Cầu dây văng đặc biệt nhạy cảm với gió, đòi hỏi thiết kế đảm bảo ổn định khí động học trong suốt tuổi thọ. Việc xác định chính xác vận tốc gió thiết kế ban đầu là yếu tố then chốt để đảm bảo khả năng chịu lực, ổn định khí động học và tối ưu kinh tế. Lịch sử đã ghi nhận nhiều tai nạn cầu thảm khốc do gió. Năm 1879, cầu Tay ở Anh sập do gió mạnh (36 m/s), gây thiệt hại 75 người. Năm 1940, cầu treo Tacoma Narrows (Mỹ) bị phá hủy chỉ sau bốn tháng hoạt động do dao động khí động học mạnh mẽ, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu ảnh hưởng của gió. Sau đó, các nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật gió cho cầu được tiến hành, với đóng góp tiên phong của Giáo sư Robert Scanlan và Alan Davenport vào những năm 1960-1970. Nhờ những tiến bộ này, các cầu nhịp dài như cầu treo 1990m và cầu dây văng 1000m đã được xây dựng. Điển hình là cầu Canakkale (Thổ Nhĩ Kỳ) khánh thành năm 2022, là cầu treo dây võng dài nhất thế giới (nhịp chính 2023m), được thiết kế chịu được gió 91 m/s.

Tại Việt Nam, sau cầu Mỹ Thuận (2000), hàng loạt cầu dây văng khẩu độ lớn đã và đang được xây dựng như cầu Sông Hàn, Bãi Cháy, Cần Thơ, Nhật Tân, Cao Lãnh, Vàm Cống, Mỹ Thuận 2... Tuy nhiên, thiết kế kháng gió cho cầu dây văng tại Việt Nam vẫn còn nhiều thách thức. Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành (TCVN 11823:2017) chủ yếu tập trung vào gió tĩnh và chỉ áp dụng cho cầu nhịp dưới 150m, chưa đề cập chi tiết gió động, vận tốc gió thiết kế, hệ số giảm chấn, độ nhám địa hình hay ổn định khí động học. Điều này dẫn đến những vấn đề kỹ thuật và sự chậm trễ trong thi công.

Xuất phát từ những thực trạng này, TS. Nguyễn Việt Khoa và cộng sự tại Viện Khoa học và Công nghệ GTVT đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu các giải pháp kháng gió cho kết cấu công trình cầu dây văng ở Việt Nam” nhằm khắc phục và giảm thiểu tác động của gió, nâng cao chất lượng thiết kế và đảm bảo an toàn, tuổi thọ cho các công trình cầu.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã đưa ra các kết luận quan trọng về thiết kế kháng gió cho cầu dây văng tại Việt Nam, một biểu tượng của tiến bộ khoa học công nghệ trong ngành cầu đường như sau:

1. Về hiện trạng và thách thức trong thiết kế kháng gió

- Các cầu dây văng đã và đang xây dựng ở Việt Nam đã áp dụng một số giải pháp kháng gió như sử dụng mặt cắt dầm chủ dạng khí động học, lắp đặt tấm chắn gió (cầu Nhật Tân, Vàm Cống, Mỹ Thuận 2), vát góc cạnh trụ tháp (Vàm Cống, Cao Lãnh, Mỹ Thuận 2) và lắp đặt thiết bị giảm chấn (trên đỉnh trụ cầu Bãi Cháy, cho dây văng dài). Việc tính toán ổn định khí động học thường dựa vào thí nghiệm hầm gió. Tuy nhiên, quá trình thiết kế kháng gió cho một số cầu dây văng ở Việt Nam vẫn gặp phải những vấn đề kỹ thuật, dẫn đến các điều chỉnh thiết kế phức tạp.

- TCVN 11823:2017 hiện chỉ tập trung vào phân tích tác dụng gió tĩnh, chưa có phương pháp phân tích gió động cho công trình cầu. Nhiều thông số quan trọng như vận tốc gió cơ bản/thiết kế, hệ số giảm chấn logarit, độ nhám địa hình và ổn định khí động học cũng chưa được đề cập chi tiết. Đề tài khuyến nghị sử dụng phương pháp Gumbel để xác định vận tốc gió thiết kế do tính an toàn cao của nó. Hệ số giảm chấn logarit có thể tham khảo từ các tiêu chuẩn quốc tế (Nhật Bản, Châu Âu, Hàn Quốc, Trung Quốc) phù hợp với mặt cắt dầm cầu dây văng. Đối với độ nhám địa hình phức hợp, có thể tính giá trị trung bình theo tỉ lệ diện tích từng vùng, dựa trên hướng dẫn của Nhật Bản, Trung Quốc hoặc Châu Âu.

2. Các hiện tượng dao động do gió và giải pháp

- Nghiên cứu về ổn định khí động học đã phân tích các hiện tượng dao động do gió như VIV (dao động ứng với xoáy Karman), Galloping, Flutter, Buffeting và dao động do gió mưa. Đặc biệt, dao động do gió mưa, thường xảy ra trên cáp có bề mặt mịn và tần số tự nhiên ≤ 3 Hz, có thể giảm thiểu bằng cách sử dụng các tiêu chí về số Scruton (Sc = mz /rD2 ³ 10 đối với cáp thông thường hoặc  Sc = mz /rD2 ³ 5 đối với cáp được xử lý bề mặt) để ngăn dao động gió mưa

- Đề tài đã khảo sát các giải pháp và kinh nghiệm thiết kế kháng gió trên thế giới nhằm giảm thiểu tác động của gió lên dầm chủ, trụ tháp và cáp văng.

- Đối với dầm chủ, việc lựa chọn dạng mặt cắt có tính khí động học tốt là giải pháp ưu tiên. Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, phân tích CFD là công cụ hiệu quả để lựa chọn dạng mặt cắt. Các phụ kiện khí động học như tấm chắn gió, cánh gió cũng rất hiệu quả.

- Đối với trụ tháp, đặc biệt là các tháp mảnh của cầu nhịp chính khoảng 500m, cần áp dụng các biện pháp khí động như cắt góc cạnh hoặc lắp đặt thiết bị giảm chấn trên đỉnh.

- Đối với cáp văng, các giải pháp kiểm soát dao động chủ yếu là sử dụng thiết bị giảm chấn (khuyến nghị cho dây văng dài hơn 80m) và thay đổi bề mặt cáp.

3. Ứng dụng công cụ phân tích và khuyến nghị

- Dựa trên nghiên cứu lý thuyết và các phương pháp tính toán, việc áp dụng công cụ phân tích số để mô phỏng hầm gió (CFD) cho kết quả tương đối phù hợp, đặc biệt hiệu quả và tiết kiệm thời gian trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Tuy nhiên, trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật, cần phải kiểm chứng và đánh giá chi tiết thông qua thí nghiệm hầm gió thực tế.

- Các ví dụ tính toán thực tế cho thấy các giải pháp kháng gió về kết cấu mang lại hiệu quả tốt trong việc giảm thiểu ảnh hưởng của tải trọng gió. Do đó, các kỹ sư cần phân tích nhiều phương án để lựa chọn giải pháp kháng gió tối ưu, phù hợp và đảm bảo hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.

- Đề tài đã xây dựng Dự thảo chỉ dẫn kỹ thuật về giải pháp kháng gió cho cầu dây văng, dựa trên tiêu chuẩn JTG/T D60-01-2004 của Trung Quốc. Tài liệu này được kỳ vọng sẽ là tài liệu tham khảo quan trọng cho thiết kế kháng gió công trình cầu dây văng ở Việt Nam.

Trong thời gian tới, đề tài kiến nghị cần xây dựng Sổ tay/Tiêu chuẩn kỹ thuật về giải pháp kháng gió cho cầu dây văng ở Việt Nam.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 20983/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

P.T.T (NASTIS)