Cầu Akashi Kaikyo: Công nghệ chống chịu khắc nghiệt của thiên tai

Tác giả: Hà Vũ

Sản phẩm 26/07/2016 14:28

Với quá trình bảo trì liên tục và nghiêm túc như hiện nay, tuổi thọ hoạt động của Akashi-Kaikyo sẽ lên tới 200 năm

Toàn cảnh cây cầu Akashi - Kaikyo

Cầu Akashi-Kaikyo (tên tiếng Anh là Pearl Bridge) là một cây cầu treo kết cấu dây võng bắc qua vịnh Akashi của Nhật Bản, kết nối giữa TP. Kobe và đảo Awaji. Cầu Akashi- Kaikyo thuộc một phần trong tuyến đường cao tốc Honshu - Shikoku. Với chiều dài nhịp chính 1.991m và tổng chiều dài lên tới 3.911m, cầu treo Akashi - Kaikyo là một trong những cây cầu treo có nhịp dài nhất thế giới. Cây cầu khổng lổ này được thiết kế và xây dựng dựa trên phương pháp kết cấu dây võng. Công trình đồ sộ này được khởi công vào năm 1988 và hoàn tất vào tháng 3/1998.

Trước khi cầu Akashi - Kaikyo được xây dựng, phà là phương tiện giao thông chính trên vịnh Akashi. Tuy nhiên, do mực nước sâu, sự xuất hiện thường xuyên của các trận bão và động đất cường độ lớn nên đã có không ít vụ tai nạn xảy ra trên tuyến phà đầy nguy hiểm này. Vụ tai nạn phà kép nghiêm trọng vào năm 1955 làm 168 người thiệt mạng khiến cộng đồng người dân yêu cầu Chính phủ Nhật Bản phải tìm ra phương pháp di chuyển thay thế phà trên vịnh Akashi.

Để có thể đương đầu với các hiện tượng thời thiết bất lợi như động đất và sóng thần, các nhà thiết kế đã quyết định xây dựng các trụ cầu lớn với chiều dài ngang bằng một tòa nhà 20 tầng. Các trụ chính được đặt ở vị trí sâu 60m so với mực nước biển với sức chịu tải lên tới 120.000 tấn. Hai tháp chính của cầu cao 298m so với mực nước biển.

Bên cạnh đó, cầu Akashi-Kaikyo được trang bị hệ thống dầm cứng khớp nối, có thể chịu được sức gió 268km/h và những trận động đất lên tới 8,5 độ richter cùng với tác động của sóng biển lên thân cầu. Ngoài ra, các kỹ sư thiết kế cũng tiến hành cho lắp đặt hệ thống bao gồm 20 quả cầu con lắc điều hòa khối lượng (tuned mass damper - TMD) trên các trụ chính. Những quả cầu này có nhiệm vụ dịch chuyển theo hướng ngược gió nhằm tạo ra lực cân bằng giúp duy trì hình dạng của cây cầu trước những cơn gió và động đất cường độ lớn. Hệ thống TMD hiện cũng đang được áp dụng rộng rãi trên các tòa nhà chọc trời để ứng phó với bão và gió lớn. Ngoài ra, phương pháp thiết kế sắp xếp các thanh dầm thép giữ cầu theo hình tam giác ngay phía dưới đường đi cho phương tiện giao thông cũng góp phần khiến cho cây cầu trở nên vững chắc hơn so với thiết kế thông thường, đồng thời giảm thiểu lực cản gió đi ngang qua thân cầu.

Thiết kế chính của cầu Akashi - Kaikyo

Thép gia cường là vật liệu chính được sử dụng để tạo nên kết cấu chính của cầu Akashi - Kaikyo. Thép sử dụng trong xây dựng cây cầu là loại có độ bền kéo cao với khả năng chịu tải lớn và chi phí chế tạo thấp. Cùng với hệ thống dầm thép có độ bền kéo cao, hệ thống cáp giữ cầu được chế tạo từ vật liệu dây thép mạ kẽm với mục đích chống chọi với lực kéo giãn cao. Hệ thống cáp này có đường kính lên tới 112cm và chứa đến 36.820 dây gia cường. Theo ước tính, cây cầu Akashi - Kaikyo sử dụng đến 300.000km đường cáp chịu lực trong quá trình xây dựng.

Thời tiết khắc nghiệt của khu vực vịnh Akashi cũng là một thử thách đầy khó khăn cho các kỹ sư trong suốt quá trình 10 năm xây dựng cây cầu Akashi - Kaikyo. Một trận động đất lớn với cường độ lên tới 7,2 độ Richter, khoảng cách tâm chấn lên tới 20km đã xảy ra ngay sau khi quá trình xây dựng các trụ chính của cây cầu vừa kết thúc. Tuy nhiên, trận động đất chỉ có thể tác động nhẹ đến chiều dài dự kiến cho cây cầu do sự dịch chuyển khoảng cách giữa các trụ với nhau, hệ thống trụ cầu và dầm thép của cây cầu hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi dư chấn.

Ban đầu, cầu Akashi - Kaikyo được thiết kế bao gồm cả hệ thống đường sắt và đường bộ. Tuy nhiên, vì lý do an toàn cho cấu trúc cầu, Chính phủ Nhật Bản đã hủy bỏ thiết kế hệ thống đường sắt trên cầu và chỉ cho phép xây dựng đường bộ 6 làn xe lưu thông. Toàn bộ cây cầu được trang bị 1.711 đèn tín hiệu, bao gồm 1.084 đèn cho hệ thống dây cáp cầu, 116 đèn cho các tháp chính, 405 đèn cho các trụ dầm và 132 đèn cho các dây neo. Hệ thống chuẩn màu RGB (red-green-blue) cũng được áp dụng vào hệ thống đèn nhằm tạo nên tính thẩm mỹ cho cây cầu và gia tăng khả năng trình chiếu và biểu diễn trong các dịp lễ lớn của Nhật Bản.

Để có thể bảo quản cây cầu trước diễn biến thời tiết khắc nghiệt của khu vực vịnh Akashi, hàng loạt công nghệ đã được áp dụng trong quá trình sửa chữa và bảo trì cây cầu, nổi bật trong số các công nghệ trên là hệ thống lưu thông không khí độ độ ẩm thấp (Dry air injection system) bên trong hệ thống cáp chính của cây cầu. Mục đích của hệ thống này nhằm duy trì độ ẩm thấp bên trong hệ thống cáp giữ cầu chính, qua đó ngăn chặn quá trình ăn mòn của gió biển cũng như tác động của muối đến các dây kim loại của hệ thống cáp chính.

Với tổng chi phí lên tới khoảng 500 tỷ Yên (tương đương gần 5 tỷ USD) đặt tại một trong những địa điểm khắc nghiệt nhất thế giới, Akashi - Kaikyo có thời gian xây dựng lên tới 10 năm và được coi là một trong những cây cầu treo kiên cố nhất thế giới. Chính phủ Nhật Bản và các nhà quản lý cây cầu tin rằng, với quá trình bảo trì liên tục và nghiêm túc như hiện nay, tuổi thọ hoạt động của Akashi-Kaikyo sẽ lên tới 200 năm.