiểm tức thời cho người sử dụng.

Độ cứng theo phương đứng và kiểm soát độ võng quy định khả năng chịu tải của phương tiện

Độ cứng theo phương đứng của một kết cấu cầu về cơ bản là mức độ mà kết cấu đó chống lại hiện tượng uốn khi chịu tải trọng từ các phương tiện di chuyển qua. Đặc tính này đóng vai trò quan trọng không chỉ trong việc xác định mức độ thoải mái của tài xế khi đi qua cầu mà còn ảnh hưởng đến toàn bộ yếu tố an toàn cũng như tuổi thọ của kết cấu trước khi cần sửa chữa. Các kỹ sư phải tuân thủ các tiêu chuẩn nhất định trong vấn đề này. Theo hướng dẫn của AASHTO LRFD, hầu hết các cầu thép đường cao tốc không được võng quá mức được gọi là L/800. Giá trị tính toán này lấy tổng chiều dài nhịp chia cho 800 để xác định lượng võng cho phép. Việc đáp ứng yêu cầu này đòi hỏi phải xem xét đồng thời nhiều yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế:

• Tối ưu hóa chiều cao dầm , giúp tăng mô-men quán tính và giảm độ cong dưới tải trọng;
• Sử dụng thép cường độ cao , giúp giảm biến dạng do tải trọng động từ các trục xe tải và hạn chế biến dạng dẻo;
• Các cấu hình hỗ trợ liên tục , phân bố lực đều hơn so với các nhịp đơn giản và làm giảm mô-men uốn cực đại.

Bằng chứng thực địa xác nhận mức độ nghiêm trọng của vấn đề: các cầu có độ võng vượt quá L/800 cho thấy tỷ lệ xuất hiện nứt mỏi ở giai đoạn đầu cao hơn 70% do phạm vi ứng suất chu kỳ được khuếch đại. Các hệ thống giám sát thời gian thực hiện nay xác thực những mô hình độ cứng này tại hiện trường, từ đó cho phép kiểm chứng dựa trên dữ liệu về việc tuân thủ các yêu cầu hỗ trợ phương tiện.

Các yếu tố thiết kế then chốt quyết định khả năng chịu tải của cầu thép

Khả năng chịu tải của một cây cầu thép bắt nguồn từ sự tương tác chính xác giữa đặc tính vật liệu, hình học kết cấu và bối cảnh môi trường — chứ không phải từ bất kỳ thông số đơn lẻ nào một cách tách biệt. Ba yếu tố nền tảng sau đây định hình khả năng chịu tải này:

• Thuộc tính vật liệu độ bền chảy, khả năng chịu kéo và độ dẻo xác định cách thép phản ứng dưới tải trọng tĩnh và tải trọng động. Các cấp độ thép cường độ cao (ví dụ: ASTM A709 cấp 100) làm tăng khả năng dự trữ, trong khi độ dẻo vốn có đảm bảo khả năng hấp thụ năng lượng trong các sự kiện động đất hoặc tình huống quá tải—ngăn ngừa gãy giòn.
• Hình dạng mặt cắt ngang chiều sâu dầm chữ I, bề rộng bản cánh và độ mảnh của bản bụng chi phối khả năng chống mất ổn định do uốn dọc và phân bố mô-men. Bản cánh rộng hơn cải thiện độ ổn định ngang và giảm tập trung ứng suất cục bộ; chiều dày bản bụng được tối ưu hóa giúp hạn chế hiện tượng mất ổn định cắt mà không làm tăng quá mức trọng lượng.
• Cấu hình tải trọng và điều kiện môi trường tiếp xúc chiều dài nhịp, điều kiện liên kết (cố định, khớp, liên tục), tiềm năng ăn mòn và đặc tính động học của tải trọng hoạt tải đều làm điều chỉnh lại các giả thiết thiết kế. Nhịp dài hơn làm gia tăng độ võng và các hiệu ứng bậc hai; môi trường ăn mòn đòi hỏi lớp phủ bảo vệ hoặc lớp vật liệu bị ăn mòn hy sinh—cả hai yếu tố này đều ảnh hưởng đến các đặc tính thực tế của mặt cắt theo thời gian.

Các biến này được cân bằng một cách nghiêm ngặt bằng phương pháp AASHTO LRFD, trong đó áp dụng các hệ số sức kháng và hệ số tải đã được hiệu chuẩn nhằm đảm bảo biên độ an toàn vượt quá yêu cầu thực tế—đồng thời duy trì tính khả thi về mặt kinh tế.

Kiểm chứng thực tế: Kiểm tra hiện trường và các nghiên cứu điển hình về cầu thép

Hậu quả sập cầu I-35W: Bài học kinh nghiệm cho việc đánh giá khả năng chịu tải và tính dự phòng

Khi cây cầu I-35W bắc qua sông Mississippi tại Minneapolis sụp đổ vào năm 2007, sự việc đã làm nổi bật những vấn đề nghiêm trọng liên quan đến cách đánh giá khả năng chịu tải và đánh giá tính dư thừa kết cấu của các cây cầu. Sau khi các điều tra viên xem xét nguyên nhân dẫn đến sự cố, họ phát hiện ra nguyên nhân chính là các bản mã (gusset plates) có kích thước quá nhỏ so với yêu cầu công việc. Những bản mã này vốn đã tiềm ẩn nguy cơ đáng kể ngay từ đầu, nhưng khi kết hợp với các mô hình tính toán sai lệch về cách tải trọng truyền qua kết cấu, mức độ nguy hiểm trở nên cực kỳ cao. Các phép tính ban đầu đã bỏ sót lượng ứng suất thực tế tích tụ tại các điểm nối này, đôi khi lên tới 30%. Thảm họa này đã dẫn đến những thay đổi lớn trong cách Hiệp hội Các Sở Giao thông Vận tải Tiểu bang Hoa Kỳ (AASHTO) thực hiện kiểm tra và đánh giá cầu trên toàn quốc, yêu cầu áp dụng các tiêu chuẩn mới nhằm xử lý những điểm yếu như vậy.

• Phân tích đường truyền tải trọng ba chiều đối với tất cả các mối nối chính;
• Đánh giá định kỳ lại phân bố tải trọng động khi các mô hình giao thông thay đổi;
• Xác minh tính dư thừa rõ ràng thông qua mô phỏng chế độ hỏng hóc, đặc biệt đối với các hệ giàn không có dự phòng.

Sự cố này làm nổi bật rằng hiệu năng sử dụng—đặc biệt là các xu hướng biến dạng tinh tế—thường là dấu hiệu sớm nhất cho thấy sự dễ bị tổn thương hệ thống trong cơ sở hạ tầng thép đang lão hóa.

Dữ liệu thực địa AASHTO LRFD từ các cầu dầm thép và cầu giàn thép hiện đại

Việc kiểm chứng thực địa gần đây trên hơn 120 cầu dầm thép và cầu giàn thép được trang bị thiết bị đo đạc cho thấy các kỹ thuật đo hiện đại đã làm rõ hơn các dự báo khả năng chịu lực dựa trên phương pháp LRFD như thế nào:

Khi sử dụng các kỹ thuật kiểm tra chứng minh không tiếp xúc, các kỹ sư thực tế có thể quan sát được cách các cấu trúc phản ứng một cách động học — đôi khi lực tác động do các xe tải lớn đi qua gây ra cao hơn từ 10 đến 25 phần trăm so với giá trị ban đầu đã tính toán. Loại dữ liệu này thực sự cho thấy vì sao các tiêu chuẩn an toàn LRFD lại hiệu quả đến vậy, đồng thời cũng chỉ rõ những vị trí mà chúng ta có thể giảm bớt một phần mức độ thận trọng vốn được tích hợp sẵn, miễn là các phép đo thực tế xác nhận điều đó. Lấy cầu dàn thép tại Pennsylvania làm ví dụ điển hình: bằng cách theo dõi liên tục mức độ võng của cầu theo thời gian thông qua các hệ thống giám sát liên tục, các kỹ sư cầu tại đây đã thành công trong việc cắt giảm khoảng 18 phần trăm lượng dự phòng an toàn không cần thiết mà không làm ảnh hưởng đến bất kỳ yếu tố an toàn nào. Mức độ an toàn vẫn được đảm bảo nguyên vẹn, nhưng nguồn lực được sử dụng hiệu quả hơn.

Nâng cao khả năng chịu tải của cầu thép nhờ kỹ thuật số và kỹ thuật xây dựng bền vững

Tích hợp Bản sao số để phân tích tái phân bổ tải theo thời gian thực

Công nghệ song sinh kỹ thuật số đang thay đổi cách chúng ta quản lý các cầu thép. Công nghệ này kết hợp các mô hình máy tính chi tiết về cấu trúc cầu với các cảm biến thực tế được lắp đặt tại hiện trường, tạo ra các bản sao ảo phản ứng giống hệt như cầu thật ngay tại thời điểm hiện tại. Các bản sao ảo này liên tục giám sát các yếu tố như mức độ lực tác động lên từng bộ phận, vị trí có thể xảy ra chuyển vị, nhiệt độ phân bố trên toàn bộ kết cấu cũng như mọi rung động diễn ra trong suốt cấu trúc. Khi xảy ra tình huống bất thường — ví dụ như lưu lượng giao thông đột ngột tăng cao hoặc một phần nào đó của cầu bị hư hỏng — các kỹ sư có thể chạy các mô phỏng để đánh giá sự thay đổi trong phân bố tải trọng. Lợi ích lớn nhất đến từ khả năng phát hiện sớm những khu vực chịu ứng suất quá mức, ngay từ khi chưa xuất hiện bất kỳ vết nứt nào. Nhờ đó, đội bảo trì có thể điều hướng lại tải trọng tránh xa các vị trí vấn đề và xử lý chính xác tại những điểm cần thiết, thay vì phải chờ cho đến khi sự cố nghiêm trọng xảy ra hoàn toàn.

Kết quả nói lên tất cả. Các cây cầu được trang bị mô hình song sinh kỹ thuật số đã được kiểm định đầy đủ có thể kéo dài chu kỳ kiểm tra thêm 23% trong khi vẫn duy trì giới hạn tải cao hơn 17%, theo Báo cáo năm 2025 của BridgeTech. Giá trị thực sự của công nghệ này còn vượt xa việc chỉ nâng cao khả năng chịu tải. Những bản sao ảo này thực tế mô phỏng cách các vật liệu phản ứng khi tiếp xúc với những thách thức môi trường khác nhau — chẳng hạn như biến đổi nhiệt độ theo thời gian hoặc chuyển động mặt đất bất ngờ do động đất gây ra. Loại mô hình hóa này giúp các kỹ sư lập kế hoạch hiệu quả hơn nhằm giải quyết các vấn đề về độ bền lâu dài. Hiện nay, chúng ta đang chứng kiến mức độ áp dụng ngày càng rộng rãi công nghệ này trên nhiều hệ thống cơ sở hạ tầng khác nhau, và rõ ràng rằng mô hình song sinh kỹ thuật số không còn chỉ là một tính năng bổ sung hữu ích mà đã trở thành thành phần thiết yếu để đảm bảo các cây cầu thép của chúng ta luôn an toàn và vận hành hiệu quả khi lưu lượng giao thông thay đổi, điều kiện thời tiết biến động và các quy định mới được ban hành.

Các câu hỏi thường gặp

Khả năng chịu tải cực hạn của một cây cầu thép là bao nhiêu?

Khả năng chịu tải tối đa đề cập đến trọng lượng lớn nhất mà một cây cầu có thể chịu đựng trước khi bị phá hủy hoàn toàn, được tính toán với các hệ số an toàn theo tiêu chuẩn AASHTO.

Giới hạn tải khả dụng khác với khả năng chịu tải tối đa như thế nào?

Giới hạn tải khả dụng xét đến các hoạt động thường ngày, kiểm soát mức độ võng, rung động hoặc nứt của cầu nhằm đảm bảo sự thoải mái và tuổi thọ dài lâu.

Tại sao độ cứng theo phương đứng lại quan trọng trong thiết kế cầu?

Độ cứng theo phương đứng ảnh hưởng đến khả năng chống uốn dưới tải trọng phương tiện, từ đó tác động đến sự thoải mái, an toàn và tuổi thọ của cầu.

Những bài học nào đã được rút ra từ vụ sập cầu I-35W?

Vụ sập nhấn mạnh nhu cầu về đánh giá tải trọng chính xác và dự phòng kết cấu vững chắc, dẫn đến những thay đổi trong tiêu chuẩn AASHTO.

Công nghệ song sinh kỹ thuật số cải thiện công tác quản lý cầu như thế nào?

Công nghệ song sinh kỹ thuật số cho phép giám sát và mô phỏng thời gian thực, hỗ trợ xác định các điểm chịu ứng suất cao và nâng cao hiệu quả bảo trì.