Ảnh minh họa
Đường sắt cao tốc (ĐSCT) là một giải pháp nhằm đảm bảo sự đi lại của người dân giữa các đô thị lớn của nhiều quốc gia trên thế giới. Ở các tuyến ĐSCT, nhìn chung công trình cầu chiếm một tỷ trọng đáng kể, thông thường chiếm hơn 50% chiều dài toàn tuyến. Do yêu cầu khai thác ở tốc độ cao (trên 200 km/h), so với cầu đường sắt thông thường, việc thiết kế cầu cho ĐSCT đòi hỏi những yêu cầu khắt khe hơn rất nhiều, đặc biệt ở các trạng thái giới hạn sử dụng như giới hạn về độ võng, độ cứng và dao động của kết cấu dưới tác động của đoàn tàu nhằm đảm bảo sự êm thuận cũng như độ ổn định của đoàn tàu trong quá trình khai thác.
Thêm vào đó, do hoạt tải thiết kế cho cầu ĐSCT thường nhỏ hơn so với cầu đường sắt thông thường (chẳng hạn ở Trung Quốc là từ 45 - 65%), nên việc khống chế các biến dạng của kết cấu trở thành yếu tố chủ yếu quyết định đến việc thiết kế hơn là khả năng chịu tải của kết cấu cầu.
Hiện nay, hệ thống giao thông ở Việt Nam đang có sự phát triển nhanh và mạnh mẽ đáp ứng yêu cầu cấp thiết của việc phát triển kinh tế của đất nước. Tuy nhiên, do sự phát triển nhanh của các đô thị, mật độ dân cư ở các khu vực này tăng đột biến và kéo theo sự gia tăng nhu cầu đi lại của người dân giữa các đô thị. Việc phát triển các tuyến đường cao tốc hiện nay đã đáp ứng một phần nhu cầu đi lại của người dân, tuy nhiên vẫn chưa giải quyết được vấn đề một cách triệt để khi mà các nhà ga và sân bay hiện nay vẫn gần như quá tải. Xây dựng ĐSCT là một giải pháp đảm bảo sự đi lại của người dân giữa các đô thị lớn được áp dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới. Nhật Bản là quốc gia đầu tiên trên thế giới xây dựng hệ thống ĐSCT phục vụ cho sự đi lại của người dân được biết đến với tên gọi là Shinkansen. Tuyến Shinkansen đầu tiên được xây dựng nối Tokyo và Osaka được đưa vào sử dụng năm 1964. Pháp và Đức cũng là hai quốc gia sớm áp dụng giải pháp ĐSCT với hệ thống TGV (Pháp) đưa vào khai thác năm 1981 và hệ thống ICE (Đức) đưa vào khai thác năm 1991.
Hiện nay, theo số liệu của Liên hiệp Đường sắt Quốc tế (International Union of Railways, IUC), Trung Quốc hiện là quốc gia dẫn đầu thế giới về tổng chiều dài đường cao tốc, chiếm hơn 50% tỷ trọng đáng kể, thông thường chiếm khoảng 50% chiều dài toàn tuyến. Tỷ lệ này thậm trí còn tăng đáng kể ở một số tuyến, chẳng hạn ở tuyến Kyushu Shinkansen là 64%, tuyến Bắc Kinh - Hồng Kông và Thượng Hải - Côn Minh tỷ lệ này là 70%. Việc các công trình cầu được sử dụng nhiều ở các tuyến ĐSCT chủ yếu là để tránh xung đột với các tuyến đường hiện tại và giảm diện tích đất sử dụng. Trong các công trình cầu được sử dụng cho ĐSCT, kết cấu cầu bê tông dự ứng lực giản đơn nhịp nhỏ và vừa chiếm một tỷ trọng rất lớn. Chẳng hạn ở tuyến Bắc Kinh - Thượng Hải, 90% công trình cầu có kết cấu nhịp giản đơn, 5% là cầu liên tục và 5% là cầu nhịp lớn.
So với cầu đường sắt thông thường, việc thiết kế cầu cho ĐSCT đòi hỏi những yêu cầu khắt khe hơn rất nhiều, đặc biệt tại các trạng thái giới hạn sử dụng như giới hạn về độ võng, dao động của kết cấu dưới đoàn tải trọng có tốc độ rất lớn nhằm đảm bảo sự êm thuận cũng như độ ổn định của đoàn tàu trong quá trình khai thác. Thêm vào đó, do hoạt tải thiết kế cho cầu ĐSCT thường nhỏ hơn so với cầu đường sắt thông thường (chẳng hạn ở Trung Quốc là từ 45 - 65% [2]), việc khống chế các biến dạng của kết cấu trở thành yếu tố chủ yếu quyết định đến việc thiết kế hơn là khả năng chịu tải của kết cấu cầu. Bài báo trình bày những vấn đề mới trong tính toán thiết kế cầu ĐSCT nhịp nhỏ và vừa cũng như so sánh những yêu cầu này của 3 tiêu chuẩn thiết kế cầu ĐSCT của Nhật Bản, Hiệp hội Đường sắt Quốc tế và Trung Quốc những nơi có hệ thống ĐSCT phát triển Nhìn chung, ở các tuyến ĐSCT, công trình cầu chiếm một tỷ trọng đáng kể, thông thường chiếm khoảng 50% chiều dài toàn tuyến. Việc các công trình cầu được sử dụng nhiều ở các tuyến ĐSCT chủ yếu là để tránh xung đột với các tuyến đường hiện tại và giảm diện tích đất sử dụng. Trong các công trình cầu được sử dụng cho ĐSCT, kết cấu cầu bê tông dự ứng lực giản đơn nhịp chiếm một tỷ trọng rất lớn.
Việc tính toán thiết kế cầu cho ĐSCT đòi hỏi những yêu cầu khắt khe hơn rất nhiều so với cầu đường sắt thông thường do đặc điểm tàu được khai thác ở tốc độ rất cao. Đặc biệt, đối với các trạng thái giới hạn sử dụng các giới hạn về chuyển vị và dao động của kết cấu dưới đoàn tải trọng có yêu cầu khắt khe hơn nhiều nhằm đảm bảo sự êm thuận cũng như độ ổn định của đoàn tầu trong quá trình khai thác. Chính vì vậy, việc khống chế các biến dạng của kết cấu trở thành yếu tố chủ yếu quyết định đến việc thiết kế hơn là khả năng chịu tải của kết cấu cầu.
Những vấn đề mới trong tính toán thiết kế cầu ĐSCT nhịp nhỏ và vừa được giới thiệu cũng như tổng hợp so sánh những yêu cầu này của ba tiêu chuẩn thiết kế cầu ĐSCT của Nhật Bản, Hiệp hội Đường sắt Quốc tế và Trung Quốc những nơi có hệ thống ĐSCT phát triển. Không những khác biệt về các giá trị giới hạn, ở một số yêu cầu như tần số dao động riêng của kết cấu, trình tự phân tích tính toán của các tiêu chuẩn cũng có sự khác biệt. Thêm nữa, công nghệ của đoàn tàu cao tốc ở các nước cũng khác nhau dẫn đến sự khác biệt về các mô hình hoạt tải thiết kế cũng như các yêu cầu giới hạn. Chính vì vậy, việc so sánh các yêu cầu giới hạn khi xét đến sự liên quan đến các mô hình khác nhau chứ không đơn thuần chỉ là sự so sánh về các giá trị cần được thực hiện trong tương lai để có được cái nhìn chính xác hơn.