Các thanh thép định hình đã trở thành vật liệu thiết yếu trong xây dựng cầu hiện đại nhờ vào độ bền vượt trội so với trọng lượng của chúng. Điều này có nghĩa là các kỹ sư có thể thiết kế các kết cấu nhẹ hơn mà không làm giảm khả năng chịu tải. Khi sử dụng thép thay vì bê tông thông thường, các dự án thường tiết kiệm khoảng 30% vật liệu mà vẫn đảm bảo hiệu suất dưới tác động của lực. Các loại thép mới hơn mà chúng ta sử dụng ngày nay đạt tới giới hạn bền kéo trên 500 MPa, cho phép các nhà thiết kế chế tạo các dầm mỏng hơn và các hình dạng gọn nhẹ hơn. Những cải tiến này giúp giảm lực cản của gió, một yếu tố rất quan trọng đối với những cây cầu lớn bắc qua các con sông hay khe vực rộng.
Cây cầu Millau Viaduct gần như là biểu tượng cho những gì có thể thực hiện được với thép cường độ cao ngày nay. Nhịp cầu khổng lồ dài 2.460 mét của nó phụ thuộc vào loại thép S460ML, có giới hạn chảy khoảng 460 MPa và khả năng hàn rất tốt. Những đặc tính này cho phép các kỹ sư lắp ráp mọi thứ với độ chính xác đáng kinh ngạc, đồng thời thực tế sử dụng ít hơn 22% lượng thép tổng thể so với các phương pháp truyền thống. Nhìn vào những trụ cầu cao vút lên tới 343 mét, rõ ràng là nếu không có những tiến bộ mới nhất trong công nghệ thép, những độ cao như vậy đơn giản là không thể đạt được. Điều khiến cây cầu này trở nên đặc biệt không chỉ là kích thước của nó, mà còn là minh chứng rằng vật liệu hiện đại có thể trực tiếp đối mặt và chinh phục cả những điều kiện địa hình và thời tiết khắc nghiệt nhất.
Sự phát triển của các loại thép duplex và thép hợp kim vi lượng mới thực sự đã mở ra những khả năng mới khi xây dựng những cây cầu dài hiện đại với nhịp lớn mà chúng ta thấy ngày nay. Chẳng hạn như thép S690QL, nó có khả năng chống mỏi tốt hơn khoảng 30 phần trăm so với thép carbon thông thường. Điều này đồng nghĩa với việc các kỹ sư thiết kế cầu hiện có thể tạo ra các nhịp liên tục dài trên 1.200 mét sử dụng dầm bản (plate girders) thay vì phải phụ thuộc hoàn toàn vào thiết kế cầu dây võng truyền thống vốn là lựa chọn duy nhất trước đây cho các nhịp dài như vậy. Điều khiến các hợp kim hiện đại này trở nên hấp dẫn hơn nữa là thành phần của chúng chứa các nguyên tố crom và niken giúp chống lại sự ăn mòn tốt hơn đáng kể so với các vật liệu cũ. Đối với những cây cầu nằm gần các vùng ven biển nhiều muối hoặc trong các khu công nghiệp nơi ô nhiễm nghiêm trọng, điều này có nghĩa là chi phí bảo trì trong suốt vòng đời công trình sẽ thấp hơn rất nhiều. Số tiền tiết kiệm được từ việc sửa chữa thường xuyên đủ để biện minh cho khoản đầu tư ban đầu vào những vật liệu cao cấp này.
Các kết cấu thép có xu hướng bị hư hỏng nhanh hơn nhiều ở khu vực ven biển và các khu công nghiệp nơi mà chúng thường xuyên tiếp xúc với nước muối, hóa chất từ nhà máy và độ ẩm cao. Vấn đề này trở nên nghiêm trọng hơn khi ra ngoài biển, thực tế ăn mòn xảy ra nhanh gấp khoảng ba lần so với trên đất liền. Lấy ví dụ như các cây cầu thép, chi phí bảo trì trung bình mỗi năm lên tới khoảng 740.000 USD cho mỗi kilômét cầu tiếp xúc với không khí có muối. Để chống lại quá trình gỉ sét không ngừng này, các kỹ sư cần nghiên cứu các vật liệu tốt hơn và các lớp phủ bảo vệ có khả năng tồn tại trong nhiều thập kỷ thay vì chỉ vài năm. Một số công ty đã bắt đầu thử nghiệm với các loại sơn đặc biệt và các lớp bảo vệ tiêu hao có tác dụng hấp thụ các tác nhân gây ăn mòn trước khi chúng tiếp xúc với kết cấu kim loại thật sự.
Trong môi trường hàng hải, không khí chứa muối làm suy giảm lớp oxit bảo vệ trên thép, dẫn đến hiện tượng rỗ do ion clorua gây ra. Ở khu vực công nghiệp, thép tiếp xúc với axit sulfuric và axit nitric từ các chất ô nhiễm trong khí quyển. Nghiên cứu cho thấy các cây cầu ven biển cần được bảo trì thường xuyên gấp bốn lần so với các công trình ở khu vực nội địa, chủ yếu do sự xuống cấp gây ra bởi ăn mòn.
Thép không gỉ Duplex kết hợp hai cấu trúc khác nhau trong thành phần kim loại của chúng - một phần là austenit và một phần là ferit. Sự kết hợp này mang lại độ bền gấp khoảng hai lần so với thép carbon thông thường, đồng thời khả năng chống lại sự gỉ sét và ăn mòn cũng tốt hơn. Hãy lấy mác 2205 làm ví dụ thực tế. Khi được thử nghiệm trong môi trường phun sương muối, nó cho thấy tốc độ ăn mòn dưới 30 miligam mỗi decimet vuông mỗi ngày, vượt trội hơn nhiều so với hầu hết các vật liệu truyền thống. Độ bền bổ sung này cho phép các kỹ sư thiết kế các bộ phận với thành mỏng hơn, giảm lượng vật liệu sử dụng cho mỗi chi tiết mà không làm giảm độ bền khi vận hành.
Tuyến đường Orsund dài 16 km nối giữa Đan Mạch và Thụy Điển thực tế sử dụng một loại vật liệu gọi là thép không gỉ duplex lean (viết tắt là LDX 2101) ở những đoạn ngầm dưới nước của đường hầm. Thành phần hợp kim đặc biệt này giúp giảm độ dày cần thiết của vật liệu khoảng 25% so với thép carbon thông thường. Và bạn biết điều gì nữa không? Nó đã hoạt động rất tốt trong điều kiện khắc nghiệt của biển Baltic suốt hơn hai thập kỷ qua, với rất ít dấu hiệu xuống cấp. Điều này chứng minh rõ ràng chất lượng tuyệt vời của những loại thép chống ăn mòn này đối với các công trình quan trọng đòi hỏi độ bền lâu dài.
Bảo vệ thép đã tiến bộ rất nhiều nhờ vào các công nghệ phủ mới như kẽm-nhôm-magiê (ZAM) có khả năng chống chịu được phun muối khoảng 500 giờ đồng hồ. Một số nhà sản xuất hiện đang sử dụng lớp sơn lót epoxy được tăng cường graphene giúp giảm thấm nước khoảng 60 phần trăm, nghĩa là các lớp phủ này tồn tại lâu hơn nhiều so với các phương án truyền thống. Xu hướng mới nhất trong ngành còn nói về các lớp phủ oxy hóa điện phân plasma. Những lớp phủ này đã cho thấy kết quả ấn tượng trong môi trường biển với khả năng ngăn chặn ăn mòn gần như hoàn toàn sau khi được kiểm tra trong điều kiện phòng thí nghiệm khoảng 1.000 giờ. Đối với các công ty hoạt động gần các vùng ven biển hoặc trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt, những bước tiến này đại diện cho một bước nhảy vọt trong việc bảo vệ tài sản khỏi các tác động của môi trường.
Thép có thể được tái chế nhiều lần mà không làm mất đi các đặc tính độ bền của nó, điều này khiến thép đóng vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng theo hướng tuần hoàn. Khi nói đến việc tái sử dụng thép thay vì sản xuất vật liệu mới từ đầu, những con số thật sự ấn tượng. Theo báo cáo phát triển bền vững mới nhất năm 2025, việc tái chế giúp giảm lượng khí thải carbon khoảng 58% so với việc sản xuất thép mới hoàn toàn. Mức hiệu quả này góp phần giữ cho cơ sở hạ tầng của chúng ta thân thiện với môi trường hơn, vì chúng ta không cần khai thác quá nhiều nguyên liệu thô mỗi lần. Ngoài ra, mỗi lần thép được tái sử dụng, nó để lại dấu ấn môi trường nhỏ hơn so với việc cứ bắt đầu từ đầu. Đó là lý do vì sao ngày càng nhiều kiến trúc sư và nhà thầu đang chuyển sang các giải pháp sử dụng thép tái chế hiện nay.
Cây cầu thay thế thứ tư ở Scotland đã sử dụng một lượng lớn profile thép tái chế, làm giảm đáng kể lượng khí thải liên quan đến xây dựng. Thành công của dự án đã ảnh hưởng đến các cơ quan giao thông châu Âu trong việc đặt ra yêu cầu tối thiểu về tỷ lệ vật liệu tái chế trong các gói thầu cầu, thúc đẩy việc áp dụng quy trình tái chế vật liệu khép kín trong các dự án kỹ thuật dân dụng.
Ngày nay, các yếu tố ESG đang đóng vai trò ngày càng lớn trong việc lựa chọn vật liệu cho các dự án công trình công cộng tại nhiều khu vực. Các cơ quan chính phủ đã bắt đầu yêu cầu các nhà thầu cung cấp đánh giá vòng đời sản phẩm khi đấu thầu hợp đồng, đặc biệt là ưu tiên loại thép được sản xuất trong lò hồ quang điện thay vì lò cao truyền thống. Sự khác biệt này rất quan trọng – phương pháp sản xuất bằng công nghệ điện giúp giảm khoảng ba phần năm lượng khí thải carbon so với phương pháp truyền thống. Ngoài việc hỗ trợ chống biến đổi khí hậu, cách tiếp cận này còn hoàn toàn hợp lý về mặt kỹ thuật. Các công trình xây dựng sử dụng loại thép xanh này thường có độ bền cao hơn và tiết kiệm chi phí theo thời gian, đó là lý do ngày càng nhiều thành phố chuyển sang sử dụng loại thép này mặc dù chi phí ban đầu có vẻ cao hơn.
Thiết kế cầu thép đã thay đổi đáng kể nhờ các công cụ số như Mô hình Thông tin Công trình (BIM) và Thiết kế Có sự Hỗ trợ của Máy tính (CAD). Chẳng hạn như Cầu New Tappan Zee, nơi mà BIM đã giúp phát hiện xung đột giữa các bộ phận trong thời gian thực và đồng thời dự đoán lượng vật liệu cần thiết, từ đó giảm khoảng 30% lãng phí. Nhờ những giải pháp công nghệ như thế này, các kỹ sư có thể chạy các mô phỏng để hiển thị cách phân bố lực căng trên các kết cấu và tinh chỉnh các thông số kỹ thuật của thép từ rất sớm, trước khi bất kỳ tấm kim loại nào được cắt hoặc hàn. Điều này đồng nghĩa với việc họ có thể đáp ứng các yêu cầu an toàn khắt khe mà không phải sửa chữa lại công việc tại công trường sau này.
Gia công hiện đại sử dụng công nghệ phay CNC và hàn tự động để đạt được độ chính xác trong khoảng ±1,5mm—điều kiện cần thiết đối với các bộ phận quan trọng như dầm I và các tiết diện rỗng. Thép hợp kim cường độ cao, độ dẻo thấp được ưa chuộng nhờ tính hàn tốt và khả năng chống mỏi, hỗ trợ tạo hình các kết cấu phức tạp mà vẫn đảm bảo độ bền cấu trúc.
Các mô-đun thép lắp ghép sẵn đang thúc đẩy nhanh tiến độ xây dựng cầu, như đã được minh họa trong Dự án Cầu Thay thế Forth. Toàn bộ các đoạn giàn được sản xuất tại nhà máy bên ngoài công trường bằng các profile tiêu chuẩn, giúp giảm 40% thời gian lắp ráp tại chỗ. Phương pháp này giảm thiểu ảnh hưởng của thời tiết, nâng cao an toàn lao động và đảm bảo chất lượng ổn định nhờ điều kiện sản xuất được kiểm soát chặt chẽ.
Các thanh rỗng làm từ thép không gỉ duplex cung cấp độ bền tốt hơn nhiều và khả năng chống ăn mòn vượt trội so với các vật liệu thông thường. Giới hạn chảy nằm trong khoảng từ 450 đến 550 MPa, cao hơn đáng kể so với thép carbon thông thường ở mức khoảng 250 đến 350 MPa. Nhờ độ bền tăng này, các kỹ sư thực tế có thể giảm tổng trọng lượng khoảng 25 đến 40 phần trăm mà không làm ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của cấu trúc. Các nghiên cứu công bố gần đây cho thấy những cây cầu được xây dựng bằng thép duplex có tuổi thọ lâu gấp khoảng hai lần trước khi xuất hiện dấu hiệu hư hỏng do mỏi, điều đặc biệt quan trọng ở những khu vực tự nhiên hay tập trung ứng suất như các đoạn công xôn nhô ra khỏi các điểm đỡ.
| Nguyên nhân | Thép Duplex | Thép carbon |
|---|---|---|
| Hiệu suất cấu trúc | 0,65-0,75 kg/mm² | 1,1-1,3 kg/mm² |
| Nhu cầu bảo trì | Tối thiểu trên 50 năm | Sơn phủ lại mỗi 15 năm |
| Độ bền của vật liệu | trên 120 năm trong điều kiện khí hậu ôn hòa | 60-80 năm với bảo trì định kỳ |
Các thanh profile thép duplex thường có giá ban đầu cao hơn, thường cao hơn từ 20 đến 30 phần trăm so với thép carbon thông thường. Tuy nhiên, khi nhìn vào toàn cảnh lâu dài, những vật liệu này thực sự giúp tiết kiệm chi phí trong suốt quá trình sử dụng. Nghiên cứu gần đây từ năm 2025 về cơ sở hạ tầng đã chỉ ra một điều khá ấn tượng: cầu làm bằng thép duplex chỉ cần khoảng một phần tám chi phí bảo trì trong vòng năm mươi năm. Điều này chủ yếu là do không cần sơn sửa liên tục, và riêng việc này đã có thể tiết kiệm từ ba đến năm triệu đô la cho mỗi dự án cầu lớn. Ngoài ra, các công trình này cũng ít phải ngưng hoạt động để sửa chữa. Về mặt môi trường, thực tế là hầu như toàn bộ (khoảng 98%) thép duplex có thể tái chế, cùng với độ bền vượt trội giúp chúng sử dụng lâu dài trước khi cần thay thế, tạo ra sự khác biệt rõ rệt. Các nghiên cứu cho thấy cách tiếp cận này giúp giảm khoảng 35% lượng khí thải carbon trên mỗi kilômét so với các phương án truyền thống. Vì vậy, dù xét về chi phí hay tác động đến môi trường, thép duplex đều mang lại những lợi thế đáng kể, tích lũy theo từng năm sử dụng.
Lợi ích chính của việc sử dụng thanh định hình bằng thép trong xây dựng cầu bao gồm tỷ lệ độ bền trên trọng lượng vượt trội, độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và giảm chi phí vật liệu. Thanh định hình bằng thép cũng cho phép thiết kế gọn nhẹ hơn, giúp giảm lực cản của gió, đồng thời có thể mang lại tính bền vững nhờ khả năng tái chế.
Thép cường độ cao, như loại S460ML được sử dụng trong Cầu Millau Viaduct, cho phép lắp ráp chính xác và yêu cầu ít vật liệu hơn nhờ vào giới hạn chảy cao của nó. Điều này giúp tiết kiệm chi phí và cho phép thiết kế các công trình táo bạo hơn, như các trụ cầu cao vút của Viaduct.
Các hợp kim thép hiện đại như thép duplex và thép vi hợp kim cung cấp khả năng chống ăn mòn và chống mỏi tốt hơn. Chúng chứa các nguyên tố như crôm và niken giúp tăng độ bền, đặc biệt trong môi trường ăn mòn như khu vực ven biển hoặc khu công nghiệp. Các hợp kim này giúp giảm chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ của cầu.
Những đổi mới công nghệ như BIM, CAD, gia công CNC và xây dựng theo mô-đun cho phép gia công chính xác, giảm lãng phí và lắp ráp nhanh hơn. Các công nghệ này nâng cao an toàn, đảm bảo tính nhất quán và giảm thiểu sự chậm trễ do thời tiết trong quá trình xây dựng cầu.
Thép duplex có chi phí ban đầu cao hơn nhưng lại mang lại chi phí bảo trì thấp hơn trong dài hạn. Nó có tuổi thọ lâu dài, hỗ trợ tái chế và giảm phát thải carbon đáng kể so với thép carbon. Việc sử dụng vật liệu này trong các dự án cầu có thể mang lại lợi ích tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường theo thời gian.
Bản quyền © 2025 thuộc về Công ty TNHH XNK Bao-Wu (Thiên Tân). - Chính sách bảo mật
EN
