Cầu Bailey là một trong những thành tựu kỹ thuật quan trọng nhất của thế kỷ 20, ban đầu được phát triển cho mục đích quân sự trong Thế chiến thứ hai và hiện được triển khai rộng rãi trong các dự án cơ sở hạ tầng dân sự trên toàn cầu. Hiểu biết Thông số kỹ thuật cầu Bailey là điều cần thiết cho các kỹ sư kết cấu, nhà hoạch định hậu cần quân sự và người quản lý dự án xây dựng, những người cần các giải pháp cầu nối đáng tin cậy, di động và có thể triển khai nhanh chóng. Hướng dẫn này cung cấp thông tin chi tiết toàn diện về các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn, phân loại tải, cấu hình nhịp và yêu cầu vật liệu.

Nguồn gốc và triết lý thiết kế

Được thiết kế bởi Donald Bailey vào năm 1940 và lần đầu tiên được sản xuất bởi công ty Mabey & Johnson, cầu Bailey được hình thành như một cây cầu bảng mô-đun có thể được lắp ráp bởi một nhóm nhỏ mà không cần cần cẩu hạng nặng hoặc thiết bị chuyên dụng. Điểm đặc biệt của nó nằm ở hệ thống bảng thép được tiêu chuẩn hóa, cho phép vận chuyển các bộ phận riêng lẻ bằng tay và lắp ráp thành các nhịp có khả năng hỗ trợ các phương tiện quân sự hạng nặng.

Triết lý thiết kế tập trung vào ba nguyên tắc: tính mô-đun, khả năng mở rộng và khả năng sửa chữa tại hiện trường. Mỗi bảng có thể hoán đổi cho nhau, nghĩa là các phần bị hư hỏng có thể được thay thế mà không cần tháo dỡ toàn bộ cấu trúc. Khả năng thích ứng này đã khiến cây cầu Bailey trở thành nền tảng cho các hoạt động của quân Đồng minh ở Bắc Phi, Ý và Tây Âu — và nó vẫn được hàng chục quân đội và chính quyền dân sự sử dụng tích cực cho đến ngày nay.

Kích thước bảng tiêu chuẩn và thông số vật liệu

Đơn vị cơ bản của cầu Bailey là bảng tiêu chuẩn . Tất cả các thông số kỹ thuật khác—độ dài nhịp, khả năng chịu tải và loại cấu hình—đều xuất phát từ thành phần cơ sở này. Các tấm được chế tạo từ thép cường độ cao phù hợp với các tiêu chuẩn quân sự và dân sự đã được thiết lập (thường là BS EN 10025 Lớp S355 hoặc tương đương với tiêu chuẩn ASTM A572 Lớp 50).

Kích thước bảng tiêu chuẩn

Bảng 1 - Kích thước bảng cầu Bailey tiêu chuẩn (tham khảo BS 5400 / NATO STANAG 2021)

Các tấm được kết nối thông qua các chốt thép có đường kính 57 mm, cho phép lắp ráp nhanh chóng mà không cần hàn hoặc bắt vít. Thiết kế giàn lưới phân phối tải trọng hiệu quả theo đường chéo và chiều dọc, đạt được tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao, điều này rất quan trọng đối với cả tính di động và hiệu suất kết cấu.

Thông số kỹ thuật sàn và cây ngang

Hệ thống boong bao gồm các thanh ngang (dầm ngang), thanh giằng (dầm dọc) và bàn cờ bằng gỗ hoặc thép (ván boong). Mỗi thanh ngang kéo dài giữa hai tấm giàn đối diện và được cố định bằng kẹp thanh ngang. Bàn cờ tiêu chuẩn thường là gỗ cứng dày 63 mm hoặc, trong các biến thể hiện đại, là tấm thép kẻ ca-rô.

Bảng 2 - Thông số kỹ thuật của các thành phần hệ thống boong

Các loại cấu hình và hệ thống chỉ định

Cấu hình cầu Bailey được mô tả bằng cách sử dụng hệ thống chỉ định tiêu chuẩn mã hóa số lượng đường tấm (đơn, đôi hoặc ba), số tầng bảng (đơn hoặc đôi) và liệu cầu được xây dựng theo kiểu xuyên suốt hay kiểu xuyên suốt với cốt thép hợp âm trên cùng. Ký hiệu thường có dạng SS, DS, TS (Truyện đơn) và Đ, TD (Câu chuyện đôi).

Quy ước đặt tên cấu hình

• SS (Đĩa đơn): Rộng một tấm, cao một tầng. Nhẹ nhất và nhanh nhất để xây dựng; thích hợp cho người đi bộ và xe nhẹ.
• DS (Đơn đôi): Hai tấm rộng mỗi bên, cao một tầng. Cấu hình tiêu chuẩn cho hầu hết các loại xe quân sự có bánh lốp lên tới MLC 30.
• TS (Ba đơn): Mỗi bên có ba tấm rộng, cao một tầng. Được sử dụng cho tải nặng hơn trên các nhịp ngắn hơn.
• ĐĐ (Đôi đôi): Rộng hai tấm, cao hai tầng. Mở rộng đáng kể khoảng thời gian có thể đạt được và lớp tải.
• TD (Ba đôi): Rộng ba tấm, cao hai tầng. Cấu hình tối đa; được sử dụng cho xe bánh xích MLC 70 trên các nhịp lên tới 60 m.

Bảng độ dài nhịp và khả năng chịu tải

Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của thông số kỹ thuật cầu Bailey là mối quan hệ giữa chiều dài nhịp, loại cấu hình và loại tải trọng cho phép. Bảng sau đây cung cấp dữ liệu thiết kế tiêu chuẩn dựa trên tiêu chí tải NATO STANAG 2021 và BS 5400 Phần 2.

Bảng 3 - Chiều dài nhịp và khả năng chịu tải theo cấu hình (giá trị biểu thị; yêu cầu phân tích kỹ thuật theo địa điểm cụ thể)

Điều quan trọng cần lưu ý là các giá trị này thể hiện nhịp thiết kế tối đa cho từng cấu hình trong điều kiện chịu lực mặt đất tiêu chuẩn. Nhịp cho phép thực tế sẽ giảm đi khi cầu phải hỗ trợ đoàn xe di chuyển liên tục, khi điều kiện đất chịu lực cuối kém hoặc khi phải áp dụng hệ số tác động động khi phương tiện qua đường tốc độ cao.

Thông số chiều rộng đường

Chiều rộng đường thông thoáng—lối đi có thể sử dụng giữa các mặt bên trong của các giàn chính—được cố định tại 4,22 m (13 ft 10 in) cho tất cả các cấu hình cầu Bailey một làn tiêu chuẩn. Điều này đáp ứng một làn đường giao thông duy nhất với các đường bao phương tiện STANAG của NATO. Các biến thể hai làn, đạt được bằng cách đặt hai làn cầu song song cạnh nhau trên một mố chung, mang lại tổng chiều rộng đường khoảng 8,5 m và được sử dụng cho các ứng dụng có lưu lượng giao thông cao.

Các thành phần lắp ráp và thông số kỹ thuật phần cứng chính

Tính toàn vẹn của cầu Bailey không chỉ phụ thuộc vào bản thân các tấm mà còn phụ thuộc vào độ chính xác của phần cứng kết nối của nó. Các thành phần sau đây được chỉ định với dung sai chặt chẽ để đảm bảo khả năng thay thế lẫn nhau giữa các lô sản xuất từ ​​các nhà sản xuất khác nhau.

Chân kết nối bảng điều khiển

• Đường kính: 57,2 mm (2,25 in)
• Chiều dài: 184 mm (7,25 in)
• Chất liệu: Thép carbon, được xử lý nhiệt đến cường độ năng suất tối thiểu 620 MPa
• Được giữ bởi: Chốt chốt chia đôi, đường kính 6 mm

Kẹp ngang

• Lực kẹp: Tối thiểu 8 kN khi được siết chặt đúng cách
• Mô-men xoắn bu-lông: 135 N·m (100 ft·lb) sử dụng cờ lê hộp tiêu chuẩn
• Chất liệu: Gang dẻo hoặc gang dẻo GGG-40

Thông số kỹ thuật của Raker (mũi phóng)

Trong quá trình lao công xôn—phương pháp lắp ráp tiêu chuẩn trong đó cầu được đẩy ra qua khe hở từ một bờ—một mũi thép nhẹ (cào) được gắn vào đầu dẫn để ngăn không cho công xôn bị lật. Chiều dài cào tiêu chuẩn là 3,05 m, 6,10 m hoặc 9,14 m, được chọn dựa trên tổng nhịp cầu. Máy cào phải nặng không quá 20% trọng lượng cầu chính để duy trì thăng bằng khi phóng.

Yêu cầu về mố và ổ trục

Bố trí ổ đỡ cuối là một thông số kỹ thuật quan trọng quyết định sự phù hợp của địa điểm để lắp đặt cầu Bailey. Cây cầu truyền tải trọng xuống đất thông qua tấm đế và dầm ngưỡng cửa tựa trên mố đã chuẩn bị sẵn hoặc trên mặt đất tự nhiên.

Yêu cầu chịu lực tối thiểu

Bảng 4 - Thông số ổ trục theo cấu hình

Khi điều kiện đất tự nhiên không đáp ứng được áp lực chịu lực tối thiểu của mặt đất, các kỹ sư sẽ chỉ định đầm nén dạng hạt, mố đệm bê tông hoặc gối đỡ cọc dẫn động. Đối với việc triển khai quân sự tạm thời trên nền đất yếu, dầm đất bằng thép hoặc cũi bảng Bailey được sử dụng để phân phối tải trọng chịu lực.

Tiêu chuẩn chống ăn mòn và xử lý bề mặt

Tất cả các thành phần thép của cầu Bailey được yêu cầu phải đáp ứng các tiêu chuẩn xử lý bề mặt cụ thể để đảm bảo tuổi thọ sử dụng có thể chấp nhận được trong điều kiện hiện trường. Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của NATO yêu cầu:

• Chuẩn bị bề mặt: Bắn nổ tới Sa 2,5 (kim loại gần như trắng) theo ISO 8501-1
• Lớp sơn lót: Sơn lót epoxy giàu kẽm, độ dày màng khô tối thiểu 75 µm (DFT)
• Lớp phủ trung gian: Epoxy MIO (oxit sắt mica), DFT tối thiểu 100 µm
• Lớp phủ hoàn thiện: Lớp phủ ngoài polyurethane màu ô liu (RAL 6003) hoặc xanh ô liu (FS 34094), DFT tối thiểu 50 µm
• Tổng DFT: Tối thiểu 225 µm
• Khả năng chống phun muối: 1.000 giờ theo tiêu chuẩn ISO 9227 mà không bị rỉ sét ở đường mũi nhọn

Đối với việc lắp đặt cầu dân dụng lâu dài, nhiều nhà khai thác nâng cấp lên hệ thống kẽm phun nhiệt (TSZ) hoàn toàn với lớp phủ ngoài đàn hồi, kéo dài thời gian bảo trì lên 25 năm. Ốc vít bằng thép không gỉ cũng được khuyên dùng trong môi trường ven biển hoặc biển, nơi có mối lo ngại về sự ăn mòn do clorua gây ra.

Yêu cầu về thời gian và nhân lực lắp ráp

Một trong những ưu điểm nổi bật của công nghệ cầu Bailey là khả năng lắp ráp nhanh chóng. Thông số kỹ thuật quân sự tiêu chuẩn yêu cầu một trung đội công binh chiến đấu được huấn luyện (khoảng 35 nhân viên) có thể dựng cầu đôi đơn (DS) có nhịp 30,5 m trong phạm vi 4 đến 6 giờ trong điều kiện hiện trường. Bảng sau đây cung cấp hướng dẫn chung về thời gian lắp ráp cho các cấu hình khác nhau.

Bảng 5 - Thời gian lắp ráp dự kiến trong điều kiện ánh sáng ban ngày thuận lợi với nhân viên đã được đào tạo

Những số liệu này giả định không có cần cẩu hỗ trợ. Khi có sẵn cần cẩu di động hoặc xe nâng trên địa hình gồ ghề, thời gian lắp ráp có thể giảm 30–40%, đặc biệt đối với các cấu hình hai tầng nơi việc nâng tấm panel tốn nhiều công sức.

Các biến thể hiện đại và thông số kỹ thuật được nâng cấp

Thiết kế cầu Bailey ban đầu đã phát triển đáng kể kể từ năm 1941. Một số nhà sản xuất—bao gồm Mabey Bridge, Acrow và SSBR—hiện sản xuất các biến thể nâng cao vẫn giữ nguyên nguyên tắc bảng mô-đun cơ bản đồng thời cung cấp các đặc tính hiệu suất được cải thiện.

Cầu vạn năng Mabey

Sản phẩm chủ lực hiện tại của Mabey giới thiệu các tấm thép cường độ cao (cấp S460) giúp giảm trọng lượng tấm khoảng 15% đồng thời tăng khả năng chịu tải. Hệ thống boong cải tiến sử dụng sàn hợp kim nhôm thay thế bàn cờ gỗ truyền thống, giảm tải trọng chết của boong và cải thiện độ bền trong môi trường ẩm ướt.

Acrow 700XS

Dòng Acrow 700XS cung cấp các tấm có kích thước 3,05 m × 2,18 m (so với tiêu chuẩn 3,05 m × 1,47 m), mang lại mô men quán tính cao hơn cho mỗi tấm. Điều này cho phép các cấu hình tương đương TD đạt được các nhịp lên tới 75 m và hỗ trợ các phương tiện bánh xích MLC 80—vượt quá giới hạn của thông số kỹ thuật Bailey ban đầu.

Hệ thống boong được gia cố liên tục

Các công trình lắp đặt cố định hiện đại ngày càng sử dụng các tấm sàn bê tông cốt thép đúc tại chỗ trên hệ thống giàn Bailey. Hoạt động giàn sàn hỗn hợp này làm tăng đáng kể độ cứng tổng thể của kết cấu và giảm độ võng dưới tải trọng trực tiếp, đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn cầu đường quốc lộ như AASHTO LRFD hoặc Eurocodes cho giao thông dân dụng dài hạn.

Thông số kỹ thuật kiểm tra và bảo trì

Đối với những cây cầu được sử dụng lâu dài, dù là quân sự hay dân sự, việc kiểm tra định kỳ là bắt buộc. Khoảng thời gian và tiêu chí kiểm tra tiêu chuẩn như sau:

• Kiểm tra trực quan định kỳ: Định kỳ 6 tháng một lần; kiểm tra biến dạng của bảng điều khiển, độ mòn của chốt, tình trạng sàn và tính toàn vẹn của lớp phủ
• Kiểm tra kết cấu chi tiết: Cứ sau 2 năm; bao gồm đo độ lệch của dây cung, độ oval của lỗ chốt (độ mòn tối đa chấp nhận được là 3 mm) và khảo sát vết nứt mối hàn
• Đại tu lớn: Cứ sau 10 năm hoặc sau khi lưu lượng truy cập tương đương MLC tích lũy vượt quá ngưỡng thiết kế; tháo rời toàn bộ, sơn lại bằng phun nổ và xác minh kích thước
• Tiêu chí thay thế bảng điều khiển: Bất kỳ bảng nào có tổn thất phần hợp âm vượt quá 10% diện tích ban đầu hoặc bộ cố định vượt quá L/500 phải được ngừng sử dụng

Các tấm cầu Bailey được thiết kế để tái sử dụng nhiều lần trong nhiều lần triển khai. Các bảng dự trữ quân sự thường xuyên tích lũy 5–10 lần triển khai trong thời gian phục vụ 20–30 năm khi được bảo trì đúng cách. Người vận hành dân sự sử dụng tấm pin trong các công trình lắp đặt cố định cố định thường chỉ định tuổi thọ thiết kế là 50 năm với phân tích độ mỏi thích hợp theo BS 5400 Phần 10.

Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật áp dụng

Thiết kế, sản xuất và triển khai cầu Bailey được quản lý bởi nhiều tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế. Các tài liệu tham khảo chính bao gồm:

• NATO STANAG 2021: Phân loại tải trọng quân sự của cầu, phà, bè và phương tiện
• Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn AASHTO cho cầu đường cao tốc (đối với các ứng dụng dân sự của Hoa Kỳ)
• BS 5400: Cầu thép, bê tông và composite (tiêu chuẩn Vương quốc Anh, được thay thế bởi Eurocodes nhưng vẫn được tham chiếu cho các kết cấu cũ)
• Eurocode 3 (EN 1993-2): Thiết kế kết cấu thép – cầu thép
• ISO 8501-1: Chuẩn bị nền thép trước khi sơn
• ISO 9227: Thử nghiệm ăn mòn trong môi trường nhân tạo - Thử nghiệm phun muối
• DEF STAN 01-5 / JSP 434: Thông số kỹ thuật của Bộ Quốc phòng Anh về thiết bị cầu nối quân sự

Các kỹ sư chỉ định cầu Bailey cho mục đích sử dụng dân dụng lâu dài phải đảm bảo tuân thủ các yêu cầu của cơ quan quản lý đường cao tốc quốc gia có liên quan, bao gồm các mô hình hoạt tải (HA/HB ở Anh, HL-93 ở Hoa Kỳ), giới hạn khả năng sử dụng về độ võng (thường là nhịp/360 dưới tải trọng trực tiếp) và tính toán tuổi thọ mỏi cho các vị trí chịu tải trọng động chu kỳ cao.

Thông số kỹ thuật của cầu Bailey bao gồm một hệ thống được tích hợp cẩn thận về hình dạng tấm, cấp vật liệu, loại cấu hình, phân loại tải trọng, thiết kế ổ trục và bảo vệ bề mặt — mỗi phần tử phụ thuộc vào các phần tử khác. Cho dù ứng dụng là triển khai quân sự khẩn cấp trong 48 giờ qua một cây cầu vượt sông bị cuốn trôi hay một cây cầu đường cao tốc nông thôn cố định ở một quốc gia đang phát triển, việc tuân thủ các thông số kỹ thuật đã thiết lập sẽ đảm bảo an toàn về kết cấu, hiệu suất có thể dự đoán được và độ bền lâu dài.

Sự liên quan lâu dài của cây cầu Bailey—hơn 80 năm sau khi được phát minh—là một minh chứng cho sức mạnh của tư duy thiết kế mô-đun. Khi công nghệ vật liệu tiến bộ và yêu cầu về tải trọng tăng lên, các biến thể cập nhật tiếp tục vượt qua ranh giới của những gì được hình thành ban đầu trên bảng vẽ thời chiến, trong khi vẫn giữ được sự đơn giản cơ bản đã khiến thiết kế ban đầu trở nên có tính biến đổi.