案例4：瓦里纳-伊农大桥：詹姆斯河上的I-295公路

维吉尼亚州交通厅（VDOT）拥有并维护的瓦里纳农大桥承载着I-295公路，横跨维吉尼亚州里士满附近的詹姆斯河（见图32）。它建于20世纪80年代末，1990年通车。该结构约4686英尺长，两个引桥位于主跨两侧。主跨由斜拉索塔支撑，由两个单室预制箱梁组成，通过预制三角架连接，形成一个结构单元。每个引桥由两个单独的单室预制箱梁组成，每个箱梁承载一个交通方向。

施工时的规范要求现场混合后张预应力束灌浆填充材料，由常规水泥、水和膨胀外加剂组成（Parsons Brinckerhoff 2010）。考虑到构筑物的位置和气候，预计构筑物在其整个使用寿命内通常会经历水分入侵和冷凝（Parsons Brinckerhoff 2013）。

早期结构寿命

按照NBIS要求，定期进行早期检查。2001年的检查发现了大量预应力束中的空隙，主要通过通管道（未完全填充灌浆或完全空）的孔镜检查确定。注意到泌水和灌浆沉降的迹象。虽然不清楚承包商是否使用了膨胀灌浆材料（尽管允许），但后来的测试表明，原始灌浆材料质量较差，怀疑水灰比超过了规定的最大值。

图片来源：弗吉尼亚州交通厅

图32：瓦里纳埃农桥

2003年和2004年进行了两次努力，通过真空灌浆填充已确定的空隙，但只有大约50%的空隙是可接近的。使用三种不同的专有灌浆进行维修。

2005年的一次检查发现一根预应力束“弯曲出平面”，2007年的检查确定了一个失效预应力束和另一个相关预应力束。对所有可接近的预应力束进行附加检查和锤击测深。确定了一个值得关注的区域，即在施工过程中，排水塞被水泥浆堵塞，使水在结构内聚集，并将预应力束浸入酸性水中。相邻预应力束的管道被打开，显示出腐蚀。小心地松开并更换预应力束。总共更换了两个预应力束。

特别值得注意的是，对拆除的预应力束进行了死后检查。在失效预应力束中，在2003–2004年注入的旧灌浆材料和新材料之间的界面处发现腐蚀。使用不同的灌浆材料被怀疑产生了宏电池腐蚀位置。

2007年，威斯康星大学的一项研究利用磁通量来检测所有的纵向预应力束。通过磁通量确定的截面损失在两个预应力束中得到确认。打开有截面损失的位置，用透明管道替换管道，以便观察到进一步的腐蚀。随着时间的推移，对8个地点进行了目视监测。腐蚀率似乎很低。其他观察结果表明，结构完整性恶化，包括桥面磨损表面的高级退化（可能影响结构的水密性）、主梁腹板中存在对角裂缝，以及横隔板和顶部桥面处的显著裂缝/分离。

在2007年和2010年的检查期间，观察到条件和具体问题恶化，发现了一些问题，这些问题对后张法系统具有潜在的结构和耐久性影响，包括

       ?移动一个桥墩上的箱梁，

        ?箱段腹板中的对角裂缝，

        ?体外束中疑似钢绞线滑移，以及

        ?附加预应力束中的疑似缺陷。

深入检查（2010）

这些发现促使桥梁所有者VDOT在2010年授权一位顾问进行额外的深入研究，包括补救建议。这项工作的目的是根据现有的检查报告（主要是2007年和2010年的检查报告）和对确定的关键缺陷项目的目视检查，就行动方案提供专家意见。

在2010年的平行努力中，联邦公路管理局（Federal Highway Administration）在瓦里纳农（VarinaEnon）进行了测试，以早期努力使用漏磁（MFL）——1990年初在特纳-费尔班克公路研究中心（Turner-Fairbank Highway Research Center）评估其有效性的一种技术，以无损方式评估箱梁内的体外束是否存在缺陷。将疑似缺陷的位置切开以进行附加测试和检查，修复灌浆缺陷，并用热缩套管重新密封管道。桥梁业主对漏磁检测作为一种缺陷检测技术的有效性持肯定态度，并指出漏磁检测确定的所有位置均显示了缺陷。未评估漏磁检测不到缺陷的可能性。

图片来源：Parsons Brinckerhoff

图33  修理横隔板处的接头和连接器

检查员注意到，体外束处于相当良好的状态，尽管有证据表明后张法管道连接在施工期间和之后都进行了维修（见图33和图34）。连接维修还显示出灌浆在注入过程中泄漏的迹象，这可能需要首先进行维修。与目前的标准做法不同，检查员注意到大多数管道连接器不防水。检查员推测，施工期间的灌浆泄漏可能与硬化灌浆中存在的空隙有关。值得注意的是，自那时以来，HDPE管道长度之间的连接已得到极大改进和标准化。

检查员注意到，有几根钢绞线暴露在外，并出现了一些腐蚀。此外，一些预应力束含有一段透明管道材料，允许直接观察预应力束的股线和明显的股线腐蚀（见图35）。

图片来源：Parsons Brinckerhoff

图34：中部修复好的预应力束连接器

图片来源：Parsons Brinckerhoff

图35 清理管道，以便观察预应力束

在2010年的第一份检查报告中，发现了几根疑似滑移的预应力束；这些预应力束被怀疑是因为在2007年和2010年的检查期间，修复材料发生了变化，连接处环氧涂层的裂缝宽度发生了明显变化。

在随后的深入检查过程中，对这些预应力束进行了仔细检查，但无法通过检查预应力束中部长度来验证滑移的原因，因为修补材料中的裂纹可能是由结构内部的热变化引起的。建议检查锚具（和夹片）和喇叭管。

尽管由于通道问题而未进行检查，但考虑到施工时可能使用了旧一代灌浆，并且有证据表明，使用这些材料的此类预应力束中存在过多的泌水，竖向预应力束被认为是重要的，以供日后考虑。

箱梁开裂

2010年还对箱梁腹板和横隔板的构件开裂进行了检测。

该结构包含桥墩上方的两种类型的横隔梁：

1.滑动支座的横隔板，以及

2.整体连接至桥墩的横隔板（带PT钢筋）。

检查报告的结论是，没有证据表明桥梁结构的不必要移动损害了结构完整性，但建议修复体外束连接，以及恢复防腐系统。检查期间未发现水入侵或灌浆缺陷的直接证据（James河上的Varina Enon大桥I-295最终报告：桥梁缺陷评估和2010年建议的第一阶段研究报告）。

深入调查（2012）

在1999年至2012年的定期和深入检查中观察到并记录的灌浆空隙、腐蚀和钢丝断裂引发了对后张法系统的额外评估。2012年，Parsons Brinckerhoff与无损检测和腐蚀专家Siva腐蚀服务公司合作进行了现场评估，以评估体外束和竖向预应力束中的灌浆和预应力钢绞线。

评估检查了13个体外束位置和18个竖向PT钢筋。检查位置仅代表结构中总共480根体外束和360根PT钢筋中的一小部分，是根据之前的检查选择的。VDOT根据其感知的腐蚀风险选择试验位置，重点是体外束高点和后张法预应力束，其中观察到灌浆通管道为空。

手动打开体外束，移除试验位置的塑料管道。观察灌浆和钢绞线的状况，注意截面损失或钢丝断裂（如有）。在预应力束打开的情况下，团队对灌浆进行了电阻率和碱度的现场测试。采集样品，以供后期实验室测试水分、氯化物、硫酸盐和石膏含量以及岩相评估。测试暴露的钢绞线的腐蚀速率（通过极化电阻测试）和腐蚀电位。此外，使用PTI腐蚀分类（通过目视观察）记录腐蚀迹象。使用内窥镜通过打开的灌浆通管道检查PT钢筋。记录灌浆的一般情况，包括是否存在空隙，并采集水样（如适用）。

在除两个体外束位置外的所有位置，观察到钢绞线具有2级腐蚀（通过目测分类）或轻度表面锈蚀。在一个位置，观察到预应力束有一根断丝（见图36）；另一个位置包含四根断丝（图37）。两个位置的相邻丝也显示了截面损失。这两个位置是在2007年国家交通研究中心目视调查中发现断丝的相同位置；自2007年以来，断丝数量和截面损失百分比有所增加（Parsons-Brinckerhoff，2013年）。

然而，一般来说，钢绞线的腐蚀试验速率不能证实目视结果。这些试验评估了受试预应力束的腐蚀速率介于低至中等之间，在含水量最高的预应力束中遇到最大的腐蚀损伤。通过极化电阻测试进行的腐蚀速率测试有一些需要注意的限制。该试验只能确定嵌入灌浆中的绞线的腐蚀速率。由于具有明显截面损失的灌浆空隙（例如在Varina-Enon桥中遇到的灌浆空隙）而暴露或暴露的钢绞线不能使用此方法进行评估。此外，还测量了腐蚀电位，但这些也没有提供任何确凿的证据表明存在活性腐蚀。预应力束尚未更换。

图片来源：Parsons Brinckerhoff

图36一根断丝，断面损失大

图片来源：Parsons Brinckerhoff

图3 四根断丝，断面损失严重

考虑到用于评估灌浆的多种评估方法，本次检查中测试的灌浆质量总体良好。尽管未发现在此类位置嵌入钢绞线，但发现管道顶部附近的灌浆外观较差（白色和白垩色），且pH值低于理想值。

自2012年起

自2012年以来，桥梁业主开展了额外的维护、维修和检查工作，以解决一些问题，并促进结构完整性评估。最近在桥面横向PT上的灌浆封锚中发现了发际线和龟裂。没有关于这些细节中使用的表面处理或封锚材料的信息。

在定期桥梁安全检查过程中，发现三角形框架的一部分外部横向后张法预应力束从结构中弹出。进一步检查表明，该预应力束从未灌浆过。预应力束被替换。这一发现促进了检查频率的增加。对横向和竖向预应力束进行了附加检查。不总是能够接触到竖向预应力束；在检查的预应力束中，发现约80%的竖向预应力束顶部8 ft处存在空隙。还发现钢丝断裂。本次检查的现场工作于2019年结束。管理机构目前正在制订对策。

考虑到该结构历史悠久的问题，桥梁业主已采取多项措施以便于监测。这些措施包括增加检查频率，加强检查，安装监测仪器和辅助设备，以及将Varina Enon作为“特殊结构”进行分类和管理2013年，VDOT在每个跨度的箱子中安装了内部照明。虽然这对后张法系统没有直接影响，但该机构对这项工作基本上持积极态度，称它对随后的检查工作有很大帮助。2014年，有四根预应力束的监测位置被注入了缓蚀液，监测停止。FHWA磁通量监测在2014年之后多次发生。2018年，为了应对塔架中的混凝土裂缝，使用柔性填料安装了额外的PT。

VDOT与弗吉尼亚理工大学的研究人员实施了一项长期监测计划，使用仪器收集有关温度效应和有效预应力的信息。

这项工作预计在2021年完成，将有助于提高额定载荷的准确性和评估结构的耐久性。另外的努力，包括对声发射系统的投资，以及利用漏磁进行的进一步测量，预计将与这些努力一起使用，以协助原子能机构今后的决策。增加了检查频率。每2年进行一次定期检查，每4年进行一次实际深入检查。目前正在收集结构振动特性和几何结构（包括索塔高程）的基线数据，以便于以后的评估。

总结

维吉尼亚州里士满附近的瓦里纳-埃农大桥在过去20年中进行了两次外预应力束置换。尝试使用预应力束评估的无损方法（腐蚀电位、腐蚀速率）未能成功确认已知的预应力束腐蚀问题。在隔离测试位置测试灌浆质量发现灌浆质量良好，预应力束腐蚀的原因不能归因于灌浆本身。相反，已确定的钢绞线腐蚀和钢丝断裂的位置都在空隙灌浆区域。VDOT完成了以下保护结构的工作：

        ?真空灌浆灌浆空隙，但注意到灌浆不连续性可能导致宏电池腐蚀的形成。

         ?解除张紧并更换多个断裂的预应力束。

         ?成功使用NDE的漏磁方法。

         ?增加目视和深入桥梁检查频率。

         ?安装仪表以监测结构状态。

         ?将结构指定为特殊结构，以确保长期监督。

案例5：普利茅斯大道大桥

作为业主，明尼阿波利斯市公共工程部拥有和维护普利茅斯大道大桥，该桥横跨密西西比河在明尼阿波利斯市中心。该桥于1983年通车，是一对934英尺长的后张法节段结构。四条车道由平行的单室混凝土箱梁沿两个方向（西行和东行）通行。现浇，主跨采用挂篮模板悬臂施工；两个引桥现浇在脚手架上施工。

深入检查（2010）

从1983年通车到2008年，普利茅斯大道大桥每两年定期进行一次检查。在此期间，视察员没有注意到任何触发深入视察的情况。2010年，一名检查员在穿过分段箱梁的内部时，注意到光线穿透带箱梁内部，从箱梁子的底板发出。通过手动操作和一根重杆，检查员能够移除大块混凝土，露出严重腐蚀的预应力束（图38）。

2010年进行的后续检查显示，东向结构的一个跨度中有五根严重腐蚀的预应力束。确定的预应力束位于靠近排水沟的箱底板混凝土中（图39）。发现至少两个已确定的预应力束已失去所有预应力。进一步的检查显示，水已经渗透到箱梁的内部很多年了。

图片来源：科文工程

图38 初步检查发现底板钢筋锈蚀

图片来源：科文工程

图39 排水系统周围明显进水

随后由一名顾问进行了深入检查；检查的目的是利用侵入性技术进一步进行目视检查。本次深入检查的目标如下：

        ?先前确定的锈蚀预应力束，

         ?总体相同、附近底板加腋中的连续性预应力束，

         ?总体相似、附近的连续性和弯起预应力束，

         ?选定的悬臂预应力束，以及

         ?底板连续预应力束的选定锚头。

深入的侵入性检查包括在选定预应力束位置仔细钻穿混凝土上部结构进行目视检查。观察镀锌管道状况、预应力束中的相对灌浆填充、灌浆状况和预应力钢绞线的外观。局部区域的损伤为严重（第3跨完全PT损失）至中度（其他位置的钢丝断裂）。在邻近受损区域的区域，灌浆似乎填充了管道，且质量良好，镀锌管道和预应力钢绞线未出现腐蚀。

对底板连续性预应力束进行选定锚固点的侵入性检查；根据观察到的潜在危险迹象选择了本次调查所选的两个封锚（见图40）。一个封锚有裸露的锈蚀钢筋（第3跨西行），一个封锚有明显的水渍（第3跨东行）。用气动气锤清除倒出物。锚碇中的灌浆孔尽可能在几何上钻孔；灌浆似乎填满了锚。尽管有水存在，Span 3东向锚地状况良好，假设薄环氧涂层超过锚地的85%；在锚具的其余部分观察到轻微的表面锈蚀。Span 3西行锚具的楔块和锚定板上覆盖了较重的锈蚀，但未发现深点蚀或截面损失（Corven Engineering 2010）。

损坏归因于长时间的干湿循环，在此期间，排水系统的径流和风水使箱梁下部板饱和。水分的存在，加上季节性冻融，导致混凝土局部开裂和剥落，最终导致箱梁底板中的后张拉预应力束暴露。通过检查发现了重大损坏，主要发生在跨度3；发现该跨度中的预应力束已失去所有后张拉力。

图片来源：科文工程

图40：外露底板连续预应力束锚头

相邻跨中发现的损伤程度较轻；确定了钢丝断裂，但发现通过摩擦和灌浆联和作用，在离断裂点一定距离处恢复了力。确定的损坏严重到需要关闭桥梁，直到完成维修（并使工程师满意）。修复建议的制定有多个目标：恢复受损预应力束损失的预应力，改善结构的水密性，并提供强度冗余，以补偿潜在的未来问题。

响应

为解决已确定的问题而采取的措施旨在通过更换预应力束恢复原始设计能力，提供额外的腐蚀保护，并消除水分入侵源。在调查之后，在多个跨度中采取了具体的维修措施，包括：

        ?对于跨度3，更换失去后张拉力的预应力束。

         ?1、2、4和5跨中的预应力束（有明显的断丝）暴露、密封并嵌入防腐材料中。假定这些跨度中的所有预应力束保持有效的后张拉力。

         ?使用环氧灌浆修复后张封锚。

         ?在箱梁内部涂覆表面密封层，作为额外的保护措施。

         ?通过注入修复已识别的混凝土裂缝。

         ?现有排水系统在道路层面永久密封，结构内的排水管道被拆除。

总结

明尼苏达州明尼阿波利斯市的普利茅斯大道大桥在2010年之前一直接受常规检查，当时检查员注意到光线穿透桥梁底部（箱底板）的箱体内。尽管报告了过去检查中的常规发现，但深入检查显示，多年来，桥梁排水系统从桥面顶部排水并通过箱子一直是湿气入侵的来源。修复措施包括更换预应力束以重新达到原始设计能力、重新掩埋外露预应力束、修复封锚、注入裂缝和拆除排水系统。

第4章 总结和结论

自该技术进入混凝土桥梁行业以来，各方已共同努力提高后张法桥梁的耐久性，但仍有进一步改进的机会。对于某些州，现有后张法结构继续需要维修和维护措施。通常，这些都是桥梁业主在咨询行业顾问和佛罗里达州交通厅这一关键机构后制定的解决方案。另一方面，一些州，如德克萨斯州和加利福尼亚州，以有许多后张法结构，但他们在调查回复中没有报告他们已发起维修。

当前实践状态的经验教训可从州交通厅对后张法结构的施工、检查和维修实践的调查结果中收集。调查的几个结果和案例很突出：

        ?大多数州拥有后张法结构（44）。

         ?不同的州后张法结构的数量差异很大，一些州没有或很少有后张结构，其他州有数百个。

         ?许多州（23）拥有PT维修经验。

         ?虽然许多州交通厅在制定或更新自己的PT规范时参考了关键指导文件（如PTI/ASBI M50和PTI M55）或其他州的规范，但州与州之间的不一致性非常显著。

         ?在设计阶段，通过指定保护等级来考虑耐久性，但在各州交通厅中未广泛采用。

         ?与施工方法有关的问题仍然存在。通常，它们与灌浆/填料注入过程和注入前的管道压力测试有关。

         ?各州交通厅仍然存在PT施工特定材料的问题，尤其是灌浆填充材料和封锚材料。

         ?一些州交通厅已将未来预应力束安装规定作为标准实践，以在解决后张法结构问题时提供冗余。

         ?常规检查不足以在后张法结构出现严重问题之前确定问题。正如在几个案例中发现的那样，在情况变得危急之前，后张法系统损坏的证据尚未确定。建议由具有PT特定经验的人员进行检查。

         ?最近，各州开始在新的应用中使用材料，努力改进现有结构的防腐，包括使用可注射的专有缓蚀剂和柔性填充材料（如微晶蜡）。几个州已经向受损的预应力束注入了专有的缓蚀剂。