Phương án xây lại cầu dây văng dài nhất trên thế giới sau 80 năm

Kể từ khi được thông xe vào ngày 27/5/1937, cầu Cổng Vàng đã trở thành một trong những biểu tượng nổi bật nhất của nước Mỹ.

Vào năm 1870, người ta nhận ra sự cần thiết của việc xây dựng một cây cầu bắc qua eo biển Golden Gate để kết nối thành phố San Francisco với Quận Marin. Tuy nhiên, mãi đến nửa thế kỷ sau kỹ sư Joseph Strauss mới trình lên bản thiết kế của mình.

Thông qua các bước và cuối cùng dự án cũng được phê duyệt, cây cầu treo mất bốn năm để xây dựng nên. Khi hoàn thành, cầu Cổng Vàng trở thành cầu treo dài nhất thế giới với các sợi cáp giữ chặt làn đường của thân cầu mà không cần những trụ đỡ trung gian.

Tổng chi phí để xây dựng cầu vào thời điểm đó ở mức khoảng 37 triệu USD, tương đương với một tỷ dollar theo tỷ giá ngày nay. Nhưng nếu chiếc cầu được xây dựng vào hôm nay chứ không phải vào 80 năm trước, thì mọi thứ sẽ như thế nào?

Những chiếc cầu treo đầu tiên trên thế giới chỉ đơn giản là nối liền hai vách đá bằng những sợi dây dẻo băng qua thung lũng hoặc một con sông. Hàng trăm năm trước, những sợi dây treo được lấy từ thực vật. Cầu Brooklyn ở thành phố New York thông xe vào năm 1883, là cầu treo đầu tiên sử dụng cáp thép và trở thành tiêu chuẩn cho cầu treo sau này.

Những sợi cáp nâng cầu Cổng Vàng là thứ duy nhất chưa từng thay đổi từ năm 1937 tới nay. Mỗi sợi cáp chính được tạo thành từ 27.572 sợi thép nhỏ với độ dày như một cây bút chì. Tổng cộng có khoảng 128.800km dây thép để nối từ đầu này đến đầu kia của cầu.

Giải thích lý do tại sao phải cần rất nhiều sợi cáp nhỏ để cấu tạo nên một sợi cáp khổng lồ, các kỹ sư cho biết điều này sẽ tăng tính cứng rắn cho sợi cáp, nếu một sợi có bị vấn đề thì cầu vẫn sẽ không bị sự cố gì. Hoặc thậm chí nếu có một vụ phá hoại, hàng chục ngàn sợi thép nhỏ sẽ dần dần đứt, giúp người trên cầu có thời gian để di tản kịp thời.

Kể từ khi dự án xây cầu ở vịnh San Francisco, có rất nhiều quan ngại về cấu trúc cầu có thể chống lại những cơn gió mạnh, những dòng nước hỗn loạn và những trận động đất bất ngờ có thể xảy ra hay không. San Francisco nằm ở đường giao nhau của hai mảng kiến tạo, rõ ràng không ai muốn nhìn thấy một trận động đất có thể kéo sập cây cầu đón 112.000 chiếc xe mỗi ngày.

Những sợi cáp nâng cầu Cổng Vàng là thứ duy nhất chưa từng thay đổi từ năm 1937 tới nay.

Để tránh vấn đề này, các kỹ sư xây dựng cũng đặt các bộ giảm xóc ở mỗi phía đầu của cây cầu để hấp thụ năng lượng từ lực gây ra bởi các trận động đất. Những bộ giảm rung chấn đặc biệt này được thiết kế từ các xi lanh có đường kính vài mét với lõi chì và hai đầu mút cao su, chúng có thể hấp thu hiệu quả lực tác động có thể gây sập cầu.

Trong suốt 80 năm qua, để giữ cầu Cổng Vàng luôn được như hiện trạng ban đầu, đội ngũ bảo dưỡng phải liên tục sơn sửa và bảo trị cầu trong mỗi ngày, đảm bảo không một bộ phận nào bị ăn mòn hay bị hỏng hóc. Công việc này phải được thực hiện một cách vô cùng chuẩn xác.

Có những vấn đề khác khi bảo trì kết cấu. Do thời gian trôi qua và sự thay đổi nhiệt độ trong không khí, dây cáp luôn bị giãn dài hoặc co rút. Việc điều chỉnh độ dài dây đúng như nguyên trạng là một công việc vô cùng khó khăn và phải làm liên tục.

Vậy nếu chúng ta xây lại cầu vào ngày nay thì sao? Do chi phí bảo trì quá lớn, đã có một số đề xuất cho rằng nên xây lại cầu Cổng Vàng để tiết kiệm hơn. Bỏ qua những yếu tố về chính trị, các kỹ sư ngày nay sẽ làm thế nào để xây lại từ đầu cây cầu biểu tượng này?

Theo thời gian, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều vật liệu nhẹ hơn. Sử dụng các sợi cáp cấu tạo từ polymer chứ không phải từ bê tông hoặc thép là một cách để giảm trọng lượng của công trình này. Trọng lượng lớn ảnh hưởng đến 70% sức chịu đựng của cầu, là tải trọng tối đa mà nó có thể chịu được trước khi bị đổ sập. Bằng cách giảm đi khối lượng, chi phí xây dựng và bảo trì sẽ thấp hơn.

Lấy ví dụ, các nhà thiết kế đã bắt đầu sử dụng FRP trong các cây cầu như cầu Market ở tây Virginia. FRP sử dụng nhựa plastic kết hợp với các sợi thủy tinh hoặc sợi carbon để tạo nên sức mạnh của sợi cáp, Và dùng loại bê tông nhẹ gấp 4 lần so với các loại bê tông thông thường.

Chúng ta còn ít nhất vài chục năm nữa để chiêm ngắm kiệt tác kiến trúc này.

Có lẽ thứ đầu tiên sẽ làm khi thiết kế và xây dựng lại cầu làm thay đổi phần cáp. Bởi vì thép có tính bị ăn mòn theo thời gian và rất nặng, nên cần nhất là thay đổi chúng bởi carbon không bị ăn mòn, nhẹ và được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới.

Ngoài cấu trúc tạo nên cầu, các yếu tố khác của cầu cũng có thể thay thế bằng những vật liệu nhẹ hơn. Thí dụ như đường giao thông, sử dụng lớp gỗ composite bằng nhựa có thể khiến mặt đường của cầu nhẹ đi 5 lần. Cầu dây văng đầu tiên dùng cáp treo CFRP là cầu Stock của Thụy Sĩ, thông xe vào năm 1996.

Việc xây dựng những chiếc cầu nhẹ hơn cho phép các trụ cầu có thể xây gần bờ hơn, nơi mà lòng sông cạn hơn, sẽ giảm bớt chi phí đáng kể. Các trụ tháp của cầu Cổng Vàng hiện nay được xây dựng ở nơi nước sâu với dòng chảy xoáy, rất khó khăn trong việc thi công.

Dù sao thì cầu Cổng Vàng hiện nay quả là một biểu tượng về thiết kế và xây dựng, hiện nay cầu vẫn được giám sát kỹ lưỡng để đảm bảo không vượt quá trọng tải. Chúng ta còn ít nhất vài chục năm nữa để chiêm ngắm kiệt tác kiến trúc này.