Khái niệm chung về cầu bê tông cốt thép 1. Sơ lược lịch sử phát triển cầu bê tông cốt thép Ngay từ khi ngành sản xuất thép mới ra đời, ngƣời ta đã nghĩ đến việc đặt cốt thép trong bê tông để tận dụng khả năng của mỗi loại vật liệu. Năm 1850, một ngƣời Pháp là Lămbô đã làm chiếc thuyền bằng BTCT đầu tiên. Đến năm 1861 ông Kyanê, một ngƣời Pháp khác, làm ra các kết cấu mái che, vòm, ống cống dựa trên nguyên tắc bê tông cùng chịu lực với cốt thép.
Tuy vậy mãi đến năm 1875 chiếc cầu BTCT đầu tiên mới đƣợc xây dựng tại Pháp theo đồ án của Kỹ sƣ Mônlê, cầu này có dạng vòm dài 16m, rộng 4m cho ngƣời đi bộ. Kết cấu nhịp vòm đƣợc ngàm chặt hai chân vòm vào các mố nặng bằng BTCT. Trong những năm tiếp theo đó, các cầu BTCT không đƣợc phát triển rộng vì thiếu những cơ sở lý thuyết tính toán và số liệu nghiên cứu thử nghiệm về sự chịu lực của kết cấu BTCT. Đến năm 1884 các thí nghiệm của Vaixơ và Bacsinge đƣợc thực hiện ở nƣớc Đức nhằm xác định cƣờng độ, độ chịu lửa của BTCT, sự dính bám cốt thép với bê tông v.
Tiếp theo đó là các thí nghiệm của Kenen về bản và các phƣơng pháp tính toán bản BTCT do ông đề ra lần đầu tiên năm 1896. Còn ở nƣớc Nga từ những năm (1891- 1896) có các thí nghiệm về bản, dầm, vòm của Beleliuxki. Năm 1892 kỹ sƣ Enkxơbicơ ngƣời Pháp đề xuất hệ thống kết cấu có sƣờn bằng BTCT và phƣơng pháp thi công kết cấu BTCT toàn khối không có dầm thép đỡ nhƣ trƣớc. Ông này không chỉ dùng BTCT để làm bản dầm mà còn làm cột, móng tƣờng chắn, cọc v.
Sau sáng kiến này, có thể coi là từ cuối thế kỷ 19 đã bắt đầu giai đoạn đầu tiên phát triển rộng rãi các kết cấu BTCT và áp dụng phƣơng pháp tính toán theo lý thuyết ứng suất cho phép. Sang đầu thế kỷ 20 cầu BTCT đƣợc phát triển ngang hàng với các cầu bằng thép, gỗ. Trong giai đoạn đầu, các cầu BTCT thƣờng có dạng kết cấu bản dầm và vòm. Đến trƣớc đại chiến thế giới I (1914 - 1918) phần lớn các cầu BTCT thuộc hệ thống dầm đơn giản, dầm liên tục và cầu khung với kết cấu có sƣờn, khẩu độ nhịp đến 30m, cá biệt đến 40m.
Dần dần, các nhịp cầu BTCT dài hơn đã đƣợc xây dựng, đặc biệt vào những năm 1930. Có thể kể ra một số cầu nổi tiếng. Cầu qua sông Maxcơva, năm 1935, dạng nhịp vòm dài 116m cho 4 làn xe lửa, cầu Stốckhôm (Thụy Điển) với nhịp dài 181m, cầu Eooe (Pháp) có 3 nhịp, mỗi nhịp dài 186m, cầu Esla (Tây Ban Nha) có 3 nhịp cầu mỗi nhịp dài 205m. Từ sau chiến tranh thế giới II, các cầu BTCT dự ứng lực bắt đầu phát triển rộng rãi ở châu Âu.
Thực ra ý định tạo dự ứng lực kéo cho cốt thép đã đƣợc đề ra từ năm 1896 do Măngđen (ngƣời áo) và Dơdecxơn (ngƣời Mỹ). Nhƣng những thử nghiệm lúc 35 đầu đã thất bại vì họ dùng loại cốt thép có cƣờng độ thấp (khoảng 600kG/cm2), dù có tạo đƣợc dự ứng suất kéo thì cũng sẽ mất mát hết. Mãi đến năm 1928 Kỹ sƣ Freyssinet (ngƣời Pháp) mới đề xuất đƣợc những cơ sở lý thuyết và thực nghiệm ban đầu cho kết cấu BTCT dự ứng lực. Ông đã chứng minh rằng phải dùng bê tông mác cao và cốt thép cƣờng độ cao, trị số dự ứng suất kéo cốt thép phải lớn hơn 4000 kG/cm2, đồng thời phải xét đến các mất mát dự ứng suất trong cốt thép do co ngót và từ biến bê tông.
Công cuộc phục hồi và phát triển kinh tế ở châu Âu sau chiến tranh thế giới II đã thúc đẩy khoa học kỹ thuật xây dựng cầu lên một bƣớc mới: Sử dụng các kết cấu lắp ghép và các kết cấu dự ứng lực rất đa dạng. Số lƣợng cầu BTCT chiếm tỷ lệ đáng kể trong số các cầu mới xây dựng. Nhiều dạng sơ đồ kết cấu và phƣơng pháp thi công khác nhau đã đƣợc sáng chế và áp dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Việc lựa chọn áp dụng sơ đồ nào hay áp dụng phƣơng pháp thi công nào thƣờng căn cứ vào việc so sánh, xét tổng hợp nhiều yếu tố nhƣ: Các điều kiện địa lý, địa hình, địa chất, khí hậu, trình độ công nghiệp xây dựng, và nhiều yếu tố kinh tế xã hội khác, thể hiện đặc điểm riêng của mỗi nƣớc, mỗi nền kinh tế.
Trƣớc đây, khi kết cấu BTCT dự ứng lực chƣa phát triển thì kết cấu vòm có lực đẩy ngang vào mố trụ là kiểu cầu chủ yếu để vƣợt qua các nhịp dài. Tuy nhiên, nó chỉ phù hợp với một số loại địa hình, địa chất tốt. Ngày nay do kỹ thuật xây dựng cầu BTCT dự ứng lực đã đạt tới mức hoàn thiện nên các cầu vòm rất ít đƣợc xây dựng. Hầu hết các nhịp cầu BTCT dài từ 21m đến 200m đều là kết cấu dự ứng lực có cấu tạo rất đa dạng và hợp lý.
Kết cấu BTCT dự ứng lực đã đƣợc dùng không những chỉ trong kết cấu nhịp cầu mà cả trong mố trụ khi cần thiết. Cùng với phƣơng pháp thi công đúc tại chỗ trên đà giáo hoặc lắp hẫng, lắp ghép nguyên dài, các phƣơng pháp đúc hẫng, đúc đẩy,đúc trên đà giáo di động để thi công các dạng cầu hệ khung liên tục, dầm liên tục nhịp lớn đã phát triển khắp thế giới. Đôi khi phƣơng pháp chở nổi cũng đƣợc áp dụng. Để đạt hiệu quả kinh tế cao và giảm thời gian thiết kế, thi công, các đồ án điển hình hoá hoặc đồ án thống nhất hoá đƣợc áp dụng rộng rãi khắp thế giới, đặc biệt là đối với các hệ thống nhịp dầm giản đơn.
Hiện nay có khuynh hƣớng dùng các bó cáp thép lớn cƣờng độ cao cho các cầu lớn. Nói chung cáp có sức kéo cỡ 200 tấn đƣợc dùng rộng rãi. Tại Việt Nam có thể chia quá trình phát triển cầu BTCT thành các giai đoạn tƣơng ứng với các giai đoạn của lịch sử đấu tranh giành độc lập, giữ nƣớc và xây dựng đất nƣớc. Thời kỳ trước cách mạng tháng 8.
Vào thời kỳ này, đã có nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, vòm BTCT thƣờng với nhịp 2 đến 20m đƣợc xây dựng trên các tuyến đƣờng sắt và đƣờng bộ. Ví dụ chỉ trên tuyến đƣờng sắt Hà Nội - TP. Hồ Chí Minh có khoảng hơn 600 cầu BTCT nhịp từ 8 đến 11m xây dựng từ 1927 - 1932, đến nay vẫn còn tận dụng 36 đƣợc sau khi gia cố sửa chữa nhiều đợt. Trên các tuyến đƣờng ô tô ở Nam bộ còn nhiều cầu dầm hẫng, cầu vòm chạy dƣới thuộc loại này đang đƣợc khai thác, ở miền Bắc hầu hết cầu BTCT do Pháp xây dựng đã bị phá hoại do bom Mỹ.
Thời kỳ sau Cách mạng tháng 8-1945 đến năm 1954. Đây là thời kỳ kháng chiến chống Pháp nên hầu nhƣ rất ít cầu BTCT đƣợc xây dựng mới. Thời kỳ từ 1954 đến 1975. Trong thời kỳ này nƣớc ta bị chia làm hai miền và sự phát triển cầu BTCT cũng đi theo hai hƣớng khác nhau.
Ở miền Bắc ngay sau 1954 nhiều cầu BTCT thƣờng thuộc hệ bản, dầm giản đơn, dầm hẫng đúc bê tông tại chỗ đã đƣợc xây dựng. Các đề tài ứng dụng BTCT dự ứng lực trong xây dựng cầu lần đầu tiên do Đại học Giao thông tiến hành năm 1961: Một số cầu giản đơn BTCT dự ứng lực đã đƣợc xây dựng nhƣ cầu Phủ lỗ, cầu Cửa tiền, cầu Tràng Thƣa, cầu Bía (cầu dầm hẫng có chốt giữa), theo đồ án của Việt Nam. Các đồ án điển hình về cầu bản mố nhẹ, dầm giản đơn lắp ghép mặt cắt chữ T có dầm ngang hoặc không có dầm ngang với nhịp 3 - 4 - 6 - 9 - 12 - 15 - 21 m đã đƣợc Viện Thiết kế Giao thông thiết kế đƣợc áp dụng rộng rãi trên các tuyến đƣờng ô tô. Trong quá trình 10 năm xây dựng cầu Thăng Long, một hệ thống cầu dẫn gồm khoảng 4 km cầu đƣờng sắt và 2 km cầu ô tô bằng các dầm BTCT dự ứng lực kéo trƣớc hoặc kéo sau đã đƣợc xây dựng với công nghệ Liên Xô (cũ).
Qua đó ngành công nghiệp xây dựng cầu BTCT dự ứng lực ở nƣớc ta đã tiến một bƣớc mới. Ở miền Nam một số loại đồ án định hình cầu BTCT dự ứng lực theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO đã đƣợc sản xuất và lắp ghép rộng rãi trên các tuyến đƣờng bộ trục chính khẩu độ nhịp dầm xấp xỉ là 12 - 18 – 25 m. Kết cấu dầm BTCT dự ứng lực kéo trƣớc với loại cáp xoắn 7 sợi, d = 12,7 mm. Các dầm T đƣợc lắp ghép theo phƣơng ngang cầu bằng cáp thép dự ứng lực kéo sau cùng loại nói trên.
Dạng kết cấu này đƣợc lắp ghép nguyên dài bằng các cần cẩu cỡ 40 - 60 tấn, bánh xích. Thời kỳ từ 1975 đến 1992. Đây là thời kỳ đất nƣớc đã thống nhất nhƣng chƣa có sự kiện Liên Xô sụp đổ và Mỹ còn phong toả kinh tế đối với nƣớc ta. Ở miền Bắc đã có các trung tâm chế tạo các dầm dự ứng lực nhịp đến 33 m tại Hà Nội, TP.
Ở miền Nam việc sản xuất dầm dự ứng lực vẫn theo mẫu AASHO cũ của Mỹ tại xƣởng dầm Châu Thới gần TP. Hồ Chí Minh. Chúng ta đã tự thiết kế và thi công đƣợc một số cầu khung T dầm đeo thuộc hệ tĩnh định có nhịp dài xấp xỉ 60 - 70m (cầu Rào, cầu Niệm, cầu An Dƣơng, v.) với cốt thép dự ứng lực dạng bó 24 sợi 5mm. Thời kỳ 1992 đến nay.
Đây là thời kỳ mà quan hệ đối ngoại đã rộng mở và các công nghệ tiên tiến của thế giới đang đƣợc chuyển giao vào nƣớc ta. Các dự án lớn cải tạo Quốc lộ 1, các dự 37 án cầu Phú Lƣơng (hệ dầm liên tục), cầu Bình, cầu Gianh, cầu Nông Tiến v. đã khởi công hoặc đã hoàn thành với công nghệ đúc hẫng hiện đại. Đến cuối năm 2006 đã có khoảng 60 cầu thuộc hệ thống nhịp liên tục đƣợc đúc hẫng thành công.
Công nghệ đúc đẩy cũng đã đƣợc áp dụng thi công các cầu Mẹt (Bắc Giang), Hiền-Lƣơng., Quán-hầu, Sảo-Phong, Hà-nha. Công nghệ đúc trên đà giáo di đông đã đƣợc áp dụng cho phần cầu dẫn của các cầu Thanh-trì (Hà nội), cầu Bãi Cháy (Quảng ninh). Công nghệ đúc hẫng dầm cứng của cầu dây văng-dầm cứng BTCT đã áp dụng thành công ở cầu Mỹ thuận (Tiền Giang),cầu Bãi Cháy (Quảng ninh-2006). Công nghệ lắp hẫng của cầu dây văng-dầm cứng BTCT đã áp dụng thành công ở cầu Kiền (Hải-Phòng-2003).