Ảnh minh họa
Thay vì xây dựng hệ thống trụ đỡ kéo dài xuống đáy hồ, cầu phao Evergreen Point tại Mỹ sử dụng 77 phao bê tông kín nước kết hợp hệ thống neo ngầm để nâng đỡ và giữ ổn định tuyến đường dài khoảng 2,35 km trên mặt hồ Washington.
Cầu phao Evergreen Point nằm trên tuyến đường cao tốc SR 520, nối Seattle với khu vực phía đông hồ Washington. Phần cầu phao của công trình dài 7.710 feet, tương đương khoảng 2,35 km, là một trong những kết cấu cầu nổi lớn trên thế giới.
Điểm đặc biệt của công trình nằm ở phương thức nâng đỡ. Thay vì sử dụng hàng loạt trụ được xây dựng từ đáy hồ lên mặt nước, tuyến cầu được đặt trên 77 phao bê tông lớn, liên kết với nhau thành một hệ thống liên tục.
Các phao của cầu được thiết kế kín nước và có thể tích lớn. Khi đặt trên mặt hồ, chúng chiếm chỗ một lượng nước đáng kể, qua đó tạo ra lực nổi để nâng đỡ trọng lượng của bản thân phao, mặt cầu và phương tiện lưu thông bên trên.
Nguyên lý này dựa trên lực đẩy Archimedes: một vật thể có thể nổi trên mặt nước nếu lượng nước bị chiếm chỗ tạo ra lực nổi đủ để cân bằng trọng lượng của vật thể.
Vì vậy, việc sử dụng bê tông không đồng nghĩa với việc kết cấu không thể nổi. Các phao có kích thước và thể tích đủ lớn để tạo ra lực nổi cần thiết. Trọng lượng được phân bổ trên 77 phao thay vì tập trung vào một số điểm đỡ cố định.
Các phao, mối nối, khớp nối và mặt cầu được thiết kế để phối hợp thành một hệ thống thống nhất. Khi tải trọng từ phương tiện tác động lên mặt cầu, lực này được truyền xuống các phao và phân bổ dọc theo chiều dài công trình.
Lực nổi chỉ đảm nhiệm phần lớn chức năng nâng đỡ theo phương thẳng đứng. Để cây cầu không bị dịch chuyển tự do trên mặt hồ, công trình còn sử dụng hệ thống neo gắn với các điểm cố định dưới đáy.
Các dây neo giúp hạn chế chuyển động ngang của hệ thống phao trước tác động của gió, sóng và sự thay đổi của điều kiện mặt nước. Nhờ đó, tuyến cầu có thể duy trì vị trí và độ thẳng hàng cần thiết cho hoạt động giao thông.
Một số cấu kiện thuộc hệ thống neo có khối lượng lên tới hàng trăm tấn. Sự kết hợp giữa phao nổi và các bộ phận neo nặng tạo nên một hệ thống vừa có khả năng nổi, vừa được cố định tương đối trên mặt hồ.
Việc lựa chọn kết cấu cầu nổi có liên quan đến điều kiện địa hình và thủy văn của hồ Washington. Với một tuyến cầu dài hàng kilomet, việc xây dựng nhiều trụ đỡ kéo dài xuống đáy hồ sẽ đặt ra những yêu cầu lớn về thi công và kết cấu.
Cầu phao giúp giảm sự phụ thuộc vào các trụ sâu dưới đáy hồ bằng cách chuyển phần lớn chức năng nâng đỡ sang lực nổi của các phao. Trong khi đó, hệ thống neo đảm nhiệm việc kiểm soát chuyển động của toàn bộ kết cấu.
Trên cầu Evergreen Point, trọng lượng của đường cao tốc và phương tiện tác động theo hướng xuống dưới, trong khi lực nổi từ các phao tạo ra lực theo hướng ngược lại. Gió, sóng và các tác động ngang khác được kiểm soát thông qua hệ thống neo.
Sự phối hợp giữa lực nổi, trọng lượng, kết cấu liên kết và neo giữ cho phép một tuyến đường dài khoảng 2,35 km hoạt động trên mặt nước mà không cần một hệ thống trụ đỡ liên tục từ đáy hồ.
