Một trong những con đường chủ đạo xưa nay của thế giới cho phép chở người, hàng hóa đi lại khắp nơi là đường sắt. Không chỉ thấy ở trên mặt đất, nơi địa hình bằng phẳng, nó còn băng qua các hẻm núi, vực sâu, sông biển, và để đỡ cho con đường cứng cáp, an toàn, liên tục, tới được điểm như ý, bắt buộc phải có những cây cầu đặc biệt, gọi là cầu đường sắt, với cấu tạo, hình thức và chức năng rất độc đáo, lạ mắt. Cầu đường sắt ở trên cao là những kỳ quan của hôm nay và mai sau.
Để làm được cầu đường sắt, cần có khá nhiều nguyên liệu và kỹ thuật cầu kỳ. Về nguyên liệu, thường có gỗ, đá, bê tông và sắt. Ở châu Á, châu Âu, cầu thường được xây bằng đá và bê tông, nhưng tại châu Mỹ và một số nơi thuộc châu Phi lại từ gỗ hoặc thép. Song tựu trung, đều có các loại sau: cầu giàn khung, cầu đúc hẫng, cầu trụ đỡ (trestle), cầu vòm cuốn, cầu đòn xà, cầu treo võng và cầu dây văng. Chúng có thể tồn tại độc lập hoặc kết hợp lẫn nhau.
Cầu giàn khung là một cầu đường sắt rất giản dị, song lại có mặt ở mọi nơi. Công trình được dựng từ những khung thép rắn với những thanh thẳng dài, dạng nén hoặc căng, bắt hình tam giác, giúp phân tán trọng lượng. Chúng đã xuất hiện từ những năm 1840 và phát triển thành nhiều kiểu như kiểu Bollman và kiểu Fink. Hai kiểu này rất thích hợp để neo đậu qua những khoảng trống vừa phải của đồi núi, cùng những chiếc xe lửa thế hệ đầu tiên khá nhẹ và chạy chậm.
- Xem thêm:
Tuy nhiên, nếu xe chạy nhanh thì cầu sẽ rất rung lắc nên cuối thế kỷ 19 đã không được dùng nữa và thay bằng các kiểu như Schwedler, Pegram, Kellogg, Whipple, Lenticular… và đến nay là Warren, Petit và Pratt, nhờ sự đơn giản, dễ chế tạo và bảo dưỡng. Có khá nhiều ví dụ về cầu giàn khung nổi tiếng, mà đơn cử là cầu Jiujiang Yangtze (Trung Quốc), một cầu đường sắt-đường bộ phức hợp, có dàn chữ V liên tục dài nhất thế giới tới 1.314m.
Gần giống cầu giàn khung, nhưng không phụ thuộc nhiều vào hai chân cầu ở đôi bờ nữa, mà dồn cả vào đoạn giữa sông là cầu đúc hẫng. Công trình có thành phần chính là những mút chìa, cấu kiện chỉ được giữ một đầu, còn đầu kia cho nhô ra ngoài theo chiều ngang. Nó cũng chứa các xà dầm (đối với cầu nhỏ) và khung giàn lớn hoặc hộp sắt, bê tông dự ứng lực nếu cầu đại. Vào cuối thế kỷ 19 mới có loại cầu này, đáp ứng nhu cầu sàn dài hơn so với trước, khi bắc qua các con sông hoặc vực rộng, và một công trình có thể bằng hai cây cầu chập lại ở giữa.
Bình hồ lôTiền thân của nó là những cây cầu có các khớp nối ở nhịp trung tâm, chẳng hạn như cầu Hassfurt trên sông Main (Đức) năm 1866 hay cầu High ở Kentucky (Mỹ) năm 1877. Cầu Hassfurt chỉ có sải trung tâm dài 38m, song đã là đáng kể lúc ấy, và chỉ sau đó 24 năm đã có một cây cầu khác vượt bậc với sải giữa lên tới 520m là cầu Firth of Forth Scotland. Tuy nhiên, danh hiệu này giờ đã thuộc về cầu Ponte de Quebec của Canada, với 549m trên tổng chiều dài 987m.
Sau khi thực hiện cầu vắt ngang sông rộng, người ta tiếp tục một loại cầu mới xuyên qua vực thẳm với kỹ thuật dùng các trụ đỡ, giá đỡ liên tiếp là cầu trụ đỡ. Nó không có những sải dài, mà chỉ gồm các sải ngắn, được đỡ bởi hàng loạt các trụ sắt, gỗ/bê tông. Ngày xưa, nguyên liệu chỉ có gỗ nên họ dùng rất nhiều gỗ, cưa xẻ tạo nên các cột, giá hùng vĩ, một lúc tới hàng trăm cây cột.
Nhưng đến thế kỷ 20, phần lớn đã được thép hóa và bê tông hóa nên số trụ đã ít hơn. Loại cầu này giống với cầu cạn, tức viaduct, có nhiều vòm cuốn (nhịp vong) để đỡ đường ray, song linh hoạt hơn vì không đúc khối mà cách rời, với mỗi trụ có từ 3 đến 5 cột cách quãng, nếu cầu nhỏ thì từ 4m đến 5m, còn cầu lớn từ 15m đến 30m. Một cây cầu gỗ lớn nhất hiện nay là cầu Goat Canyon ở California (Mỹ), dài 229m, cao 61m. Cầu sắt thép hoành tráng nhất là cầu Lethbridge Viaduct tại Alberta (Canada), dài 1.623m, cao 96m, bằng 12.436 tấn thép, 328.000 đinh tán cùng 29.000 lít sơn.
- Xem thêm:
Đã ra đời từ thời La Mã, với những nhịp cong cánh cung, cầu vòm cuốn, cũng gọi nhịp cuốn, là một loại cầu đẹp nhất trái đất, nhìn từ đâu cũng hấp dẫn vì cứ như một cái cổng bước vào thiên đàng, và càng ấn tượng hơn khi đó là một cầu đường sắt, ngày nào cũng thấy tàu kéo còi, nhả khói nghi ngút trên cao.
Nói chung, nó có thể được xây rất đa dạng từ đá, gạch, xi măng, sắt thép, song luôn nèn chặt và có một hay nhiều vòm cung, cá biệt như cầu Ella ở Sri Lanka 9 nhịp, phân tán trọng lượng. Do như đúc nên với cầu thép, người ta phải xử lý việc dãn nở của thép bằng các khớp co dãn, đảm bảo cầu sẽ không bị nứt gãy.
Đến cuối thế kỷ 19, cầu sắt thép đã phổ biến khắp châu Âu, mà lôi cuốn nhất, đạt kỷ lục cầu vòm cuốn có nhịp dài nhất thế giới là cầu Dom Luiz ở Oporto (Bồ Đào Nha) với nhịp chính lên tới 172m, cầu Maria Pia (Porto, Bồ Đào Nha) 160m và cầu Garabit Viaduct (St. Flour, Pháp) 165m. Danh hiệu này được giữ tới năm 1915, khi cầu Hellgate (New York, Mỹ) xuất hiện với một sải tới 298m. Tuy nhiên, đến nay công trình dài nhất lại là cầu Chenab (Kashmir, Ấn Độ), dài 467m/1.315m và cao 359m.
Lâu đời nhất, có lẽ từ thời thượng cổ là cầu đòn xà hay xà dầm, một kiến trúc rất mộc mạc giống như một cái cây đổ và cắt ngang dòng nước cho người bước qua. Một công trình được ghi chép sớm nhất là Pons Sublicius, một cây cầu thời La Mã, ở trên sông Tiber vào thế kỷ 7 trước Công nguyên. Thế nhưng, ngoài phần xà, cầu xà dầm cũng còn phải cần thêm một số trợ lực khác, thì mới đi lại an toàn được, và đặc biệt là các chân cầu để đỡ lấy thanh đòn phía trên, và cho trọng lượng dồn hết lên chân, mà hôm nay là các cột trụ bằng bê tông dự ứng lực đóng vào lòng sông.
Bình hồ lôLoại cột này bắt đầu xuất hiện vào năm 1950, khi Pháp và Đức thử nghiệm làm các sải cầu dài chịu tải trọng lớn. Muốn cầu vững chắc, dầm cầu phải rất cứng rắn, chịu nén, co giãn, và nếu bằng thép thì thường có 3 dạng: hộp, chữ I và chữ L. Vì sự thanh nhã nên có khá nhiều cầu xà dầm ở cả năm châu, mà kỳ vĩ nhất phải kể tới là cầu Grand Tianjin ở Trung Quốc, với chiều dài 48,1km chỉ để mang ray và cho một tuyến đường sắt siêu tốc Bắc Kinh-Thượng Hải vượt biển.
Bình hồ lôKhông chỉ nằm gối đầu lên các trụ cột, nhiều cây cầu còn được treo móc cố định hoặc lủng lẳng trên cao, thuộc về cầu treo móc, dây võng. Để có nó, người ta phải xây hai cái cột lớn hoặc tháp sắt, bê tông cốt thép và từ đó nối những dây cáp, ròng xuống đỡ lấy thân cầu, tức mặt sàn, khi ấy cũng có những hàng dây thẳng đứng, kết nối với nhiều sợi cáp nói trên, để tạo nên sự ràng buộc chắc chắn cho cầu và giúp đường đi thăng bằng.
Với những cây cầu nhỏ, dùng cáp nhỏ, thép mỏng vẫn có cảm giác chòng chành-chao đảo, song nếu là cầu lớn, cáp đại từ 30cm đến 60cm hoặc hơn, lại đổ bê tông trên mặt đường thì độ rung rất thấp. Ngoài việc bị treo cao, đa số cầu dây võng còn tọa lạc trên những địa hình chót vót như trên các hẻm núi – thung lũng, để từ núi này băng qua núi kia ngoạn mục. Mới đầu, nó chỉ được xây để làm các con đường tắt, nhưng cách sông, cách núi phục vụ đi lại và du lịch trong vùng, nhưng dần dần đã vươn xa, vượt biển và xuyên lục địa.
Bình hồ lôMột cây cầu như vậy là tuyến đường sắt Seto-O hashi hay cầu Honshu-Shikoku ở Nhật Bản với việc băng qua nhiều đảo vào năm 1988. Cùng với đi xa, cầu treo cũng có những sải dài hơn. Ví dụ như cầu Tsing Ma Trung Quốc vào năm 1997 đã trở thành cầu có sải chính dài nhất, tới 1,377m. Nó mang theo hai tuyến đường sắt ở tầng dưới và 6 làn đường bộ ở tầng trên. Đến nay, kỷ lục này đã thay đổi nhiều, khi kỹ thuật cầu đường càng tiến bộ và có nhiều cây cầu mới dài hơn. Thế nhưng, người ta vẫn không thể quên được cây cầu treo hiện đại đầu tiên, cầu thác Niagara Ontario-Canada.
Kế thừa cầu dây võng là cầu dây thẳng, căng, xiên, hay cầu dây văng. Đây cũng là cầu treo, có cột/tháp cho phép ròng dây xuống dưới, song gắn trực tiếp vào mặt cầu. Dây thẳng căng và tạo nên những hình rẽ quạt thú vị hoặc tia nắng xuyên từ trên không. Cầu dây văng thường có nhiều cột ở giữa, giúp néo dây và bắt vào nhiều đoạn thân, chứ không nhất thiết cả chiều dài, nên từ xa cũng thấy như những kim tự tháp nhấp nhô bồng bềnh.
- Xem thêm:
Bình hồ lôCây cầu dây văng đầu tiên của đường sắt là cầu Cassagagne năm 1909 với sải 156m, phục vụ cho tuyến đường sắt xuyên qua vùng núi Đông Pyreness, Pháp. Từ đây, người ta đã học hỏi để xây nên nhiều công trình đa dạng, phức hợp, trong đó có cầu Gisclard (Pyrénées-Orientales, Pháp), cầu Galata (Istanbul, Thổ Nhĩ Kỳ), cầu Sava (Belgrade, Serbia), cầu High Speed (California, Mỹ), cầu North Am (Vancouver, Canada), cầu Metro Northwest (Sydney, Australia), cầu Sannai-Maruyama (Aomori, Nhật Bản), cầu Gaojiahuayuan (Trùng Khánh, Trung Quốc)…
