Kết cấu cầu treo là một trong những kết cấu được dùng phổ biến khi thiết kế cầu nhịp lớn do những ưu điểm của nó. Hệ kết cấu cầu treo điển hình gồm hai tháp cao ở hai đầu, sàn cầu bê tông cốt thép hoặc thép, hai dây cáp lớn căng ngang nối hai đỉnh tháp và các dây cáp nhỏ treo sàn bê tông cốt thép vào hai dây cáp lớn. Dạng kết cấu này có ưu điểm là các cấu kiện chính chỉ chịu lực đơn giản: tháp chịu nén là chính, các dây cáp lớn và nhỏ chỉ chịu kéo, sàn cầu chịu mô men uốn tương đối nhỏ.

Lịch sử kết cấu cầu treo
Kết cấu cầu treo là một trong những kết cấu được dùng phổ biến khi thiết kế cầu nhịp lớn do những ưu điểm của nó. Hệ kết cấu cầu treo điển hình gồm hai tháp cao ở hai đầu, sàn cầu  bê tông cốt thép hoặc thép, hai dây cáp lớn căng ngang nối hai đỉnh tháp và các dây cáp nhỏ treo sàn bê tông cốt thép vào hai dây cáp lớn. Dạng kết cấu này có ưu điểm là các cấu kiện chính chỉ chịu lực đơn giản: tháp chịu nén là chính, các dây cáp lớn và nhỏ chỉ chịu kéo, sàn cầu chịu mô men uốn tương đối nhỏ.

 

 

 

 

 

 

 

Hình 1: Tòa nhà ngân hàng dự trữ liên bang (Marquette Plaza) ở TP Minneapoliss, tiểu bang Minnesota (Mỹ)

Kết cấu cầu treo có lịch sử rất sớm. Những dạng cầu treo đơn giản đã xuất hiện trước công nguyên ở Trung Quốc. Kết cấu cầu treo hiện đại được xây dựng từ đầu thế kỷ XIX. Cầu treo Clifton vượt qua nhịp lớn nhất là 214m xây dựng xong năm 1864. Thế kỷ XX và XXI chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ công nghệ xây dựng cầu treo nhịp rất lớn lên tới 2 km (Cầu treo Akashi-Kaikyo ở Nhật, có nhịp dài 1991 m xây dựng năm 1998). Hình 2 thể hiện hình ảnh cầu treo Runyang ở Trung Quốc vượt qua nhịp lớn nhất là 1490 m xây dựng xong năm 2005. Như vậy có thể thấy là kết cấu cầu treo có lịch sử lâu đời và được sử dụng để vượt qua những khẩu độ lớn. Điều đáng chú ý là từ trước những năm 60 của thế kỷ XX, khi mà máy tính điện tử còn chưa phát triển thì các nhà thiết kế đã có thể thiết kế những cây cầu vượt khẩu độ tới 1,3km (Cầu Cổng Vàng ở Mỹ xây dựng năm 1937 có nhịp dài 1,280m).
Năm 1968, kiến trúc sư  Gunnar Birkerts đã ứng dụng kết cấu cầu treo cho thiết kế tòa nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minnesota ở Mỹ (Hình 1). Tòa nhà được xây dựng xong năm 1973, được giới kiến trúc đánh giá cao, được coi là một thành tựu kiến trúc và dành được một số giải thưởng kiến trúc uy tín năm 1974. Tòa nhà này sử dụng kết cấu hai dây cáp treo gắn vào hai tháp ở hai đầu vượt qua nhịp 100m. Tòa nhà thông hai tầng dưới cùng để cho người đi bộ qua. Bên trên là 11 tầng kết cấu khung thép. Phần ngầm bên dưới chiếm hai phần ba không gian của tòa nhà là các hầm chứa và văn phòng. Lõi thang máy gắn vào phía đông của tòa nhà. Năm 2000, tòa nhà được cải tạo lại thành 15 tầng, cao 67m và được sử dụng tốt đến ngày nay.

 

 

 

Hình 2: Cầu treo Runyang ở Trung Quốc có nhịp lớn nhất là 1.490m

Năm 2008, công ty kiến trúc DP của Singapore đề xuất thiết kế kiến trúc cho dự án căn hộ cao cấp Dolphin Plaza ở Hà Nội (Hình 3). Dự án gồm bốn tòa nhà cao 121m. Mỗi tòa nhà có hai vách bê tông cốt thép ở hai đầu đỡ toàn bộ kết cấu vượt qua khẩu độ 52m. Tòa nhà để thông 30m kể từ mặt đất dành cho không gian siêu thị và nghỉ ngơi. Bên trên là 22 tầng kết cấu bê tông cốt thép. Thiết kế kiến trúc đặc sắc này đặt ra một thách thức lớn cho các kỹ sư kết cấu. Dự án được rất nhiều chuyên gia kết cấu trong nước và quốc tế quan tâm và đề xuất một số giải pháp kết cấu.
Giải pháp phổ biến nhất là giảm bớt khẩu độ nhà bằng cách thêm các cột bê tông cốt thép vào khoảng giữa hai vách. Giải pháp thứ hai là tăng kích thước của dầm truyền nối hai tháp. Giải pháp thứ ba là kết hợp cả hai giải pháp trên. Các giải pháp này phá vỡ ý tưởng kiến trúc độc đáo của công trình và làm tăng chi phí xây dựng. Bài báo này trình bày giải pháp ứng dụng nguyên lý hệ kết cấu cầu treo do công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng ACH đề xuất. Hệ kết cấu này giúp cho công trình có vẻ đẹp thẩm mỹ cao và tiết kiệm hàng chục tỷ đồng chi phí xây dựng.

So với tòa nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minneapoliss, mỗi tòa nhà trong dự án Dolphin Plaza có nhịp chỉ nhỏ bằng một nửa (52m) nhưng có chiều cao tháp tính từ mặt dầm truyền lớn gấp đôi (90m). Như vậy có thể thấy là nếu sử dụng kết cấu cầu treo tương tự như tòa nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minneapoliss, tức là sử dụng hai cáp treo, Dolphin Plaza sẽ cứng hơn rất nhiều. Nói một cach khác, về mặt chịu lực, thiết kế dự án này dễ hơn tòa nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minneapoliss.
Về mặt công nghệ xây dựng, giải pháp kết cấu cầu treo có tính khả thi cao đứng trên khía cạnh thiết kế và thi công. Chúng ta thấy là tòa nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minneapoliss được thiết kế từ năm 1968, khi máy tính điện tử và các phần mềm tính toán kết cấu còn chưa phát triển. Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính điện tử và các phần mềm phân tích kết cấu, công việc thiết kế và thi công có thể được thực hiện với chất lượng và độ chính xác cao hơn nhiều.

 

 

 

 

 

 

 

Hình 3 : Nghiên cứu ứng dụng hệ kết cấu cầu treo cho nhà cao tầng - dự án Dolphin Plaza

 

Giải pháp kết cấu do Công ty ACH đề xuất:
Trong dự án Dolphin Plaza, kết cấu cầu treo được áp dụng với những điều chỉnh nhất định. Dây cáp lớn được thay thế bằng hệ dầm Thông tin chung về tòa nhà:
và sàn của các tầng còn các dây cáp nhỏ được thay thế bởi các cột. Dưới đây là chi tiết về giải pháp kết cấu:
Tòa nhà có hai tầng hầm, phần nổi cao 121m, để thông tầng tới cao độ 30m dành cho không gian siêu thị và nghỉ ngơi. Bên trên dầm truyền gồm 22 tầng căn hộ cao 90m, chiều cao tầng điển hình là 3,5m.
Trong bốn tòa nhà của dự án, hai tòa nhà đặt cạnh nhau được nối với nhau bằng một lõi cứng chứa thang máy. Việc tính toán kết cấu thực hiện trên từng cặp hai tòa nhà.
Kích thước chính của các cấu kiện là:

• Vách đầu hồi dày 1,5m;
• Dầm truyển dày 1m;
• Sàn tầng điển hình dày 0,2m;
• Dầm tầng điển hình kích thước 0,6 x 0,6m.

Công trình sử dụng bê tông B30-B60, thép AI-AIII. Tải trọng tính toán tác dụng lên công trình áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam. Riêng tải trọng động đất tính theo tiêu chuẩn UBC 97 và áp dụng phương pháp phân tích phổ phản ứng với các thông số sau:

• Vùng động đất: 2A
• Dạng đất nền: SD
• Hệ số gia tốc: Ca = 0,22
• Hệ số vận tốc: Cv = 0,32

Kết quả phân tích tính toán cho thấy các cấu kiện đảm bảo khả năng chịu lực. Chuyển vị tính toán theo phương ngang do gió hoặc động đất tối đa là 18cm. Giá trị này nhỏ hơn giá trị cho phép là H/500 = 24cm. Chuyển vị tính toán lớn nhất theo phương đứng ở đáy dầm truyển là 8cm. Giá trị này nhỏ hơn giá trị cho phép là L/500 = 10cm. Như vậy là kết cấu thỏa mãn điều kiện chịu lực và biến dạng.
Kết cấu cầu treo là một giải pháp ưu việt khi phải vượt qua nhịp lớn. Kết cấu này không chỉ sử dụng cho cầu mà còn được ứng dụng cho nhà cao tầng từ rất sớm khi mà máy tính điện tử còn chưa phát triển. Điều nay chứng tỏ tính cách mạng của các nhà đầu tư và các nhà quản lý xây dựng trong việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật tạo nên hiệu quả to lớn về kinh tế xã hội, tạo ra các công trình kiến trúc đặc sắc.
Nguyễn Xuân Hoàng